便携式牛乳蛋白质含量检测仪设计与验证

杨 彪 王 凯 韩天宇 朱新华 郭文川,2

(1.西北农林科技大学机械与电子工程学院， 陕西杨凌 712100； 2.农业农村部农业物联网重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

牛乳是人类利用最多的动物乳，占乳品消费量的95%[1]。蛋白质含量是牛乳最重要的品质指标之一，因此备受牛乳生产者、加工者和消费者的关注。文献[2]规定：生鲜乳蛋白质含量(质量比)应在2.8 g/(100 g)以上。因而检测牛乳中的蛋白质含量成为牛乳品质检测的一个常规项目。文献[3]中规定了两种牛乳蛋白质含量检测方法，分别是凯氏定氮法和分光光度法。虽然这两种方法具有检测结果稳定和检测精确的优点，但所需仪器昂贵、操作繁琐、费时、需要专业人员操作，而且不能用于现场检测。

为了探索新型的蛋白质检测方法，国内外研究者分别采用近红外光谱法[4-6]、中红外光谱法[7-8]、拉曼光谱法[9-10]、激光散射法[11]、紫外分光光度法[12]、超声波法[13]、杜马斯燃烧法[14]、染色法[15]、介电特性法[16-18]等检测乳中的蛋白质含量，取得了较好的研究结果。其中超声波技术的检测精度有限[19]，而其他检测技术所需的仪器依旧比较庞大和昂贵，也仅局限于实验室检测。虽然目前有快速的乳成分检测仪，例如MilkoScan FT+[20]、MilkoScan FT6000[8](丹麦FOSS分析仪器有限公司)，Lactoscan Milk Analyzer[21](保加利亚Milkotronic有限公司)等，但同样存在仪器价格昂贵，清洗仪器费时，只能用于实验室检测等缺点。因此，设计一种价格低廉、检测迅速、结果可靠、能用于现场检测的便携式牛乳蛋白质含量检测仪对于牛乳生产、加工和消费均有重要的作用。

由于考马斯亮蓝G-250染料中的疏水基团在酸性(磷酸)条件下与蛋白质的疏水微区具有亲和力，通过疏水作用与蛋白质相结合，使得反应后的混合溶液在595 nm处有最大吸光度[22]，基于此，本文以单片机为控制器，设计一种便携式牛乳蛋白质含量检测仪，并对检测仪的性能进行验证。

1 便携式牛乳蛋白质含量检测仪设计

1.1 硬件设计

图1是牛乳蛋白质含量检测仪的硬件结构图。该检测仪主要由单片机、光源模块、光传感器模块、电源模块和输入输出模块组成。单片机负责数据处理，并控制系统中的其他模块。光源模块负责产生光强稳定且波长为590～595 nm的入射光；光传感器模块将穿过待测样本的光信号转换为数字信号，并将携带有牛乳蛋白质含量相关信息的数字信号传送给单片机；电源模块为整个系统提供稳定的电源；输入输出模块完成输入信息的处理，并将光传感器的检测数据和蛋白质含量检测值反馈给用户。

图1 牛乳蛋白质含量检测仪的硬件结构框图Fig.1 Structure diagram of portable milk protein content detector

1.1.1单片机

本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，该单片机具有512B的数据存储器和8KB的flash可擦写程序存储器。与之配套的电路包括时钟电路、复位电路、串口通信电路。时钟电路采用11.059 2 MHz的晶振，串口通信电路采用CH340芯片，用于实现单片机与计算机之间的数据交换。单片机的引脚分配如图2所示。

图2 单片机引脚分配图Fig.2 Pin assignment diagram of single-chip micro-computer

1.1.2光源模块

由于考马斯亮蓝G-250染料与牛乳中的蛋白质反应后，在595 nm处有最大吸收峰，因此光源模块的作用是输出波长为595 nm的光。本设计采用XP-E 3533型LED灯珠(美国CREE公司)作为光源。该灯珠工作电压为2.0～2.5 V，工作电流350～500 mA，输出光的波长范围为590～595 nm，可满足设计需求。

1.1.3光传感器模块

采用GY-30型数字光照传感器模块检测透射光照度。该传感器模块采用分辨率为16位的数字型光传感器芯片BH1750FVI检测透射光照度，其响应波段为400～700 nm，峰值响应波段为500～600 nm，输入电压为3～5 V，满足设计要求。该传感器模块共有5个接口，其中：VCC和GND用于供电；ADDR为器件选择端口，低电平有效，接GND即可；SCL、SDA分别为串行时钟线和串行数据线，分别与单片机的P1.0、P1.1接口相连接。单片机与传感器模块之间通过I2C协议通信，电路原理图如图3所示。

图3 光传感器模块电路原理图Fig.3 Schematic of used light sensor model

1.1.4电源模块

为了减轻仪器质量，提高仪器便携性，采用18650型锂电池配合DD06CVSA电源管理模块为整个仪器供电。DD06CVSA电源管理模块可以将锂电池输出的3.6～4.2 V电压转换为稳定的5.0 V，并输出2.1 A的电流。

1.1.5输入输出模块

综合考虑仪器的功能和便携性，本检测仪只设计了两个按键，分别是开关键和复位键。显示器为液晶显示器LCD1602，显示器的电路原理图如图4所示，其数据线与单片机P0.0～P0.7接口相连，控制线RS、RW、E分别与单片机P2.0、P2.1、P2.2相连，电阻R1用于控制显示器的亮度。

