基于便携式近红外技术的生鲜乳品质现场评价.pdf

第 卷， 第 期 光谱学与光谱分析 ， ， 年 月 ， 基于便携式近红外技术的生鲜乳品质现场评价 王加华，张晓伟，王 军，韩东海 许昌学院食品与生物工程学院，河南 许昌 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 摘 要 生鲜乳作为乳制品生产的基本原料，其质量是保证乳制品食用安全、维护人类健康的基础。可见 近红外光谱技术结合化学计量学方法，构建生鲜乳品质指标的数学模型，实现生鲜乳品质的现场评价。在不 同年份，收集 份来自不同奶牛个体的生鲜乳样品。便携式光谱仪采集生鲜乳漫透射光谱（ ） ，二阶导数和卷积平滑进行光谱预处理，以消除脂肪球引起的光散射和高频噪声。变窗宽移动窗口偏最 小二乘法（ ） 和遗传偏最小二乘法（ ） 用于筛选信息区间，并构建预测模型。 与 模型的预测性能相当，脂肪、蛋白质、干物质和乳糖的预测标准误差（ ） 分别为 ， ， 和 ，相对预测误差（ ） 分别为 ， ， 和 。同时构建了生鲜乳品质指标的多元线性回归（ ） 方程，采用的最优 变量数分别为， ，和。采用外部数据集检验， 预测性能与 相近甚至更优，脂肪、蛋白质、干 物质和乳糖模型的 分别为 ， ， 和 ；相对预测误差（ ） 分别为 ， ， 和 ，可用于现场准确测量。结果显示，便携式近红外光谱仪结合 模型可实现生鲜乳品 质的现场快速评价，为生鲜乳按质论价收购提供了一种新方法，同时为便携式乳品近红外专用仪器设计提 供技术参考。 关键词 可见近红外光谱；便携式光谱仪；漫透射；生鲜乳；品质指标 中图分类号： 文献标识码： ： （ ） 收稿日期： ，修订日期： 基金项目：国家自然科学基金项目（ ） 和河南省科技攻关项目（ ） 资助 作者简介：王加华， 年生，许昌学院食品与生物工程学院副教授 ： 通讯联系人 ： 引 言 我国居民生活逐步步入小康水平，牛奶及其制品作为一 类营养全面的食品，已成为人们日常生活中不可或缺的一部 分。生鲜乳是乳制品的源头，作为乳制品生产的基本原料， 其质量好坏是保证乳制品食用安全、维护人类健康的基础。 实时、快速、准确的生鲜乳评价方法是进行牛奶及其制品质 量控制的首要条件。 近红外光谱（ ， ） 作为一 种可实现在线或现场分析的技术，在产品检测、原辅料分 析、生产监控中有着巨大的应用潜力和前景。短波近红外具 有较强的透射能力、设备成本较低等特点，备受学者关注。 等 采用短波近红外光谱（ ） 透射模式分 析生鲜牛乳中的脂肪、蛋白质和乳糖含量，内部交互验证均 方根偏差（ ） 分别为 ， 和 。 等 采用短波近红外光谱（ ） 分析生鲜牛乳中 脂肪含量，研究了脂肪散射效应。皮付伟等 进行了 短 波近红外光谱（ ） 透射法测定牛奶成分的可行 性分析。 等 利用可见近红外光谱（ ） 建立了非均质牛奶样品中脂肪、蛋白和乳糖的含量模型。 等 采用短波近红外方法（ ） 构建了奶粉的主 要成 分 模 型。 等 利 用 短 波 近 红 外 光 谱 （ ） 研究了生鲜牛乳中体细胞快速检测。同时短波近 红外技术也被用于乳制品加工在线监控，如 等 和 等 分别搭建了一个近红外系统（ ） ，实现了加工过程中牛奶品质的在线监测。 等采用可见近红外（ ） 漫反射光谱结合多元校 正方法构建模型，检测和监控不同储藏温度下巴氏杀菌脱脂 乳变质状况。 等 采用可见近红外光谱分析法 （ ） 测试生鲜乳的脂肪、粗蛋白、乳糖等指标， 进而监控奶牛健康状况。 本工作进行便携式近红外光谱技术现场评价生鲜乳品质 的可行性探讨。