肉類的摻雜摻假是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的公共安全問(wèn)題，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、健康、環(huán)境等方面具有潛在影響。高光譜成像技術(shù)為肉類摻雜摻假檢測(cè)提供了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。本文主要介紹了該技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

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高光譜成像的基本原理與數(shù)據(jù)解析

1.?高光譜成像技術(shù)

高光譜成像技術(shù)是融合光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息處理以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域的光電檢測(cè)技術(shù)，主要應(yīng)用于如森林探火、地質(zhì)勘探以及海洋監(jiān)測(cè)等航空遙感領(lǐng)域，正逐步在農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域快速地發(fā)展應(yīng)用。高光譜圖像數(shù)據(jù)采集包括點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描3種(圖1-a)，點(diǎn)掃描：逐像素采集光譜后進(jìn)行拼接，常見(jiàn)于微觀尺度掃描檢測(cè)中；線掃描：逐行掃描獲取每一行像素點(diǎn)光譜并逐行拼接，線掃描尤其適合傳送裝置上動(dòng)態(tài)檢測(cè)，也是食品農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)的常用模式；面掃描在光譜維逐波長(zhǎng)對(duì)圖像依次掃描拼接，一般用于少波長(zhǎng)多光譜成像系統(tǒng)中。高光譜圖像不僅包括樣品二維空間信息(x，y)，還具有隨波長(zhǎng)分布的每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息(入)，最終獲得立方體數(shù)據(jù)(x，y，入)，如圖1-b。較之傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)以及近紅外光譜，高光譜可同時(shí)獲取目標(biāo)更為豐富的內(nèi)部生化及外部物理結(jié)構(gòu)等信息。

2.?高光譜數(shù)據(jù)的前處理

原始高光譜圖像經(jīng)過(guò)黑白校正后，為去除背景、邊緣等像素點(diǎn)光譜信息，常利用高反射率波段圖像扣除低反射率波段圖像得到波段運(yùn)算圖像，并結(jié)合合適閾值提取部分像素點(diǎn)生成感興趣區(qū)域(region of inter-est， ROI)。ROI 中平均光譜最終作為每個(gè)樣品的光譜，用于后續(xù)分析研究，也有部分研究通過(guò) PC 變換、點(diǎn)云分布、圖像增強(qiáng)等方法獲取 ROI 提取光譜信息20。為消除無(wú)用信息和環(huán)境條件及儀器所帶來(lái)的圖譜噪聲，卷積平滑、導(dǎo)數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換等都常用于光譜的預(yù)處理。高光譜提取出的光譜數(shù)據(jù)量龐大，存在大量的冗余信息，需要進(jìn)行有用信息的提取以縮減計(jì)算。文獻(xiàn)中的系列特征變量提取方法包括：競(jìng)爭(zhēng)性自適應(yīng)加權(quán)、連續(xù)投影、無(wú)信息變量消除、回歸系數(shù)、主成分載荷、二維相關(guān)光譜、野草算法以及遺傳算法等。

3.?模型的建立與評(píng)價(jià)

模型是數(shù)據(jù)分析研究工作中重要的內(nèi)容，肉類摻雜摻假的高光譜信息作為自變量對(duì)應(yīng)摻入梯度作為因變量，突出其內(nèi)在線性或非線性聯(lián)系，構(gòu)建定性判別或定量預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)后續(xù)未知樣本，并基于預(yù)測(cè)結(jié)果給予模型優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。如偏最小二乘回歸( partial least squares regression， PLSR)、逐步回歸(stepwise regres-sion， SR)等定量預(yù)測(cè)模型方法以及線性判別分析(lin-ear discriminant analysis， LDA)和支持向量機(jī)(support vector machine， SVM)等定性判別方法均得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neu-ral networks， CNN)、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)監(jiān)督的預(yù)培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)方法自動(dòng)提取特征，也是當(dāng)前模型建立中的熱點(diǎn)。建立模型評(píng)價(jià)要有真實(shí)摻假梯度與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)(R)以及決定系數(shù)(R’)、均方根誤差(RMSE)、剩余預(yù)測(cè)偏差等，一般模型預(yù)測(cè)集誤差越小，相關(guān)或決定系數(shù)(R/R)越大，總體模型性能越好，訓(xùn)練集與預(yù)測(cè)集的評(píng)價(jià)參數(shù)越接近說(shuō)明模型越穩(wěn)定。

