基于感应方法的牛乳新鲜度检测

邬海雄,宾雍霖,杨哪,金亚美,任杰,徐学明,3

1(咀香园健康食品(中山)有限公司，广东 中山，528436) 2(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)　3(江南大学 食品科学与工程国家重点实验室，江苏 无锡，214122)



基于感应方法的牛乳新鲜度检测

邬海雄1*,宾雍霖2,杨哪2,金亚美2,任杰2,徐学明2,3

1(咀香园健康食品(中山)有限公司，广东 中山，528436) 2(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)3(江南大学 食品科学与工程国家重点实验室，江苏 无锡，214122)

摘要该研究基于电磁互感原理并以变压器结构搭建了牛乳新鲜度的检测装置，以超高温灭菌牛乳(UHT milk)作为次级线圈，对其电学参数即终端电压Us和λ值进行了检测和分析。测试于(22±2)℃室温、50～400 Hz频率、1～20 V激励电压下进行。结果表明：当初级电压和初次级线圈匝数比为常数时，牛乳终端电压Us和λ值在测试频率范围内稳定于±5%的范围，但与贮藏期呈现显著的线性相关性(a≤0.01)，其中在400 Hz、10 V的测试条件下的决定系数最高R2=0.973(全脂牛乳贮藏期-Us)、R2=0.976(低脂牛乳贮藏期-λ值)、R2=0.984(脱脂牛乳贮藏期-Us)；贮藏过程中牛乳的终端电压与激励电压呈现二项式相关，牛乳终端电压与其电导率呈现显著的线性关系。该方法也可应用于其他液态食品原料品质的快速检测。

关键词感应方法；牛乳；变压器；贮藏期；电导率；电学参数

牛乳制品是人类日常饮食中的重要组成部分，为人体提供所需的蛋白质、钙元素、维生素和矿物质，同时作为一种加工原料，在加工食品中被广泛的应用，如芝士、冰激凌、饮料、焙烤产品等。牛乳的品质对其他深加工食品的质量优劣具有显著的影响，因此，开发一种简单、经济的电学检测系统对牛乳品质进行快速的评估具有重要意义。液态食品如果汁、牛乳、全蛋产品、食用油等的电学特性与其内部复杂的化学成分有着密切的关系[1-4]，应用电学特性对食品品质进行检测在食品工业领域已得到了广泛应用。研究发现，牛乳的电学特性主要受到其中水分和脂肪含量的影响，通过测量牛乳的电学特性而对其理化品质进行评估则有重要的现实意义[5]。

目前，通过牛乳电学特性评估其品质已有广泛报道。MABROOK等[6]通过测量全脂牛乳导纳参数对掺水牛乳进行鉴别，并研究了在低于100 Hz的低频范围内，牛乳中乳糖、脂肪和酪蛋白酸钠组分对其总电导率的贡献。SADAT等[7]通过牛乳在交流信号激励下的电导谱图成功地对掺假牛乳进行了分析评估，测量频率为20 Hz～1 MHz。NUNES[8]等研究了牛乳常温储藏过程中的介电性质的变化，发现牛乳品质的变化会导致其介电参数发生显著性改变。GUO[9]对不同稀释程度的牛乳在5～22℃贮藏温度下、10～4 500 MHz频率内的介电特性进行了研究，表明损耗正切角参数可被用作评定牛乳浓度和新鲜度的电学指标。ZYWICA等[5]通过对牛乳电学特性进行研究，发现在100 Hz～100 kHz频率内，牛乳脂肪含量与阻抗值、导纳值及并联等效电容值呈现线性相关关系。但是，现有的诸多食品电学检测方法多是通过平行板电极系统或终端开路同轴探头完成。变压器作为能量转换设备广泛用于电力工程中，其基本结构包括初级线圈、次级线圈和硅钢铁芯。根据安培环路定律，对初级线圈施加交变激励电压，铁芯中可生成相同频率的交变磁通，于是在闭合磁路另一侧的次级线圈中会产生感应电压，其值大小与激励电压幅值和线圈匝数比有关，与频率无关[10]。

本研究将3种超高温灭菌的牛乳(全脂、低脂、脱脂)作为次级线圈导体，检测其在0～120 h贮藏期间的牛乳的电学参数即终端电压(Us)及激励电压与终端电压的比值(λ值)的变化规律，以及它的3种重要营养物质即VA、VC和VE的含量。基于对变压器原理的应用，旨在发现牛乳贮藏期间的电学参数的相关性并对其品质进行评估，为液态食品的检测提供一个参考方法。

