凡納濱對蝦新鮮度的高光譜檢測方法

朱晨光，劉亞軍，李鑫星, 3，宮薇薇，郭 渭

1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，食品質(zhì)量與安全北京實驗室，北京 100083 2.承德市第八中學(xué)，河北 承德 067000 3.南昌理工學(xué)院新能源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330044 4.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081

引 言

凡納濱對蝦是一種生活在中南美洲太平洋沿岸溫暖水域的對蝦，它在中國的蝦養(yǎng)殖業(yè)中起著重要的作用。由于凡納濱對蝦在貯藏過程中腐敗變質(zhì)快，貨架期短，因此有必要建立一套完整的鮮度評價體系[1]。在腐敗過程中，凡納濱對蝦在微生物和酶的作用下，會產(chǎn)生氮、胺和含氨揮發(fā)性物質(zhì)。其中，揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)是判斷蝦新鮮度的重要化學(xué)指標(biāo)。傳統(tǒng)的TVB-N測量方法主要包括半微量氮測定方法、自動凱氏定氮法分析儀等[2-3]。這種傳統(tǒng)方法耗時耗力，限制了大批量的實時檢測。

近年來，高光譜已經(jīng)成功應(yīng)用于肉類新鮮度檢測。與傳統(tǒng)的理化檢測方法相比，具有無損、無污染、低成本、快速的優(yōu)點[4-5]。由于它是一種集成圖像和光譜信息的分析技術(shù)，所以高光譜圖像的每個像素包含整個波段的光譜信息，并且每個樣本的不同位置的光譜信息可以被分別提取。相比之下，近紅外光譜技術(shù)只能提取整個區(qū)域的平均光譜[6-7]。因此，近年來許多學(xué)者利用高光譜技術(shù)對魚肉的品質(zhì)進(jìn)行了無損檢測。王慧等[6]對基于高光譜的魚肉品質(zhì)檢測進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，報道了國內(nèi)外許多學(xué)者利用高光譜成像技術(shù)檢測魚類產(chǎn)品的TVB-N含量，以此反映魚肉的新鮮度。然而，目前光譜技術(shù)應(yīng)用在蝦品質(zhì)檢測的相關(guān)研究較少。

利用高光譜技術(shù)分析蝦樣品中TVB-N含量連續(xù)8天的變化，建立了定量分析模型。由于實驗條件和人為誤差，測量數(shù)據(jù)不理想；基于多元散射校正(MSC)，分別采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析建立凡納濱對蝦新鮮度檢測。

1 實驗部分

1.1 樣本

選取了240只體長8～10 cm、體重8～11 g的活凡納濱對蝦作為樣本，將活蝦在0 ℃的低溫冰箱中保存0.5 h，直至死亡。將它們轉(zhuǎn)移到4 ℃的恒溫箱中儲存。把樣品分成八批。每天隨機(jī)抽取一批，把蝦去皮去頭尾，然后采集高光譜圖像數(shù)據(jù)，給樣本貼標(biāo)簽。最后，分別測量每樣品的TVB-N含量。從第0～1天樣品被移除。由于異常的光譜反射率，在接下來的6 d中，選擇150只蝦作為樣本。

1.2 光譜數(shù)據(jù)采集

1.2.1 高光譜成像系統(tǒng)

使用“Gaia”高光譜分類器收集高光譜成像數(shù)據(jù)。透鏡的光譜范圍為860～1 700 nm，有254個波段。高光譜分選機(jī)配有小型傳送帶，實現(xiàn)連續(xù)測量。拍攝前，我們調(diào)整鏡頭焦距使圖像清晰，調(diào)整器件參數(shù)保證圖像不變形。經(jīng)過調(diào)試，相機(jī)的曝光時間設(shè)定為33.3 ms；傳送帶的移動速度設(shè)定為0.55 cm·s-1；透鏡和樣品之間的距離保持在28 cm；對樣本進(jìn)行單獨掃描，以收集高光譜圖像。同時，為了減少設(shè)備和環(huán)境干擾帶來的噪聲，我們對原始的高光譜圖像R0進(jìn)行了黑白校正。校正過程需要反射率接近0%的黑色圖像RB(使用覆蓋在透鏡上的黑色透鏡獲得)和反射率接近100%的白色圖像RW(使用由四氟乙烯制成的均勻白板獲得)。使用式(1)將校正后的圖像記錄為R[8]。

(1)

1.2.2 提取光譜數(shù)據(jù)

使用ENVI 5.3軟件提取光譜數(shù)據(jù)。首先，所選擇的感興趣區(qū)域的位置保持固定，以確保所提取的光譜數(shù)據(jù)和TVB-N指數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。固定位置選擇在蝦樣本的第二和第四肢。最后，計算了感興趣區(qū)域的平均光譜以獲得光譜數(shù)據(jù)矩陣，該矩陣被轉(zhuǎn)換成ASCII碼并保存。

