劉 海,鄭福平*,熊振海*,劉 源,*
(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.北京工商大學(xué) 食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100048;3.北京工商大學(xué) 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京 100048)
肉品是人們獲取動(dòng)物蛋白的主要來源。隨著生活水平的提高,人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注肉品營養(yǎng)品質(zhì)和質(zhì)量安全等問題。目前時(shí)有以假亂真、以次充好的現(xiàn)象發(fā)生,破壞了公平的競爭環(huán)境,損害了消費(fèi)者的健康,因此實(shí)現(xiàn)快速無損檢測(cè)肉品品質(zhì)及確定安全指標(biāo)尤為重要。
廣義上講,肉品分為家畜、家禽和水產(chǎn)動(dòng)物肉[1]。傳統(tǒng)的肉品品質(zhì)檢測(cè)方法常采用化學(xué)方法,所需試劑多且操作繁瑣。傳統(tǒng)光譜技術(shù)由于操作簡單、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)而被用于食品的快速檢測(cè)中,如中紅外光譜應(yīng)用于魚肉制品的鑒別檢測(cè)[2],熒光光譜結(jié)合色譜法對(duì)肉制品中蛋白質(zhì)羰基化合物進(jìn)行研究[3]以及拉曼光譜法應(yīng)用于食品中農(nóng)藥殘留分析[4]等。但是,這些傳統(tǒng)光譜技術(shù)只能分析組分含量信息,無法獲取樣品品質(zhì)安全信息的空間分布;成像技術(shù)可提供樣品的空間信息,但無法精準(zhǔn)地獲取食品的化學(xué)組分信息。高光譜成像技術(shù)具有光譜技術(shù)和成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),能夠同時(shí)捕獲食品的空間信息和光譜信息,達(dá)到“圖譜合一”。
近年來,高光譜成像技術(shù)在食品檢測(cè)[5-7]、鑒別[8-10]等方面的研究日益廣泛。本文主要介紹了高光譜成像技術(shù)的基本原理、高光譜譜圖分析程序及其在肉品中應(yīng)用的研究進(jìn)展,并展望了高光譜成像技術(shù)在肉品中的發(fā)展趨勢(shì),以期為肉品快速檢測(cè)方法的研究提供參考。
高光譜成像技術(shù)的光譜波段覆蓋了可見光、近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外以及熱紅外等區(qū)域的全部連續(xù)的光譜帶。其中可見近紅外(visible near infrared,VNIR)和近紅外波段(near infrared,NIR)在肉品應(yīng)用研究中較為廣泛(表1)。高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、光譜儀、鏡頭、高分辨率相機(jī)和電荷耦合探測(cè)器(charge-coupled device,CCD)等組成(圖1)[11]。
圖1 高光譜成像系統(tǒng)[11]Fig. 1 Hyperspectral imaging system[11]
高光譜成像技術(shù)數(shù)據(jù)采集方式主要包括點(diǎn)掃描、線掃描、面掃描。點(diǎn)掃描主要捕獲單個(gè)像素點(diǎn)的光譜,常用于微觀對(duì)象的檢測(cè);線掃描又稱為推掃式,主要用于獲取樣品在對(duì)應(yīng)條狀空間中每個(gè)像素在各個(gè)波長下的圖像信息,而且在檢測(cè)時(shí)需要光譜檢測(cè)器和待測(cè)樣品產(chǎn)生位移差,因此該數(shù)據(jù)采集方法能較好地應(yīng)用于傳送帶系統(tǒng);面掃描主要是獲取樣品在單個(gè)波長下完整的空間圖像[12]。
如圖1所示,當(dāng)光源照射到待測(cè)樣品表面,由于食品中所含化學(xué)成分及物理特性存在差異,在特定波長下有不同的反射比、分散度以及電磁能等。待檢樣品的輻射能通過鏡頭聚集并由狹縫增強(qiáng)準(zhǔn)直照射到分光原件上,最終在垂直方向上按光譜分散并成像于圖像傳感器上,即得到待測(cè)樣品的高光譜圖(圖2)[13]。
圖2 高光譜譜圖[13]Fig. 2 Spectral imaging diagrams[13]
高光譜圖像是由非常窄的多達(dá)數(shù)百個(gè)連續(xù)光譜波段組成,其圖像又稱超立方,可通過反射、透射和漫反射來獲取,該圖像是一個(gè)三維的數(shù)據(jù)矩陣(X,Y,λ),其中(X,Y)代表的是二維的空間維度,(λ)代表的是一維的光譜維度。從一維維度(λ)上看,高光譜圖像是一張張二維(X,Y)圖像(圖2A),而從二維(X,Y)上看,高光譜圖像是一條條光譜譜線(圖2B)[14]。光譜數(shù)據(jù)所攜帶的信息一般可采用3 種表示方法,即圖像空間、光譜空間、特征空間。圖像空間根據(jù)RGB色澤的差異能較為直觀地觀測(cè)被檢對(duì)象的整體分布信息;光譜空間表示了被檢物質(zhì)在不同波長下的響應(yīng)情況;特征空間為光譜指紋圖譜技術(shù)奠定了理論依據(jù),且該特征空間能較好地應(yīng)用于模式識(shí)別[12,15]。
