基于近紅外光譜技術(shù)結(jié)合判別分析快速識(shí)別阿膠產(chǎn)品

高鳳偉，張東京，武以敏，費(fèi)時(shí)龍

（宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000）

基于近紅外光譜技術(shù)結(jié)合判別分析快速識(shí)別阿膠產(chǎn)品

高鳳偉，張東京，武以敏，費(fèi)時(shí)龍

（宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000）

產(chǎn)品的快速識(shí)別與鑒偽對(duì)規(guī)范阿膠產(chǎn)品市場(chǎng)具有非常重要的作用。研究采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)豬皮膠、牛皮膠、驢皮膠3種阿膠產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)分析，采用Fisher判別分析結(jié)合近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行阿膠的分類(lèi)識(shí)別研究，并構(gòu)建識(shí)別模型。試驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)isher判別分析模型預(yù)測(cè)集識(shí)別率達(dá)到100%，表明近紅外光譜技術(shù)可用于阿膠產(chǎn)品的快速識(shí)別。

阿膠；近紅外；Fisher判別分析；快速識(shí)別

0 引言

阿膠通常是由馬科動(dòng)物驢的皮經(jīng)過(guò)煎熬，使其中的膠原經(jīng)過(guò)加熱分解后，再濃縮而成的一種固態(tài)膠體狀物質(zhì)[1]，是一種廣泛應(yīng)用到中醫(yī)臨床實(shí)驗(yàn)中的名貴中藥材之一，其性平穩(wěn)、味道甘甜，有很好的臨床功效，如滋陰潤(rùn)燥、補(bǔ)血、止血等[2,3]。目前，由于大眾生活水平的普遍提高，對(duì)阿膠產(chǎn)品的需求量也急劇增加，價(jià)格逐年增加。由于我國(guó)毛驢資源有限，市場(chǎng)供應(yīng)嚴(yán)重不足，價(jià)格相對(duì)較高[4]，一些不法商販基于利益制售假冒偽劣阿膠產(chǎn)品，因此，需要阿膠產(chǎn)品的識(shí)別與鑒偽。

目前，常規(guī)的阿膠產(chǎn)品的識(shí)別與鑒偽方法，主要包括感官評(píng)定法[5]、高效液相質(zhì)譜法[6]、理化檢測(cè)方法[7]、電泳法[8]、免疫化學(xué)法[9]、熱分析法[10]和分子檢測(cè)[11]等。雖然感官評(píng)定法方法簡(jiǎn)單，但是該方法有較強(qiáng)的主觀(guān)性，結(jié)果重復(fù)性存在一定的缺陷。而以上其他指標(biāo)檢測(cè)法一般需要大型儀器或樣品預(yù)處理，步驟復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，成本較高。因此，需要開(kāi)發(fā)新型的檢測(cè)技術(shù)用于阿膠產(chǎn)品的快速識(shí)別與鑒偽。