多元校正法分别构建生鲜乳脂肪、蛋白质、 干物质和乳糖的数学模型，并进行模型性能的评估，以期为 便携式近红外光谱仪器设计提供技术参考，实现生鲜乳现场 评价，最终保障牛奶及奶制品的安全生产。 实验部分 样品和仪器 个生鲜乳样品来源于国内不同奶场，为获取宽范围 代表性样品，在不同年份不同奶牛个体取样。 型便携式近红外光谱仪（ 株式会社， 日本） ，配备光纤采集附件，采用 检测器。仪器采用内 置光源，发光光纤束为环形设计，其外径为 ，内径 为 ，受光光纤束位于环形发光光纤束中心，直径为 。 牛奶脂肪（ ） 、蛋白质（ ） 、乳糖（ ） 、干物 质含量（ ，） 采用 的标准方法测定， 所用仪器为 （ 公司，丹麦） 。 光谱采集 样品经水浴恒温加热（ ） 后，转移至锥形瓶 并定容 ，摇匀后将锥形瓶平置于光纤探头，并用内壁 涂黑盒子罩住容量瓶及光纤头，防止杂散光干扰。内置背 景，样品和背景积分时间均为 ，采集范围 ，间隔 ，共有 个数据点。光谱采集次，平均输 出保存。生鲜奶漫透射光谱如图所示，在 附近有显 著吸收峰，主要是水的 基团的倍频吸收。 统计分析 采用 检验（ 置信度） 、杠杆值和学生残差 进行样品异常判别。剩余样品按照浓度梯度排序，以左 右分为建模集和预测集，测量值的最大和最小样本归为建模 集，统计结果如表所示。 算法原理及应用 算法 改变窗宽移动窗口偏最小二乘法（ ， ） 是 方法的一种延伸，其计算原理是：假设起始窗口大小 ，依次计算各窗口（为每次增加窗口的大 小，为增加的次数，小于等于波长的总数据点） 下的 模型，给出各窗口小的 值。当 值最 小时，所对应的窗口位置为信息区间。 ， ， ， 注： 为标准偏差 算法 遗传偏最小二乘法（ ， ） 是一种模拟自然选择和遗传机制的自适应概率全局寻优算 法。采用遗传算法选择特征变量，由于每次运行初始参数不 同，如初始群体选择，交叉变异位置等，输出的二进制 编码各异，因此，独立运行 一定次数，选取出现频率较 高的变量。变量选择以 最小时来确定。 光谱变量优化工具包由网络共享获得，各计算程序自行 编 写。 和 程 序 在 （ ，美国） 中实现。 （ ，美国） 软件进行 变量筛选，建立 模型。 结果与讨论 光谱分析及预处理 光谱分析方法主要依赖样品成分吸收，生鲜奶的脂肪球 和蛋白颗粒导致光散射 ；光程差异导致光谱基线漂移。采 用二阶导 数 滤 波 法 处 理 放 大 信 号 和 消 除 基 线 漂 移，采 用 平滑处理消除高频噪 声，样 品 光 谱 在 ， 和 附近的信息差异被凸显出来，去掉两端 各 个无信息数据点，剩余数据用于后续计算，处理后光谱 如图所示。 模型 将经二阶导和卷积平滑后的光谱阵与浓度阵导入 ，依照上所述步骤运行 。运行参数设 置：初始窗口大小为 ；最大因子数为 ；每次增加变量数 为；增加次数为 。 以脂肪数据为例，当运行到 次时，即有 个变量入选，模型的 最小为 ，所得区 光谱学与光谱分析 第 卷 间为最优搜索结果。图为最优化结果，图（） 中线条表示 窗口 时，在各区间所获得的 值， 条线 表示 个主因子数。最小 所对应的因子数为 ， 其信息区间为 图 （） 最深区域 ，该区域表征 为脂肪分子功能基团的倍频吸收 。 （ ） ： （） （） 同理，蛋白质、干物质、乳糖的 优化结果如 表所示，并建立最优化 模型。结果可以看出在脂肪、 蛋白质、干物质的信息变量集中于 范围内，其 模型的 均大于，表明该模型具有优异预测性能，可以 满足定量评价。对于乳糖，信息变量集中于 范 围内，其模型的 为 ，可以用于定型分析。 ， ， 注： 为模型主因子数； 模型 将经处理后的光谱阵与浓度阵导入 ，依 照前述方法独立进行 程序，每次输出二进制编 码字符串，计算每个波长标识为“” 的概率。