高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于畜禽肉品品質(zhì)研究進(jìn)展

? ? 食品安全不光關(guān)乎我們身體健康而且影響著社會穩(wěn)定,?做好食品安全檢測是防止有毒食品進(jìn)入人體的關(guān)鍵步驟也是維護(hù)社會穩(wěn)定的重要舉措。為改善傳統(tǒng)畜禽肉質(zhì)檢測方法費(fèi)時費(fèi)力的現(xiàn)狀,??食品安全檢測方法正趨于多樣化,引入了許多高新技術(shù),?高光譜成像技術(shù)(hyperspectral?imaging,HIS)便是其中之一。其憑借超強(qiáng)的探測能力和分辨能力能夠快速無損地檢測出食品內(nèi)部品質(zhì)信息。附著在食品表面的有毒殘留所形成的光譜曲線不同于正常的曲線,內(nèi)部品質(zhì)的變化也可以通過光譜曲線反映出來。本文從畜禽肉品品質(zhì)安全角度出發(fā),?圍繞畜禽肉品化學(xué)指標(biāo)、物理屬性和食用安全指標(biāo)?3個方面,?綜述了高光譜成像技術(shù)在畜禽肉品安全檢測中的應(yīng)用,歸納總結(jié)了預(yù)處理,變量篩選和建模方法。對目前高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于畜禽肉品檢測中所暴露的缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),并就未來發(fā)展方向進(jìn)行展望,為畜禽肉品中各成分的檢測提供了科學(xué)依據(jù),為延長各種類畜禽肉品及其肉制品貨架期提供了新的參考。

0 ??引 ?言

? ? 食品安全是我們長久以來一直密切關(guān)注著的熱點(diǎn)話題,與我們?nèi)粘９ぷ骱蛯W(xué)習(xí)生活息息相關(guān)。在2015 年6月調(diào)查顯示英國73%的雞肉中都含有易導(dǎo)致人體食物中毒的彎曲桿菌。同年12月份世界衛(wèi)生組織(World ?Health Organization,WHO)做了一個關(guān)于食物中毒事件調(diào)查,調(diào)查顯示每年全球約有42萬人死于食物中毒。據(jù)研究報告顯示, 2017年8月16日在英國當(dāng)?shù)氐囊患页谐鍪鄣呢i肉制品中檢測出戊型肝炎病菌,導(dǎo)致成千上萬的英國市民感染此病菌。畜禽肉品是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷臓I養(yǎng)物質(zhì)來 源,常常將其做成各種美味佳肴端上餐桌,一旦畜禽肉品存在安全隱患極易導(dǎo)致食物中毒。因此, 如何快速、無損、高效地檢驗(yàn)出食品內(nèi)部品質(zhì)情況是保證食品安全的關(guān)鍵。

? ? 從20世紀(jì)80年代開始,高光譜成像技術(shù)(hyperspectral?imaging, HIS)憑借強(qiáng)大的探測能力和超高的分辨能力受到了各國研究人員的注意,經(jīng)過幾十年的發(fā)展到現(xiàn)在,它不光運(yùn)用于食品檢測方面,在醫(yī)學(xué)診斷、航空航天領(lǐng)域、遙感監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)、文物保護(hù)等方面都有所應(yīng)用。高光譜成像技術(shù)是將傳統(tǒng)檢測技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合,在獲得樣品光譜數(shù)據(jù)的同時可對其進(jìn)行可視化觀測。它不光解決了傳統(tǒng)檢測方法費(fèi)時費(fèi)力的問題, 還為實(shí)時監(jiān)測樣品成分變化提供了幫助。隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,未來高光譜成像檢測技術(shù)將在數(shù)據(jù)降維及其他算法處理上不斷創(chuàng)新。現(xiàn)有的關(guān)于高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于肉品品質(zhì)檢測研究綜述中,鮮少有對畜禽肉品各檢測指標(biāo)進(jìn)行全面概述的。因此,本文對各檢測指標(biāo)進(jìn)行分類,著重介紹所采用的檢測方法,對其所存在的問題進(jìn)行總結(jié),為相關(guān)研究人員在畜禽肉品品質(zhì)檢測領(lǐng)域的突破創(chuàng)新提供全新的參考。

1 ?高光譜成像技術(shù)

