肉類摻雜摻假的高光譜成像檢測研究進(jìn)展

姜洪喆，蔣雪松，楊一，胡逸磊，陳青，施明宏，周宏平*

1(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京，210037)2(北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京，100097) 3(國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京，100097)

肉類主要包括畜肉、禽肉及魚蝦蟹貝類等，其營養(yǎng)物質(zhì)豐富，是人類蛋白質(zhì)、脂肪、維生素等必需物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)來源[1]。隨著消費(fèi)者生活水平的提高及飲食結(jié)構(gòu)的改變，動(dòng)物源蛋白質(zhì)在飲食中比例逐年提升。20世紀(jì)90年代以來，世界人口對(duì)于肉類的消費(fèi)量增長迅猛，僅2000—2015年即由22 499.8萬t增加到31 928.4萬t，年均增長達(dá)2.4%[2]。在巨大商業(yè)利益驅(qū)使下，如2013年“馬肉風(fēng)波”與2017年巴西腐肉等事件，以假亂真、以次充好的肉類摻雜摻假現(xiàn)象屢見不鮮[3]。這些不法行為不僅對(duì)消費(fèi)者健康與切身利益造成威脅，甚至對(duì)整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展造成不良影響，已成為全球普遍關(guān)注的公共問題。因此，建立快速準(zhǔn)確的肉類摻雜摻假檢測機(jī)制對(duì)于肉類品質(zhì)及安全的有效監(jiān)管尤為重要。目前，將高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于肉類摻雜摻假檢測中可以實(shí)現(xiàn)樣品無損、準(zhǔn)確以及快速檢測，已成為食品、農(nóng)產(chǎn)品檢測應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

1 肉類摻雜摻假檢的測研究現(xiàn)狀

肉類摻雜摻假形式多種多樣，且更具技術(shù)化及隱形化，常見的形式主要包括4種[4]:(1)冒充：使用價(jià)格低廉的肉類充當(dāng)高價(jià)肉，如鴨肉或者雞肉冒充牛羊肉等；(2)替換：利用冷藏的同種肉類替換鮮肉，如變質(zhì)肉、僵尸肉等；(3)混入：一般借助肉糜破壞纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)，將廉價(jià)劣質(zhì)肉類或內(nèi)臟混入原料肉中以掩人耳目，如肉餡中摻入血脖肉、碎內(nèi)臟等；(4)添加：通過添加非肉源性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)增重、著色、提味等目的，如“注膠蝦”、“注水肉”、肉中摻入大豆蛋白等。然而，在GB 2760—2011《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中明文規(guī)定禁止這種添加行為。肉類的摻雜摻假在健康、道德、宗教和經(jīng)濟(jì)等方面對(duì)消費(fèi)者構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，消費(fèi)者對(duì)肉類進(jìn)行檢測以獲得實(shí)際信息的需求和意愿逐年上漲[5]。

依靠感官或形態(tài)學(xué)的傳統(tǒng)檢測方式存在主觀性強(qiáng)及易誤判等弊端。目前，客觀儀器分析技術(shù)主要包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction, PCR)法[6]、電泳分析法[7]、質(zhì)譜分析法[8]、酶聯(lián)免疫吸附測定(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)法[9]、色譜分析法[10]、元素分析和同位素分析法[11]等。它們雖然具有較好的重復(fù)性及檢測精度，但具有破壞性、需專業(yè)人士操作、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、需復(fù)雜前處理等缺陷，很難實(shí)現(xiàn)大樣本量的現(xiàn)場快速檢測。近年來快速光譜檢測技術(shù)在肉類摻雜摻假檢測中已展現(xiàn)出巨大潛力，如拉曼光譜[12]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜[13]、太赫茲光譜[14]、紫外-可見光譜[15]、近紅外光譜[16]、中紅外光譜[17]和傅里葉變換紅外光譜[18]等，但摻假分布并不一定均勻，單或多點(diǎn)檢測不能充分代表整個(gè)樣品信息，且不具備令其“快速現(xiàn)形”的能力。高光譜成像技術(shù)(hyperspectral imaging, HSI)可以同時(shí)獲取被測目標(biāo)光譜和圖像信息，其光譜信息能夠鑒定內(nèi)部有機(jī)物化學(xué)成分。通過獲取的圖像信息可以很好地反映樣品中復(fù)雜的非均質(zhì)特征信息，滿足快速檢測以及可視化等需求。

