基于GA-PLS算法的小麥粉灰分含量快速檢測*

孫曉榮, 周子健, 劉翠玲, 付新鑫, 竇 穎

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

0 引 言

3小麥粉中灰分含量是指經(jīng)高溫灼燒后殘留下的無機(jī)成分占小麥粉的百分比。高溫處理不但耗能費(fèi)時(shí)更會帶來不必要的浪費(fèi)。近幾年，研究人員將近紅外光譜(near infrared,NIR)技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的相關(guān)算法應(yīng)用于小麥粉的品質(zhì)檢測[1]。偏最小二乘(partial least squares,PLS)法是回歸預(yù)測常用的建模方法，但在光譜檢測實(shí)驗(yàn)中存各種因素，會影響PLS模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，引入譜區(qū)優(yōu)化和光譜預(yù)處理格外重要[2,3]。馬世榜等人利用牛肉近紅外光譜結(jié)合遺傳算法(genetic algorithm,GA)建立了其pH值定量模型，結(jié)果表明經(jīng)該優(yōu)化波長后的模型預(yù)測準(zhǔn)確性明顯高于原始光譜所建模型[4]，實(shí)驗(yàn)證明光譜預(yù)處理效果明顯，GA具有全局搜索最優(yōu)特點(diǎn)，可以應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域，并成為譜區(qū)優(yōu)化非常有效的方法之一。

本文對比多種光譜預(yù)處理方法結(jié)合GA建立PLS定量分析實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化，以快速準(zhǔn)確分析小麥粉中灰分含量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

所用130份小麥粉樣本均取自古船面粉廠不同批次以及不同種類的小麥粉產(chǎn)品，待測組分真實(shí)值均來自古船面粉廠依據(jù)傳統(tǒng)國標(biāo)法測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用德國布魯克(Bruker)公司Vertex 70傅里葉紅外光譜儀采集小麥粉樣本的近紅外光譜。光譜數(shù)據(jù)分析在MATLAB 2014環(huán)境下完成。儀器參數(shù)設(shè)置：分辨率8/cm，樣本掃描次數(shù)64次，背景掃描次數(shù)64次，采集光譜范圍12 000～4 000/cm，光闌設(shè)置6 mm，掃描速度10 kHz。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 光譜預(yù)處理作用與方法

引入光譜預(yù)處理可以有效消除近紅外光譜存在固有缺陷，提高模式識別的準(zhǔn)確度。

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合樣本特性和預(yù)處理方法功能，對比分析最終選擇了5種預(yù)處理方法，分別為矢量歸一化、Savitsky-Golay(SG)卷積平滑法、導(dǎo)數(shù)法、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standard normal variable transform,SNV)校正以及多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC)[5,6]。

1.2.2 GA

傳統(tǒng)的優(yōu)化方法[7,8]，如相關(guān)系數(shù)法和蒙特卡羅法等，多是建立譜區(qū)和待測組分之間的關(guān)系來篩選波長，這需要研究人員具有很強(qiáng)的化學(xué)素養(yǎng)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)自動化檢索；而隨機(jī)優(yōu)化方法[9～11]如粒子群算法，模擬退火算法，GA等，能夠自動檢索復(fù)雜問題，對不同對象自適應(yīng)性的分析并快速找出最優(yōu)解。本文選擇用GA優(yōu)化譜區(qū)，避免因化學(xué)專業(yè)知識的欠缺影響模型結(jié)果。

算法過程包括：選擇、交叉、變異，通過迭代的手段，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值留下較優(yōu)變量，去除較差變量，最終實(shí)現(xiàn)特征變量優(yōu)選，算法屬于自適應(yīng)的全局搜索算法，其中最重要的選擇環(huán)節(jié)依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)，選擇優(yōu)良個(gè)體[13]。

1.2.3 適應(yīng)度函數(shù)

用于區(qū)分個(gè)體優(yōu)劣，提升整體優(yōu)勢[14,15]。可選擇校正模型的相關(guān)系數(shù)R2、校正標(biāo)準(zhǔn)偏差(root mean square error of calibration,RMSEC)或者預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差(root mean square error of prediction,RMSEP)。3者均為評價(jià)校正模型的重要參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中，利用OPUS7.0軟件將采集的光譜轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)點(diǎn)格式以及單一PLS回歸預(yù)測曲線，光譜預(yù)處理+GA結(jié)合PLS由MATLAB 2014軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 采集樣品的近紅外光譜

實(shí)驗(yàn)中共130份小麥粉樣本，基于SPXY樣本劃分法選取其中106份樣本作為校正集，24份樣本作為測試集。實(shí)驗(yàn)每隔30 min采集一次背景光譜，并保持室內(nèi)恒溫26 ℃。光譜儀器掃描次數(shù)設(shè)置為64 次，分辨率為 8/cm,采集部分小麥粉樣本近紅外光譜如圖1所示。

