聶鵬宇 顏壽 陳利 黃梓鈺 劉翰林 趙蘭

摘 要：為了降低由于檢測(cè)指標(biāo)多樣化引起的檢測(cè)效率較低的問題，研究富硒富鋅食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法。利用基于太赫茲透射光譜對(duì)提取待檢測(cè)食品的指標(biāo)參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行平滑去噪處理，以此提高數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性，最后對(duì)于處理后的結(jié)果進(jìn)行投影處理，以最大方差對(duì)投影結(jié)果進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品成分的全種類分析，提高其檢測(cè)效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，其可以在0.4 h內(nèi)完成對(duì)所有檢測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)定，具有較高的檢測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：富硒富鋅食品;檢驗(yàn)檢測(cè);太赫茲透射光譜;平滑去噪;最大方差

Study on Inspection Methods of Selenium and Zinc Rich Foods

NIE Pengyu， YAN Shou， CHEN Li， HUANG Ziyu， LIU Hanlin， ZHAO Lan

（Hejiang County Public Inspection and Testing Center （Sichuan Selenium and Zinc Rich Product Quality Supervision and Inspection Center）， Luzhou 646200， China）

Abstract： In order to reduce the problem of low detection efficiency caused by the diversification of detection indexes， the research on the detection method of selenium and zinc rich food was proposed. The index parameters of the food to be tested are extracted based on terahertz transmission spectrum， and the data results are smoothed and denoised to improve the reliability of the data results. Finally， the processed results are projected， and the projection results are sorted by the maximum variance to realize the full type analysis of food components and improve the detection efficiency. The experimental results show that it can complete the accurate determination of all detection indexes in 0.4 h and has high detection efficiency.

Keywords： selenium and zinc rich food; inspection and detection; terahertz transmission spectrum; smooth denoising; maximum variance

自21世紀(jì)以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，人們的飲食結(jié)構(gòu)也開始出現(xiàn)變化，人們對(duì)于食品的追求不再是溫飽，而是對(duì)營(yíng)養(yǎng)均衡提出了更高要求[1]。在此背景下，食品行業(yè)得到迅猛發(fā)展，不同類型的食品開始出現(xiàn)在市場(chǎng)上[2]。與此同時(shí)，由于我國(guó)人口龐大，地域遼闊，市場(chǎng)的監(jiān)管一直是一項(xiàng)繁重的工作，特別是食品市場(chǎng)，其與人們的身體健康直接相關(guān)，與人們的生活關(guān)系也最為密切[3]。實(shí)現(xiàn)食品市場(chǎng)有效監(jiān)管的一個(gè)重要手段就是對(duì)食品質(zhì)量的檢驗(yàn)檢測(cè)，其不僅穿插于食品的流通過程中，也是其進(jìn)入市場(chǎng)的必經(jīng)環(huán)節(jié)[4]。現(xiàn)階段，對(duì)于食品的檢驗(yàn)檢測(cè)主要是通過相關(guān)因素間接進(jìn)行的，這樣的檢測(cè)雖然具有較高的檢測(cè)效率，但檢測(cè)結(jié)果的可靠性存在一定的提升空間。因此，深入對(duì)食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法的研究具有重要意義[5]?；诖耍疚奶岢鰧?duì)富硒富鋅食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法的研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的實(shí)際應(yīng)用效果。通過該研究，以期為提高食品檢驗(yàn)檢測(cè)效率提供有價(jià)值的參考。

1 富硒富鋅食品數(shù)據(jù)采集

對(duì)于富硒富鋅食品，其檢驗(yàn)檢測(cè)不僅僅是對(duì)其安全性的檢測(cè)，同時(shí)也包括對(duì)其營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)以及添加物的檢測(cè)[6]。因此，本文設(shè)計(jì)的富硒富鋅食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法主要通過對(duì)太赫茲光譜實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行提取，再結(jié)合化學(xué)計(jì)量分析的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)全檢驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)的統(tǒng)一檢測(cè)。

1.1 食品指標(biāo)參數(shù)提取

在太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)中，基于太赫茲透射光譜提取指標(biāo)參數(shù)是一種運(yùn)用較為廣泛的方法。因此，本文采用該方法對(duì)待檢測(cè)食品的檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行提取。

規(guī)定在無樣品情況下，太赫茲信號(hào)的輸出結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，即0，以此為基礎(chǔ)，對(duì)檢測(cè)樣品的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輸出。在對(duì)食品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將其統(tǒng)一處理為長(zhǎng)寬高分為2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的片狀，并確保樣品的表面平整，厚度均勻，通過這樣的方式，確保對(duì)其進(jìn)行太赫茲脈沖檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)脈沖能夠最大限度垂直發(fā)送到樣品的表面，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

假設(shè)樣品檢測(cè)的輸出信號(hào)為E（t），參考信號(hào)的輸出結(jié)果為E0（t），那么，將通過對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，既可以得到其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)g和g0，則檢測(cè)輸出信號(hào)與參考信息之間的傳遞關(guān)系可以表示為：

? （1）

式中：A（t）表示檢測(cè)樣品輸出信號(hào)振幅與參考信號(hào)振幅之間的比值關(guān)系;（t）表示檢測(cè)樣品輸出信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差;k表示信號(hào)的誤差參量;e表示檢測(cè)樣品輸出信號(hào)的單位振蕩距離。在傳輸函數(shù)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出樣品的復(fù)折射率為：