以 为 目标函数，当满足检验（ ） 时为最佳结果。运行参数 设置：种群大小为 ；每次输出被选择变量数为 （ 编码为 的变量数） ；变异系数为；交叉概率为 ； 运算 最大因子数为 ；进化代数为 ；独立运行次数为 。 图是生鲜乳蛋白质的 变量选择结果。图（） 表示 运行 次后，各变量输出编码为“” 的频率。 图 （） 显示当入选变量数较少时， 值随变量增加 而显著降低（ 有效信息逐渐累积） ，而后又逐渐升高（ 非目标 信息过度引入） ，当变量数为 时， 值达到最小值 （ ） ，所对应的变量入选频率为 ，如图 （） 横线所 示的为信息变量（ 表所示） ，在 ， 和 附近变 量被选择频率较高， 附近主要表征为 和 的三倍频吸收， 和 附近可能分别为蛋白质结构中 的的倍频、的合频或者倍频吸收 ，。 （ ） ： （） ， （） 第 期 光谱学与光谱分析 同理，脂肪、干物质、乳糖的 优化结果如表所 示。从结果来看， 模型使用变量数进一步减少，脂 肪、蛋白质、干物质和乳糖模型分别采用 ， ， 和个 数据点，模型性能与 相当。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 注： 为模型主因子数； 模型 对于便携仪器，常用的建模方法主要有 和 ， 比较而言， 模型使用变量更少，速度更快，但抗外界干 扰因素能力相对较弱，对仪器性能要求更高。本研究采用 （ ，美 国） 软 件 进 行 变量筛选，建立 模型。 入选变量数以留一法交互验证来确定，当 值 最小时所对应的变量数为最佳变量数。对于脂肪、蛋白质、 干物质、乳糖，其最小 值分别为 ， ， 和 ，对应的变量数分别为， ，和， 其多元回归方程如式（） 式（ ） 所示。 （） （） （） （） ， （） ， （） （） 光谱学与光谱分析 第 卷 （） 采用外部验证，脂肪、蛋白质、干物质、乳糖的预测结 果散点图如图所示。其中脂肪模型的 为 图 （） ，优于 模型（ ） ，略低于 模型（ ） ；蛋白质模型的 为 图（） ， 均优于 模型和 模型；干物质模型的 为 图 （） ，显著优于 模型（ ） ， 略低于 模型（ ） ；乳糖模型的 为 图 （） ，均优于 模型和 模型。整体结 果来看， 模型更加简单，更有利于便携式近红外光谱 仪使用。 结 论 生鲜乳经过简单预处理（ 下恒温 ） ，采用便 携式短波近红外仪（ ） 采集漫透射光谱，经过 信息变量优化，分别构建了 和 模型，脂 肪、蛋白质和干物质最优模型的 分别为 ， 和 ，可 用 于 生 鲜 乳 精 确定量预测；其 乳 糖 模 型 为 ，满足于定性分级。同时采用二阶导数处理后光谱，建 立了 模型，脂肪、蛋白质、干物质和乳糖的 分别 为 ， ， 和 ，接近或优于 模型。 针对生鲜乳的物化特性（ 乳浊液） ，利用了短波近红外穿 透性强的优势，加上环状光源采集附件，信息采集区域大， 可获取更多生鲜乳信息，同时降低了环境影响，有利于现场 检测。结果显示， 模型精度接近或优于 模型，更 适用于便携式近红外光谱仪。因此，便携式近红外光谱技术 结合多元线性回归模型，可用于生鲜乳中脂肪、蛋白质、干 物质和乳糖含量的现场快速检测，为生鲜乳按质论价收购提 供了一种新方法。 ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， （ 皮付伟，王燕岭，鲁 超，等） （ 现代科学仪器） ， ， （） ： ， ， ， ，（ ） ， ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ，（） ： ， ，