高光譜成像技術應用于畜禽肉品品質研究進展

? ? 食品安全不光關乎我們身體健康而且影響著社會穩定,?做好食品安全檢測是防止有毒食品進入人體的關鍵步驟也是維護社會穩定的重要舉措。為改善傳統畜禽肉質檢測方法費時費力的現狀,??食品安全檢測方法正趨于多樣化,引入了許多高新技術,?高光譜成像技術(hyperspectral?imaging,HIS)便是其中之一。其憑借超強的探測能力和分辨能力能夠快速無損地檢測出食品內部品質信息。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,內部品質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安全角度出發,?圍繞畜禽肉品化學指標、物理屬性和食用安全指標?3個方面,?綜述了高光譜成像技術在畜禽肉品安全檢測中的應用,歸納總結了預處理,變量篩選和建模方法。對目前高光譜成像技術應用于畜禽肉品檢測中所暴露的缺點進行總結,并就未來發展方向進行展望,為畜禽肉品中各成分的檢測提供了科學依據,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。

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? ? 食品安全是我們長久以來一直密切關注著的熱點話題,與我們日常工作和學習生活息息相關。在2015 年6月調查顯示英國73%的雞肉中都含有易導致人體食物中毒的彎曲桿菌。同年12月份世界衛生組織(World ?Health Organization,WHO)做了一個關于食物中毒事件調查,調查顯示每年全球約有42萬人死于食物中毒。據研究報告顯示, 2017年8月16日在英國當地的一家超市出售的豬肉制品中檢測出戊型肝炎病菌,導致成千上萬的英國市民感染此病菌。畜禽肉品是人們日常生活中常見的營養物質來 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致食物中毒。因此, 如何快速、無損、高效地檢驗出食品內部品質情況是保證食品安全的關鍵。

? ? 從20世紀80年代開始,高光譜成像技術(hyperspectral?imaging, HIS)憑借強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,經過幾十年的發展到現在,它不光運用于食品檢測方面,在醫學診斷、航空航天領域、遙感監測、環境保護、文物保護等方面都有所應用。高光譜成像技術是將傳統檢測技術與光譜技術相結合,在獲得樣品光譜數據的同時可對其進行可視化觀測。它不光解決了傳統檢測方法費時費力的問題, 還為實時監測樣品成分變化提供了幫助。隨著技術的持續發展,未來高光譜成像檢測技術將在數據降維及其他算法處理上不斷創新。現有的關于高光譜成像技術應用于肉品品質檢測研究綜述中,鮮少有對畜禽肉品各檢測指標進行全面概述的。因此,本文對各檢測指標進行分類,著重介紹所采用的檢測方法,對其所存在的問題進行總結,為相關研究人員在畜禽肉品品質檢測領域的突破創新提供全新的參考。

1 ?高光譜成像技術

1.1??高光譜成像原理

? ? 高光譜成像技術就是將光譜學和機器視覺2種當下最為廣泛應用的技術相融合,形成它們獨有的技術優勢和特點:利用探測到的目標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、窄波段圖像數據。所獲得的光譜分辨率很高,可達幾個納米。不同的樣品通過高光譜相機照射后所返回的光譜信息是不同的,這主要是因為分子中的官能團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成的材質也是不同的,?通過所獲得的光譜信息對樣品進行分析,可以找到樣品中的物理、化學信息差異。高光譜成像系統見圖1。

1.2??未來發展趨勢

? ? 高光譜成像系統所采集到的數據是一塊形如長方體的3D數據塊,里面包含了海量信息。為篩選出有效的特征光譜信息,會采用數據降維算法對其進行降維。當前比較常見的數據降維算法有非線性和線2大類,因為采集到的圖像數據中包含了非線性數據,所以用線性降維算法對所采集到的數據進行降維時,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進行突破。從應用前景角度來看, 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存在運算流程復雜的問題,如何解決此問題,提升數據降維的效果,是需要我們去鉆研的地方。