檢測(cè)限(limit of detection， LOD)是衡量某一種檢測(cè)技術(shù)方法能力的重要指標(biāo)，部分檢測(cè)研究中會(huì)進(jìn)行LOD 計(jì)算以評(píng)價(jià)高光譜成像技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建模方法的靈敏度。JIANG 等1221對(duì)牛肉糜中摻人鴨肉糜的高光譜成像進(jìn)行檢測(cè)， LOD 為7.59%。王偉等2應(yīng)用高光譜成像對(duì)摻人牛肉糜中3種大豆蛋白進(jìn)行檢測(cè)，LOD 達(dá)到0.53%、0.58%和1.02%。JIANG 等124對(duì)摻入豬肉中血脖肉含量進(jìn)行高光譜成像檢測(cè)，LOD 限達(dá)6.50%。考慮到肉類摻雜摻假均是以盈利為目的，一般摻假比例都會(huì)高于10%，使用高光譜成像在肉類摻雜摻假檢測(cè)中是實(shí)際可行的。

4.?高光譜數(shù)據(jù)的后處理

與傳統(tǒng)的近紅外光譜相比，高光譜成像的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠反映空間分布信息，建立簡(jiǎn)化的多變量模型可以預(yù)測(cè)多光譜圖像每個(gè)像素點(diǎn)的值，以達(dá)到觀測(cè)整個(gè)圖像品質(zhì)或化學(xué)成分分布的目的。而摻雜摻假情況一般用肉眼是難以觀測(cè)到的，為了快速直觀地觀察肉類摻雜摻假的空間分布，研究人員一般將優(yōu)選的簡(jiǎn)化模型應(yīng)用到特征波長(zhǎng)下的多光譜圖像中，預(yù)測(cè)每個(gè)像素點(diǎn)的摻雜摻假情況，最終得到可視化的預(yù)測(cè)分布圖，給清晰直觀地展示出摻雜摻假狀況提供了一種方法。

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肉類摻雜摻假高光譜檢測(cè)研究進(jìn)展

1.?冒充和替換

使用不同產(chǎn)地、種屬、狀態(tài)的肉類進(jìn)行冒充或替換是不法商家常用的手段，目前常通過(guò)動(dòng)物源成分或某一指標(biāo)如揮發(fā)性鹽基氮、細(xì)菌總數(shù)及水分含量等進(jìn)行檢測(cè)鑒別。愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué) KAMRUZZAMAN 等126利用近紅外波段(900~1700 nm)高光譜成像技術(shù)對(duì)豬、牛、羊3類紅肉進(jìn)行整塊類別劃分，選取6個(gè)波長(zhǎng)結(jié)合 PLS-DA 建模方法得到識(shí)別總準(zhǔn)確率為98.67%。奧克蘭理工大學(xué)的 AL-SARAYREH 等27將新鮮、冷凍、解凍、包裝和非包裝多種形式豬、牛、羊肉拼接，利用HSI結(jié)合深度CNN 得到了總體94.4%的劃分準(zhǔn)確率。最近研究*發(fā)現(xiàn)快照HSI 結(jié)合 3D-CNN同樣可以獲取96.9%以上準(zhǔn)確率，這為未來(lái)便攜儀器開(kāi)發(fā)及實(shí)時(shí)獲取紅肉真?zhèn)涡畔⑻峁┛赡堋ＨA南理工大學(xué) XIONG等分別提取散養(yǎng)雞和肉雞肉高光譜主成分得分圖像的光譜和圖像紋理信息，圖譜信息結(jié)合利用 SVM 建模最優(yōu)判別準(zhǔn)確率達(dá)93.33%。寧夏大學(xué)王靖等(30)采集銀川、固原、鹽池3個(gè)產(chǎn)地羊肉高光譜圖像，發(fā)現(xiàn) CARS 提取波長(zhǎng)結(jié)合 PLS-DA 建模方法得到的預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率最高為84.21%。王彩霞等對(duì)荷斯坦牛、秦川牛、西門塔爾牛3種牛肉高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，結(jié)果顯示 CARS提取波長(zhǎng)結(jié)合SVM建模預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率為98.82%。綜上，對(duì)于此類肉類冒充和替換，高光譜成像可以較好地識(shí)別和劃分(準(zhǔn)確率>84%)，以往對(duì)于肉類冒充和替換案例中，不同肉類蛋白質(zhì)的不同吸收帶是光譜檢測(cè)能力的最大貢獻(xiàn)來(lái)源，未來(lái)還可以結(jié)合點(diǎn)云或顯微尺度進(jìn)10:39行信息挖掘，以達(dá)到進(jìn)一步提升識(shí)別精度和模型穩(wěn)定性的目的。

