PVC膜传感器及利用其检测牛肉味觉的方法与流程

本发明涉及一种食品检测领域的检测装置及检测方法，更确切地说，本发明涉及一种PVC膜传感器及利用其检测牛肉味觉的方法。

背景技术：

牛肉作为一种富含蛋白质的肉类，是我国消费量仅次于猪肉的肉类食品。牛肉中脂肪含量低且具有消化吸收率高的特点，因此是人体绝佳的蛋白质来源之一。随着我国经济社会的发展，人们对牛肉品质的要求也越来越高。通常牛肉的品质体现在其肉色，嫩度，味觉特性和多汁性等方面。对于牛肉味觉的评价大多通过常规感官评定的方法，然而受限于感官评价的主观性强和重现性差的原因，对牛肉的品质评价并不能满足现代快速检测的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在主观性强、重现性差与对牛肉的品质评价并不能满足现代快速检测需求的问题，提供了一种PVC膜传感器及利用其检测牛肉味觉的方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的PVC膜传感器包括有工作电极、对电极与参比电极；

所述的工作电极、对电极与参比电极一端的铜导线依次和电化学工作站对应的工作电极夹具、对电极夹具与参比电极夹具连接，工作电极、对电极与参比电极通过电极台架固定安装并保持竖直向下状态浸泡在样品溶液中，浸泡在样品溶液中的深度为10mm～15mm,并保证工作电极、对电极与参比电极的下表面处在溶液中的同一高度，工作电极、对电极与参比电极不与杯壁和杯底接触；工作电极、对电极与参比电极互不接触，工作电极、对电极与参比电极中心间的距离大于10mm，呈等边三角形放置。

技术方案中所述的工作电极包括铂盘裸电极、聚吡咯薄膜层、具有特异性检测牛肉味觉特性的PVC薄膜层；所述的铂盘裸电极由铜导线、电极外套和铂盘组成；铂盘的纯度为99.99％，铂盘为直径2mm的扁圆柱体，一侧暴露在空气中，另一侧与铜导线的一端固定连接，电极外套包裹在铜导线与铂盘的周围，铜导线15mm长的另一端作为连接端，连接端伸出电极外套即不被电极外套所包裹；通过电化学氧化聚合方式在暴露于空气中的铂盘表面形成具有导电性能的聚吡咯薄膜层，将聚吡咯后的铂盘裸电极中的铂盘表面均匀地附着一层具有特异性检测牛肉味觉特性的PVC膜。

技术方案中所述的通过电化学氧化聚合方式在暴露于空气中的铂盘表面形成具有导电性能的聚吡咯薄膜层是指：

当聚合电量达到5×10^-3C时所得聚吡咯层的厚度大于50nm。

技术方案中所述的将聚吡咯后的铂盘裸电极中的铂盘表面均匀地附着一层具有特异性检测牛肉味觉特性的PVC膜是指：

所述的PVC膜均匀的附着在电极一端的铂盘表面，无缺口和裂缝，并且干燥后结合牢固不脱落，PVC膜的厚度介于0.05mm与0.3mm之间。

技术方案中所述的对电极即采用铂盘裸电极；参比电极采用型号为232的饱和甘汞电极，使用前无需活化，对电极、参比电极与电化学工作站的连接均为对电极、参比电极中的铜导线和电化学工作站的对电极夹具、参比电极夹具相连接。

所述的采用PVC膜传感器检测牛肉味觉的方法步骤如下：

1)待测样品预处理；

2)PVC膜传感器预处理及活化；

3)利用PVC膜传感器进行电位检测；

4)电位值与牛肉味觉品质评价。

技术方案中所述的待测样品预处理包括步骤如下：

1)取不同牛的眼肌进行检测，分别记录样品编号，每个样品平行准备三组；

2)除去牛肉的结缔组织及肌外脂肪，均匀切成10×10×10mm的方块，密封于保鲜袋中并置于80℃水浴加热，在中心温度达到70℃时开始计时，10min后取出冷却，取出时保证保鲜袋密封无破损，牛肉汁均为加热后从样品中自然流出，冷却后通过纱布三次过滤，再通过滤纸三次过滤得澄清牛肉汁，定容至30ml，确保牛肉汁澄清无固形物，密封后防尘无菌条件下保存备用；

3)将澄清牛肉汁编号保存，同时记录相同牛眼肌的样品编号。

技术方案中所述的PVC膜传感器预处理及活化是指：

1)参比电极

参比电极采用型号为232的饱和甘汞电极，使用前需要在饱和氯化钾溶液中浸泡24h,确保甘汞电极在样品检测过程中的电位稳定，浸泡后用去离子水冲洗10min，然后用氮气吹干保护待用，检测之前要求保持参比电极表面无尘干燥；