2 高光譜成像的基本原理與數(shù)據(jù)解析

2.1 高光譜成像技術(shù)

高光譜成像技術(shù)是融合光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息處理以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域的光電檢測技術(shù)，主要應(yīng)用于如森林探火、地質(zhì)勘探以及海洋監(jiān)測等航空遙感領(lǐng)域，正逐步在農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域快速地發(fā)展應(yīng)用[19]。高光譜圖像數(shù)據(jù)采集包括點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描3種(圖1-a)，點(diǎn)掃描：逐像素采集光譜后進(jìn)行拼接，常見于微觀尺度掃描檢測中；線掃描：逐行掃描獲取每一行像素點(diǎn)光譜并逐行拼接，線掃描尤其適合傳送裝置上動(dòng)態(tài)檢測，也是食品農(nóng)產(chǎn)品檢測的常用模式；面掃描在光譜維逐波長對(duì)圖像依次掃描拼接，一般用于少波長多光譜成像系統(tǒng)中。高光譜圖像不僅包括樣品二維空間信息(x，y)，還具有隨波長分布的每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息(λ)，最終獲得立方體數(shù)據(jù)(x，y，λ)，如圖1-b。較之傳統(tǒng)機(jī)器視覺以及近紅外光譜，高光譜可同時(shí)獲取目標(biāo)更為豐富的內(nèi)部生化及外部物理結(jié)構(gòu)等信息。

a-高光譜圖像采集模式;b-高光譜圖像數(shù)據(jù)立方體示意圖圖1 高光譜成像技術(shù)的數(shù)據(jù)采集Fig.1 Data acquisition of hyperspectral imaging technology

2.2 高光譜數(shù)據(jù)的前處理

原始高光譜圖像經(jīng)過黑白校正后，為去除背景、邊緣等像素點(diǎn)光譜信息，常利用高反射率波段圖像扣除低反射率波段圖像得到波段運(yùn)算圖像，并結(jié)合合適閾值提取部分像素點(diǎn)生成感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)。ROI中平均光譜最終作為每個(gè)樣品的光譜，用于后續(xù)分析研究，也有部分研究通過PC變換、點(diǎn)云分布、圖像增強(qiáng)等方法獲取ROI提取光譜信息[20]。為消除無用信息和環(huán)境條件及儀器所帶來的圖譜噪聲，卷積平滑、導(dǎo)數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換等都常用于光譜的預(yù)處理。高光譜提取出的光譜數(shù)據(jù)量龐大，存在大量的冗余信息，需要進(jìn)行有用信息的提取以縮減計(jì)算。文獻(xiàn)中的系列特征變量提取方法包括：競爭性自適應(yīng)加權(quán)、連續(xù)投影、無信息變量消除、回歸系數(shù)、主成分載荷、二維相關(guān)光譜、野草算法以及遺傳算法等。

2.3 模型的建立與評(píng)價(jià)

檢測限(limit of detection, LOD)是衡量某一種檢測技術(shù)方法能力的重要指標(biāo)，部分檢測研究中會(huì)進(jìn)行LOD計(jì)算以評(píng)價(jià)高光譜成像技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建模方法的靈敏度[21]。JIANG等[22]對(duì)牛肉糜中摻入鴨肉糜的高光譜成像進(jìn)行檢測，LOD為7.59%。王偉等[23]應(yīng)用高光譜成像對(duì)摻入牛肉糜中3種大豆蛋白進(jìn)行檢測，LOD達(dá)到0.53%、0.58%和1.02%。JIANG等[24]對(duì)摻入豬肉中血脖肉含量進(jìn)行高光譜成像檢測，LOD限達(dá)6.50%?？紤]到肉類摻雜摻假均是以盈利為目的，一般摻假比例都會(huì)高于10%，使用高光譜成像在肉類摻雜摻假檢測中是實(shí)際可行的。

