基于拉曼光譜技術(shù)的摻雞肉牛肉餡快速判別方法

摘 要：利用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對摻入雞肉的摻假牛肉餡進(jìn)行快速判別。選取89 個樣本，采集樣本的拉曼光譜，對原始光譜進(jìn)行卷積平滑預(yù)處理，采用主成分分析法進(jìn)行聚類分析，并利用支持向量回歸建立模型。結(jié)果表明：摻假牛肉餡樣本校正模型的決定系數(shù)R2c為0.999 4，均方根誤差（root mean sruare error，RMSE）為0.230 0；交互驗證決定系數(shù)R2cv為0.999 3，RMSE為0.298 0；預(yù)測模型的決定系數(shù)R2p為0.971 6，RMSE為0.236 0。因此，利用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對摻雞肉的牛肉餡進(jìn)行快速判別是可行的。

關(guān)鍵詞：拉曼光譜；牛肉餡；雞肉；主成分分析；支持向量回歸

Rapid Discrimination of Minced Beef Adulterated with Chicken Using Raman Spectroscopy

ZHOU Yaling

（School of Agriculture， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： The aim of this research was to establish a rapid method for identifying minced beef adulterated with chicken using Raman spectroscopy combined with chemometrics. Raman spectra of 89 samples were collected and preprocessed by Savitzky–Golay smoothing. The obtained data were analyzed using principal component analysis （PCA） and cluster analysis （CA）. As a result， a support vector regression （SVR） model was developed. The coefficient of determination in calibration （R2c） for the model was 0.999 4 with a root mean square error （RMSE） of 0.230 0， and the coefficient of determination in cross-validation （R2cv） was 0.999 3 with a RMSE of 0.298 0. The coefficient of determination in prediction was 0.971 6 with a RMSE of 0.236 0. Therefore， it is feasible to use Raman spectroscopy combined with chemometrics for rapid identification of adulterated beef with chicken.

Keywords： Raman spectroscopy； minced beef； chicken； principal component analysis； support vector regression

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201805005

中圖分類號：TS251.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2018）05-0026-04

引文格式：

周亞玲. 基于拉曼光譜技術(shù)的摻雞肉牛肉餡快速判別方法[J]. 肉類研究， 2018， 32（5）： 26-29. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201805005. http：//www.rlyj.pub

ZHOU Yaling. Rapid discrimination of minced beef adulterated with chicken using raman spectroscopy[J]. Meat Research， 2018， 32（5）： 26-29. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201805005. http：//www.rlyj.pub

牛肉因其高蛋白質(zhì)、低脂肪、維生素及礦物質(zhì)含量高等特點，深受消費(fèi)者的青睞。近年來，我國牛肉制品的生產(chǎn)和消費(fèi)總量持續(xù)增長，牛肉價格持續(xù)上升，市售牛肉餡摻入低價雞肉的現(xiàn)象屢見不鮮。建立一種快速、有效的牛肉餡純度檢測技術(shù)十分重要[1-6]。

目前傳統(tǒng)的摻假物質(zhì)檢測方法存在檢測費(fèi)時、費(fèi)力，物料需要預(yù)處理，檢測技術(shù)效率低，并且只能檢測特定的摻假物質(zhì)，無法全面反映樣品內(nèi)部品質(zhì)的變化及其所對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)變化，不能滿足市場監(jiān)管中無損、快速判別的需求。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，拉曼光譜法具有預(yù)處理簡單、測量時所需要的樣品量少、分析速度快、無破壞性及適合于在線分析等優(yōu)點，并且對摻假物沒有限定，通過拉曼光譜譜圖可以分析肉品中分子結(jié)構(gòu)和各種基團(tuán)之間的關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到快速、無損檢測肉品品質(zhì)的目的[7-15]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用拉曼光譜技術(shù)對不同物質(zhì)的品質(zhì)和摻假測定進(jìn)行了大量研究。竇穎等[16]以面粉為原料，利用拉曼光譜技術(shù)對其品質(zhì)進(jìn)行快速檢測，結(jié)果表明，當(dāng)所建立的灰分含量取值范圍為0.46%～0.85%、水分含量取值范圍為13.3%～15.4%、濕面筋含量取值范圍為28.0%～36.8%，定量模型的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.945 7、0.993 4和0.981 7，校正均方根誤差分別為0.145 0、0.012 6和0.456 0時，可以實現(xiàn)面粉品質(zhì)高效、無損、快速檢測，且具有較大的發(fā)展空間。Georgouli等[17]以特級初榨橄欖油為原料，利用紅外光譜和拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，檢測摻假橄欖油，結(jié)果表明，局部保持投影（classwise locality preserving projections，CLPP）算法伴隨著發(fā)現(xiàn)的k-最近鄰（k-nearest neighbors，k-NN）算法優(yōu)于任何其他最先進(jìn)的模式識別技術(shù)，可用于橄欖油的鑒別。已有眾多學(xué)者利用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，為其結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法快速判別摻假牛肉餡提供了可能。

