基于CCD传感器系统的油炸薯片中丙烯酰胺含量测定

何鹏+康子洋+万晓青+房汉雄

摘要：设计了一种基于感光耦合元件（Charge-coupled device， CCD）传感器的油炸薯片中丙烯酰胺含量的测定系统，通过测定不同煎炸时间薯片的双面像元电压值，发现薯片中丙烯酰胺含量与薯片双面像元电压值的平均值之间存在相关性（R2=0.975），其线性回归方程为y=35.399x+48.151。随机抽取市场上出售的6种不同品牌的薯片，获取其双面像元电压值的平均值代入方程计算得到丙烯酰胺含量，并通过标准化学方法测定薯片中丙烯酰胺含量，对比发现两者间的最大相对误差仅为4.75%，表明该方法可适用于油炸薯片中丙烯酰胺的快速测定。

关键词：CCD传感器;油炸薯片;丙烯酰胺

中图分类号：TP391.41         文献标识码：A         文章编号：0439-8114（2014）20-4955-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.049

Determing Acrylamide in Fried Potato Chips Based on CCD Sensor System

HE Peng， KANG Zi-yang， WAN Xiao-qing， FANG Han-xiong

（College of Communications and Electronics Engineering， Qiqihar University， Qiqihar 161006， Heilongjiang， China）

Abstract： A system of determining acrylamide in fried potato chips based on charge-coupled device （CCD） sensor was designed. A correlation between the average of double-sided picture element voltage and acrylamide contents in potato chips was found （R2 =0.975） and a linear regression equation was established y=35.399x+48.151.6. Different commercial potato chips were collected in market， their average of double-sided picture element voltage and acrylamide were detected. The results showed that the good coincidence between the CCD method and the standard chemical method was found. The maximum of relative error between them was 4.75%. It is indicated that the method is feasible for rapidly detecting acrylamide in fried potato chips.

Key words： CCD Sensor; fried potato chips; acrylamide

丙烯酰胺是一种可能致人类癌症和畸形的神经毒性物质[1，2]，研究发现其广泛存在于高温烘焙和油炸的淀粉类食物中，备受相关组织和研究人员的关注[3]。目前丙烯酰胺的检测方法包括：气相色谱法[4]、高效液相色谱法[5]和各种质谱联用技术[6，7]。这类仪器方法具有准确度高、精密度好和样本检测限低等优势，但同时也存在前处理技术繁复，技术门槛高、耗时、成本高的不足，难以在基层推广。为此，本课题组提出了一种非接触的，以CCD传感器为基础的油炸薯片内丙烯酰胺含量的新型检测方法。该法只需要将待测薯片置于CCD视觉传感器系统内，由CCD读取薯片表面图像信息并输出信号，信号经处理后，通过分析该信息与丙烯酰胺含量的线性关系，计算得到薯片中丙烯酰胺含量。与传统化学方法相比（见图1），该法无前处理、无试剂污染、操作简单、检测时间短，适用于检测市场中油炸薯片中丙烯酰胺的含量。

1  材料与方法

1.1  材料与试剂

马铃薯（大西洋品种）块茎5个、花生油（鲁花）2 L。

丙烯酰胺标准品（纯度≥99%）、饱和溴水（≥3%）、氢溴酸（≥40%、乙酸乙酯（色谱纯）、正己烷（重蒸馏）、硫代硫酸钠溶液（0.2 mol/L）、溴化钾、甲醇、无水硫酸钠（650 ℃灼烧4 h，干燥器中保存），其余试剂均为分析纯，去离子水。

1.2  仪器

TRACE MASS 2000气相色谱-质谱仪（美国菲尼根质谱公司）、固相提取装置（美国Supelco，配Carbotrap B柱，500 mg/3 mL）、DF-81可控温电炸锅（广州市煌子西厨设备制造有限公司）、ZX-300马铃薯切片机（北京泽信伟业果蔬切割设备有限公司）、聚四氟乙烯活塞分液漏斗等。

CCD传感器系统大体包括光源系统、CCD驱动模块以及信号处理模块等[8，9]。CCD选择NEC公司生产的μPD3575D线阵CCD，CCD的驱动工作使用单片机芯片C8051F330。

1.3  方法

1.3.1  样品制备  将马铃薯清洗净后，用切片机制成直径4 cm、厚度2 mm的薯片20片;将2 L花生油加温至170℃后，放入全部薯片浸没煎炸，每隔1 min从锅内取出油炸薯片。

