基于可見光與近紅外反射光譜的牛奶光譜特性識別研究

1、基于可見光與近紅外反射光譜的牛奶光基于可見光與近紅外反射光譜的牛奶光譜特性識別研究譜特性識別研究謝春光+李宇航+夏惠婕+李棒棒摘 要：食品安全是對人身體健康產(chǎn)生極大影響的因素，受到了國家，人民和社會的廣大的關(guān)注，成為我國主要問題之一。尤其是奶制品，像牛奶這樣營養(yǎng)價值高，又性價比有很高的產(chǎn)品，更容易摻假謀取利益?，F(xiàn)有的主流分析方法較為復(fù)雜，需要時間長，不僅不能快速效率的分析，還會浪費(fèi)很多資源。因此更迅速有效的分析方法，是幫助高效辨別的必要條件。一但確定可快速分辨的技術(shù)手段，對于質(zhì)檢，即時的商品抽測等多方面的測量和檢驗(yàn)有很大貢獻(xiàn)和意義。要實(shí)現(xiàn)快速分辨，首先要識別出特定的牛奶，而牛奶具有特定的光譜，

2、本課題講述以光譜特征來識別牛奶表面，進(jìn)而對于牛奶的特定識別與牛奶種類間的區(qū)分有重要幫助。關(guān)鍵詞：牛奶；光譜；食品安全：o433.4 ：a ：1671-2064（2017）21-0217-031 引言現(xiàn)代檢測技術(shù)主要為利用具有不同性質(zhì)的傳感器進(jìn)行測量，用于較為常見的待測參數(shù)，而且對于沒有適合傳感器的參數(shù)的測量較為困難。其應(yīng)用領(lǐng)域主要用于復(fù)雜設(shè)備或過程等多方面參數(shù)的測量，多依賴于傳感技術(shù)。其較為復(fù)雜，需要大量設(shè)備，檢測周期長，而且需要繁瑣的檢測技術(shù)與方法，還會產(chǎn)生誤差較大的現(xiàn)象，而光譜檢測技術(shù)有著快捷，方便并且對食品樣本無損傷的特點(diǎn)，在一定限度內(nèi)具有有效檢查的優(yōu)勢。對于檢測食品添加劑和變質(zhì)過期食品

3、的檢測上，此技術(shù)可以在更高經(jīng)濟(jì)效益的層面上，對食品內(nèi)有害物質(zhì)含量進(jìn)行檢測，還有對于不容易看出來的食品摻假現(xiàn)象進(jìn)行有效檢測和打壓，是或不可缺的技術(shù)并且還擁有很大發(fā)展空間，而且近幾年來，光譜特征技術(shù)被特別用于識別食品，并且在國外已有部分概念產(chǎn)品問世。2 牛奶表面測定本次實(shí)驗(yàn)采用 usb2000 光纖光譜儀，光譜量程在 390nm-1100nm 的范圍之間，分辨率為 1.5nm。實(shí)驗(yàn)光源選取鎢燈。本次實(shí)驗(yàn)選擇從正規(guī)渠道購買的新鮮的同一品牌（某品牌牛奶）不同的三個含脂級別的牛奶為實(shí)驗(yàn)材料，將部分新鮮牛奶經(jīng)過特殊處理作為實(shí)驗(yàn)中的變質(zhì)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將不同品質(zhì)不同含脂量的奶放置于相同大小的塑料碗里，保證液面

4、高度一致，放置于室溫狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)室中。連接電腦與 usb2000 光纖光譜儀，取鎢燈，將光源投射于白板，將光譜儀的探頭固定于升降臺上，使探頭對準(zhǔn)白板，打開 spectrasuite 軟件，將所測得的光源光譜保存；將待測的牛奶放置在白板，測量并保存牛奶光譜數(shù)據(jù)。調(diào)整光源輻射度三次，測量不同的輻射度下所對應(yīng)的新鮮奶的反射光譜，取多組牛奶重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測量。牛奶的好壞品質(zhì)主要差別在于變質(zhì)與是否變質(zhì)。將被測實(shí)驗(yàn)對象換成變質(zhì)的牛奶，在相同條件下測量不同牛奶的反射光譜并保存牛奶光譜數(shù)據(jù)，取多組牛奶重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測量。牛奶的不同主要表現(xiàn)還在在牛奶里面脂含量差異較大，實(shí)驗(yàn)中選取不同含脂量的牛奶（脫脂奶，低

5、脂奶，全脂奶）作為實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測定。連接電腦與 usb2000 光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置不同含脂量的牛奶（脫脂奶，低脂奶，全脂奶）測牛奶的反射光譜并保存光譜數(shù)據(jù)與圖像，取多組牛奶重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測量。將實(shí)驗(yàn)購買的新鮮不同含脂量的牛奶和制作的變質(zhì)不同含脂量的牛奶放置于一起，且在實(shí)驗(yàn)之前盡量保持有著相同的條件。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果牛奶光譜是由牛奶內(nèi)含有物質(zhì)的特征決定的，而這種特征與牛奶的含脂量，牛奶生產(chǎn)商的制作工藝，添加菌類密切相關(guān)。牛奶表面的光反射包括正面光譜反射，還有牛奶對光能吸收，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境將其他影響極小因素忽略，只考慮牛奶的正面光譜的反