2)对电极

使用前为保证铂盘表面的光滑和清洁相应的处理方法为：

(1)在25摄氏度条件下，用95％的乙醇和清水先后超声清洗10min，氮气吹干后用2000目粗砂纸除去擦痕及刮痕；

(2)再用更细的4000目砂纸打磨铂盘表面，打磨完成后需对电极进行抛光，用50nm氧化铝抛光粉在麂皮上画圈打磨，氧化铝抛光粉在打磨前用蒸馏水略微湿润形成浆状；打磨完成后以铂盘表面平滑光亮无划痕；

3)工作电极

工作电极即为PVC膜电极，在检测前保证电极表面干燥无尘。

技术方案中所述的利用PVC膜传感器进行电位检测是指：

1)所述的采用PVC膜传感器检测牛肉味觉过程在电化学工作站进行，利用制备的PVC膜电极作为工作电极，铂金裸电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构成传感器，分别和电化学工作站上的工作电极夹具、对电极夹具、参比电极夹具相连接；

2)接通电源后将三个电极浸入装有牛肉汁的烧杯中，保持三个电极下表面同时处于液面下15mm处，三个电极呈等边三角形放置，由电极台架固定在竖直方向；

3)在检测进行中，保证传感器的三个电极互不接触，不与杯壁杯底接触，利用chi660d软件选用开路-时间电位法测定，待信号稳定后用PVC膜传感器测得牛肉汁的电位值，在对不同样品检测的间隔需对PVC膜传感器的三个电极用去离子水清洗2min，并用滤纸擦干。

技术方案中所述的电位值与牛肉味觉品质评价是指：

应用PVC膜传感器对牛肉味觉品质检测所得数据可按以下标准进行判定：

1)应用PVC膜传感器检测的牛肉味觉是根据牛肉的五味，嫩度，柔软度来进行评价；

2)在电化学工作站所得开路电位值大于0.2000V时认为所检测的牛肉味觉优秀，具有明显的鲜味、嫩度及柔软度并符合优级牛肉标准，同时电位值越高表明牛肉中氨基酸含量越丰富，反应出牛肉味觉更加突出；因此，开路电位值大于0.2000V的不同牛肉根据其开路电位值的高低来判断其味觉的优劣；

3)当电化学工作站的开路电位值低于0.2000V时认为所检测的牛肉味觉一般或者较差，不具备或者具备较少牛肉的味觉特征。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的利用PVC膜传感器检测牛肉味觉的方法是通过电化学方法进行定量检测，该方法相比于感官评价法更加客观准确。

2.本发明所述的PVC膜传感器制备过程简单，造价低廉。

3.本发明所述的PVC膜传感器是对牛肉味觉品质检测的一种快速检测装置。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1-a为本发明所述的PVC膜传感器的主视图；

图1-b为本发明所述的PVC膜传感器的左视图；

图1-c为本发明所述的PVC膜传感器的右视图；

图2为图1-a中I处PVC膜传感器铂盘修饰后放大视图；

图3为吡咯聚合时循环伏安扫描图像；

图4为本发明所述的PVC膜传感器未稳定时图像；

图5为本发明所述的PVC膜传感器稳定时图像；

图6为本发明所述的PVC膜传感器制作及应用过程的流程框图；

图7为本发明所述的利用PVC膜传感器检测牛肉味觉品质方法的流程框图；

图中：1.铜导线，2.电极外套，3.PVC层，4.聚吡咯层，5.铂盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明通过制备的PVC膜传感器能够客观快速的鉴别牛肉味觉特性的优劣，通过对牛肉中呈鲜味氨基酸的测定来表征牛肉的味觉特性。本发明采用了PVC为基底物质，选取二茂铁为味敏物质，研究其与牛肉中两种呈鲜味氨基酸的联系，制备了PVC-PPy-Pt(聚氯乙烯-聚吡咯-铂)形式的工作电极，采用了电化学工作站的开路电位法对不同牛肉样品进行检测，并通过感官评定的验证，结果表明制备的PVC膜传感器具有良好的准确性。