1.3.2  仪器分析  采用气相色谱-质谱法（GB/T5009.204-2005）测定上述样本中丙烯酰胺含量[10]。具体条件为：DB-5 MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;接口温度270 ℃;程序升温：70 ℃保持1 min，以15 ℃/min升至270 ℃，保持10 min;离子源温度230℃;进样口温度270 ℃;电离方式EI 源（70 eV）;离子监测方式;载气为氦气（纯度99.999%）;流速1.0 mL/min;恒流进样（不分流）;进样量1 μL。

1.3.3  CCD视觉传感器设计   ①光源系统 考虑到试验过程中环境光源的稳定性、发光效率和光谱特性等问题，选择直线型LED阵列作为本系统的光源，通过照射薯片后反射到CCD传感器上。根据CCD的峰值响应波长，选用550 nm的LED，通过调节发光二极管的电流来调节光源的强度，即可保证线阵CCD不进入非线性工作区域，也可确保试验在均匀光条件下采集数据，光源设计电路如图2所示。②CCD驱动模块采用单片机驱动法，μPD3575D线阵CCD共有转移脉冲ΦTG、转移时钟脉冲ΦIO、采样保持脉冲ΦSHO和复位脉冲ΦRO 4路脉冲[11，12]。驱动脉冲电压为5 V。μPD3575D驱动时序部分波形如图3所示;在驱动电路中，C8051F330的工作电压为3.3 V，晶振频率为20MHz，以C8051F330的指令周期作为最基本单位，其中P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，分别为ΦIO、ΦRO、ΦTG和ΦSHO等4路驱动脉冲输出端口，具体硬件电路如图4所示。

1.3.4  CCD视觉传感器检测  将油炸薯片放入CCD传感器系统中，每当CCD传感器的4个驱动脉冲循环1次，采集此时输出的像元电压值，当薯片整面的信息都被采集后，将这个周期所有的像元电压值取平均记为a1，并记录下来。将薯片翻面重复上述操作，取值记为a2，同一枚薯片的正反两面要进行20次测量，20次的a1值取平均记为a1`，20次的a2值取平均记为a2`，a1`和 a2`的均值记为a。

2  结果与分析

2.1  数据测量

试验发现薯片在煎炸8 min时像元电压值最大，结果见表1。

由表1可知，测定数据分布稳定，基本符合正态分布，经过20次测定，减小了随机误差，使测量值更趋于平均值。

2.2  相关性分析

分别通过仪器分析方法和CCD传感器系统分析煎炸薯片，其结果分别见图5和图6。比较发现，薯片双面像元电压平均值a的散点图曲线与薯片内丙烯酰胺含量值的散点图曲线形状和走向基本一致，采用SPSS软件对薯片双面像元电压平均值a和丙烯酰胺含量值进行分析，发现2组数据之间存在良好线性相关，R2=0.975，从而建立薯片双面像元电压的平均值a和丙烯酰胺含量之间的线性回归方程为y=35.399x+48.151（图7）。

2.3  系统测试

抽取市场上6种主要品牌的薯片，每种品牌薯片各随机抽取一片。分别采用CCD方法和化学方法测定薯片中丙烯酰胺含量值。结果如表2所示，对比发现两者间的最大相对误差仅为4.75%，结果表明该方法具备可行性。

3  小结

本课题所设计的检测薯片内丙烯酰胺技术，异于传统的检测，属于无损检测技术，无需对样本前处理、无化学试剂污染、检测成本低，是一种快捷、简便、经济的检测方法。采用CCD采集得到的薯片双面像元电压的平均值，通过化学方法测定薯片的丙烯酰胺含量值，经SPSS软件的最小二乘法分析，发现薯片双面像元电压值a与丙烯酰胺含量值有相关性，R2为0.975，其间的线性回归方程为y=35.399x+48.151。随机抽取市场上出售的6种不同品牌的薯片，用上述2种方法测定其中的丙烯酰胺含量，结果表明2种方法测定结果的最大相对误差为4.75%，表明该方法适用于薯片中的丙烯酰胺快速检测。

参考文献：

[1] 李  军，邓洁红，谭兴和，等.丙烯酰胺毒性及油炸食品丙烯酰胺抑制方法研究进展[J].粮食与饲料工业，2010，9（1）：31-33.

[2] CAPUANO E， FOGLIANO V. Acrylamide and 5-hydroxy methyl furfural （HMF）： A review on metabolism， toxicity， occurrence in food and mitigation strategies[J]. LWT-Food Science and Technology， 2011， 44（4）： 793-810.

[3] 刘荣森，张长水.食品中丙烯酰胺测定方法研究进展[J].食品工程，2012，12（4）：52-54.

