基于光譜分析的牛肉干鑒別方法研究報(bào)告

摘要：本項(xiàng)目首先以不同品牌的牛肉干為實(shí)驗(yàn)材料，通過高光譜測量技術(shù)對其光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對不同品牌的牛肉干進(jìn)行光譜分析和對比，設(shè)計(jì)了一種能以高光譜分析技術(shù)檢測牛肉干是否摻入牛肉膏、蘇丹紅等添加劑的方案;接著在實(shí)驗(yàn)中采用光譜角匹配Spectral angle map（SAM）方法，光譜特征匹配方法Spectral Feature Fitting和二進(jìn)制編碼（Binary coding）綜合投票的方式來鑒別牛肉干的品牌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法是一種能簡便鑒別不同品牌牛肉干的方案，具有較好的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：高光譜;食品安全與質(zhì)量檢測;牛肉干;添加劑

一、我國牛肉干市場存在的問題

牛肉干是四川特產(chǎn)之一，不僅以獨(dú)特的風(fēng)味讓人回味無窮，還具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，受到消費(fèi)者的喜愛。但近幾年來，部分牛肉干在生產(chǎn)過程中過量使用添加劑甚至使用國家禁止的添加劑、選用次等或劣質(zhì)牛肉原料等情況時(shí)有曝光，嚴(yán)重影響了牛肉干的整體質(zhì)量形象。已有報(bào)道的抽檢顯示：品牌牛肉干也出現(xiàn)了問題。

問題一：濫用添加劑。近日國家質(zhì)檢總局公布的抽查數(shù)據(jù)顯示，目前市場上的肉干肉脯食品主要存在細(xì)菌總數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)、大腸菌群超標(biāo)、山梨酸及苯甲酸含量不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、違規(guī)添加人工合成色素四種質(zhì)量問題，部分小型企業(yè)、特別是小作坊式企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量低劣。以山梨酸和苯甲酸為例，山梨酸、苯甲酸均為化學(xué)合成防腐劑，在一定條件下對霉菌和酵母菌的繁殖起到抑制作用。一些食品企業(yè)出于成本考慮，會選用成本較低的防腐劑。山梨酸的成本為苯甲酸的兩三倍，不少企業(yè)為了節(jié)省成本，選擇并超量使用苯甲酸。

問題二：衛(wèi)生狀況堪憂。牛肉干作為國人主要休閑食品之一，近年來，我國牛肉干市場規(guī)模成高速增長態(tài)勢，但牛肉干的食品安全問題日益凸顯，一根繩子、一把刀再加上兩口鍋就可以生產(chǎn)牛肉干了。好壞不一、真真假假，這就是當(dāng)今的牛肉干市場。菌落總數(shù)是重要的微生物學(xué)衛(wèi)生指標(biāo)，屬于生物性污染指標(biāo)，是影響食品安全性的重要因素。國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB27262005《熟肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，肉制品中大腸菌群不得超過30MPN/100g。但是近年來相關(guān)部門對肉干食品的抽查表明，大腸桿菌、細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象仍然非常嚴(yán)重。

問題三：使用劣質(zhì)材料。除了違規(guī)使用添加劑和衛(wèi)生指數(shù)不達(dá)標(biāo)外，部分企業(yè)使用劣質(zhì)牛肉材料制作牛肉干也是行業(yè)的一大問題。印度牛肉質(zhì)量較差，但價(jià)格便宜，幾塊錢一斤便可以出口到中國。央視經(jīng)濟(jì)半小時(shí)2013年調(diào)查也顯示，來自印度、巴西、澳大利亞等地的牛肉，經(jīng)中印邊境走私到廣西，通過螞蟻搬家的方式進(jìn)入中國，走私牛肉凍品未經(jīng)檢疫，存在嚴(yán)重的食品衛(wèi)生安全隱患。近些年來檢驗(yàn)牛肉摻假的方法，如電子鼻數(shù)據(jù)分析方法[1]，基于近紅外光譜分析的方法[2]已有研究。但是這些方法普遍存在成本高，步驟復(fù)雜，檢驗(yàn)時(shí)間久等問題，這便給民眾檢測帶來不便，所以，如何快速有效地檢測牛肉干是否添加了某些有害添加劑，并判斷牛肉干的品牌真假，成為一大科研難題。