1材料与方法

1.1样品准备

3种新鲜的超高温灭菌牛乳：全脂牛乳、低脂牛乳和脱脂牛乳，购于无锡沃尔玛超市。3种牛乳的营养成分含量见表1。牛乳置于烧杯中，保鲜膜封口，存放在(5 ± 2)℃贮藏温度下，每隔24 h取出200 mL进行基于感应方法的电学参数测量直至牛乳完全变质。加热牛乳至沸腾(约107℃)观察，若有絮凝物出现则认为牛乳发生变质[9]。样品电导率通过电导率计(DDSJ308A，雷磁-上海仪电科学仪器股份有限公司，中国)进行测定。

表1　3种超高温灭菌牛乳的营养成分含量表

1.2分析方法

牛乳中VA、VC和VE含量的测定根据国标GB 5413.9—2010即 《婴幼儿食品和乳品中维生素A、D、E的测定》和GB5413.18—2010即《婴幼儿食品和乳品中维生素C的测定》进行。

1.3原理和仪器方法

系统装置的测试原理如图1所示。

图1　测试系统原理图 Fig.1　Schematic diagram of the detecting system

主要构件包括初级线圈、闭合磁路(交变磁通)、次级线圈、负载阻抗(交流电压表)。对由O型硅钢闭合铁芯的初级线圈(Np)施加交变电压Up(激励电压)，定义初级电压为Ep，则在磁路中感应生成的磁通量正比于线圈，由式1可知[11]：

(1)

式中：Ep，初级电压；Np，初级线圈；dφ，磁通量微分；dt，时间微分。

变化的磁通在次级线圈(Ns)中生产同样频率的感应电动势Es：

(2)

式中：Es，感应电压；Ns，次级线圈；dφ，磁通量微分；dt，时间微分。

由式(1)、(2)可得

(3)

由式(3)可知，在初级电压及初、次级线圈匝数比固定的情况下，次级线圈(牛乳)中的感应电压为定值。由于次级线圈(牛乳)和交流电压表构成了回路。而次级线圈(牛乳)中存在内部阻抗，感应电压Es由外部载荷电路(交流电压表)和次级线圈阻抗(牛乳)两部分共同承担。故回路上的终端电压Us可通过交流电压表直接测得，从而与牛乳的理化品质相关。

基于单相变压器结构，本研究中采用的感应方法测试装置如图2所示。

1-交流毫伏计； 2-变频电源；3-玻璃联通器； 4-铂片电极；5-玻璃弹簧； 6-O型硅钢铁芯；7-初级线圈图2　测试系统示意图(a)与实物图(b)Fig.2　Details of inductive properties test system

铜线圈作为初级线圈(Np=210)，将不同贮藏期的牛乳注入特制的玻璃联通器中作为次级线圈(Ns=14)，形成开路状态。通过PS61005变频电源(普斯电子有限公司，台湾)于初级线圈施加不同频率50～400 Hz和不同幅值1、5、10、15和20 V的激励电压，然后采用连接于UT631交流毫伏计(优德利电子有限公司，上海)的铂电极检测不同贮藏期牛乳样品的终端电压值，记为Us，每个样品重复5次，测试温度为环境温度(22±2℃)，其中O型铁芯采用材料牌铭为30Q120的低频硅钢，平均磁路长度为520 mm，磁路横截面积3.6 cm2，初级线圈与次级线圈(玻璃弹簧螺旋)之比Np/Ns=15。测试的激励电压与牛乳终端电压之比Up/Us记作为λ值。

2结果与分析

2.1激励电压和频率对UHT牛乳电学参数的影响

选取不同贮藏时间0、24、48、72、96和120 h时的3种UHT牛乳于频率50～400 Hz下进行终端电压测定。图3为3种牛乳在10 V激励电压下，50～400 Hz频率范围内的电学参数Us和λ值，可以看出Us和λ值在频率50～400 Hz内维持在5%的范围内，这一规律符合变压器的感应特性即次级电压不受频率的影响，该波动与不同品质牛乳的传导特性即自由离子的数量有关。但不同于传统单相变压器即不同贮藏期的牛乳具有不同的电学参数。理论上，在初次级线圈匝数比一定(Np/Ns=15)且激励电压不变的情况下，所有样品的终端电压应相等，但实际测试值则随着样品贮藏期的延长，其终端电压Us呈现上升而λ值则为下降的趋势，且不同类型的牛乳在相同的激励电压下具有不同的电学参数。