[4] 杨文武.关于气相色谱法测定水中丙烯酰胺的研究[J].环境科学导刊，2011，30（4）：82-84.

[5] 叶艳芬，徐利恒.固相萃取-高效液相色谱法测定面粉类食品中丙烯酰胺[J].分析实验室，2013，32（7）：95-97.

[6] 李吉平，刘文森，高虹伟，等.固相萃取HPLC联用法测定食品中丙烯酰胺含量的研究[J].食品科学，2007，28（2）：250-254.

[7] TATEO， F， BONONI， M， GALLONE F， et al. Acrylamide content in potato chips on the Italian market determined by liquid chromatography tandem mass spectrometry[J]. International Journal of Food Science and Technology， 2010， 45（3）：629-634.

[8] 马  骏，黄  勇，孙  力，等.大面阵CCD图像传感器驱动采集系统设计[J].电子测量技术，2007，30（12）：158-160.

[9] 侯新梅，李自田，胡炳樑.基于FPGA的面阵CCD驱动电路的设计[J].现代电子技术，2010，7（3）：195-197.

[10] GB/T5009.204-2005，食品中丙烯酰胺含量的测定方法气相色谱—质谱（GC-MS）法[S].

[11] 王慧华.一种基于新型单片机的CCD驱动电路设计[J].邢台职业技术学院学报，2009，26（1）：79-82.

[12] 李景林.CCD驱动方式的比较[J].微计算机信息，2010，26（2）：192-194.

1.3.2  仪器分析  采用气相色谱-质谱法（GB/T5009.204-2005）测定上述样本中丙烯酰胺含量[10]。具体条件为：DB-5 MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;接口温度270 ℃;程序升温：70 ℃保持1 min，以15 ℃/min升至270 ℃，保持10 min;离子源温度230℃;进样口温度270 ℃;电离方式EI 源（70 eV）;离子监测方式;载气为氦气（纯度99.999%）;流速1.0 mL/min;恒流进样（不分流）;进样量1 μL。

1.3.3  CCD视觉传感器设计   ①光源系统 考虑到试验过程中环境光源的稳定性、发光效率和光谱特性等问题，选择直线型LED阵列作为本系统的光源，通过照射薯片后反射到CCD传感器上。根据CCD的峰值响应波长，选用550 nm的LED，通过调节发光二极管的电流来调节光源的强度，即可保证线阵CCD不进入非线性工作区域，也可确保试验在均匀光条件下采集数据，光源设计电路如图2所示。②CCD驱动模块采用单片机驱动法，μPD3575D线阵CCD共有转移脉冲ΦTG、转移时钟脉冲ΦIO、采样保持脉冲ΦSHO和复位脉冲ΦRO 4路脉冲[11，12]。驱动脉冲电压为5 V。μPD3575D驱动时序部分波形如图3所示;在驱动电路中，C8051F330的工作电压为3.3 V，晶振频率为20MHz，以C8051F330的指令周期作为最基本单位，其中P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，分别为ΦIO、ΦRO、ΦTG和ΦSHO等4路驱动脉冲输出端口，具体硬件电路如图4所示。

1.3.4  CCD视觉传感器检测  将油炸薯片放入CCD传感器系统中，每当CCD传感器的4个驱动脉冲循环1次，采集此时输出的像元电压值，当薯片整面的信息都被采集后，将这个周期所有的像元电压值取平均记为a1，并记录下来。将薯片翻面重复上述操作，取值记为a2，同一枚薯片的正反两面要进行20次测量，20次的a1值取平均记为a1`，20次的a2值取平均记为a2`，a1`和 a2`的均值记为a。

2  结果与分析

2.1  数据测量

试验发现薯片在煎炸8 min时像元电压值最大，结果见表1。

由表1可知，测定数据分布稳定，基本符合正态分布，经过20次测定，减小了随机误差，使测量值更趋于平均值。

2.2  相关性分析

分别通过仪器分析方法和CCD传感器系统分析煎炸薯片，其结果分别见图5和图6。比较发现，薯片双面像元电压平均值a的散点图曲线与薯片内丙烯酰胺含量值的散点图曲线形状和走向基本一致，采用SPSS软件对薯片双面像元电压平均值a和丙烯酰胺含量值进行分析，发现2组数据之间存在良好线性相关，R2=0.975，从而建立薯片双面像元电压的平均值a和丙烯酰胺含量之间的线性回归方程为y=35.399x+48.151（图7）。

2.3  系统测试

抽取市场上6种主要品牌的薯片，每种品牌薯片各随机抽取一片。分别采用CCD方法和化学方法测定薯片中丙烯酰胺含量值。结果如表2所示，对比发现两者间的最大相对误差仅为4.75%，结果表明该方法具备可行性。