2 ?高光譜成像技術應用于畜禽肉品研究

? ? 畜禽是指經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元素。例如豬肉,它富含鈉離子、鉀離子和磷離子能促進人體新陳代謝。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,致使有毒物質殘留于肉中。一旦這樣的食品進入人體,會嚴重危害人體健康。為防止對人體健康有害的畜禽肉品進入市場,做好肉品質量把關非常重要。現有的畜禽肉品品質檢測方法以感官檢測和人工實驗法為主,這些方法一般是由專業人員進行操作、分析和評估,所得結果容易受到主觀因素影響,且耗費人力物力,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代化生產所要求的高效快速在線檢測,它只適用于實驗室的小數量樣品檢測。隨著科學技術的不斷發展，在畜禽肉品檢測領域引入了高光譜成像技術,它是將圖像技術與光譜技術相結合, 在獲取樣品光譜數據的同時不會破壞樣品完整性。不僅具備了方便快捷、簡單易操作的特點而且彌補了傳統檢測方法不能用于大批量在線檢測的不足,突破了傳統檢測方法的局限性。目前,高光譜成像技術越來越多地應用于畜禽肉品品質檢測中,并取得了不錯的效果。本文總結了HIS技術運用于畜禽肉品各檢測指標中的最新進展,主要涉及畜禽肉品化學指標、物理指標和食用安全指標。

2.1 ?畜禽肉品化學指標檢測

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

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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,是指畜禽在經屠宰以后,畜禽肉在運輸、加工和保存的過程中,憑借自身的物理形態和化學構成對水分構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的重要指標。張晶晶利用高光譜成像技術(400~1000nm)來對冷鮮灘羊肉的持水性進行檢測。運用變量組合集群分析法(variables combination population analysis, VCPA)和SPA對預處理后的光譜數據進行特征變量篩選。總結可得,高光譜成像技術對肉的系水力檢測效果未達到較高精度, 這主要是和模型選取有關。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

? ? 肉品色澤是消費者衡量肉質好壞的視覺指標,好的色澤不僅能夠給人們留下好的第一印象,也能激起消費者的購買欲。過去檢測肉品色度的方法采用的是色度計和色度儀對肉色進行測量評估,這樣的方法受到測量范圍的限制,不能進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可高效、無損、快速地對肉品色澤進行檢測,很多學者在此方面進行了研究。

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2.2.3 ?畜禽肉品紋理檢測

? ? 除了對畜禽肉質系水力和色澤進行檢測, 其肉品紋理也有助于評估肉質好壞。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,科學家們在此做了多方面探究。在特征波段下,目標區域與反射區域光譜反射強度有較大區別,從這里進行圖像分割可取得最佳效果。為了更好地發揮高光譜技術在檢測方面的潛能,將機器視覺、圖像技術與神經網絡技術相結合,對牛肉大理石花紋進行檢測分級,可以取得較好的效果。綜上所述, 將高光譜成像檢測技術與其他技術相結合,取長補短,可提升其檢測的廣度和深度。

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3? ?結論與展望

? ? 本文綜述了高光譜成像技術應用于畜禽肉品品質研究的關鍵指標(化學指標、物理指標、食用安全指標)檢測及檢測方法,與傳統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運用于此的可行性。高光譜成像技術因其獨有的特點,正廣泛地被應用于各個領域。

? ? 綜上所述,高光譜成像技術憑借快速高效、無損環保的技術特點,為及時掌握所檢樣品內部營養成分變化提供了幫助,在畜禽肉品品質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。高光譜成像技術可以在不損傷樣品外部的前提下,檢測其內部信息,有望取代傳統檢測方法成為安檢部門檢測畜禽肉品品質的新方法，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、快速精準的檢測方法已是發展所需,未來高光譜成像技術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新、在技術上新益求新,才能使得高光譜成像技術得到更好的發展。