图3　贮藏期间3种UHT牛乳在10 V激励电压、50～400 Hz频率范围内的电学参数Fig.3　Electrical parameters in the milk secondary circuit stored for 120 hours in the frequency range 50～400 Hz and at 10 V excitation voltage

在10 V激励电压下，全脂牛乳在0、48和120 h贮藏时间下的Us值分别是：323.9～340.2、411～417和481～497mV(图4-a)，λ值分别是：30.87～29.39、24.33～23.98和20.79～20.12(图4-b)；低脂牛乳的Us值分别是：429.4～444.6、457～481和510～525 mV(图3-c)，λ值分别是：23.29～22.49、21.88～20.79和19.61～19.05(图3-d)，脱脂牛乳的Us值分别是：426～443、458～474和500～521mV(图3-e)，λ值分别是：23.47～22.57、21.83～21.09和20.00～19.19(图3-f)。牛乳中的3种维生素含量变化如图4所示。可以看出，UHT灭菌乳中的VA、VC和VE含量都随贮藏时间的增加而减少，但与电学参数无显著的相关性，这是因为电学参数作为宏观指标它是反映体系中所有成分的物理特性，而无法准确的表征个体微量成分的含量变化趋势。牛乳中的营养物质，如乳糖、蛋白质、脂肪、维生素和矿物质会促进微生物滋生和生长，从而导致牛乳品质劣变，营养大分子随之被分解为酸类和无机小分子等带电粒子[12-13]，带电粒子的增多则加强了牛乳的导电性，降低了牛乳的阻抗，由次级线圈即牛乳以及交流电压表构成的回路总阻抗降低，在激励电压和初次级线圈匝数比固定的情况下，感应电压不发生改变，回路中总阻抗降低则总电流就增强，负载阻抗(交流电压表)不变，则测试到的电压值随之增大，即终端电压Us增大。

图4　UHT牛乳在贮藏期中维生素含量的变化Fig.4　Change of vitamins content in UHT milk during storage

2.2UHT牛乳Us值、λ值和电导相关性

图5-a和5-b反映了在50Hz时，不同激励电压下(1、5、10、15和20V)牛乳样品两端终端电压的变化情况，可以看出随激励电压的提高，不同样品的终端电压Us均有所提升，全脂牛乳：271.1～523mV，低脂牛乳：294.3～882.4mV，脱脂牛乳：215.8～761mV；λ值也呈现提高的趋势，全脂牛乳：3.69～38.24，低脂牛乳：3.40～22.67，脱脂牛乳：4.63～26.28。

图5　50 Hz时不同激励电压影响下的牛乳电学参数Fig.5　 Changes in electrical parameters as affected by excitation voltage at 50 Hz.

如图6所示，在50 Hz下，3种UHT牛乳的终端电压Us或λ值与激励电压呈现二项式相关关系，可用y=±ax2+bx+c进行表征，决定系数R2>0.99。在测试频率范围内，3种UHT牛乳的终端电压Us均与电导率呈现线性正相关。其中全脂牛乳Us和电导率的决定系数要高于低脂牛乳和脱脂牛乳(图7)。利用同轴探头对牛乳复合介电常数进行测量，未发现牛乳品质劣变时不同理化参数和介电常数及介电损耗之间存在的显著相关关系。但NUNES[8]等研究表明，随着贮藏时间的延长，牛乳的介电谱发生了细微的规律性变化。GUO[9]等对牛乳在射频波段的介电特性进行了研究，发现介电损耗值可以作为评判牛乳新鲜度的有效指标，在1 100 MHz下，牛乳pH值和介电损耗呈现最佳的线性关系，其决定系数R2=0.983。

图6　50 Hz下新鲜全脂牛乳Us值、λ值和激励电压的二次关系Fig.6　Second order correlations between terminal voltages or λ values and excitation voltages in the fresh whole milk secondary circuit at 50 Hz

图7　50 Hz下贮藏期牛乳Us值和电导率的线性关系Fig.7　Correlations between terminal voltage and conductivity in UHT milk over the entire storage period at 50 Hz

