CN113984835A - 一种食品品质实时监测包装罐及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种食品品质实时监测包装罐及监测方法，所述食品品质实时监测包装罐包括罐体和罐盖，所述的罐盖安装有显示屏、电池、控制器和叉指电极，所述叉指电极与食品接触，所述控制器分别与显示屏和叉指电极电连，所述控制器用于发出一系列激励电信号传输到叉指电极中，所述叉指电极用于产生与食品微生物浓度成正比的响应电信号；所述显示屏用于接收并显示控制器计算的食品品质，其中控制器通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品品质。本发明实时监测且变质程度可视，监测时间覆盖食品货架期的整个生命周期，而不是像传统品质监测一样，主要对出厂前的某一个时间点的新鲜度品质进行参数提取。
Description
技术领域
本发明涉及罐装食品品质监测领域，尤其涉及一种食品品质实时监测包装罐及监测方法。
背景技术
随着近几年来食品安全问题的频出，人们对于食品品质要求也越来越高。传统基于理化的实验方法虽然精度高，但检测周期较长。基于仪器检测法也需要在实验室条件下由专业人员来操作。上述这些方法都只是食品出厂前的食品品质检测，并不具备货架期食品品质的实时监测功能。
目前对于罐装食品品质的检测有质谱法，气相色谱法，理化实验等多种检测方法，上述检测只能在实验室里由专业人员完成，尚没有有效的技术对于货架期罐装食品的品质进行实时监测。
现在的食品主要在出厂时订的保质期，只是通过标签简单地分为是否在此保质期内销售或不可销售。对于出厂后食品品质的变化，顾客和商家却一概不知，光凭标签上的保质期无法真正判断食品品质的好坏，进而使得顾客对食品品质产生担忧，商家对该食品是否适宜销售产生误判。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种食品的变质程度可视的食品微生物浓度实时监测包装罐；本发明的另一目的是提供一种食品微生物浓度实时监测方法。
技术方案：本发明的食品品质实时监测包装罐，包括罐体和罐盖，所述的罐盖安装有显示屏、电池、控制器和叉指电极，所述叉指电极与食品接触，所述控制器分别与显示屏和叉指电极电连，所述控制器用于发出一系列激励电信号传输到叉指电极中，所述叉指电极用于产生与食品微生物浓度成正比的响应电信号；所述显示屏用于接收并显示控制器计算的食品品质，其中控制器通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品品质。
进一步地，所述包装罐安装有与控制器电连的LED灯，所述LED灯用于根据食品微生物浓度值大小显示不同颜色的灯。
进一步地，所述包装罐外安装有温度传感器，所述温度传感器用于收集环境温度。
进一步地，所述控制器包括依次连接的差分放大电路、模数转换器、单片机、DDS频率发生器、压控电流源，与单片机连接的显示接口电路。
进一步地，所述叉指电极的对数为10-30，叉指宽度为45-50μm，叉指间缝隙距离为45-50μm。
上述的食品品质实时监测包装罐的监测方法，包括以下步骤：
(1)控制器发出一系列激励电信号并传输到叉指电极中；
(2)叉指电极与食品接触，接收所述激励电信号后产生响应电信号，发送所述响应电信号至控制器；
(3)控制器判断一系列激励电信号是否遍历，若否，则重复步骤(1)和(2)直至其遍历；若是，则控制器拟合根据响应电信号与激励电信号的比值获得的阻抗值，并通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品微生物污染指数，所述食品微生物污染指数用于表示食品品质；
(4)控制器将食品微生物污染指数发送至显示屏上，所述显示屏接收并显示。
进一步地，步骤(3)中，微生物定量评估模型建立的过程包括：
(31)将罐装食品放置在高温环境下进行加速腐败实验，同时采用平板计数法与阻抗谱检测方法对食品中的微生物进行定量检测；
(32)利用最小二乘法对平板计数法和阻抗谱分析法得到的结果进行相关性分析，得到阻抗谱数据与表征细菌总数的微生物污染指数之间的函数关系，建立微生物定量评估模型。