2.4 高光譜數(shù)據(jù)的后處理

與傳統(tǒng)的近紅外光譜相比，高光譜成像的主要優(yōu)勢在于能夠反映空間分布信息，建立簡化的多變量模型可以預(yù)測多光譜圖像每個(gè)像素點(diǎn)的值，以達(dá)到觀測整個(gè)圖像品質(zhì)或化學(xué)成分分布的目的[25]。而摻雜摻假情況一般用肉眼是難以觀測到的，為了快速直觀地觀察肉類摻雜摻假的空間分布，研究人員一般將優(yōu)選的簡化模型應(yīng)用到特征波長下的多光譜圖像中，預(yù)測每個(gè)像素點(diǎn)的摻雜摻假情況，最終得到可視化的預(yù)測分布圖，給清晰直觀地展示出摻雜摻假狀況提供了一種方法。

3 肉類摻雜摻假高光譜檢測研究進(jìn)展

3.1 冒充和替換

使用不同產(chǎn)地、種屬、狀態(tài)的肉類進(jìn)行冒充或替換是不法商家常用的手段，目前常通過動(dòng)物源成分或某一指標(biāo)如揮發(fā)性鹽基氮、細(xì)菌總數(shù)及水分含量等進(jìn)行檢測鑒別。愛爾蘭都柏林大學(xué)KAMRUZZAMAN等[26]利用近紅外波段(900～1 700 nm)高光譜成像技術(shù)對(duì)豬、牛、羊3類紅肉進(jìn)行整塊類別劃分，選取6個(gè)波長結(jié)合PLS-DA建模方法得到識(shí)別總準(zhǔn)確率為98.67%。奧克蘭理工大學(xué)的AL-SARAYREH等[27]將新鮮、冷凍、解凍、包裝和非包裝多種形式豬、牛、羊肉拼接，利用HSI結(jié)合深度CNN得到了總體94.4%的劃分準(zhǔn)確率。最近研究[28]發(fā)現(xiàn)快照HSI結(jié)合3D-CNN同樣可以獲取96.9%以上準(zhǔn)確率，這為未來便攜儀器開發(fā)及實(shí)時(shí)獲取紅肉真?zhèn)涡畔⑻峁┛赡?。華南理工大學(xué)XIONG等[29]分別提取散養(yǎng)雞和肉雞肉高光譜主成分得分圖像的光譜和圖像紋理信息，圖譜信息結(jié)合利用SVM建模最優(yōu)判別準(zhǔn)確率達(dá)93.33%。寧夏大學(xué)王靖等[30]采集銀川、固原、鹽池3個(gè)產(chǎn)地羊肉高光譜圖像，發(fā)現(xiàn)CARS提取波長結(jié)合PLS-DA建模方法得到的預(yù)測集準(zhǔn)確率最高為84.21%。王彩霞等[31]對(duì)荷斯坦牛、秦川牛、西門塔爾牛3種牛肉高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，結(jié)果顯示CARS提取波長結(jié)合SVM建模預(yù)測集準(zhǔn)確率為98.82%。綜上，對(duì)于此類肉類冒充和替換，高光譜成像可以較好地識(shí)別和劃分(準(zhǔn)確率>84%)，以往對(duì)于肉類冒充和替換案例中，不同肉類蛋白質(zhì)的不同吸收帶是光譜檢測能力的最大貢獻(xiàn)來源[11]，未來還可以結(jié)合點(diǎn)云或顯微尺度進(jìn)行信息挖掘，以達(dá)到進(jìn)一步提升識(shí)別精度和模型穩(wěn)定性的目的。