本研究以拉曼光譜技術(shù)為主要手段，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法中的主成分分析（principal component analysis，PCA）法，對摻入不同比例雞肉的摻假牛肉餡進(jìn)行聚類分析，并應(yīng)用支持向量回歸（support vector regression，SVR）分析建立純牛肉餡及摻雞肉牛肉餡的分類判別模型，實現(xiàn)摻雞肉牛肉餡的快速分類鑒別。

1 材料與方法

1.1 材料

黃牛后腿肉和白羽雞腿肉購自銀川市寧陽超市。

1.2 儀器與設(shè)備

Inspector 300拉曼光譜儀 美國賽普斯公司；多功能食品攪拌機(jī) 中山市安蜜爾電器實業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 肉樣處理

選取純牛肉樣本40 個，純雞肉樣本40 個，均為腿部肌肉，去除肌肉表面肌膜后，將肌肉打碎成肉餡；將雞肉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的比例加入到牛肉餡中，攪拌均勻，制備成摻假牛肉，裝入自封袋中，所得樣本數(shù)為9 個?？傆?9 個樣本，每個樣本取不同位置測量5 次，取平均值，隨機(jī)選取67 個樣本作為校正集，剩余的22 個樣本作為預(yù)測集。

1.3.2 樣品測定

取肉樣20 g置于載物臺中央，調(diào)整位置使得激光束通過待測樣品中心，于50 倍鏡頭下進(jìn)行拉曼光譜測定，測定時間為30 s，拉曼光譜激光波長設(shè)定為785 nm，功率設(shè)定為10 mW，掃描范圍為150～2 500 cm-1，聚焦深度為200 ?m。

1.3.3 光譜預(yù)處理

由于受激光及拉曼散射光的發(fā)射噪聲、暗電流噪聲及讀出噪聲、樣品的熒光背景、樣品及其周圍環(huán)境的黑體輻射、環(huán)境中射線導(dǎo)致的尖峰等熒光干擾的影響，致使基線漂移較大，干擾有用信息，進(jìn)而影響校正模型的建立和待測樣品的預(yù)測效果。為了有效獲取光譜信息，除去噪聲信號、熒光背景、基線漂移等干擾，故需采用卷積（Savitzky-Golay，SG）平滑法對光譜進(jìn)行預(yù)處理[18-21]。

1.3.4 SVR分析

SVR分析主要是在高維空間中構(gòu)造線性決策函數(shù)來實現(xiàn)線性回歸，運(yùn)用拉曼光譜所得到的數(shù)據(jù)大部分都是非線性的，因此需要引入SVR中的核函數(shù)，將非線性數(shù)據(jù)映射到高維線性空間中，處理輸入與輸出之間的非線性關(guān)系。在應(yīng)用SVR建立模型時，首先要對所有的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類，然后根據(jù)自己的需要選擇建模所需要的數(shù)據(jù)集，在進(jìn)行建模時，需要進(jìn)行懲罰參數(shù)C、不敏感函數(shù)ε、核函數(shù)g的設(shè)置，以此來獲取最佳模擬曲線。在進(jìn)行SVR模型建立時，為了驗證系統(tǒng)所獲取的模型是否有效，需要引入“模型驗證”模塊來進(jìn)行進(jìn)一步驗證?；驹頌閷⒔o定數(shù)據(jù)隨機(jī)劃分為2 個獨(dú)立的集合，即校正集和驗證集，使用校正集導(dǎo)出模型，然后利用驗證集數(shù)據(jù)評估其準(zhǔn)確性[22-24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

首先用Origin 8.0軟件對譜圖進(jìn)行SG平滑處理，然后利用The Unscrambler X 10.3（CAMO Software AS，OSLO，Norway）軟件對牛肉樣品進(jìn)行PCA，并隨機(jī)選取采集得到的樣本的3/4做校正集，1/4做驗證集，建立SVR模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 純牛肉餡及摻雞肉牛肉餡樣品的拉曼光譜分析