进一步地，所述监测方法包括：(5)温度传感器采集外部环境温度信息，并将信息传输至控制器，控制器接收到温度传感器的环境温度信息后，将与之前实验检测的环境进行比较，再通过温度补偿算法对不同温度下的阻抗值检测结果进行温度修正。
进一步地，步骤(4)中，所述食品微生物污染指数为百分制，食品微生物污染指数≥90时，显示屏显示最佳食用；90＞食品微生物污染指数≥60时，显示屏显示最佳食用；食品微生物污染指数＜60时，显示屏显示不可食用。
进一步地，LED灯根据显示屏显示的状态不同设置不同颜色的灯光。
本发明的检测原理是通过测量微生物新陈代谢所引起的罐头中的食品阻抗值的变化来测定食品中微生物的含量即微生物的污染程度。一开始，由于罐装食品中的微生物还没有大量繁殖，食品中的碳水化合物等营养物质以大分子的形式存在。大分子导电性较弱，整个食品环境中的阻抗值比较大，在食品货架期间，随着时间的推移，微生物逐渐繁殖。微生物以罐头中的食品为营养基，通过新陈代谢将大分子营养物质分解为小分子物质，导电性增强，使食品的电阻抗值降低。利用检测电路测量不同频率下微生物的阻抗值，再对阻抗数据进行拟合，得到被测系统的阻抗谱，通过微生物定量评估模型转换为微生物的污染指数，以此为指标来标的微生物的污染程度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)实时监测且变质程度可视，监测时间覆盖食品货架期的整个生命周期，而不是像传统品质监测一样，主要对出厂前的某一个时间点的新鲜度品质进行参数提取；
(2)应用范围广，根据不同种类的食品进行相应参数的标定，提高包装罐的应用范围；
(3)检测周期短，检测成本低，采用的电阻抗检测技术实现了传统理化实验无法实现的货架期实时监测且极大缩短检测周期。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的罐盖的结构示意图；
图3为本发明的叉指电极结构示意图；
图4为发明的结构框图；
图5为发明的监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明技术方案：一种具有实时品质监测功能的食品包装罐，包括罐体和罐盖，罐盖上安装有显示屏、电池、控制器和叉指电极这四大部件。所述显示屏为电子油墨显示屏，控制器为低功耗控制器。其中，电子油墨显示屏安装在食品罐的盖子上，控制器内嵌在盖子里面，叉指电极则安置在盖子的最下方。
如图1所示，本发明的结构由两部分组成，上半部分是罐装食品盖，下半部分是食品罐身。LED灯4和显示屏1安装在食品盖表面，控制器2内置在食品盖中，叉指电极3安置在食品盖底部。
如图2所示，控制器2的底部连接有叉指电极3，叉指电极3由生物亲和类材料构成，叉指电极3通过专用的粘合剂紧密粘合在罐装食品盖的底部并与食品上层接触，使叉指电极3与罐装食品盖底部保持平行；叉指电极3的两个电极通过导线5连接控制器。显示屏1安装在罐装食品盖的表面，用于显示微生物污染指数与食品状态信息；显示屏1的左边是LED灯4，LED灯4根据不同的微生物污染指数发出不同颜色的灯光以此表示不同的食品状态。
如图3所述，叉指电极3由第一电极6、第二电极7、第一接线柱8、第二接线柱9、叉指10组成；第一电极6和第二电极7相互平行并垂直与食品上层接触进行食品阻抗值的检测，第一电极6和第二电极7与两旁的第一接线柱8和第二接线柱9通过两根导线与控制器进行相连。两个垂直的第一电极6、第二电极7之间是多个叉指10，叉指10数量相同并且相互交叉。叉指宽度，相邻叉指之间的间隙距离11对于叉指电极传感器的检测灵敏度具有很大的影响，而叉指10的长宽比越大，叉指10的密度越大，叉指电极3的初始电阻就越小，叉指电极传感器的灵敏度和响应速度将会提高。本发明装置选取叉指对数为10-30，叉指宽度为45-50μm，叉指间缝隙距离为45-50μm。