3.2 混入

混入的檢測研究目前較多，常見于肉糜狀態(tài)下的混入檢測。肉糜是最受歡迎的形式之一，是多類肉制品的主要成分，如漢堡、餡餅、肉丸、香腸以及包子、餃子和餛飩?cè)怵W等。由于肉糜消除了基本的形態(tài)差異和特征，消費(fèi)者難以通過感官觀測出異樣，因此原料肉糜中常被混入廉價(jià)肉糜牟取利益。表1就肉糜混入的高光譜檢測研究進(jìn)行了總結(jié)，所有研究中模型的預(yù)測精度均很高，高光譜成像檢測具有巨大應(yīng)用潛力。表中大部分研究利用包含可見光的400～1 000 nm波段，原因是借助不同肉類血紅蛋白和肌紅蛋白含量以及結(jié)構(gòu)差異對(duì)光散射的影響完成檢測鑒別[32]。

表1 高/多光譜成像在廉價(jià)肉混入原料肉檢測的應(yīng)用Table 1 Application of hyper/multi-spectral imaging in detecting raw meats adulterated with cheap meats

3.3 非肉源添加物

非肉源添加物大部分是為增重牟利，常見的如注入食用膠溶液、大豆蛋白等，雖然少量添加物能提升肉類的質(zhì)地和流變特性并改善其口感，但過多添加一方面嚴(yán)重侵犯了消費(fèi)者權(quán)益，另一方面因人體腸胃無法吸收，長期食用會(huì)阻礙營養(yǎng)物質(zhì)吸收，很容易造成營養(yǎng)不良，更嚴(yán)重的會(huì)引起強(qiáng)烈的過敏癥狀。許多國家對(duì)于此類添加物有明確規(guī)定，如巴西法律規(guī)定漢堡中大豆蛋白添加量不能超過7.5%。檢測肉制品中未聲明的非肉源添加物具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，相關(guān)研究結(jié)果匯總?cè)绫?所示。而此類物質(zhì)相比于肉類摻假因具有不同的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及水分含量等，因此更易被高光譜檢測出來[47]。

表2 高光譜成像檢測肉類中非肉源添加物的方法比較Table 2 Comparison of studies on detecting non-meat additives in raw meats using hyperspectral imaging

4 前景與展望

肉類產(chǎn)品長期面臨著不法商家各類摻雜摻假問題，基于高光譜成像技術(shù)的快速檢測是可行的，但肉類摻雜摻假現(xiàn)象多種多樣、層出不窮，目前數(shù)據(jù)挖掘、模型建立以及商業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)還不夠系統(tǒng)、成熟。首先，不應(yīng)僅針對(duì)某一種現(xiàn)象進(jìn)行研究，未來還需有針對(duì)性的圖譜數(shù)據(jù)融合以及人工智能深度學(xué)習(xí)算法的嘗試，深度挖掘指示各類肉品的指紋特征，篩選出適用于檢測多種或某一類摻雜摻假的數(shù)據(jù)信息；其次，目前構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)庫還是研究者自行構(gòu)建，模型穩(wěn)健性還不夠，模型的優(yōu)化更新還需要巨大樣本量數(shù)據(jù)庫補(bǔ)充，距離商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離；再次，超立方體高光譜數(shù)據(jù)較大，圖像和光譜處理速度慢，開發(fā)經(jīng)濟(jì)簡單的數(shù)據(jù)處理方法和低成本、易操作、少變量的多光譜系統(tǒng)是未來發(fā)展的重點(diǎn)；最后，仍需通過優(yōu)化應(yīng)用條件，建立應(yīng)用方法，研發(fā)配套大型裝備或小型便攜設(shè)備，最終為我國肉類摻雜摻假現(xiàn)象的快速實(shí)時(shí)檢測鑒別提供關(guān)鍵技術(shù)與裝備，以提升監(jiān)管水平。