圖1 部分小麥粉樣本的近紅外光譜

2.2 建立面粉中灰分含量定量模型

選用歸一化、導(dǎo)數(shù)、SNV、MSC、SG平滑5種常用光譜預(yù)處理方法，按照一定關(guān)系排列成11種組合，分別對面粉中灰分定量分析模型進(jìn)行光譜處理，旨在最大程度消除與光譜數(shù)據(jù)無關(guān)信息和噪聲，提升校正模型的預(yù)測性能和穩(wěn)健性，通過對結(jié)果對比分析，找出最適合面粉檢測的預(yù)處理方法。模型基于11種預(yù)處理組合分別建立PLS全譜模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜經(jīng)過平滑結(jié)合歸一化和平滑結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理組合優(yōu)化后建模，預(yù)測準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性均優(yōu)于原始光譜建立的定量模型。SG平滑分別結(jié)合SNV和MSC預(yù)處理組合準(zhǔn)確性明顯提高，但是模型穩(wěn)健性不足。其余組合所見模型在滿足模型穩(wěn)健性的情況下，預(yù)測準(zhǔn)確性過低，反之，穩(wěn)健性不足。

2.3 GA-PLS建模參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)在建立基于遺傳算法優(yōu)化波長的小麥粉中灰分含量PLS定量模型時(shí)，相關(guān)系數(shù)R2和RMSEC隨特征波長數(shù)量變化如圖2所示，模型參數(shù)在特征波長數(shù)量為80時(shí)趨于平穩(wěn)。因此，GA種群規(guī)模設(shè)定為30，最大迭代次數(shù)設(shè)定為150次，提取特征波長數(shù)量為80個(gè)，適應(yīng)度函數(shù)選擇RMSEP。

圖2 R2和RMSEC隨特征波長數(shù)量變化

2.4 光譜預(yù)處理結(jié)合GA-PLS定量模型建立

基于光譜預(yù)處理結(jié)合遺傳算法篩選波長，建立關(guān)于小麥粉灰分定量分析模型，實(shí)驗(yàn)挑選部分預(yù)處理方法與GA結(jié)合優(yōu)化后模型，參數(shù)結(jié)果如表1所示。

在模型評價(jià)方面，除使用相關(guān)系數(shù)R2和預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSEP來評價(jià)模型預(yù)測準(zhǔn)確性外，還引入穩(wěn)健性參數(shù)RMSEP/RMSEC和剩余預(yù)測偏差(residual prediction deviation,RPD)2個(gè)評價(jià)指標(biāo)。模型穩(wěn)健性是描述模型容許光譜變動的包容能力，即模型抗干擾能力。國際谷物化學(xué)組織(Inter-national Cereal Chemists,ICC)規(guī)定在正常容變范圍之內(nèi)RMSEP/RMSEC應(yīng)小于1.2，若穩(wěn)健性參數(shù)大于1.2則說明模型穩(wěn)健性不足；另外,使用RPD對預(yù)測精度進(jìn)行進(jìn)一步評價(jià),即RPD=SD/RMSEP(SD為驗(yàn)證集標(biāo)準(zhǔn)偏差)。如果RPD≥3,說明預(yù)測效果良好,建立的定量分析模型可用于實(shí)際檢測；如果2.5

表1 近紅外光譜經(jīng)預(yù)處理結(jié)合遺傳算法優(yōu)化模型結(jié)果(灰分)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：灰分含量全譜PLS定量模型相關(guān)系數(shù)R2為70.31，RMSEC為0.077 5，RMSEP為0.091 4，RPD為1.345，RMSEP/RMSEC為1.18，模型經(jīng)遺傳算法篩選特征波長后，預(yù)測準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性均有大幅提高，結(jié)合適合的光譜預(yù)處理方法后，模型得到了更完整的優(yōu)化。綜合模型的準(zhǔn)確性與穩(wěn)健性參數(shù)，SG平滑(25)點(diǎn)+SNV結(jié)合GA優(yōu)化模型結(jié)果最為理想，相關(guān)系數(shù)R2為97.46，RMSEC為0.022 6，RMSEP為0.021 3，RPD達(dá)到了5.781 7，模型穩(wěn)健性良好。

近紅外光譜經(jīng)SG平滑(25)+SNV預(yù)處理后譜圖如圖3所示。

圖3 SG平滑(25)+SNV法預(yù)處理后小麥粉的近紅外光譜

SG平滑(25)+SNV結(jié)合GA優(yōu)化的灰分PLS校正集定量分析模型如圖4所示。

圖4 SG平滑(25)+SNV+GA的灰分PLS校正集定量模型

SG平滑(25)+SNV結(jié)合GA優(yōu)化的灰分PLS驗(yàn)證集定量分析模型如圖5所示。

圖5 SG平滑(25)+SNV+GA的灰分PLS驗(yàn)證集定量模型

3 結(jié) 論

在不同光譜預(yù)處理組合方式與波長篩選方法做了大量實(shí)驗(yàn)，旨在優(yōu)化小麥粉近紅外光譜定量分析模型，使模型具備良好的預(yù)測準(zhǔn)確性與穩(wěn)健性。在實(shí)驗(yàn)過程中探討了11種光譜預(yù)處理組合方式對模型評價(jià)參數(shù)的影響，以及不同預(yù)處理組合結(jié)合GA篩選波長對優(yōu)化模型評價(jià)參數(shù)的影響。在眾多預(yù)處理組合中，SG平滑+SNV與GA相結(jié)合后模型的預(yù)測準(zhǔn)確性最好，且RPD結(jié)果較好,屬于可接受范圍內(nèi)，表明模型穩(wěn)健性良好。利用該模型可以應(yīng)用于小麥粉品質(zhì)快速檢測的生產(chǎn)活動中，減少生產(chǎn)工廠的人力投入，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，降低食品監(jiān)管部門的工作強(qiáng)度。

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