CN105181912A - 一种大米储藏过程中的新鲜度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大米储藏过程中的新鲜度检测方法，属于大米储藏监测技术领域；本发明首先使用带加热装置和特质滤网的气体采集探针采集粮食储藏设备中的挥发性气体，然后利用3CCD相机获取疏水膜上的传感器阵列与大米样本气体反应前后的R、G、B图像，计算机对图像进行处理，最后将其颜色信号值代入线性判别分析模型，计算机输出大米样本的新鲜度；本发明通过大米挥发气味检测其新鲜度，是一种绿色的，快速无损的方法，与传统化学检测方法想比较，本发明较为便捷，无污染，且与人的感官评定有一定的一致性，相比起人工感觉，本发明客观性和重现性较好。本发明对满足消费者对食品质量和安全方面及企业原料充分利用效益最大化有着重要的现实意义。

Description

一种大米储藏过程中的新鲜度检测方法

技术领域

本发明涉及一种大米储藏过程中的新鲜度检测方法，属于大米储藏过程中的监测技术领域。

背景技术

大米是我国人民的主食之一。稻谷垄谷后，大米由于失去稻壳的保护，胚乳直接与空气接触经过，大米中的淀粉、脂肪和蛋白质等会发生各种变化，使大米失去原有的色、香、味，营养成分和食用品质下降，甚至产生有毒有害物质。此外，大米的新鲜度也会对其附加产品的质量有所影响。譬如用陈化的大米酿造出的啤酒中的糖基化合物的含量增加，导致啤酒的老化等。

目前我国大米新鲜度的检测方法有TBA值测定法、酸碱指示剂法、酶活性法等。如GB/T15684-1995中利用测定大米中的脂肪酸来检验大米的新鲜度，然而，该方法步骤复杂，准确度较差。发明专利“快速检验大米新鲜度的检测管”（201220263903.5）公开了一种快速检验大米新鲜度的检测管，但其结果通过与标准色卡比较，结果准确度较差，且不可量化。论文“几种检测大米新鲜度的方法比较”介绍了酶活性法测量大米的新鲜度，但该方法步骤复杂，准确度较差，不能快速准确的检测出大米的新鲜度；论文“稻米新鲜度快速检测技术研究”中介绍了日本SATAKE公司的大米测鲜仪，但其进口设备价格昂贵，且样本需要预处理，步骤繁琐，且精度不高。

因此，寻找一种简便、稳定、可量化的大米新鲜度的表征和检测方法，对监控和检测大米品质，满足消费者对食品质量和安全方面及企业原料充分利用效益最大化有着重要的现实意义。色敏传感器技术是近年来出现的一种气体表征的新方法,利用色敏传感器与待测气体反应前后的颜色差值,对待测气体进行定性和定量分析，近年来，色敏传感器技术在食品及农产品检测领域得到了相关应用，如专利“一种基于嗅觉可视化检测鱼新鲜度的方法及装置”（申请号:201010262347.50）公开了一种嗅觉可视化检测鱼新鲜度的方法和装置，但该装置比较笨重，其图像获取装置是扫描仪，难以满足实时监测的要求。色敏传感器技术在农产品气味的检测方面有其独特的优势，但在大米储藏过程中的新鲜度检测还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有大米储藏过程中新鲜度检测方法的不足，提出一种基于新型色敏传感器技术的大米储藏过程的新鲜度检测方法，通过无线传感器阵列自动、实时监测整个大米储藏过程中新鲜度的变化情况。

本发明采用的技术解决方案如下：

本发明提供一种大米储藏过程中的新鲜度检测装置，包括计算机、信息采集***、真空泵、加热模块、带有特质滤网的气体采集探针和大米储藏设备。

其中信息采集***包括3CCD相机、LED光源、反应室和传感器阵列，其中所述3CCD相机固定于信息采集***上端，与计算机相连接，3CCD相机是用来获取反应前、后传感器的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量的图像；其中计算机是用来实时处理采集到的大米储藏过程中的挥发性气体信息，信息采集***是用来采集大米挥发性气体信息传输入计算机；

所述LED光源固定于信息采集***内部两侧，用于给3CCD相机摄像头的采集提供良好的光源保证，提高采集图像的质量，以便后期传送到计算机进行实时处理；

所述信息采集***底部设置有反应室，反应室内排布传感器阵列；反应室是大米储藏过程中的挥发性气体与相应色敏传感器进行充分反应的器皿，传感器阵列是先通过微量点样形成的4×3的阵列；

所述真空泵与带有特质滤网的气体采集探针相连接，气体采集探针进样口装有滤网，下端装有加热模块，气体采集探针将采集到的大米储藏过程中的挥发性气体通过真空泵泵入反应室；带有特质滤网的气体采集探针直接置于大米储藏设备中；带有特制滤网的气体采集探针的作用是用来防止大米中的杂质堵塞装置，而只提取储藏过程的大米挥发性气体。