3  小结

本课题所设计的检测薯片内丙烯酰胺技术，异于传统的检测，属于无损检测技术，无需对样本前处理、无化学试剂污染、检测成本低，是一种快捷、简便、经济的检测方法。采用CCD采集得到的薯片双面像元电压的平均值，通过化学方法测定薯片的丙烯酰胺含量值，经SPSS软件的最小二乘法分析，发现薯片双面像元电压值a与丙烯酰胺含量值有相关性，R2为0.975，其间的线性回归方程为y=35.399x+48.151。随机抽取市场上出售的6种不同品牌的薯片，用上述2种方法测定其中的丙烯酰胺含量，结果表明2种方法测定结果的最大相对误差为4.75%，表明该方法适用于薯片中的丙烯酰胺快速检测。

参考文献：

[1] 李  军，邓洁红，谭兴和，等.丙烯酰胺毒性及油炸食品丙烯酰胺抑制方法研究进展[J].粮食与饲料工业，2010，9（1）：31-33.

[2] CAPUANO E， FOGLIANO V. Acrylamide and 5-hydroxy methyl furfural （HMF）： A review on metabolism， toxicity， occurrence in food and mitigation strategies[J]. LWT-Food Science and Technology， 2011， 44（4）： 793-810.

[3] 刘荣森，张长水.食品中丙烯酰胺测定方法研究进展[J].食品工程，2012，12（4）：52-54.

[4] 杨文武.关于气相色谱法测定水中丙烯酰胺的研究[J].环境科学导刊，2011，30（4）：82-84.

[5] 叶艳芬，徐利恒.固相萃取-高效液相色谱法测定面粉类食品中丙烯酰胺[J].分析实验室，2013，32（7）：95-97.

[6] 李吉平，刘文森，高虹伟，等.固相萃取HPLC联用法测定食品中丙烯酰胺含量的研究[J].食品科学，2007，28（2）：250-254.

[7] TATEO， F， BONONI， M， GALLONE F， et al. Acrylamide content in potato chips on the Italian market determined by liquid chromatography tandem mass spectrometry[J]. International Journal of Food Science and Technology， 2010， 45（3）：629-634.

[8] 马  骏，黄  勇，孙  力，等.大面阵CCD图像传感器驱动采集系统设计[J].电子测量技术，2007，30（12）：158-160.

[9] 侯新梅，李自田，胡炳樑.基于FPGA的面阵CCD驱动电路的设计[J].现代电子技术，2010，7（3）：195-197.

[10] GB/T5009.204-2005，食品中丙烯酰胺含量的测定方法气相色谱—质谱（GC-MS）法[S].

[11] 王慧华.一种基于新型单片机的CCD驱动电路设计[J].邢台职业技术学院学报，2009，26（1）：79-82.

[12] 李景林.CCD驱动方式的比较[J].微计算机信息，2010，26（2）：192-194.

1.3.2  仪器分析  采用气相色谱-质谱法（GB/T5009.204-2005）测定上述样本中丙烯酰胺含量[10]。具体条件为：DB-5 MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;接口温度270 ℃;程序升温：70 ℃保持1 min，以15 ℃/min升至270 ℃，保持10 min;离子源温度230℃;进样口温度270 ℃;电离方式EI 源（70 eV）;离子监测方式;载气为氦气（纯度99.999%）;流速1.0 mL/min;恒流进样（不分流）;进样量1 μL。

1.3.3  CCD视觉传感器设计   ①光源系统 考虑到试验过程中环境光源的稳定性、发光效率和光谱特性等问题，选择直线型LED阵列作为本系统的光源，通过照射薯片后反射到CCD传感器上。根据CCD的峰值响应波长，选用550 nm的LED，通过调节发光二极管的电流来调节光源的强度，即可保证线阵CCD不进入非线性工作区域，也可确保试验在均匀光条件下采集数据，光源设计电路如图2所示。②CCD驱动模块采用单片机驱动法，μPD3575D线阵CCD共有转移脉冲ΦTG、转移时钟脉冲ΦIO、采样保持脉冲ΦSHO和复位脉冲ΦRO 4路脉冲[11，12]。驱动脉冲电压为5 V。μPD3575D驱动时序部分波形如图3所示;在驱动电路中，C8051F330的工作电压为3.3 V，晶振频率为20MHz，以C8051F330的指令周期作为最基本单位，其中P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，分别为ΦIO、ΦRO、ΦTG和ΦSHO等4路驱动脉冲输出端口，具体硬件电路如图4所示。