本发明所述的PVC膜传感器包括工作电极、对电极与参比电极。

1.工作电极

所述的工作电极包括铂盘裸电极一支、聚吡咯薄膜层、具有特异性检测牛肉味觉特性的PVC薄膜层。

1)铂盘裸电极

铂盘裸电极是连接电化学工作站与样品间的媒介，同时铂盘裸电极也是后续修饰物质的载体。铂盘裸电极由铂盘5、铜导线1和电极外套2组成。铂盘5的纯度为99.99％，为直径2mm的扁圆柱体，一侧暴露在空气中，另一侧与铜导线1相连，保证了检测时电路的通路；铂盘5的表面为银白色有金属光泽。

电极外套2为耐腐蚀的pvdf(聚偏氟乙烯)材料，不渗液，为乳白色棒状，是铂盘裸电极的主要结构件，与铜导线1和铂盘5聚合密接使其相对位置固定。同时铂盘5与电极外套2之间紧密结合保证铂盘裸电极的密封性。相对于铂盘5的另一端为一根铜导线1，铜导线1被电极外套2包裹，其中约15mm暴露在空气中，作为铂盘裸电极与夹具的连接端。

2)聚吡咯薄膜层

本发明所用吡咯为充氮保护条件下75～80摄氏度减压蒸馏所制。

将打磨后的铂盘裸电极连接在电化学工作站上，连接方式为铂盘裸电极的铜导线1与电化学工作站的夹具相连，用电极台架将铂盘裸电极固定在竖直方向，浸泡在含有吡咯的邻苯二甲酸氢钾溶液中构成传导回路，通过电化学氧化聚合方式在铂盘5表面形成导电性聚吡咯薄膜层4，

选用循环伏安法扫描70周后聚吡咯薄膜层4生成在铂盘5表面。要求聚吡咯层4能够完全覆盖整个铂盘5，并且聚吡咯过程后的铂盘5表面失去原有银白色金属光泽转为棕黑色。

在用电化学工作站进行吡咯聚合的过程中，当聚合电量达到5×10^-3C时可视为聚吡咯薄膜层已达到后续实验标准。即铂盘5表面具有一定的厚度和导电性。

由于聚合电量固定，因此通过电子显微镜观察所得聚吡咯层4的厚度以大于50nm为标准。

其中邻苯二甲酸氢钾溶液的配制过程为：25℃下配制0.1mol/L邻苯二甲酸氢钾溶液30ml，加入402μl吡咯(0.2mol/L)，并充氮驱氧。

3)PVC薄膜层

PVC膜溶液用于制作PVC薄膜，其主要成分为THF、PVC粉末、DOP、AEO-3P、二茂铁与硬脂酸镁。本发明所用化学材料均为分析纯，按一定顺序配制成溶液。

其中PVC膜溶液的配制过程为：室温25摄氏度条件下，在5mlTHF溶液中依次加入0.18g聚合度为2500的PVC粉末、14.0mg二茂铁、0.48mlDOP、294μlAEO-3P与7.2mg硬脂酸镁，混合均匀。

将聚吡咯后的铂盘裸电极浸泡在PVC膜溶液中保证电极头不与容器底部或四周接触，浸泡10min后从PVC膜溶液中取出。取出在无尘条件下放置24h，电极表面生成薄薄的一层PVC膜。

保证PVC膜能够均匀的附着在电极一端的铂盘5表面，无缺口和裂缝，并且以干燥后结合牢固不脱落为标准。且厚度介于0.05mm与0.3mm之间。

2.对电极与参比电极

对电极即为打磨后的铂盘裸电极，均为用于检测时回路电位值的稳定。参比电极为市面购得的标准232型饱和甘汞电极，并作为标准件来测量工作电极的电位。使用前无需活化，对电极、参比电极与电化学工作站的连接均为其中的铜丝与夹具之间的连接。

3.电化学工作站

本发明采用标准CHI660D型电化学检测的方式获取数据，电化学工作站的本质是用于控制和检测电化学池电流和电位以及其他电化学参数变化的仪器装置。主要可分为单通道工作站和多通道工作站两种，本发明所选用的为单通道工作站，主要选用的方法有循环伏安法和开路电位-时间法。可通过将电化学工作站连接至计算机，采用CHI660D软件进行实验操作。电化学工作站上有三个相应的夹具，分别为工作电极夹具，对电极夹具和参比电极夹具。相应的夹具与本发明所述的PVC膜传感器相连接可应用PVC膜传感器进行检测。