加热模块置于大米储藏设备中，可以是任意用来加热的装置，用于检测样本的加热，促进气体挥发。

本发明的另一目的在于提供一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，包括如下步骤：

（1）首先通过气相色谱-质谱（GC-MS）确定不同新鲜度大米的特征挥发性气体，其中八(乙二醇)一(十二烷基)醚、苯甲醛及己醛含量在大米储藏过程中变化明显（八(乙二醇)一(十二烷基)醚在大米储藏六个月后，含量急剧减少；苯甲醛在新鲜大米中不存在，随着大米储藏时间增加，含量逐渐增加，己醛在大米的储藏过程中，含量先增加后减少）；然后筛选对这些气体敏感的色敏材料：3种卟啉类化合物和1种pH指示剂；其中，3种卟啉类化合物为原卟啉二甲酯、八乙基卟啉、四苯基苯并三元卟啉，将卟啉类化合物分别溶于二氯甲烷溶剂中，浓度范围为1-2mg/mL,在该浓度下，卟啉溶液的颜色适中，较均匀的分散在介质衬底上，易与大米挥发气体反应；pH指示剂尼罗红，溶于乙醇中，浓度均为1-2mg/mL，在该浓度下，卟啉溶液的颜色适中，较均匀的分散在介质衬底上，易与大米挥发气体反应。通过微量点样毛细管将4种色敏材料逐个印染在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上，制得4种色敏传感器，这4种色敏传感器构成色敏材料传感器阵列；

（2）3CCD相机获取反应前传感器阵列的初始R、G、B图像传输给计算机，计算机进行图像处理获得初始颜色信息；

（3）不同阶段大米挥发性气体的采集：气体采集探针置于大米样本中，开启加热模块和真空泵，抽取大米储藏过程中的挥发性气体进入反应室与传感器阵列的色敏材料反应；3CCD相机获取反应后传感器阵列的R、G、B图像传输给计算机，计算机进行图像处理，通过图像高斯滤波去噪、阈值分割、形态学处理、特征区域提取（以色敏材料重心为圆点，15个像素为半径的圆）等获得反应前后图像中各色敏材料的R、G、B灰度的平均值，得到不同新鲜度大米挥发性气体的特征矩阵；

（4）利用色敏材料传感器阵列与样本挥发性气体反应，提取相关信息，输入已建好新鲜度线性判别模型，即可实现对待测样本新鲜度的检测；其中新鲜度线性判别模型的建立，具体操作是将数据进行主成分分析，最后选取前7个主成分构建线性判别分析模型来判别大米的新鲜度。

本发明的有益效果：

1．本发明操作快速简便，是一种绿色的，快速无损的大米新鲜度检测方法，检测一个样本只需要几分钟即可，可用于陈化大米的品质检测，也可用于大米储藏过程中陈化过程监控；

2.与传统化学和生物检测方法相比较，本发明较为便捷，无污染，无需预处理，由于是由多个色敏传感器组成的矩阵，与人的感官评定有一定的一致性，更能反映和体现人对食物的评价和喜好；

3.相比起人工感官评定，本发明客观性和重现性较好，使得大米的品质可记忆和传承，不易受环境因素和其它主客观因素的干扰。

附图说明

图1是粮食储存过程中的新鲜度检测***示意图。

图2嗅觉可视化软件处理***示意图。

图中：1、计算机，2、3CCD相机，3、LED光源，4、反应室，5、传感器阵列，6、真空泵，7、气体采集探针，8、滤网，9、加热模块，10、大米储藏设备。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案更进一步的阐述。

实施例1：一种大米储藏过程中的新鲜度检测装置

如图1所示，本发明提供的一种大米储藏过程中的新鲜度检测装置，包括计算机1、信息采集***、真空泵6、加热模块9、带有特质滤网8的气体采集探针7和大米储藏设备10。

其中信息采集***包括3CCD相机2、LED光源3、反应室4和传感器阵列5，其中所述3CCD相机2固定于信息采集***上端，与计算机1相连接，3CCD相机2是用来获取反应前、后传感器的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量的图像；其中计算机1是用来实时处理采集到的大米储藏过程中的挥发性气体信息，信息采集***是用来采集大米挥发性气体信息传输入计算机1；

所述LED光源3固定于信息采集***内部两侧，用于给3CCD相机2摄像头的采集提供良好的光源保证，提高采集图像的质量，以便后期传送到计算机1进行实时处理；

所述信息采集***底部设置有反应室4，反应室4内排布传感器阵列5；反应室4是大米储藏过程中的挥发性气体与相应色敏传感器进行充分反应的器皿，传感器阵列5是先通过微量点样形成的4×3的阵列；

所述真空泵6与带有特质滤网8的气体采集探针7相连接，气体采集探针进样口装有滤网8，下端装有加热模块9，气体采集探针7将采集到的大米储藏过程中的挥发性气体泵入反应室4；带有特质滤网的气体采集探针7直接置于大米储藏设备10中；带有特制滤网的气体采集探针7的作用是用来防止大米中的杂质堵塞装置，而只提取储藏过程的大米挥发性气体。