1.1??高光譜成像原理

? ? 高光譜成像技術(shù)就是將光譜學(xué)和機(jī)器視覺2種當(dāng)下最為廣泛應(yīng)用的技術(shù)相融合,形成它們獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn):利用探測到的目標(biāo)的二維幾何空間和第三維光譜信息,來獲取具有高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段圖像數(shù)據(jù)。所獲得的光譜分辨率很高,可達(dá)幾個納米。不同的樣品通過高光譜相機(jī)照射后所返回的光譜信息是不同的,這主要是因?yàn)榉肿又械墓倌軋F(tuán)對波長的光吸收是有差異的。除此之外,不同樣品的外觀和所構(gòu)成的材質(zhì)也是不同的,?通過所獲得的光譜信息對樣品進(jìn)行分析,可以找到樣品中的物理、化學(xué)信息差異。高光譜成像系統(tǒng)見圖1。

1.2??未來發(fā)展趨勢

? ? 高光譜成像系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)是一塊形如長方體的3D數(shù)據(jù)塊,里面包含了海量信息。為篩選出有效的特征光譜信息,會采用數(shù)據(jù)降維算法對其進(jìn)行降維。當(dāng)前比較常見的數(shù)據(jù)降維算法有非線性和線2大類,因?yàn)椴杉降膱D像數(shù)據(jù)中包含了非線性數(shù)據(jù),所以用線性降維算法對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維時,會造成誤差。綜上所述,對線性降維算法未來的研究中可以從這個點(diǎn)進(jìn)行突破。從應(yīng)用前景角度來看, 非線性降維算法將會成為主流,但是目前前沿的非線性降維技術(shù)存在運(yùn)算流程復(fù)雜的問題,如何解決此問題,提升數(shù)據(jù)降維的效果,是需要我們?nèi)ャ@研的地方。

2 ?高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于畜禽肉品研究

? ? 畜禽是指經(jīng)過長期勞動馴化的能為我們提供蛋、肉、乳的各種動物。肉是我們生活中常見的營養(yǎng)食物,除了帶給我們味覺的享受,還為我們提供了豐富的營養(yǎng)元素。例如豬肉,它富含鈉離子、鉀離子和磷離子能促進(jìn)人體新陳代謝。但由于一些不法商家為了取得更大的利益,不惜在飼養(yǎng)畜禽的過程中肆意添加催長素和瘦肉精等違禁藥品,致使有毒物質(zhì)殘留于肉中。一旦這樣的食品進(jìn)入人體,會嚴(yán)重危害人體健康。為防止對人體健康有害的畜禽肉品進(jìn)入市場,做好肉品質(zhì)量把關(guān)非常重要?，F(xiàn)有的畜禽肉品品質(zhì)檢測方法以感官檢測和人工實(shí)驗(yàn)法為主,這些方法一般是由專業(yè)人員進(jìn)行操作、分析和評估,所得結(jié)果容易受到主觀因素影響,且耗費(fèi)人力物力,還會破壞被檢樣品的完整性。其次,這些檢測方法還不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)所要求的高效快速在線檢測,它只適用于實(shí)驗(yàn)室的小數(shù)量樣品檢測。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在畜禽肉品檢測領(lǐng)域引入了高光譜成像技術(shù),它是將圖像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合, 在獲取樣品光譜數(shù)據(jù)的同時不會破壞樣品完整性。不僅具備了方便快捷、簡單易操作的特點(diǎn)而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測方法不能用于大批量在線檢測的不足,突破了傳統(tǒng)檢測方法的局限性。目前,高光譜成像技術(shù)越來越多地應(yīng)用于畜禽肉品品質(zhì)檢測中,并取得了不錯的效果。本文總結(jié)了HIS技術(shù)運(yùn)用于畜禽肉品各檢測指標(biāo)中的最新進(jìn)展,主要涉及畜禽肉品化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)和食用安全指標(biāo)。

2.1 ?畜禽肉品化學(xué)指標(biāo)檢測

? ? 畜禽肉質(zhì)經(jīng)宰殺以后,隨著時間、溫度和環(huán)境的變化會慢慢變質(zhì)，其肉品新鮮度會遭到嚴(yán)重影響。揮發(fā)性鹽基氮值(total volatile base nitrogen,TVB-N)、硫代巴比妥酸值(thiobarbital acid,TBA)及 pH等指標(biāo)也會隨著肉質(zhì)變化而變化,所以可用它們作為指標(biāo)來表征肉品新鮮度。