圖3 高光譜成像技術(shù)定性定量判別流程Fig. 3 Major procedure of hyperspectral imaging technique in qualitative and quantitative analysis
高光譜成像技術(shù)定性定量判別的一般流程如圖3所示。由于高光譜數(shù)據(jù)冗余,需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行定性定量分析。其中定性分析中主要有監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類、參數(shù)分類與非參數(shù)分類、確定性分類與非確定性分類等[12];定量分析模型中多采用多元變量回歸,可分為線性回歸和非線性回歸,線性回歸包括多元線性回歸(multiple linear regression,MLR)、主成分回歸(principal component regression,PCR)、偏最小二乘回歸(partial least squares,PLS)等,非線性回歸包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks,ANN)、支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)等[16]。
高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于肉品定量模型預(yù)測(cè)研究,需要對(duì)采集完樣品的原始光譜信息進(jìn)行黑白校正,由于高光譜相鄰譜帶之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,利用全波段進(jìn)行多變量建模預(yù)測(cè)比較耗時(shí),且效果不穩(wěn)定,因此需要進(jìn)行特征波段的選擇[17-18]。特征波段的選擇方法較多,如相關(guān)系數(shù)波段選擇法、顯變分析波段選擇法,這兩種方法能簡便地提取特征波段,但缺乏對(duì)數(shù)據(jù)多重共線性判別的能力,導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)性能較差;而間隔PLS可消除多重共線性的影響,因?yàn)樵摲椒ㄊ菍LS回歸模型最終的預(yù)測(cè)結(jié)果作為衡量波段選擇的標(biāo)準(zhǔn);模擬退火法選擇特征波段,是將預(yù)測(cè)模型自身的預(yù)測(cè)能力作為衡量標(biāo)準(zhǔn),忽略了校正模型的穩(wěn)健性,因此,當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí),模型預(yù)測(cè)結(jié)果的重現(xiàn)性較差;此外還有連續(xù)投影法(successive projections algorithm,SPA)、主成分分析法(principal component analysis,PCA)等一系列方法應(yīng)用于特征波段的選取[19-21]。因此,在進(jìn)行定性定量模型判別時(shí)要綜合考慮這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性,從而使得模型穩(wěn)健性和預(yù)測(cè)精確度達(dá)到最佳。
目前高光譜成像技術(shù)在肉品檢測(cè)方面已有較多研究,肉品品質(zhì)包括營養(yǎng)品質(zhì)、食用品質(zhì)、技術(shù)品質(zhì)或加工品質(zhì)、安全品質(zhì)或衛(wèi)生品質(zhì)[22]。表1就高光譜成像技術(shù)在肉品品質(zhì)方面的研究應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。
表1 高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于肉品品質(zhì)評(píng)價(jià)Table 1 Application of hyperspectral imaging technique in meat quality evaluation
續(xù)表1
2.1.1 水分含量的測(cè)定
水分含量可以作為肉品原料的物性參數(shù)之一,因此,可以依據(jù)水分含量對(duì)不同肉品進(jìn)行分類。如杜長大、茂佳山黑豬和零號(hào)土豬其里脊肉水分含量存在差異,劉嬌等[27]應(yīng)用高光譜技術(shù)建立杜長大豬里脊肉含水率PLS定量檢測(cè)模型,提出了一種PDS-LI的傳遞算法,該算法對(duì)杜長大模型進(jìn)行傳遞后,對(duì)茂佳山黑豬和零號(hào)土豬的模型預(yù)測(cè)效果提高到83.2%和84.8%,研究結(jié)果表明,該算法對(duì)茂佳山黑豬與零號(hào)土豬樣品可實(shí)現(xiàn)模型傳遞。西班牙的Talens等[7]利用高光譜成像(900~1 700 nm)對(duì)西班牙熟火腿進(jìn)行水分含量測(cè)定研究,采用PLSR和PLS-DA進(jìn)行多元分析,成功在特征波段(966、1 061、1 148、1 256、1 373、1 628 nm)處對(duì)熟火腿進(jìn)行品質(zhì)分級(jí),精確度達(dá)92%。日本的Kamruzzaman等[26]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)紅肉進(jìn)行持水力的快速檢測(cè)研究,研究結(jié)果表明分別在特征波段下建立的定量分析模型,對(duì)豬肉、羊肉、牛肉持水力預(yù)測(cè)精確度達(dá)90%。