加热模块9置于大米储藏设备10中，可以是任意用来加热的装置，用于检测样本的加热，促进气体挥发。

实施例2：一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法

一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，包括如下步骤：

（1）实施实例的样本均来自同一品种的大米，所有样本按照储藏时间分为四组，分别为1个月、2个月、6个月和12个月。每组有30个样本，共120个样本；

（2）色敏传感器的制作：对大米新鲜度气味敏感的3种卟啉类化合物和1种pH指示剂配成的溶液通过微量点样毛细管将其印染在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上，制成色敏材料传感器阵列，其中，3种卟啉类化合物：①原卟啉二甲酯，②八乙基卟啉，③四苯基苯并三元卟啉，分别溶于二氯甲烷溶剂中，浓度范围为1-2mg/mL（经过预先优化）；pH指示剂：尼罗红，溶于乙醇中，浓度范围为1-2mg/mL（经过预先优化）；

（3）将传感器阵列5至于反应室4中，3CCD相机2获取反应前传感器阵列R、G、B三个颜色通道的初始图像；

（4）气体采集探针7置于大米样本中，开启加热模块9和真空泵6，抽取大米储藏过程中的挥发性气体进入反应室4与色敏材料反应；3CCD相机获取反应后传感器阵列的R、G、B图像传输给计算机，计算机1进行图像处理，通过图像高斯滤波去噪、阈值分割、形态学处理、特征区域提取（以色敏材料重心为圆点，15个像素为半径的圆）等获得反应前后图像中各色敏材料的R、G、B灰度的平均值，再对反应前后灰度的平均值相减，得到可视化传感器阵列的响应特征矩阵，再将特征矩阵还原为图像（如图2）。将数据进行主成分分析，提取前7个主成分构建线性判别分析模型来判别大米的新鲜度。

（5）利用40个独立样本（每个类别有10个样本）对该方法进行验证，结果如表1所示，结果表明该方法对所有样本的综合识别率达到85%，然而，对于储藏6个月和储藏12个月的大米样本的识别率均为100%。表明该方法可以对大米的新鲜度进行智能化鉴别。

表1LDA模型预测大米新鲜度

Claims (7)

1.一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，所述方法是利用色敏材料与不同新鲜度的大米气味反应颜色不同来判别大米的新鲜度，主要包括如下步骤：

（1）首先通过GC-MS确定不同新鲜度大米的特征挥发性气体，然后筛选对这些气体敏感的色敏材料，制成色敏材料传感器阵列；

（2）3CCD相机（2）获取反应前传感器阵列的初始R、G、B图像传输给计算机（1），计算机（1）进行图像处理获得初始颜色信息；

（3）采集不同阶段大米挥发性气体，将采集的信息传输给计算机（1）进行图像处理以得到不同新鲜度大米挥发性气体的特征矩阵；

（4）利用色敏材料传感器阵列（5）与样本挥发性气体反应，提取相关信息，输入已建好新鲜度线性判别模型，即实现对待测样本新鲜度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，步骤（1）中所述的通过GC-MS确定的不同新鲜度大米的特征性挥发性气体为八(乙二醇)一(十二烷基)醚、苯甲醛、己醛。

3.根据权利要求1所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，步骤（1）中所述的色敏材料为3种卟啉类化合物和1种pH指示剂；其中，3种卟啉类化合物为原卟啉二甲酯、八乙基卟啉、四苯基苯并三元卟啉，将卟啉类化合物分别溶于二氯甲烷溶剂中，浓度范围为1-2mg/mL；pH指示剂为尼罗红，溶于乙醇中，浓度均为1-2mg/mL，通过微量点样毛细管将每一个色敏材料逐个印染在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上，制成色敏材料传感器阵列。

4.根据权利要求1所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，步骤（3）中所述不同阶段大米挥发性气体的采集具体操作如下：

气体采集探针（7）置于大米样本中，开启加热模块（9）和真空泵（6），抽取大米储藏过程中的挥发性气体进入反应室（4）与传感器阵列（5）的色敏材料反应；3CCD相机（2）获取反应后将传感器阵列（5）的R、G、B图像传输给计算机（1），计算机（1）进行图像处理。

5.根据权利要求1所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，步骤（2）或（3）中所述的计算机进行图像处理的具体方法为：

将采集到的图像信息通过高斯滤波去噪、阈值分割、形态学处理、特征区域提取，以色敏材料重心为圆点，15个像素为半径的圆，获得反应前后图像中各色敏材料的R、G、B灰度的平均值，得到不同新鲜度大米挥发性气体的特征矩阵。

6.根据权利要求4所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，其中所述气体采集探针（7）下端装有加热模块（9），用于检测样本的加热，促进气体挥发，气体采集探针（7）进样口装有滤网（8），用于防止大米中的杂质堵塞装置，而只提取储藏过程的大米挥发性气体。

7.根据权利要求4所述的一种大米储藏过程中新鲜度的检测方法，其特征在于，其中步骤（4）中所述新鲜度线性判别模型的建立，具体操作是将数据进行主成分分析，最后选取前7个主成分构建线性判别分析模型来判别大米的新鲜度。