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2.2 ??畜禽肉品物理屬性檢測

2.2.1 ?系水力

? ? 系水力也稱持水性,是指畜禽在經(jīng)屠宰以后,畜禽肉在運(yùn)輸、加工和保存的過程中,憑借自身的物理形態(tài)和化學(xué)構(gòu)成對水分構(gòu)成一定的限制和束縛能力,減少肉中水分流失,它是衡量畜禽肉品品質(zhì)的重要指標(biāo)。張晶晶利用高光譜成像技術(shù)(400~1000nm)來對冷鮮灘羊肉的持水性進(jìn)行檢測。運(yùn)用變量組合集群分析法(variables combination population analysis, VCPA)和SPA對預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征變量篩選?？偨Y(jié)可得,高光譜成像技術(shù)對肉的系水力檢測效果未達(dá)到較高精度, 這主要是和模型選取有關(guān)。就目前研究來看,對畜禽肉品系水力的研究較少,在未來的研究中可更多地從此方面拓展。

2.2.2 ?肉品色澤檢測

? ? 肉品色澤是消費(fèi)者衡量肉質(zhì)好壞的視覺指標(biāo),好的色澤不僅能夠給人們留下好的第一印象,也能激起消費(fèi)者的購買欲。過去檢測肉品色度的方法采用的是色度計(jì)和色度儀對肉色進(jìn)行測量評估,這樣的方法受到測量范圍的限制,不能進(jìn)行大范圍的色度測量,而且極易污染樣品、可行性不高。利用高光譜成像技術(shù)可高效、無損、快速地對肉品色澤進(jìn)行檢測,很多學(xué)者在此方面進(jìn)行了研究。

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2.2.3 ?畜禽肉品紋理檢測

? ? 除了對畜禽肉質(zhì)系水力和色澤進(jìn)行檢測, 其肉品紋理也有助于評估肉質(zhì)好壞。精品上等肥瘦相間的肉, ?會帶有形如大理石花紋一般的紋理,紋理越好,肉的品質(zhì)越好。畜禽肉品紋理檢測中多以檢測牛肉大理石花紋為主,科學(xué)家們在此做了多方面探究。在特征波段下,目標(biāo)區(qū)域與反射區(qū)域光譜反射強(qiáng)度有較大區(qū)別,從這里進(jìn)行圖像分割可取得最佳效果。為了更好地發(fā)揮高光譜技術(shù)在檢測方面的潛能,將機(jī)器視覺、圖像技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,對牛肉大理石花紋進(jìn)行檢測分級,可以取得較好的效果。綜上所述, 將高光譜成像檢測技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合,取長補(bǔ)短,可提升其檢測的廣度和深度。

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3? ?結(jié)論與展望

? ? 本文綜述了高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于畜禽肉品品質(zhì)研究的關(guān)鍵指標(biāo)(化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)、食用安全指標(biāo))檢測及檢測方法,與傳統(tǒng)檢測方法相比檢測精度有了根本上的提高,證明了高光譜成像技術(shù)運(yùn)用于此的可行性。高光譜成像技術(shù)因其獨(dú)有的特點(diǎn),正廣泛地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

? ? 綜上所述,高光譜成像技術(shù)憑借快速高效、無損環(huán)保的技術(shù)特點(diǎn),為及時掌握所檢樣品內(nèi)部營養(yǎng)成分變化提供了幫助,在畜禽肉品品質(zhì)檢測中具有巨大潛力。伴隨著新冠疫情肆虐全球以后,人們越來越注重食品安全。高光譜成像技術(shù)可以在不損傷樣品外部的前提下,檢測其內(nèi)部信息,有望取代傳統(tǒng)檢測方法成為安檢部門檢測畜禽肉品品質(zhì)的新方法，為人們的食用健康安全提供保障。同時也可以有效地保證流入市場的畜禽肉品是合格的,防止不法商販以假亂真擾亂市場秩序。因此,高效無損、快速精準(zhǔn)的檢測方法已是發(fā)展所需,未來高光譜成像技術(shù)檢測畜禽肉品的安全性也會成為大勢所趨。所以，我們要在算法上不斷地創(chuàng)新、在技術(shù)上新益求新,才能使得高光譜成像技術(shù)得到更好的發(fā)展。