二、實(shí)驗(yàn)與方法

高光譜技術(shù)，就是利用光譜分散原理，在經(jīng)過光柵后，對分散后的光進(jìn)行反射吸收率進(jìn)行精密測量，這樣就可以分辨肉眼無法區(qū)別的牛肉干間的光譜特征差別，并且該方法的效率較快，實(shí)驗(yàn)成本較低，是一個(gè)有效區(qū)分哪個(gè)添加了有害食品添加劑的牛肉干，對保護(hù)民眾生命健康設(shè)置了一道防線，也可以打擊不良商家的“黑加工”市場。本項(xiàng)目提出了一種能利用光譜分析技術(shù)鑒別不同品牌牛肉干，并設(shè)計(jì)了通過分析牛肉干光譜特性，進(jìn)行添加劑情況分析的方法。

（一）實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)，采用便攜式地物光譜儀ASD開展光譜測量，波譜范圍為350—2500nm，光譜分辨率為3nm，適合本次實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，用太陽光為光源，在下午兩點(diǎn)開展了牛肉干的光譜數(shù)據(jù)采集工作。

（二）實(shí)驗(yàn)材料

在超市隨機(jī)購買各種牛肉干各三袋，在光譜數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，三種品牌牛肉干的光譜數(shù)據(jù)被依次測量。實(shí)驗(yàn)樣品處理所用器材：白紙、筆。

（三）研究方法

本次實(shí)驗(yàn)選用牛肉干為實(shí)驗(yàn)材料，通過不同牛肉干的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對比分析，分析其光譜曲線差異，以自動化判別牛肉干各種調(diào)料含量等為目標(biāo)。

1.實(shí)驗(yàn)樣本制備

從各種的三袋牛肉干隨機(jī)選取樣本，按類別順序編號拍照，并選取一組訓(xùn)練組，一組測試組。

1.棒棒娃、2.老四川金角、3.牛浪漢、4.老四川三鼎

圖1 牛肉干圖片

2.光譜數(shù)據(jù)采集

先測量白板在太陽光照射下的光譜，并設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)光譜。再將探頭用黑板遮住，測量此時(shí)暗電流光譜，保存，待用。保存參考光譜和暗光譜，選擇反射率測量模式，分別測量四種牛肉干的光譜數(shù)據(jù)。測得的光譜特征曲線如圖2所示。