由圖1～2可知，純牛肉餡及摻雞肉牛肉餡樣品的拉曼譜圖非常相似，均在433、611、835、1 183、1 374 cm-1處產(chǎn)生吸收峰。處在拉曼光譜區(qū)611 cm-1處的吸收峰是由于C—S伸縮振動所引起的，位于835 cm-1處的吸收峰是由于異丙基基團(tuán)的骨架伸縮振動所產(chǎn)生的，位于1 183 cm-1處的吸收峰是由于對稱—SO2伸縮振動所產(chǎn)生的，位于1 374 cm-1處的吸收峰是環(huán)伸縮振動產(chǎn)生的。而433 cm-1在可見光范圍內(nèi)，反映了純牛肉餡及摻雞肉牛肉餡樣品的顏色變化[25-28]。由于2 種肉樣的拉曼譜圖非常相似，難以從譜圖上直接判別，本研究通過PCA和SVR建立模型，對2 類樣品進(jìn)行進(jìn)一步的分類研究。

2.2 混合肉樣鑒別模型的建立

2.2.1 純牛肉餡及摻雞肉牛肉餡的PCA

采用PCA對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，從大量數(shù)據(jù)中提取有用信息，并將其轉(zhuǎn)為能直接判斷的PCA圖。

由圖3可知，前10 個主成分對光譜矩陣的累積方差貢獻(xiàn)率高達(dá)98%，而總貢獻(xiàn)率大于70%～85%的方法即可使用[29-30]，因此，本研究選擇主成分1和主成分2建立分析模型。

通常，PCA圖中主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率越大，說明提取的主成分可以代表更多的原始變量信息。PCA圖顯示了樣本的分散和差異，具有相同或相近性質(zhì)的樣本聚集在一起，樣品之間的間距越大，則說明樣品之間的品質(zhì)差距越明顯。

由圖4可知，每一個大圈代表一類樣品的整體特性，而不同的小點代表不同的樣品，主成分1和主成分2的得分貢獻(xiàn)率分別為97%和3%，累計貢獻(xiàn)率為100%。純牛肉餡與摻入不同比例雞肉的牛肉餡樣品在主成分1軸上得到很好的區(qū)分，各組樣本由左向右規(guī)律分布，并且各組樣本之間不存在明顯差異。隨著摻雞肉比例的增大，摻雞肉牛肉餡在主成分1軸上與純牛肉餡的距離增大，說明差異越明顯。這說明拉曼光譜技術(shù)結(jié)合PCA可以很好地區(qū)分純牛肉餡和摻雞肉牛肉餡樣本，并且可以很好地區(qū)分不同雞肉添加量對牛肉餡品質(zhì)的影響。

2.2.2 不同混合肉樣SVR模型的建立

在PCA的基礎(chǔ)上，建立SVR模型，對不同牛肉餡樣品進(jìn)一步進(jìn)行驗證。由SVR建?？芍?，當(dāng)C=10、ε=0.1、g=0.01時的建模效果最好。

由表1可知：SVR校正模型的相關(guān)系數(shù)R2c為0.999 4，RMSE為0.230 0；交互驗證R2cv為0.999 3，RMSE為0.298 0；SVR預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)R2p為0.971 6，RMSE為0.236 0。從模型的各個參數(shù)可以看出，R2c、R2cv和R2p分別為0.999 4、0.999 3和0.971 6，說明實驗數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)之間的吻合程度較高，校正模型R2c和交互驗證R2cv相差0.000 1，且RMSE比較接近，說明SVR模型穩(wěn)定；此外，校正集模型和預(yù)測集模型的RMSE分別為0.230 0和0.236 0，均小于0.5，說明其可以對不同牛肉餡進(jìn)行有效判別。

由圖5可知，校正集和驗證集建模效果良好，模型穩(wěn)定，可以實現(xiàn)對摻假牛肉餡的快速鑒別。

3 結(jié) 論

利用拉曼光譜技術(shù)對摻入不同比例雞肉的摻假牛肉餡進(jìn)行快速鑒別，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)中的PCA和SVR法針對不同肉樣建立模型。結(jié)果表明：摻入不同比例雞肉的牛肉餡樣品在PCA圖中有規(guī)律的排列分布，且主要主成分對光譜矩陣的貢獻(xiàn)率達(dá)到98%左右，說明PCA能將摻假牛肉餡快速鑒別出來；應(yīng)用SVR建立的分析模型中，當(dāng)C=10、ε=0.1、g=0.01時的建模效果最好；校正模型的相關(guān)系數(shù)R2c為0.999 4，RMSE為0.230 0，交互驗證R2cv為0.999 3，RMSE為0.298 0，預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)R2p為0.971 6，RMSE為0.236 0；從模型的各個參數(shù)可以看出，R2c、R2cv和R2p分別為0.999 4、0.999 3和0.971 6，均接近1，說明實驗數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)之間的吻合程度較高，校正模型R2c和交互驗證R2cv相差0.000 1，且RMSE比較接近，說明SVR模型穩(wěn)定，可以實現(xiàn)對摻雞肉牛肉餡的快速、準(zhǔn)確判別。

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