對(duì)不同加工方式下肉品含水量的測(cè)定也有相關(guān)研究。Ma Ji等[23]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)豬背最長肌在不同加工處理方式(自然條件(新鮮)、冷凍-解凍、解熱-脫水、鹽水腌制-脫水)下對(duì)水分含量進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。建立的PLSR模型對(duì)豬背最長肌含水率檢測(cè)具有較好的效果,模型精確度達(dá)95%,預(yù)測(cè)均方根誤差(root-mean square error of prediction,RMSEP)為1.396。Liu Dan等[28]利用高光譜成像技術(shù)探究了豬肉在腌制過程中水分含量的變化,分別建立PLSR和MLR模型;研究結(jié)果表明,采用反射光譜-多元線性回歸模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)91.7%,預(yù)測(cè)均方誤差為1.48%。Iqbal等[31]利用近紅外高光譜技術(shù)(900~1 700 nm)研究不同等級(jí)火腿烹飪后中的水分含量,精確度達(dá)88%。對(duì)水產(chǎn)類肉品的水分研究也有相關(guān)研究,如Wu Di等[34]利用高光譜成像技術(shù)(380~1 100 nm)對(duì)不同脫水程度的蝦進(jìn)行水分含量檢測(cè),建立PLSR模型,利用LS-SVM進(jìn)行模型校正,模型預(yù)測(cè)效果達(dá)98%,研究表明高光譜成像技術(shù)可對(duì)蝦含水量進(jìn)行快速無損檢測(cè)。
2.1.2 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定
從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上看,蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物的基本骨架,且生化反應(yīng)中絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)。從營養(yǎng)風(fēng)味指標(biāo)上看,蛋白質(zhì)發(fā)生水解后的多肽或氨基酸可呈現(xiàn)出特征性的食品風(fēng)味。Jurado等[72]研究了伊比利亞火腿在成熟過程中氨基酸相對(duì)揮發(fā)性組分的含量。研究結(jié)果表明在干燥階段120~230 d內(nèi)總的自由氨基酸含量顯著增高,且自由氨基酸含量的增加與氨基酸揮發(fā)性物質(zhì)含量正相關(guān)。部分氨基酸除了有特殊風(fēng)味外,還具有標(biāo)識(shí)作用,如羥脯胺酸可以作為膠原蛋白的特征氨基酸。Xiong Zhenjie等[73]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)雞肉中羥脯氨酸含量進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)總樣本數(shù)為160,預(yù)測(cè)集樣本量為46,交叉驗(yàn)證樣本量為114,建立PLSR模型;結(jié)果表明預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)為87.4%,RMSEP為0.049。Talens等[7]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)西班牙熟火腿進(jìn)行了蛋白質(zhì)定量測(cè)定研究;實(shí)驗(yàn)總樣本量為126,通過提取感興趣區(qū)域及閾值法選取10 個(gè)特征波段,建立的PLS預(yù)測(cè)模型精度達(dá)85%。
又如上世紀(jì)60年代樂善秦腔現(xiàn)代戲《紅燈記》,李奶奶講革命家史的大段念白,訴說了過去,又教育了鐵梅,體現(xiàn)了李奶奶的革命氣節(jié)。
2.1.3 脂肪含量與分布的測(cè)定