2.?混入

混入的檢測(cè)研究目前較多，常見(jiàn)于肉糜狀態(tài)下的混入檢測(cè)。肉糜是最受歡迎的形式之一，是多類肉制品的主要成分，如漢堡、餡餅、肉丸、香腸以及包子、餃子和餛飩?cè)怵W等。由于肉糜消除了基本的形態(tài)差異和特征，消費(fèi)者難以通過(guò)感官觀測(cè)出異樣，因此原料肉糜中常被混入廉價(jià)肉糜牟取利益。表1就肉糜混人的高光譜檢測(cè)研究進(jìn)行了總結(jié)，所有研究中模型的預(yù)測(cè)精度均很高，高光譜成像檢測(cè)具有巨大應(yīng)用潛力。表中大部分研究利用包含可見(jiàn)光的400~1000 nm波段，原因是借助不同肉類血紅蛋白和肌紅蛋白含量以及結(jié)構(gòu)差異對(duì)光散射的影響完成檢測(cè)鑒別。

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3.?非肉源添加物

大部分是為增重牟利，常見(jiàn)的如注人食用膠溶液、大豆蛋白等，雖然少量添加物能提升肉類的質(zhì)地和流變特性并改善其口感，但過(guò)多添加一方面嚴(yán)重侵犯了消費(fèi)者權(quán)益，另一方面因人體腸胃無(wú)法吸收，長(zhǎng)期食用會(huì)阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收，很容易造成營(yíng)養(yǎng)不良，更嚴(yán)重的會(huì)引起強(qiáng)烈的過(guò)敏癥狀。許多國(guó)家對(duì)于此類添加物有明確規(guī)定，如巴西法律規(guī)定漢堡中大豆蛋白添加量不能超過(guò)7.5%。檢測(cè)肉制品中未聲明的非肉源添加物具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，相關(guān)10:40研究結(jié)果匯總?cè)绫?所示。而此類物質(zhì)相比于肉類摻假因具有不同的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及水分含量等，因此更易被高光譜檢測(cè)出來(lái)。

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前景與展望

肉類產(chǎn)品長(zhǎng)期面臨著不法商家各類摻雜摻假問(wèn)題，基于高光譜成像技術(shù)的快速檢測(cè)是可行的，但肉類摻雜摻假現(xiàn)象多種多樣、層出不窮，目前數(shù)據(jù)挖掘、模型建立以及商業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)還不夠系統(tǒng)、成熟。首先，不應(yīng)僅針對(duì)某一種現(xiàn)象進(jìn)行研究，未來(lái)還需有針對(duì)性的圖譜數(shù)據(jù)融合以及人工智能深度學(xué)習(xí)算法的嘗試，深度挖掘指示各類肉品的指紋特征，篩選出適用于檢測(cè)多種或某一類摻雜摻假的數(shù)據(jù)信息；其次，目前構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)庫(kù)還是研究者自行構(gòu)建，模型穩(wěn)健性還不夠，模型的優(yōu)化更新還需要巨大樣本量數(shù)據(jù)庫(kù)補(bǔ)充，距離商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離；再次，超立方體高光譜數(shù)據(jù)較大，圖像和光譜處理速度慢，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理方法和低成本、易操作、少變量的多光譜系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)；最后，仍需通過(guò)優(yōu)化應(yīng)用條件，建立應(yīng)用方法，研發(fā)配套大型裝備或小型便攜設(shè)備，最終為我國(guó)肉類摻雜摻假現(xiàn)象的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)鑒別提供關(guān)鍵技術(shù)與裝備，以提升監(jiān)管水平。