2.3UHT牛乳贮藏期的回归预测

为了确定牛乳贮藏期和终端电压Us及λ值的关系，分别对所测试的牛乳样品进行贮藏时间和电学参数的拟合，其中选取常用的极低频50、200和400 Hz[14-16]。通过前期实验发现相对于其他激励电压，在10 V下得到的电学参数和牛乳贮藏期的决定系数R2≥0.900，故选择此激励电压来进行拟合研究，其线性方程见表2～表4。发现此测量条件下样品的终端电压Us和λ值都与贮藏时间(α≤ 0.01)有较好的相关性，而全脂牛乳和脱脂牛乳终端电压Us与贮藏时间的正相关性决定系数(全脂牛乳：0.957

表2　10 V激励电压下全脂牛乳贮藏时间tW和终端电压Us及λ值的关系

注：tW，贮藏时间(h)；Us，终端电压(mV)；λ，(UP/Us)；R2，决定系数； α，显著水平;**在 α ≤ 0.01水平上差异显著。

表3　10 V激励电压下低脂牛乳贮藏时间tL和终端电压Us及λ值的关系

注：tL， 贮藏时间(h)；Us，终端电压(mV)；λ，(UP/Us)；R2， 决定系数； α，显著水平;**在 α≤ 0.01水平上差异显著。

表4　10 V激励电压下脱脂牛乳储藏时间和ts终端电压Us及λ值的关系

注：tS, 贮藏时间(h)；Us，终端电压(mV)；λ，(UP/Us)；R2， 决定系数；α，显著水平;**在 α ≤ 0.01水平上差异显著。

表5　400 Hz下使用Us和λ值预测得到的贮藏时间真实值对比

3结论

采用降压变压器结构(Np﹥Ns)的测试系统对3种不同贮藏期的UHT牛乳的电学参数进行了测量，发现在一定贮藏时间下，当激励电压和级线圈匝数比固定的情况下，3种牛乳样品的终端电压Us和λ值各自稳定在±5%的范围内。随着贮藏期的延长，牛乳中营养物质分解其带电离子和粒子含量增加导致牛乳的阻抗降低，电导率升高即牛乳电学参数的变化主要归因于贮藏期间带电离子和带电粒子数量的增加，终端电压Us和λ值分别呈现上升和下降的趋势。在0～120h贮藏期内，Us和λ值均与激励电压Up呈现二次关系。在常用低频50、200和400Hz下，牛乳贮藏时间可用终端电压Us或λ值进行量化。当频率为400Hz，激励电压为10V时，线性方程模型决定系数最高。利用决定系数最高的线性模型预测样本储藏时间的标准差分别为1.132、1.082，2.740h。将牛乳作为变压器的次级线圈导体并利用感应的方法来检测其电学参数可作为一种潜在的快速检测技术来测定其理化指标，并且未来可进一步对不同频率、温度、线圈匝数比下的液态食品品质进行分析和评估。

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Detecting milk freshness by inductive methodology

WU Hai-xiong1*, BIN Yong-lin2, YANG Na2, JIN Ya-mei2,REN Jie2, XU Xue-ming2,3

1(Juxiangyuan Food Co. Ltd., Zhongshan 528437, China)2(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)3(State Key Lab of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

ABSTRACTA milk quality detecting system based on transformer principle was established. It uses the UHT milk (whole, low fat and skim) as secondary coils. The electrical parameters of the UHT milk were measured and statistically analyzed in the frequency range of 50～400 Hz and applied voltage range of 1～20 V, at (22±2) ℃. results indicated that electrical parameters (Us and λ) in the secondary circuit were linearly correlated with milk storage time (a≦0.01), and was stable(±5%) in the frequency range when coil turn ratio (N1/N2) and operating voltage were constant. At 400 Hz and 10 V, correlation was the highest, with R2=0.973 for prediction of whole milk storage time -Us; R2=0.976 for low fat milk storage time-λ value; R2=0.984 for skim milk storage time-Us) . A linear relationship was presented between the electrical parameters and the conductivity. Furthermore, second order correlations were discovered between electrical parameters and applied voltage in milk during storage. The detecting system also can potentially be used for the rapid assessment of other liquid food products qualities relating to physicochemical properties.

Key wordsinductive methodology; milk; transformer; storage time; conductivity; electrical parameters

收稿日期：2015-07-31，改回日期：2015-09-09

基金项目：“十二五”国科技支撑计划项目(2012BAD3700)；广东省产学研结合项目(2013B090600125)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201602032

第一作者：高级工程师(本文通讯作者，E-mail:1595157@qq.com)。