图4 显示器电路原理图Fig.4 Schematic of used display

1.1.6整体结构设计

检测仪整体结构用SolidWorks软件设计，尺寸为120 mm×90 mm×65 mm，外壳用3D打印技术制作，耗材采用PLA(聚乳酸)。牛乳与考马亮蓝的混合溶液盛于比色皿内，而比色皿置于设计的比色皿支架上。图5是便携式牛乳蛋白质含量检测仪样机。

图5 便携式牛乳蛋白质含量检测仪样机Fig.5 Prototype of developed portable milk protein content detector1.外壳 2.显示器 3.单片机 4.比色皿支架 5.待测样本

1.2 软件设计

本检测仪的软件在Keil μVision4中使用C51语言编写。主要包括主函数以及光照度数据采集、数据预处理、蛋白质含量计算和显示子函数等。其中，主函数，主要完成光传感器模块等主要元器件的初始化、协调各子函数运行等；光照度数据采集子函数和数据预处理子函数，主要完成光传感器与单片机数据交换和光照度数据的预处理；蛋白质含量计算子函数负责根据光传感器输出的数据计算出样本的蛋白质含量；显示子函数负责将检测结果显示至显示器。控制软件流程如图6所示。

图6 检测仪软件流程Fig.6 Program flow chart of developed detector

2 试验材料与方法

2.1 材料

试验用牛乳样本购自陕西省杨凌区某牛场，奶牛品种为“荷斯坦”。每天随机采集4～6头奶牛的牛乳，共采集35份牛乳样本。样本采集后30 min内带回实验室置于4℃环境下冷藏。试验前将样本取出恢复至室温(25℃)时进行试验。所有样本在采集后10 h内完成试验。

2.2 试验方法

2.2.1牛乳蛋白质含量测量

牛乳样本蛋白质含量用Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪(丹麦FOSS分析仪器有限公司)测量，具体测量方法参考文献[3]。

2.2.2考马斯亮蓝溶液配制

使用FA2104N型电子分析天平(上海菁海仪器有限公司)准确称量100 mg的粉末状考马斯亮蓝G-250染料(安徽酷尔生物工程有限公司)，将其加入50 mL 95%的酒精中，待充分溶解后，再向该酒精溶液中加入100 mL 85%的磷酸，用蒸馏水将反应后的溶液稀释并定容至1 000 mL，最后用中性滤纸过滤，从而得到考马斯亮蓝溶液[23]。

2.2.3牛乳-考马斯亮蓝混合液制备

当蛋白质含量为0～0.18 g/(100 g)时，考马斯亮蓝法对蛋白质的检测精度较高[24]。由于牛乳中蛋白质含量通常为2.8～3.6 g/(100 g)，因此用去离子水对牛乳样本进行稀释，稀释比例为1∶50。进而用移液枪吸取5 mL稀释后的牛乳和20 mL考马斯亮蓝溶液放入试管中摇匀，静置1 min后得到牛乳-考马斯亮蓝混合液。

2.2.4透射光照度测量

打开牛乳蛋白质含量检测仪的电源，预热2 min。然后用移液枪取适量的牛乳-考马斯亮蓝混合溶液加入10 mm比色皿(12.5 mm×12.5 mm×45 mm) 中，将比色皿放入检测仪的比色皿座内，盖上比色皿盖和仪器盖，观察并记录显示屏上给出的透射光照度。每个样品重复3次，3次测量结果的平均值作为该样品的测量结果。

3 试验结果分析与建模

图7是35个牛乳样本的蛋白质含量与由检测仪测得的透射光照度之间的关系。由图7可知，透射光照度随牛乳中蛋白质含量的增加而减小，说明牛乳样本中的蛋白质含量越高，对波长595 nm处的光的吸收作用越强，而透射光照度越小[25]。对牛乳中的蛋白质含量与透射光照度进行线性拟合，决定系数为0.872，可见二者相关性较好，拟合关系式为

P=-0.004 78L+3.27 (R2=0.872)

(1)

式中P——蛋白质含量，g/(100 g)

L——透射光照度，lx

图7 牛乳蛋白质含量与透射光照度之间的关系Fig.7 Relationship between protein content of milk and illuminance of transmitted light

根据式(1)中牛乳的蛋白质含量与透射光照度之间的关系调整程序，使得该检测仪直接输出基于透射光照度计算得到的牛乳蛋白质含量。

4 仪器性能检验

为了对设计的便携式牛乳蛋白质含量检测仪的性能进行验证，另取21份牛乳样本分别用凯氏定氮法和本仪器测量其蛋白质含量，测量结果如图8所示。图8说明，测量结果紧密地分布在45°线的附近。同凯氏定氮法的测量结果相比，当牛乳蛋白质含量在2.54～2.95 g/(100 g)范围内时，本检测仪的绝对误差范围是±0.08 g/(100 g)，平均绝对误差为0.05 g/(100 g)。可见本仪器对于牛乳中蛋白质含量的检测具有良好的检测精度。此外，该仪器测量每个样品蛋白质含量的时间小于2 s。

5 结论

(1)基于考马斯亮蓝染色法原理设计了由单片机、光源模块、光传感器模块、电源模块和输入输出模块组成的牛乳蛋白质含量检测仪硬件系统，用C51语言编写了仪器的控制软件，实现了检测透射光照度和牛乳蛋白质含量的功能。

(2)透射光照度与蛋白质含量之间具有良好的线性关系，线性决定系数为0.872。

(3)对本仪器的检测性能验证试验结果表明，与基于凯氏定氮法测量牛乳中蛋白质含量的结果相比，本检测仪的绝对误差范围是±0.08 g/(100 g)，平均绝对误差为0.05 g/(100 g)，可以较准确地检测牛乳中的蛋白质含量。此外，该检测仪的检测时间小于2 s。