如图4所示，控制器2包括单片机、模数转换器、差分放大电路、DDS频率发生器、压控电流源以及显示接口电路。单片机通过显示接口电路分别连接外部的显示屏1和LED灯4。单片机的输出端依次连接DDS频率发生器、压控电流源和叉指电极3，叉指电极3依次连接差分放大电路、和单片机，整个实时监测系统靠纽扣电池供电进行工作。单片机是整个控制器的工作枢纽，是检测信号输入与输出的核心硬件。当系统运行时，单片机将激励信号传给DDS频率发生器，DDS频率发生器根据接收到的激励信号发出特定频率的正弦波信号，该正弦波信号再通过压控电流源转换为激励电流传输到叉指电极3中。叉指电极3根据食品微生物的阻抗特性，产生与食品微生物浓度成正比的电信号传输到差分放大电路中。差分放大电路用于将从叉指电极3响应的电压信号放大，并通过数模转换器将模拟信号转化为数字信号，之后传输到单片机中进行数据处理。由于食品在货架期间处在不同的环境温度下，为降低或消除环境温度变化对阻抗值的影响，温度传感器将不断收集外部环境温度的信息传输到单片机中，单片机通过温度补偿算法对计算出的被测系统阻抗值进行修正，从而提高计算结果的准确性。
如图5所示，应用食品品质实时监测包装罐的监测方法包括以下步骤：
(1)当食品生产线封装结束，本发明食品品质实时监测装置开始工作，控制器中的DDS频率发生器发出一系列频率的正弦波，压控电流源接受到信号之后将正弦波转化为激励电流，激励电流信号再传输到叉指电极3中；
(2)叉指电极3中的第一电极6和第二电极7相接触的微生物数量在货架期间不断发生变化，叉指电极之间的阻抗值是不断地发生变化，因此叉指电极3所发出的电信号也是不同的，差分放大电路将接收到的响应电压放大后，经过数模转换器传输到单片机中。
(3)单片机判断一系列正弦波是否遍历，若否，则重复步骤(1)和(2)直至其遍历；若是，单片机根据激励电流和响应电压之间的关系计算出不同频率下的阻抗值，具体公式如下：
Y＝G(ω)X，当输入信号X为电压，输出信号Y为电流时，G(ω)为导纳；当输入信号X为电流，输出信号Y为电压时，G(ω)为阻抗；
单片机通过控制DDS频率发生器改变模拟信号的输出频率，依次发出频率为f1,f2,f3...的正弦波，得到不同频率下的n个阻抗值Z1,Z2,Z3...；
并通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品微生物污染指数，所述食品微生物污染指数用于表示食品品质；
微生物定量评估模型建立的过程包括：
(31)在罐装食品出厂前，实验人员将罐装食品放置在高温环境下进行加速腐败实验，同时采用平板计数法与阻抗谱检测方法对食品中的微生物进行定量检测。检测采样间隔为30分钟；
(32)利用最小二乘法对平板计数法和阻抗谱分析法得到的结果进行相关性分析，得到阻抗谱数据与表征细菌总数的微生物污染指数之间的函数关系，将该函数关系以表格的形式存放在单片机中，以供检测时查询，至此完成模型的构建与导入。
(5)在食品货架期间，监测环境温度并不是一直保持不变的，为了降低或消除环境温度变化对监测结果的影响，有效的温度补偿算法是必不可少的。罐装食品盖中的温度传感器在食品货架期间采集外部环境温度信息,并将信息传输到单片机中。单片机接收到温度传感器的环境温度信息后，将与之前实验检测的环境进行比较，再通过温度补偿算法对不同温度下的阻抗值检测结果进行温度修正。
单片机将温度修正过的阻抗值运用最小二乘法与微生物定量评估模型进行数据拟合，最小二乘法是一种用来进行曲线拟合的常规方法，它根据离散的阻抗值的分布特点，拟合出一条到各个离散点距离的平方和最小的曲线，通过拟合出的曲线得出相应食品微生物污染指数，并将食品微生物污染指数转化为百分比形式的数值，并以此作为衡量食品品质优劣的指标显示在显示屏1上，单片机根据数值的大小控制LED灯4发出不同颜色的灯光。当数值≥90时，全彩4显示绿色，显示屏1中的食品状态栏显示最佳食用；当60≤显示数值＜90时，LED灯4显示橙色，显示屏1中的食品状态栏显示可食用；当显示数值下雨60时，LED灯4显示红色，显示屏1中的食品状态栏显示不可食用。
检测原理：罐装食品随着货架期的推移，罐装食品的电学特性会发生以下变化：食品中的细胞结构与理化成分随着时间的推移发生变化，导致其电特性发生改变。随着微生物的增多，微生物的细胞膜具有典型的电容特性，对整体的电特性改变产生影响，并且微生物新陈代谢将大分子物质转化为小分子物质，致使整体电容特性发生变化。因此通过电学特性的检测可以得到食品的品质信息。