? ?（2）

式中，P（t）表示樣品對(duì)太赫茲脈沖的折射率，d為樣品的厚度。

以此為基礎(chǔ)，得到最終測(cè)試樣品的吸收系數(shù)為：

? （3）

式中，Q表示測(cè)試樣品的吸收系數(shù)。

通過上面的方法，構(gòu)建檢測(cè)參數(shù)之間的相互聯(lián)系，并能夠通過函數(shù)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，以此確保對(duì)待檢測(cè)食品的檢測(cè)數(shù)據(jù)更高的準(zhǔn)確性，為最終檢測(cè)結(jié)果的可靠性提供保障。

1.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在利用太赫茲光譜對(duì)視頻指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量過程中，由于外界環(huán)境、試驗(yàn)儀器精度、操作誤差等多方面原因都會(huì)影響，輸出的結(jié)果先不要經(jīng)過預(yù)處理才可以作為最終檢測(cè)結(jié)果判斷依據(jù)。為此，本文對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行平滑去噪處理。

對(duì)光譜輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，減少噪音對(duì)樣品信號(hào)的干擾，提高信噪比。對(duì)于此，本文在[0，20]范圍內(nèi)取若10個(gè)連續(xù)的奇數(shù)點(diǎn)，以此來對(duì)中心點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。并在取值范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)窗口，用于數(shù)據(jù)平均近似中心點(diǎn)的采集，并將采集結(jié)果以相同距離進(jìn)行移動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)其的平滑處理，其過程可以表示為：

? ?（4）

式中，L表示其移動(dòng)的步長(zhǎng)，表示窗口大小的參數(shù)，表示其標(biāo)準(zhǔn)差，表示信號(hào)平均近似中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。

對(duì)于不同食品，其檢測(cè)結(jié)果輸出的信號(hào)長(zhǎng)度也是不同的，因此，設(shè)置窗口的大小是可調(diào)模式，當(dāng)信號(hào)中包含的數(shù)據(jù)越多時(shí)，則相應(yīng)地增大窗口的參數(shù)，當(dāng)信號(hào)中包含的數(shù)據(jù)越少時(shí)，則相應(yīng)地減小窗口的參數(shù)，以此避免樣品中特征信息的損失。

2 指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)于預(yù)處理后的檢測(cè)結(jié)果，將其作為最終檢測(cè)指標(biāo)的判斷依據(jù)，對(duì)此，本文主要針對(duì)富硒富鋅食品的檢測(cè)重點(diǎn)，對(duì)其成分進(jìn)行分析。本文對(duì)食品成分分析是通過對(duì)預(yù)處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換實(shí)現(xiàn)的。

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的高維光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，其可以表示為：

? （5）

式中，（t）表示其投影結(jié)果，f（t）表示輸出的光譜中的高維篩選。

由上可以得到一組各維度線性無關(guān)的投影結(jié)果，也就是檢驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)的結(jié)果，以此為基礎(chǔ)對(duì)食品中待檢測(cè)指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，本文以最大方差為原則，第一個(gè)基向量為數(shù)據(jù)最為分散的方向，此時(shí)方差最大，也就是食品的主要成分，另一個(gè)即為與第一主成分正交的向量中方差最大的方向，為次主成分。按照這個(gè)順序，根據(jù)檢驗(yàn)檢測(cè)的需求，對(duì)投影的范圍進(jìn)行變換。

設(shè)光譜數(shù)據(jù)為m個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)有n個(gè)特征，需要投影到k維坐標(biāo)系。具體的計(jì)算步驟如下：①將數(shù)據(jù)排成n行m列的矩陣X;②將X按行減去這一行求得的平均值;③計(jì)算協(xié)方差矩陣;④計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值以及對(duì)應(yīng)的特征向量;⑤按從大到小依次選取前k個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量按行排列成矩陣P;⑥求得投影后的數(shù)據(jù)Y=PX。由此，就可以實(shí)現(xiàn)1次檢測(cè)完成對(duì)多個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的結(jié)果輸出。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文提出的檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)效果，進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，同時(shí)為了使測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)更加具有可靠性，采用以微波檢測(cè)為基礎(chǔ)的食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法和以液相色譜為基礎(chǔ)的食品檢測(cè)方法同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

3.1 測(cè)試材料

試驗(yàn)選擇的測(cè)試對(duì)象為香豆素類化合物，其作為一種在富硒富鋅食品中的重要的成分，在較多方面都有較高的生物利用度。本節(jié)試驗(yàn)樣品中香豆素化合物共分為5種，分別為香豆素、3-羥基香豆素、4-羥基香豆素、7-羥基香豆素和6，7-二羥基香豆素，選擇的食品為黑香豆。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試環(huán)境下，分別采用3種方法對(duì)黑香豆中的物種成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在3種檢測(cè)方法中，本文方法的檢測(cè)耗時(shí)最短，完成全部指標(biāo)檢測(cè)的耗時(shí)僅為0.4 h，而另外兩種方法完成單個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)的耗時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了0.4 h，整體耗時(shí)基本在2.5 h以上。這主要是因?yàn)楸疚姆椒▽?shí)現(xiàn)一次性對(duì)多個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率，降低了時(shí)間開銷，同時(shí)，從表中可以看出，本文檢測(cè)結(jié)果與參考值之間具有較高的擬合度，表明本文檢測(cè)方法在提高檢測(cè)效率的同時(shí)，并未影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

隨著飲食結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，食品的種類也呈現(xiàn)出明顯的多樣化趨勢(shì)，在此背景下，食品安全問題成為了全民關(guān)注的重點(diǎn)，因此，食品的檢驗(yàn)檢測(cè)是確保食品安全的重要保障。本文提出富硒富鋅食品檢驗(yàn)檢測(cè)方法研究，提高了對(duì)食品檢測(cè)結(jié)果的可靠性，以期為食品安全檢測(cè)工作提供幫助，為消費(fèi)者的飲食安全提供保障。

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