6、射。根據(jù)圖 1 實(shí)驗(yàn)得到，在可見光譜范圍內(nèi)，600nm 附近有一個不較為明顯的波峰，左側(cè) 430nm 有吸收帶，并且伴隨著牛奶光譜吸收度的減少再增加。隨著牛奶脂肪含量的增加，光譜的反射率會逐漸增加，而到一定程度后基本不變。實(shí)驗(yàn)測得正常的低脂，全脂某品牌牛奶在近紅外波段（760-1000）的光譜特征幾乎不受含脂量變化的影響，而脫脂牛奶會光譜反射率會稍微較低。根據(jù)圖 2 實(shí)驗(yàn)得到，在可見光譜范圍內(nèi)，在 600nm 處有一個波峰，左側(cè) 420nm處有一個吸收帶，并且伴隨著牛奶光譜的吸收度的減少再增加。隨著牛奶脂含量的增加，光譜反射率有輕微增加，但至一定程度便無太大變化。實(shí)驗(yàn)得出變質(zhì)的某品牌牛奶在可見

7、光和近紅外波段（760-1000）的光譜特征受脂含量的影響有輕微變化，隨著脂含量的增加牛奶光譜反射也增加。過期與不過期的某品牌脫脂和低脂據(jù)圖 3、4、5 實(shí)驗(yàn)得到，在各圖在約 600nm處有一個波峰，左側(cè) 430nm 處有一個吸收帶，而且各圖中兩個光譜反射率有巨大差異，伴隨著牛奶光譜的吸收度增加再減小，而且隨著牛奶脂含量的增加，差異逐漸增大，到一定程度趨于不變。實(shí)驗(yàn)得出，變質(zhì)與未變質(zhì)的低脂和全脂牛奶在近紅外波段（760-1000）的光譜特征差異較小，而脫脂牛奶所受影響較大。4 實(shí)驗(yàn)誤差分析實(shí)驗(yàn)中使用光纖光譜儀于可以進(jìn)行密閉遮光的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以人為排除各種光源的干擾，且溫度與濕度得到控制。

8、如圖 6 所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，將過期牛奶攪拌均勻，防止其影響表面反射率，減小實(shí)驗(yàn)誤差。另外實(shí)驗(yàn)樣品可能會遭到污染，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，除了拿光譜儀檢測的過程中，所有樣品均為密封狀態(tài)。5 結(jié)論和討論實(shí)驗(yàn)得到正常牛奶不同含脂量對牛奶表面反射率的影響表現(xiàn)為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關(guān)系，而且三種牛奶對于光的吸收度近乎相同，均在430nm 出有一個吸收帶，600nm 處有一不較為明顯突出的個波峰，總體吸收度由增大到減小再稍微增大。但在于低脂和全脂牛奶之間并無任何太大差異。endprint實(shí)驗(yàn)得到變質(zhì)牛奶不同含脂量對牛奶表面反射率的影響表現(xiàn)為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關(guān)系，而且三種牛奶

9、對于光的吸收度近乎相同，均在420nm 出有一個吸收帶，600nm 處有一不較為明顯突出的個波峰，總體吸收度由增大到減小再稍微增大，趨勢無太大差異，只是隨著含脂量的增加，牛奶表面的反射率也隨之增加。實(shí)驗(yàn)得到牛奶品質(zhì)不同對牛奶表面的反射率的影響表現(xiàn)為：未變質(zhì)的牛奶普遍所得到的牛奶表面光譜反射率要高于變質(zhì)的牛奶許多，且隨著含脂量的增加，其變化差異就越小。在近紅外（760-1000）段差異明顯逐漸減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到，某品牌牛奶的牛奶表面光譜，在 600nm 附近有一個波峰，左側(cè)430 納米處有一個吸收帶，右側(cè)吸收度度逐漸增加。在近紅外波段可以發(fā)現(xiàn)正常的牛奶低脂與全脂并無太大分別，而且低脂則有較明顯區(qū)

10、分。變質(zhì)牛奶與正常牛奶的牛奶表面的反射率有極大不同，表現(xiàn)為正常牛奶在對應(yīng)吸收帶以及波峰上的吸收度和反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變質(zhì)牛奶，因此可以有效區(qū)分。綜上得出結(jié)論：通過可見光波段反射光譜的研究，可以根據(jù) 600nm 的波峰與430nm 的特征吸收帶作為光譜特征研究牛奶的變質(zhì)情況。通過對近紅外波段反射光譜的研究，對于分別牛奶的含脂量有幫助。參考文獻(xiàn)1金小俊，陳勇，孫艷霞.農(nóng)田雜草識別方法研究進(jìn)展j.農(nóng)機(jī)化研究，2011，（07）：23-27+33.2付興虎.蘋果含糖量近紅外檢測系統(tǒng)的研究d.燕山大學(xué)，2007.3金同銘宋芳.黃瓜維生素 c 含量的非破壞分析法近紅外光譜法j.食品科學(xué)，1993（06）：68-70.4周全，朱大洲，王成，鄭耀，王秋平，馬智宏.成像光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品_食品檢測中的研究進(jìn)展j.食品科學(xué)，2010，（23）：423-428.5張寧，陳蓁蓁，唐波.熒光成像在生物分析中的應(yīng)用j.分析化學(xué)，2006.（07）：1030-