高光譜成像對羊肉摻假可視化無損定量檢測
發(fā)布時間:2023-03-29
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?利用高光譜相機為羊肉摻假的定量檢測提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。
? ? 肉類主要包括畜禽類和水產(chǎn)品類,人體所需的蛋白質(zhì)、脂肪酸、微量元素等重要能量物質(zhì)都來源于肉類。隨著生活水平不斷地提高,人們在飲食方面更加注重食品的品質(zhì)和營養(yǎng)均衡搭配,但一些不法商家將一些低品質(zhì)的肉類混入高品質(zhì)肉類中,以次充好,特別是2013年歐洲的“馬肉風波”,引發(fā)了人們對肉類摻假問題的極度關(guān)注。肉類摻假檢測方法包括感官評測、熒光PCR檢測技術(shù)、電泳分析法和酶聯(lián)免疫分析技術(shù)等,但大都需要樣品前處理,試驗操作較為繁瑣且費時費力,很難實現(xiàn)較大樣品量的現(xiàn)場快速實時檢測。
? ? 利用高光譜相機為羊肉摻假的定量檢測提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。
圖1為獲取羊肉中摻雜不同比例的鴨肉高光譜數(shù)據(jù)的簡易流程(摻假比例為0%~100%,間隔為10%),包括感興趣區(qū)域的選取及光譜的提取工作。在整個光譜范圍(400~1000nm和900~1700nm)內(nèi)并不存在隨著羊肉摻假比例地升高,光譜的反射率曲線有明顯的升高或下降的規(guī)律,因此需要通過化學計量學方法提取光譜中的有效信息,剔除無用的干擾信息后建立模型。
圖1
? ? 首先對全光譜進行預處理后建模,如表1,表2所示,對于400~1000nm波段范圍的光譜,采用歸一化預處理后建模效果最好,對于900~1700nm波段范圍的光譜,采用SNV預處理后的光譜建模最好。
表1 400~1000nm采用不同預處理方法的全波段PLS模型性能
模型 | 主因子數(shù) | 校正集 | 預測集 | |||
R2cv | SECV | R2p | RMSEP | RPD | ||
NONE | 7 | 0.9059 | 0.0994 | 0.9078 | 0.0903 | 3.2933 |
WT | 10 | 0.8605 | 0.1147 | 0.8886 | 0.1117 | 2.9661 |
MSC | 13 | 0.9169 | 0.0955 | 0.8184 | 0.1247 | 2.3466 |
SNV | 9 | 0.8980 | 0.1058 | 0.8761 | 0.1052 | 2.8410 |
歸一化 | 6 | 0.9071 | 0.0988 | 0.9153 | 0.0853 | 3.4360 |
SG | 7 | 0.9060 | 0.0993 | 0.9074 | 0.0905 | 3.2832 |
表2 900~1700nm采用不同預處理方法的全波段PLS模型性能
模型 | 主因子數(shù) | 校正集 | 預測集 | |||
R2cv | SECV | R2p | RMSEP | RPD | ||
NONE | 6 | 0.7856 | 0.1455 | 0.8618 | 0.1169 | 2.6900 |
WT | 13 | 0.8712 | 0.1042 | 0.8970 | 0.1081 | 3.1159 |
MSC | 5 | 0.9038 | 0.0979 | 0.9269 | 0.0944 | 3.6986 |
SNV | 5 | 0.9055 | 0.0970 | 0.9311 | 0.0967 | 3.8087 |
歸一化 | 7 | 0.8974 | 0.0995 | 0.8842 | 0.1479 | 2.9386 |
SG | 12 | 0.8022 | 0.1397 | 0.9106 | 0.0941 | 3.3445 |
? ? 隨后在選擇最佳預處理方法的基礎(chǔ)上,對光譜進行特征選擇,并與全光譜進行模型性能對比,最終選擇在900-1700nm波段范圍內(nèi),采用SNV-SPA方法的建模效果最好,其建模效果:R2cv為0.9191,SECV為0.0997,R2p為0.9684,RMSEP為0.0582,RPD為5.6254。表3、表4為不同特征波長挑選方法的建模效果對比,圖2為挑選波長的位置分布及建模效果。
表3 400~1000nm采用歸一化后的PLSR建模效果
模型 | 特征波長數(shù) | 主因子數(shù) | 校正集 | 預測集 | |||
R2cv | SECV | R2p | RMSEP | RPD | |||
CARS | 10 | 9 | 0.8998 | 0.0964 | 0.8708 | 0.1024 | 2.7821 |
iRF | 29 | 6 | 0.9098 | 0.0983 | 0.9292 | 0.0760 | 3.7582 |
SiPLS | 47 | 7 | 0.9088 | 0.0982 | 0.8960 | 0.0919 | 3.1009 |
SPA | 14 | 10 | 0.9103 | 0.0987 | 0.9479 | 0.0704 | 4.3811 |
表4 900~1700nm采用SNV預處理方法后的PLSR建模效果
模型 | 特征波長數(shù) | 主因子數(shù) | 校正集 | 預測集 | |||
R2cv | SECV | R2p | RMSEP | RPD | |||
CARS | 14 | 13 | 0.9167 | 0.0996 | 0.9575 | 0.0184 | 4.8507 |
iRF | 70 | 7 | 0.9062 | 0.0967 | 0.9434 | 0.0197 | 4.2033 |
SiPLS | 205 | 6 | 0.9092 | 0.0951 | 0.9554 | 0.0600 | 4.7351 |
SPA | 13 | 7 | 0.9191 | 0.0997 | 0.9684 | 0.0582 | 5.6254 |
? ? 最后對最佳模型進行可視化反演,從圖3可以看出,隨著摻假比例的增加,顏色由深色變成淺色。高光譜成像技術(shù)提供了一種切實可靠的方法來可視化摻假樣品的分布,這是其他方法無法實現(xiàn)的。
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