实施过程：由于监测装置分布在食品罐的盖子中，当拧紧食品盖后，叉指电极便与食品接触并产生电信号传输到控制器中，控制器将收集来的电信号进行分析处理，再通过显示接口电路使指标数据显示到电子油墨显示屏上。当食品品质优良时，盖子会发出绿色信号；当食品品质一般时，盖子会发出橙色信号；当食品品质低劣时，盖子会发出红色信号。
参数标定：食品指标参数是监测系统评判食品品质优劣的依据，由于不同的食品的电学特征不同，在出厂前就要对各类食品进行参数校验，该标定由实验人员利用本发明提出的微生物定量评估模型完成。
Claims (10)
1.一种食品品质实时监测包装罐，包括罐体和罐盖，其特征在于，所述的罐盖安装有显示屏、电池、控制器和叉指电极，所述叉指电极与食品接触，所述控制器分别与显示屏和叉指电极电连，所述控制器用于发出一系列激励电信号传输到叉指电极中，所述叉指电极用于产生与食品微生物浓度成正比的响应电信号；所述显示屏用于接收并显示控制器计算的食品品质，其中控制器通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品品质。
2.根据权利要求1所述的食品品质实时监测包装罐，其特征在于，所述包装罐安装有与控制器电连的LED灯，所述LED灯用于根据食品微生物浓度值大小显示不同颜色的灯。
3.根据权利要求1所述的食品品质实时监测包装罐，其特征在于，所述包装罐外安装有温度传感器，所述温度传感器用于收集环境温度。
4.根据权利要求1所述的食品品质实时监测包装罐，其特征在于，所述控制器包括依次连接的差分放大电路、模数转换器、单片机、DDS频率发生器、压控电流源，与单片机连接的显示接口电路。
5.根据权利要求1所述的食品品质实时监测包装罐，其特征在于，所述叉指电极的对数为10-30，叉指宽度为45-50μm，叉指间缝隙距离为45-50μm。
6.根据权利要求1-5任一所述的食品品质实时监测包装罐的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)控制器发出一系列激励电信号并传输到叉指电极中；
(2)叉指电极与食品接触，接收所述激励电信号后产生响应电信号，发送所述响应电信号至控制器；
(3)控制器判断一系列激励电信号是否遍历，若否，则重复步骤(1)和(2)直至其遍历；若是，则控制器拟合根据响应电信号与激励电信号的比值获得的阻抗值，并通过预先建立的微生物定量评估模型计算食品微生物污染指数，所述食品微生物污染指数用于表示食品品质；
(4)控制器将食品微生物污染指数发送至显示屏上，所述显示屏接收并显示。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，步骤(3)中，微生物定量评估模型建立的过程包括：
(31)将罐装食品放置在高温环境下进行加速腐败实验，同时采用平板计数法与阻抗谱检测方法对食品中的微生物进行定量检测；
(32)利用最小二乘法对平板计数法和阻抗谱分析法得到的结果进行相关性分析，得到阻抗谱数据与表征细菌总数的微生物污染指数之间的函数关系，建立微生物定量评估模型。
8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：(5)温度传感器采集外部环境温度信息，并将信息传输至控制器，控制器接收到温度传感器的环境温度信息后，将与之前实验检测的环境进行比较，再通过温度补偿算法对不同温度下的阻抗值检测结果进行温度修正。
9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述食品微生物污染指数为百分制，食品微生物污染指数≥90时，显示屏显示最佳食用；90＞食品微生物污染指数≥60时，显示屏显示最佳食用；食品微生物污染指数＜60时，显示屏显示不可食用。
10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，LED灯根据显示屏显示的状态不同设置不同颜色的灯光。
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