近紅外（Near Infrared，NIR）光譜技術(shù)是一種新興的現(xiàn)代農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單方便、分析快速、不破壞樣品等[12]。近紅外光譜的光譜通常選用的光譜范圍介于中紅外光譜和可見(jiàn)光光譜的范圍之間，波長(zhǎng)范圍通常為780nm-2500nm或12820cm-1-4000cm-1。近紅外光譜檢測(cè)的主要根據(jù)是農(nóng)產(chǎn)品中含有-CH、-NH和-OH等含氫基團(tuán)的倍頻與合頻吸收，將這些光譜信息分析檢測(cè)。由于絕大多數(shù)的農(nóng)產(chǎn)品含有含氫基團(tuán)官能團(tuán)，農(nóng)產(chǎn)品樣品在近紅外區(qū)域都有對(duì)應(yīng)的吸收峰信息，通過(guò)匯總分析這些吸收信息即可對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行快速定性或定量分析。同時(shí)，近紅外光譜技術(shù)根據(jù)不同的官能團(tuán)可以在一定的范圍內(nèi)同時(shí)完成農(nóng)產(chǎn)品中的多種化學(xué)成分的定性和定量分析的任務(wù)，其分析檢測(cè)結(jié)果和傳統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果比較接近，并且具有傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，那就是近紅外分析檢測(cè)技術(shù)通常不用對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行一定的預(yù)處理，也無(wú)需使用有機(jī)溶劑，檢測(cè)的農(nóng)產(chǎn)品樣品也不會(huì)有有機(jī)溶劑的殘留，基本上不會(huì)產(chǎn)生任何副作用，因此，在農(nóng)產(chǎn)品的快速識(shí)別和鑒定真?zhèn)沃械玫搅藦V泛的應(yīng)用[13，14]。在水果識(shí)別方面，鄭劍等[15]利用近紅外光譜結(jié)合Fisher模型對(duì)褐變板栗進(jìn)行無(wú)損快速分析檢測(cè)，得出所構(gòu)造的PLS-LS-SVM模型性能效果較好，結(jié)果顯示，對(duì)褐變板栗的識(shí)別率高達(dá)95%。許春瑾等人采用近紅外光譜結(jié)合馬氏距離-離差平方和法對(duì)不同產(chǎn)地的枸杞子進(jìn)行自動(dòng)化快速鑒別分析中，樣品正確識(shí)別率達(dá)到了96.9%，模型效果較好。在肉制品識(shí)別方面，孟一等[16]利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析法對(duì)不同動(dòng)物源肉品進(jìn)行快速識(shí)別，模型正確識(shí)別率達(dá)100%，對(duì)豬肉、羊肉和牛肉的識(shí)別率分別達(dá)到99.28%、100%和97.42%。在豆制品識(shí)別方面，孫丹丹等[17]利用近紅外和中紅外技術(shù)在快速鑒別豆粕是否摻假的研究中，建立的PLS-DA和SVM分類(lèi)模型對(duì)樣品的識(shí)別率均達(dá)到100%。近紅外光譜的檢測(cè)技術(shù)在阿膠產(chǎn)品的檢測(cè)與分析方面鮮有報(bào)道，本研究嘗試采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合Fisher模型判別分析實(shí)現(xiàn)阿膠樣品的快速識(shí)別與鑒偽。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

阿膠測(cè)試樣品類(lèi)別：驢皮膠、豬皮膠和牛皮膠（市售）；近紅外光譜儀：AntarisⅡ傅立葉變換近紅外光譜儀。

1.2 數(shù)據(jù)處理

原始光譜數(shù)據(jù)降維采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA） 進(jìn)行降維處理；Fisher判別分析用于構(gòu)建基于近紅外光譜技術(shù)的阿膠產(chǎn)品識(shí)別模型。數(shù)據(jù)處理均基于Matlab平臺(tái)。

1.3 阿膠樣品近紅外光譜數(shù)據(jù)采集

采用積分球模式采集阿膠樣品數(shù)據(jù)，在每個(gè)樣品上隨機(jī)選取12個(gè)點(diǎn)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，原始光譜數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 3種阿膠樣品的近紅外原始光譜圖

2 結(jié)果與分析

2.1 PCA結(jié)果

將阿膠樣本原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理后，進(jìn)行PCA分析，前3個(gè)主成分的光譜圖如圖2所示。從圖中可看出阿膠樣品前3個(gè)主成分累積得分為99.99%，可認(rèn)為能夠代表原始數(shù)據(jù)信息。從圖2也可以看出3種阿膠可明顯區(qū)分。

圖2 3種阿膠樣品近紅外數(shù)據(jù)前3個(gè)主成分得分圖

2.2 Fisher判別模型結(jié)果

以阿膠樣品前3個(gè)主成分得分為輸入構(gòu)建Fisher判別分析模型。在Fisher判別分析模型的構(gòu)建過(guò)程中以全部樣品作為訓(xùn)練集，采用回判法對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3顯示了前兩個(gè)判別式對(duì)樣品的分布圖，此時(shí)回判準(zhǔn)確率為100%，模型效果非常好，可用于未知阿膠樣品的識(shí)別。

圖3 3種阿膠樣品Fisher判別分析散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

本研究對(duì)3種阿膠產(chǎn)品進(jìn)行近紅外快速無(wú)損檢測(cè)，構(gòu)建了Fisher判別模型，從模型的預(yù)測(cè)性能來(lái)看，近紅外光譜技術(shù)可對(duì)3種阿膠樣品進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。由此可見(jiàn)，近紅外光譜技術(shù)在阿膠產(chǎn)品的快速識(shí)別方面具有廣闊的應(yīng)用前景，有望實(shí)現(xiàn)阿膠產(chǎn)品的快速鑒偽，這對(duì)于規(guī)范阿膠產(chǎn)品市場(chǎng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］吳海燕，孫佳明，張輝.阿膠的研究進(jìn)展［J］.吉林中醫(yī)藥，2016，（1）:57-60.