4.传感器工作方式

本发明将制备的PVC膜电极作为工作电极，铂金裸电极作为对电极，标准饱和甘汞电极为参比电极。工作电极、对电极与参比电极构成PVC膜传感器，通过工作电极，对电极，参比电极一端的铜丝与电化学工作站对应的夹具连接，三个电极先后通过电极台架固定，保持竖直向下状态浸泡在样品溶液中构成一个闭合回路。检测条件的标准为：浸泡在样品溶液中的深度为10-15mm,并同时保证三个电极下表面处在溶液中的同一高度，不与杯壁和杯底接触。三个电极的位置关系为：互不接触，且三个电极中心间的距离大于10mm，呈等边三角形放置。在上述标准下再通过电化学工作站中开路电位-时间法，利用传感器在样品溶液中电子转移速率的差异来进行不同样品之间的开路电位值检测。

采用本发明所述的PVC膜传感器检测牛肉味觉的步骤如下：

1.待测样品预处理

1)取不同牛的眼肌进行检测，分别记录样品编号，每个样品平行准备三组；

2)除去牛肉的结缔组织及肌外脂肪，均匀切成10×10×10mm大小的方块，密封于保鲜袋中并置于80℃条件下水浴加热，并在中心温度达到70℃时开始计时，10min后取出冷却，取出时保证保鲜袋密封无破损，牛肉汁均为加热后从样品中自然流出。冷却后通过纱布三次过滤，再通过滤纸三次过滤得澄清牛肉汁，定容至30ml，确保牛肉汁澄清无固形物，密封后防尘无菌条件下保存备用；

3)为使后续步骤合理简洁，将澄清牛肉汁编号保存，同时记录相同牛眼肌的样品编号；

2.PVC膜传感器预处理及活化

1)参比电极

参比电极为标准232型饱和甘汞电极，使用前需要在饱和氯化钾溶液中浸泡24h,确保甘汞电极在样品检测过程中的电位稳定，浸泡后用去离子水冲洗干净，取出后用氮气吹干保护待用，检测之前要求保持参比电极表面无尘干燥；

2)对电极

对电极为铂盘裸电极，长度为80mm，一端为铜导线1，另一端为铂盘5，铜导线1与铂盘5由PVDF材料的电极外套2包裹。使用前为保证铂盘5表面的光滑和清洁。相应的处理方法为：

在25摄氏度条件下，用95％的乙醇和清水先后超声清洗10min，氮气吹干后用2000目粗砂纸除去擦痕及刮痕，然后再用更细的4000目砂纸打磨铂盘5表面。打磨完成后需对电极进行抛光，用50nm氧化铝抛光粉在麂皮上画圈打磨，氧化铝抛光粉在打磨前用蒸馏水略微湿润形成浆状。打磨完成后以对铂盘5表面平滑光亮无划痕为标准。

3)工作电极

工作电极为本发明所述的PVC膜电极，在检测前保证电极表面干燥无尘。

4)电化学工作站

检测的过程在标准CHI66D型电化学工作站上进行，选用开路电位-时间法进行，在检测时保证环境安静无噪音，所在区域环境噪声低于10分贝。

3.利用PVC膜传感器进行电位检测

1)所述的PVC膜传感器检测过程在电化学工作站进行，利用所制备的PVC膜电极作为工作电极，铂金裸电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构成传感器。分别与电化学工作站上的工作电极、对电极、参比电极夹具相连接。

2)接通电源后将三个电极浸入装有牛肉汁的烧杯中，保持三个电极下表面同时处于液面下15mm处，三个电极呈等边三角形放置，由电极台架固定在竖直方向。

3)在检测进行中，保证传感器的三个电极互不接触，不与杯壁杯底接触，利用chi660d软件选用开路-时间电位法测定。待信号稳定后用PVC膜传感器测得牛肉汁的电位值。在对不同样品检测的间隔需对PVC膜传感器的三个电极用去离子水清洗2min，并用滤纸擦干。

4.电位值与牛肉味觉品质评价

应用PVC膜传感器对牛肉味觉品质检测所得数据可按以下标准进行判定。本传感器所研究的牛肉味觉根据牛肉的五味(酸甜苦咸鲜)、嫩度与柔软度来进行评价。

在电化学工作站所得开路电位值大于0.2000V时可认为所检测的牛肉味觉优秀，具有明显的鲜味，嫩度及柔软度符合优级牛肉标准。同时电位值越高表明牛肉中氨基酸含量越丰富，反应出牛肉味觉更加突出。因此大于0.2000V的不同牛肉之间可根据其电位值的高低来判断其味觉的优劣。