1.3.4  CCD视觉传感器检测  将油炸薯片放入CCD传感器系统中，每当CCD传感器的4个驱动脉冲循环1次，采集此时输出的像元电压值，当薯片整面的信息都被采集后，将这个周期所有的像元电压值取平均记为a1，并记录下来。将薯片翻面重复上述操作，取值记为a2，同一枚薯片的正反两面要进行20次测量，20次的a1值取平均记为a1`，20次的a2值取平均记为a2`，a1`和 a2`的均值记为a。

2  结果与分析

2.1  数据测量

试验发现薯片在煎炸8 min时像元电压值最大，结果见表1。

由表1可知，测定数据分布稳定，基本符合正态分布，经过20次测定，减小了随机误差，使测量值更趋于平均值。

2.2  相关性分析

分别通过仪器分析方法和CCD传感器系统分析煎炸薯片，其结果分别见图5和图6。比较发现，薯片双面像元电压平均值a的散点图曲线与薯片内丙烯酰胺含量值的散点图曲线形状和走向基本一致，采用SPSS软件对薯片双面像元电压平均值a和丙烯酰胺含量值进行分析，发现2组数据之间存在良好线性相关，R2=0.975，从而建立薯片双面像元电压的平均值a和丙烯酰胺含量之间的线性回归方程为y=35.399x+48.151（图7）。

2.3  系统测试

抽取市场上6种主要品牌的薯片，每种品牌薯片各随机抽取一片。分别采用CCD方法和化学方法测定薯片中丙烯酰胺含量值。结果如表2所示，对比发现两者间的最大相对误差仅为4.75%，结果表明该方法具备可行性。

3  小结

本课题所设计的检测薯片内丙烯酰胺技术，异于传统的检测，属于无损检测技术，无需对样本前处理、无化学试剂污染、检测成本低，是一种快捷、简便、经济的检测方法。采用CCD采集得到的薯片双面像元电压的平均值，通过化学方法测定薯片的丙烯酰胺含量值，经SPSS软件的最小二乘法分析，发现薯片双面像元电压值a与丙烯酰胺含量值有相关性，R2为0.975，其间的线性回归方程为y=35.399x+48.151。随机抽取市场上出售的6种不同品牌的薯片，用上述2种方法测定其中的丙烯酰胺含量，结果表明2种方法测定结果的最大相对误差为4.75%，表明该方法适用于薯片中的丙烯酰胺快速检测。

参考文献：

[1] 李  军，邓洁红，谭兴和，等.丙烯酰胺毒性及油炸食品丙烯酰胺抑制方法研究进展[J].粮食与饲料工业，2010，9（1）：31-33.

[2] CAPUANO E， FOGLIANO V. Acrylamide and 5-hydroxy methyl furfural （HMF）： A review on metabolism， toxicity， occurrence in food and mitigation strategies[J]. LWT-Food Science and Technology， 2011， 44（4）： 793-810.

[3] 刘荣森，张长水.食品中丙烯酰胺测定方法研究进展[J].食品工程，2012，12（4）：52-54.

[4] 杨文武.关于气相色谱法测定水中丙烯酰胺的研究[J].环境科学导刊，2011，30（4）：82-84.

[5] 叶艳芬，徐利恒.固相萃取-高效液相色谱法测定面粉类食品中丙烯酰胺[J].分析实验室，2013，32（7）：95-97.

[6] 李吉平，刘文森，高虹伟，等.固相萃取HPLC联用法测定食品中丙烯酰胺含量的研究[J].食品科学，2007，28（2）：250-254.

[7] TATEO， F， BONONI， M， GALLONE F， et al. Acrylamide content in potato chips on the Italian market determined by liquid chromatography tandem mass spectrometry[J]. International Journal of Food Science and Technology， 2010， 45（3）：629-634.

[8] 马  骏，黄  勇，孙  力，等.大面阵CCD图像传感器驱动采集系统设计[J].电子测量技术，2007，30（12）：158-160.

[9] 侯新梅，李自田，胡炳樑.基于FPGA的面阵CCD驱动电路的设计[J].现代电子技术，2010，7（3）：195-197.

[10] GB/T5009.204-2005，食品中丙烯酰胺含量的测定方法气相色谱—质谱（GC-MS）法[S].

[11] 王慧华.一种基于新型单片机的CCD驱动电路设计[J].邢台职业技术学院学报，2009，26（1）：79-82.

[12] 李景林.CCD驱动方式的比较[J].微计算机信息，2010，26（2）：192-194.