［2］國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典［M］.北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，2005:130-131.

［3］劉文義，王莉麗.阿膠補(bǔ)益成分分析方法的研究進(jìn)展［J］.齊魯藥事，2009，28（11）:682-684.

［4］丁立威.阿膠價(jià)格趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)現(xiàn)代中藥，2011，13（6）:57-59.

［5］鐘蕾,徐琤琦.動(dòng)物毛皮鑒別方法的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)纖檢，2012，（14）:66-68.

［6］王曉坤，程秀民，于海英，等.阿膠水溶性成分HPLC指紋圖譜研究［J］.上海中醫(yī)藥雜志，2008，42（2）:66-69.

［7］郭中坤，王可洲，籍國(guó)霞，等.阿膠的成分、鑒別方法及藥理作用研究進(jìn)展［J］.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（4）:71-74.

［8］古今，劉萍，胡景華.三種動(dòng)物膠的SDS不連續(xù)聚丙烯酰胺電泳法鑒別［J］.北京中醫(yī)藥，2003，22（1）:33-34.

［9］張華遠(yuǎn)，萬(wàn)宗舉，吳冬明，等.阿膠的真?zhèn)舞b別與內(nèi)在質(zhì)量的研究Ⅵ.用免疫化學(xué)法鑒別真?zhèn)伟⒛z［J］.藥物分析雜志，1992，12（4）:203-205.

［10］陳棟華，劉雪峰.阿膠的差示掃描量熱鑒別法研究［J］.中草藥，1993，（6）:314-315.

［11］劉艷艷，張全芳，卞如如，等.利用多重?zé)晒舛縋CR檢測(cè)阿膠原料驢、馬、驢騾和馬騾皮張的源性［J］.藥學(xué)研究，2016，35（10）:569-574.

［12］許春瑾，張睿，于修燭，等.基于近紅外光譜的中寧枸杞子判別分析［J］.食品科學(xué),2014，35（2）:164-167.

［13］林濤，于海燕，應(yīng)義斌.可見(jiàn)近紅外光譜技術(shù)在液態(tài)食品檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2008，28（2）:285-290.

［14］楊智靈，李濤，任保增.近紅外光譜技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的最新研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2013，（5）:237-240.

［15］鄭劍，周竹，仲山民，等.基于近紅外光譜的褐變板栗識(shí)別建模方法研究［J］.食品科技，2016，（1）:285-290.

［16］孟一，張玉華，王家敏，等.基于近紅外光譜技術(shù)快速識(shí)別不同動(dòng)物源肉品［J］.食品科學(xué)，2014，35（6）:156-158.

［17］孫丹丹，李軍國(guó)，秦玉昌，等.近紅外和中紅外光譜技術(shù)在快速鑒別豆粕中摻入尿素聚合物的研究［J］.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2015，27（4）:1199-1206.

Rapid Identification of Donkey-hide Gelatin Based on Near Infrared Spectroscopy and Discriminant Analysis

GAO Feng-wei，ZHANG Dong-jing，WU Yi-min，F(xiàn)EI Shi-long
(Suzhou University，Suzhou 234000，China)

The rapid identification and authentication of donkey-hide gelatin were vital to regulate the market of donkey-hide gelatin.Near infrared spectroscopy technique was employed to detect the pig skin gelatin，oxhide gelatin，and donkey-hide gelatin.Fisher discriminant analysis based on near infrared spectroscopy was used to identify three kinds of donkey-hide gelatin and build the discrimination analysis model.Results showed that the identification rate for prediction of the Fisher discriminant analysis model was 100%.The results showed that the near infrared spectroscopy combined with Fisher discriminant analysishad a great potential for rapid identification and authentication ofdonkey-hide gelatin.

donkey-hide gelatin；near infrared spectroscopy；Fisher discriminant analysis；rapid identification

O141.4

A

1674-3229（2017）03-0023-03

2017-04-10

宿州學(xué)院平臺(tái)項(xiàng)目（2015ykf01）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A770)；安徽省創(chuàng)新發(fā)展研究項(xiàng)目（2017CX051）。

高鳳偉（1986-），女，碩士，宿州學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院助教，研究方向：數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用。