脂肪是動(dòng)植物體中的油性物質(zhì),是生物體的組成部分和儲(chǔ)能物質(zhì),在食品加工過程中常賦予食品特殊的風(fēng)味。已有報(bào)道借助高光譜成像技術(shù)研究肉品中脂肪的含量及其分布,如李學(xué)富[21]應(yīng)用近紅外高光譜技術(shù)對(duì)羊肉脂肪含量的研究,分析比較了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation artificial neural networks)和PLS模型預(yù)測(cè)的精度;研究表明PLS預(yù)測(cè)模型效果要好,預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)95%,預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.40。Zhu Fengle[35]、Liu Li[38]等應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)鮭魚和豬肉的脂肪空間分布進(jìn)行了研究,建立PLSR模型,該模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)92%。Lohumi等[25]利用高光譜成像技術(shù)預(yù)測(cè)牛肉的脂肪分布,比較了光譜相似測(cè)量和方差分析提取特征波段的優(yōu)劣;研究結(jié)果表明光譜相似測(cè)量分析方法較優(yōu),且預(yù)測(cè)模型精確度達(dá)95%。
2.2.1 嫩度的測(cè)定
肉的嫩度稱為肉的柔軟性,指肉在食用時(shí)口感的老嫩,反映肉的質(zhì)地,且肉的嫩度與肉的彈性相對(duì)應(yīng),是硬度的倒數(shù)[1]。涂冬成[74]利用激光誘導(dǎo)熒光光譜對(duì)禽肉(雞、鴨、鵝)彈性和嫩度指標(biāo)進(jìn)行了研究(350~1 800 nm),通過對(duì)光譜圖采用歸一化處理后,在特征波長處(460~999 nm)結(jié)合PLS建立了激光誘導(dǎo)熒光光譜與禽肉彈性和嫩度之間的校正和預(yù)測(cè)模型;研究結(jié)果表明利用激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)對(duì)雞、鵝嫩度檢測(cè)具有明顯的效果,預(yù)測(cè)精度分別達(dá)88.9%和82.9%,對(duì)鴨肉檢測(cè)效果不佳,僅為54.1%。后期涂冬成[74]采用熒光高光譜技術(shù),在400~1 000 nm波長處對(duì)鴨肉嫩度進(jìn)行研究,選取418.3~478.9 nm和789.2~798.8 nm為特征波長,采用PLS建立模型,模型精度達(dá)86.1%。趙娟等[40]應(yīng)用高光譜紋理特征對(duì)牛肉嫩度分布進(jìn)行了研究,綜合逐步回歸算法與遺傳算法篩選牛肉剪切值的特征波段,分別建立SVM和線性判別(linear discriminant analysis,LDA)模型,其中主成分紋理特征建立的線性判別模型預(yù)測(cè)判別精度達(dá)94.44%。Elmasry等[42]利用高光譜成像技術(shù)(900~1 700 nm)對(duì)牛肉嫩度進(jìn)行了研究。利用PLSR建立模型,嫩度檢測(cè)系數(shù)為0.83,交叉驗(yàn)證結(jié)果系數(shù)(root mean square error of validation,RMSEV)為40.75。研究結(jié)果表明高光譜技術(shù)對(duì)于牛肉品質(zhì)的無損檢測(cè)具有潛在價(jià)值。
2.2.2 色澤的測(cè)定
肉品色澤是消費(fèi)者對(duì)肉品質(zhì)量的第一印象,也是對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要依據(jù)[1]。根據(jù)國際照明標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)中色空間指標(biāo)(L*、a*、b*)說明,L*表示顏色的明度,a*代表紅綠值,b*代表黃藍(lán)值,因此,可依據(jù)色澤指標(biāo)檢驗(yàn)來表征食品物料的信息。Elmasry等[42]利用近紅外高光譜技術(shù)(900~1 700 nm)對(duì)新鮮牛肉色澤進(jìn)行了研究,通過建立PLS模型檢測(cè)色澤指標(biāo)L*、b*的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)分別為88%、81%,RMSEP分別為1.21、0.57。Kamruzzaman等[46]應(yīng)用高光譜成像技術(shù)(400~1 000 nm)對(duì)紅肉(牛肉、羊肉、豬肉)進(jìn)行了色澤無損檢測(cè)研究,建立的MLR模型對(duì)牛肉、羊肉、豬肉的色澤(L*、a*、b*)預(yù)測(cè)精度分別為0.97、0.84、0.82,RMSEP分別為1.72、1.73、1.35。Wu Di等[50]利用長波近紅外光譜技術(shù)對(duì)鮭魚色澤進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明采用的SPA及其MLR可用于鮭魚色澤的快速無損檢測(cè),模型整體精度最高可達(dá)87%。
2.2.3 新鮮度的測(cè)定
2.3.1 微生物測(cè)定