圖2 四種牛肉的光譜測量結(jié)果（beaf14分別對應(yīng)樣本的四種品牌牛肉）

由圖2可見，beaf1（棒棒娃五香牛肉）有明顯的紅邊效應(yīng)，在紅色波譜范圍的數(shù)值明顯高于藍(lán)綠波段，因此，其看來就偏暗紅色。beaf3（牛浪漢五香牛肉干）、beaf2（老四川金角五香牛肉干）、beaf4（老四川三鼎五香牛肉干）具有相似的光譜曲線，分別在561nm、580nm、618nm，685nm、713nm，751nm，777nm、840nm具有波峰，分別在590nm、656nm、720nm、820nm、939nm具有波谷。在黃色波段和紅色波段beaf3>beaf2>beaf4，可見牛浪漢五香牛肉干偏黃偏紅、偏亮，這可能是由于添加了牛肉膏所致。而三鼎老四川和金角老四川兩種牛肉，從口感上，金角（beaf2）更硬，三鼎（beaf4）更軟，可見含水量不同，三鼎含水量更高，因水對藍(lán)綠波段有較強(qiáng)的吸收作用，在藍(lán)綠波段三鼎（beaf4）比金角（beaf2）更暗一些。在紅色波段，beaf2比beaf4亮度高，因此金角比三鼎牛肉干偏黃偏紅一些。而利用金角和三鼎牛肉干在水分上的含量差異導(dǎo)致的光譜差異可以鑒別兩者。由圖可見，可見光波段中，黃色波段、藍(lán)綠色波段和紅色波段是幾個(gè)關(guān)鍵的可用于區(qū)分不同品牌牛肉干的成分組成。而且三鼎老四川牛肉的紅色波段最暗，可見在蘇丹紅事件后，三鼎老四川牛肉可能降低了對紅色鮮艷度的要求，其添加蘇丹紅等偏紅色的添加劑含量降低了?？梢?，紅色波段可以被用于區(qū)分三鼎老四川牛肉干和金角老四川牛肉干，黃色波段（550nm）可被用于區(qū)分牛浪漢牛肉干和其他幾種牛肉干，紅色波段612nm一階導(dǎo)數(shù)可被用于區(qū)分棒棒娃和其他種類牛肉。還有857nm近紅外波段反映了不同牛肉干的含水量差異，含水量越高，光譜亮度越低?？傊?，通過分析不同牛肉干的光譜特性，可以發(fā)現(xiàn)，利用光譜差異是可以鑒別不同牛肉品牌的。

3.牛肉干品牌鑒別方法

本研究中，將利用光譜角匹配（Spectral Angle Match，SAM）、光譜特征匹配Spectral feature fitting（SFF）和二進(jìn)制編碼Binary Coding（BC）三種方法綜合實(shí)現(xiàn)牛肉干品牌鑒別的工作。首先，為了突出某個(gè)波長范圍的光譜吸收特征，對像元光譜和參考光譜進(jìn)行包絡(luò)線消除處理，去包絡(luò)線后的像元光譜和參考光譜在光譜曲線曲率角度、特征吸收深度上存在差異，可分別基于SAM算法和SFF算法實(shí)現(xiàn)光譜特征匹配，以鑒別牛肉干的種類。而二進(jìn)制編碼可以快速實(shí)現(xiàn)分類識別。下面以SFF為例，解釋其方法原理，其他兩個(gè)方法因較為常用，筆者暫不贅述。

SFF方法可以通過增加一個(gè)常量k來調(diào)整參考光譜的曲線形狀，以最好地和像元光譜進(jìn)行擬合匹配，計(jì)算公式如下：

ρ′=（ρ+k）/（1.0+k）

其中ρ′為經(jīng)過變換的參考光譜特征曲線，ρ為參考光譜的原光譜特征曲線（在這里ρ′和ρ都經(jīng)過包絡(luò)線去除處理），k為一常數(shù)且k不等于-1。

上式可以變換為ρ′=aρ+b，其中a=1.0/（1.0+k），b=k/（1.0+k）?，F(xiàn)在已知一組光譜吸收特征范圍內(nèi)的參考光譜反射率ρi和像元光譜反射率Pi（i為波段號），為獲得它們的最佳擬合，即經(jīng)過變換的ρ′i=aρi+b和Pi最佳擬合，利用最小二乘原理，需要∑（Pi-（aρi+b））2=min。

由極值原理，解式（2）得：

a=（n∑Piρi∑Pi·ρi）/n∑ρi2（∑ρi）2

b=∑Pi/n（a∑ρi）/n

得到系數(shù)a和b為參考光譜和像元光譜的最小二乘擬合系數(shù)，現(xiàn)通過計(jì)算ρ和P的相關(guān)系數(shù)f來表示兩種光譜的擬合度。

三、結(jié)果與討論

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

因光譜在1000nm以上波段范圍屬于近紅外、短波紅外等區(qū)域，其噪聲過大，本研究僅僅取光譜取3501000nm譜段進(jìn)行光譜分析。如圖3為包絡(luò)線去除后的光譜曲線圖。