当电化学工作站的开路电位值低于0.2000V时可认为所检测的牛肉味觉一般或者较差。不具备或者具备较少牛肉的味觉特征。

实施例：

以下的实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

1.待测样品预处理

1)牛肉为本发明所检验的目标样品，取三头不同牛的眼肌进行检测，分别记为A,B,C样品，每个样品平行测量三组；实施例用牛为中国吉林省长春市皓月清真肉业股份有限公司提供的健康沃金黑牛，体质量为400-550kg，月龄为30-36月，育肥6个月以上。按《牛肉等级标准》(NY/Y676-2003)要求的操作规程屠宰，屠宰后冷却24h，取眼肌部位。

2)除去牛肉的结缔组织及肌外脂肪，均匀切成10×10×10mm大小的方块，密封于保鲜袋中并置于80℃条件下水浴加热，并在中心温度达到70℃时开始计时，10min后取出冷却，取出时保证保鲜袋密封无破损，牛肉汁均为加热后从样品中自然流出。冷却后通过纱布三次过滤，再通过滤纸三次过滤得澄清牛肉汁，定容至30ml，确保牛肉汁澄清无固形物，密封后防尘无菌条件下保存备用。

3)将澄清牛肉汁编号1-9保存，同时记录下相同牛眼肌的样品编号。A对应编号为1,2,8；B对应编号为3,4,6；C对应编号为5,7,9。

2.PVC膜传感器预处理及活化

按本发明所述对PVC膜传感器的工作电极，对电极，参比电极进行不同条件的活化。活化后连接至CHI660D电化学工作站(上海辰华公司)进行实验。

3.利用PVC膜传感器进行电位检测

所述的PVC膜传感器检测过程在电化学工作站进行，利用本发明所制备的PVC膜电极作为工作电极，铂金裸电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构成传感器。分别与电化学工作站上的工作电极，对电极，参比电极夹具相连接。接通电源后将三个电极浸入装有牛肉汁的烧杯中，保持三个电极下表面同时处于液面下15mm处，三个电极呈等边三角形放置，由电极台架固定在竖直方向。在检测进行中，保证传感器的三个电极互不接触，不与杯壁杯底接触。

在对不同样品进行检测的过程中，用去离子水清洗并用滤纸擦干保证实验数据的准确性。

所得电位值如表1：

表1 PVC膜电极开路电位值

4.电位值与牛肉味觉品质评价

根据表1可知：1-9样品的电位值均高于0.2000V，因此可以判断本次选用的牛肉均为牛肉味觉优秀的牛肉。具有良好的味觉特性，嫩度和柔软度。且相同牛眼肌之间电位值接近，表明所制备的PVC膜式传感器具有良好的稳定性。不同牛眼肌之间电位值存在差值，表明PVC膜式传感器具有良好的准确性。

5.PVC膜传感器准确性的验证方法——感官评价

1)感官评价实验室设置按照GB/T 13868-2009构建，检验区设施颜色为中性色和浅灰色以免影响对被检样品颜色的评价，保持无气味并提供均匀可调控的照明设施；

2)检测期间应控制噪声，检验区的温度和相对湿度让评价员感到舒适。

3)对样品的评价过程参照GB/T 22210-2008进行。挑选出12位受过训练的小组成员(7男5女)作为感官评定成员，经体格检查合格，其视觉、嗅觉、味觉及触觉符合感官评定要求，并穿着无异味的工作服。

4)在感官评价前1h，每位成员需要先对感官面板进行10次训练，达到熟悉认知感官面板和味觉词汇的程度后才可进行正式评估。感官面板所评价的样品是标准的味觉溶液。甜味用蔗糖定义，酸味用柠檬酸定义，咸味用氯化钠定义，鲜味用谷氨酸钠定义。

5)样品评估的过程包括预估阶段，是通过测试一种相关的牛肉样品并达成口味相同共识的阶段。在预估计阶段之后进行正式的感官评价，包括每次15min的品尝阶段，一共进行三次，在评估下一个样品之前，小组成员被要求用自来水漱口，并用无盐饼干清洗味觉。评定的过程中，品评人员应独自打分，禁止相互交换意见。

感官评价每项指标评分范围为0～10分最后求和来确定每个样品最后的得分。其中2分,5分,8分分别代表了“轻微”，“适度”，“强烈”的味觉。

所得感官评价结果为：12位感官评价员均一致认为三种不同牛眼肌均具有优秀的味觉品质，具有良好的五味，嫩度和柔软度。同时对A,B,C三个样品的判定结果为C优于A优于B。与PVC膜式传感器的检测结果相符，即C样品的电位值高于A样品的电位值高于B样品的电位值。

因此得出结论：本发明能够用于牛肉味觉的快速检测，且具有准确度高的特点，满足了现代食品快速检测的要求。