食品的腐敗變質(zhì)與食品自身或貯藏環(huán)境中微生物含量有較大的關(guān)系,其中,微生物將食品作為自身繁殖的養(yǎng)料,不僅使食品營養(yǎng)成分減少,且降解產(chǎn)物會(huì)影響食品的食用品質(zhì)。王偉等[60]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)豬肉表面微生物含量進(jìn)行了研究,通過結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)平板菌落計(jì)數(shù)法比較分析了PLS、ANN和PL-SVM的精確度,研究結(jié)果表明PL-SVM最優(yōu),預(yù)測(cè)模型精確達(dá)94.26%。Tao Feifei[61]、宋育霖[62]等利用可見近紅外高光譜技術(shù)(400~1 100 nm)研究豬肉被大腸桿菌污染的情況,通過對(duì)Gompertz函數(shù)進(jìn)行修訂后提取豬肉高光譜圖像的散射特征,建立MLR模型,模型精度達(dá)90%。Barbin等[77]利用線掃式高光譜技術(shù)(900~1 700 nm)對(duì)新鮮豬肉表面微生物菌落數(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)合平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定新鮮豬肉在0 ℃和4 ℃貯藏21 d時(shí)的微生物菌落數(shù),PLS模型分析表明實(shí)驗(yàn)精確度可達(dá)到86%。
2.3.2 摻假測(cè)定
肉品中的摻假問題主要發(fā)生在肉糜類制品。如國外已有研究者利用高光譜成像技術(shù)對(duì)摻加雞肉和羊肉的牛肉餡制品進(jìn)行檢測(cè),分別對(duì)不同添加量梯度進(jìn)行檢測(cè)分析,利用PLSR建立預(yù)測(cè)模型[64,78],模型預(yù)測(cè)精確度高達(dá)96%。白亞斌等[79]利用高光譜儀(400~1 000 nm)對(duì)牛肉-豬肉進(jìn)行了摻假檢測(cè),按照摻加比例10%~90%(梯度為5%)制備肉糜樣品后采集高光譜數(shù)據(jù),建立的PLS模型預(yù)測(cè)精度達(dá)98%。
高光譜成像技術(shù)除了應(yīng)用于肉品營養(yǎng)、品質(zhì)、安全等檢測(cè)外,還在肉品保藏時(shí)間及凍融次數(shù)等方面有較多的研究應(yīng)用。如章海亮等[66]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)新鮮多寶魚與凍藏多寶魚進(jìn)行了鑒別,新鮮多寶魚在-20 ℃貯藏20 d解凍1、2 次,-20 ℃貯藏130 d解凍1、2 次后采集高光譜圖像,將譜圖感興趣區(qū)域與競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法相結(jié)合,利用PCA、灰度共生矩陣紋理特征與光譜特征建立LS-SVM區(qū)分模型,預(yù)測(cè)模型的精度達(dá)98%。Zhu Fengle等[67]利用高光譜技術(shù)對(duì)新鮮多寶魚與在不同凍藏溫度(-20、-70 ℃)下保藏的多寶魚進(jìn)行了鑒別;選取魚肉光譜圖中心位置為感興趣區(qū)域,結(jié)合PCA和灰度共生矩陣分析提取36 個(gè)特征變量,建立的PL-SVM判別模型精度達(dá)97.22%。
高光譜成像技術(shù)目前主要應(yīng)用于研究肉制品的營養(yǎng)成分(水分、蛋白質(zhì)、脂肪等)含量、食用品質(zhì)(色澤、嫩度、新鮮度等)的快速無損檢測(cè),初步證明了高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于肉品檢測(cè)的可行性。但檢測(cè)的精確度、檢測(cè)限以及重現(xiàn)性等問題尚需要進(jìn)一步的研究和探討,對(duì)于肉品中理化值的測(cè)定,高光譜成像技術(shù)需結(jié)合多種化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行探討。高光譜成像技術(shù)數(shù)據(jù)采集受光強(qiáng)、移動(dòng)速率、鏡頭高度以及外界因素等影響較大,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性較差;高光譜數(shù)據(jù)冗余,需提取最佳的特征波長進(jìn)行分析,且建立定量預(yù)測(cè)模型需要有龐大的樣本量、需要檢測(cè)指標(biāo)值存在一定的跨度。目前研究中對(duì)于肉品安全指標(biāo)檢測(cè)針對(duì)非法添加物的研究相對(duì)較少。因此,以高光譜成像技術(shù)為主、其他技術(shù)手段為輔獲得樣品最優(yōu)的信息,從而構(gòu)建最佳的判別或定量模型,可使高光譜成像技術(shù)從應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究擴(kuò)展至實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)。
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