圖3 經(jīng)包絡(luò)線去除后的牛肉干光譜曲線圖

（二）光譜特征對比

分析圖3發(fā)現(xiàn)，老四川金角和老四川三鼎牛肉干在光譜曲線的趨勢山近似一致，而棒棒娃和牛浪漢的光譜曲線有較大的差異。在500nm580nm范圍黃色波段beaf3>beaf2>beaf4>beaf1，在677nm756nm紅色波段范圍，beaf3>beaf2>beaf1>beaf4。

（三）牛肉干品牌識別

將之前訓(xùn)練樣本集合中的光譜數(shù)據(jù)以tab分隔的形式輸出，并導(dǎo)入ENVI中，并存入envi spectral library名為traindata，保存作為訓(xùn)練樣本。再將測試樣本集合的光譜數(shù)據(jù)以tab分隔的形式輸出，并導(dǎo)入ENVI中，將數(shù)據(jù)存入ENVI spectral library作為測試樣本，這樣便可以通過光譜角制圖法（Spectral Angel Map，SAM）、光譜特征匹配（Spectral Feature Fitting，SFF）以及二進(jìn)制編碼（Binary Code，BE）的數(shù)據(jù)處理方法對比分析出每一個(gè)測試樣本屬于某一個(gè)品牌的概率。通過SAM，SFF，BE三種方法可以鑒定牛肉干的種類。每一個(gè)類別的牛肉干選取5個(gè)測試樣本進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，利用三種分類算法相結(jié)合去綜合分析獲得的評分能很好地區(qū)分不同類別的光譜曲線，精度達(dá)到了100%。假如能建立不同品牌牛肉干的光譜數(shù)據(jù)庫，那么通過智能機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法，還有可能能進(jìn)一步提升該方法的智能水平、自動化水平。

四、結(jié)論

本項(xiàng)目提出了一種基于光譜分析技術(shù)的牛肉干快速鑒別方法，通過實(shí)驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）測量得到的不同品牌的牛肉干在黃色、紅色波段的數(shù)值具有不同的數(shù)值。亞硝酸鹽添加會導(dǎo)致紅色波段的灰度升高，牛肉膏的添加會導(dǎo)致黃色波段的灰度升高;蘇丹紅的添加會導(dǎo)致紅色波段的亮度值高。利用高光譜測量手段，可以無損檢測牛肉干，確認(rèn)牛肉是否增加了過量添加劑，保護(hù)消費(fèi)者的合法權(quán)益。

（2）通過光譜分析技術(shù)，如光譜角制圖法、光譜匹配方法、二進(jìn)制分類方法，能快速確定牛肉干所屬的品牌和類別。

綜上所述，用高光譜技術(shù)鑒別添加各種添加劑的牛肉干是可行的，本項(xiàng)目提出一套基于光譜分析技術(shù)的牛肉干鑒別方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可行性。假如能在打假和質(zhì)量檢測中能采用本項(xiàng)目所提出的牛肉干光譜分析技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)無損品牌鑒別，而且將提高其檢驗(yàn)效率。另外，隨著便攜式高光譜成像儀技術(shù)的發(fā)展，傳感器設(shè)備從大變小，從笨重到輕便，光譜分析技術(shù)不僅能用于點(diǎn)對點(diǎn)的測量，還可以實(shí)現(xiàn)面對面的監(jiān)測，通過遙感技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)牛肉干定量反演，進(jìn)而控制牛肉干中各類添加劑含量，這將為牛肉干批量化生產(chǎn)的監(jiān)控提供一種有效手段，進(jìn)而促進(jìn)我國牛肉產(chǎn)業(yè)向更好更快的方向發(fā)展[3]。

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[2]陳偉.基于近紅外光譜與生物散斑融合的牛肉摻假檢測方法[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[3]王國澤，何燕，李慧，楊曉玉，楊紹斌，劉達(dá)玉，唐仁勇.淺談四川牛肉產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀[J].肉類工業(yè)，2018（01）：5356.

作者簡介：張周（2004—），女，漢族，四川成都人，在讀高中。