1.3 測定TVB-N含量

測定TVB-N遵循以下步驟: 首先，稱取10.00 g凡納濱對蝦樣品，將其壓碎，并將其裝入50 mL離心管中。其次，用0.6 mol·L-1高氯酸溶液稀釋至40 mL，并以4 000 r·min-1的速度離心溶液，旋轉(zhuǎn)10 min。最后，向凱氏定氮分析儀的消化管中加入20 mL上清液，其操作過程為: 將濾液與10 mL 40%氫氧化鈉溶液混合，并將其置于消解管中進(jìn)行蒸餾。將蒸餾后的氨氣引入滴定罐，與標(biāo)準(zhǔn)酸反應(yīng)。使用4%的硼酸溶液作為吸收溶液來吸收蒸餾氣體。將甲基紅和溴甲酚綠混合，溶于95%乙醇作為指示劑。當(dāng)反應(yīng)完成時，滴定罐中指示器的顏色不再變化。儀器的操作條件設(shè)置為30 mL吸收溶液，10 mL堿，并在5 s延遲模式下保持蒸汽蒸餾狀態(tài)5 min。

1.4 預(yù)處理及模型算法

環(huán)境干擾和蝦表面的高含水量會導(dǎo)致高反射率，必須對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以消除不相關(guān)的信息和噪聲。采用的高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理算法是MSC[9-10]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)可以不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值，能夠全局逼近非線性映射[11]。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)使用與BPNN不同的激活函數(shù)[12-13]。主成分分析(PCA)是光譜數(shù)據(jù)降維方法，提取的主成分信息盡可能上保持信息完整性[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)分析

TVB-N是判斷南美白對蝦新鮮度的重要指標(biāo)。隨著貯藏時間的增加，蝦樣品中的TVB-N含量逐漸增加。根據(jù)GB 2733—2005《新鮮和冷凍動物水產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)蝦的TVB-N含量超過20 mg N·(100 g)-1時，將被判定為不新鮮。在排除異常樣品后，TVB-N平均含量從第1天到第8天的變化范圍為8.23～32.31 mg N·(100 g)-1。

原始光譜顯示，蝦樣品的光譜反射率逐漸增加，表明隨著腐敗程度的增加，光譜反射率與蝦產(chǎn)生的某些物質(zhì)的變化密切相關(guān)，如圖1所示。例如，900 nm附近的吸收區(qū)可能與水中的羥基鍵和脂肪中的CH2鍵有關(guān)。1 000～1 050 nm可能與脂肪中的CH3鍵有關(guān)[15]。

圖1 原始光譜

2.2 預(yù)處理效果

經(jīng)過預(yù)處理的光譜既有效消除了噪聲的影響，又保留了原始光譜的有效信息，如圖2所示。

圖2 預(yù)處理光譜

2.3 模型建立效果

隨機(jī)將150個凡納濱對蝦樣品數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集和驗證集(其中訓(xùn)練集包含120個樣品，驗證集包含30個樣品，訓(xùn)練集∶驗證集=4∶1)，建立凡納濱對蝦檢測模型。

采用BPNN，RBFNN和PCA，選出7個敏感波段875，894，919，953，983，1 024和1 094 nm，將其作為輸入數(shù)據(jù)，對不同的隱含層個數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別訓(xùn)練20次，選出效果最好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，RBFNN的訓(xùn)練模型的效果最佳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是7-30-1。BPNN最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是7-13-1。

采用30組數(shù)據(jù)樣本對三種算法的模型進(jìn)行驗證，建模效果見表1。由表可以看出，基于MSC-BPNN的凡納濱對蝦新鮮度的高光譜預(yù)測模型效果最佳，r和NRMSE分別為0.902 1和0.214 0，說明該模型的能夠映射凡納濱對蝦的新鮮度預(yù)測值和真實值之間的相關(guān)性。

表1 基于三種算法的蝦新鮮度檢測模型

圖3 三種模型預(yù)測效果

3 結(jié) 論

利用高光譜成像對南美白對蝦的TVB-N含量進(jìn)行了分析，探究高光譜數(shù)據(jù)與蝦的新鮮度之間的相關(guān)性。從高光譜圖像中提取光譜數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校對。為了減少環(huán)境和各種噪聲的影響，使用MSC對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。同時，高光譜數(shù)據(jù)與凡納濱對蝦的新鮮度之間的相關(guān)性進(jìn)行定量分析，建立了南美白對蝦新鮮度的三種定量預(yù)測模型。其中，MSC-BPNN建模結(jié)果具有最好的預(yù)測精度。結(jié)果表明，高光譜分析蝦新鮮度檢測具有可行性。