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高光譜成像技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用
食品安全問(wèn)題備受關(guān)注，人們對(duì)果蔬品質(zhì)與安全標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來(lái)越高，已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)果蔬品質(zhì)檢測(cè)方法如化學(xué)法、高效液相色譜法、質(zhì)譜分析法等通常對(duì)待測(cè)物具有破壞性，且檢測(cè)速度慢。
1. 高光譜成像技術(shù)介紹
高光譜成像技術(shù)將圖像與光譜技術(shù)相結(jié)合，可同時(shí)快速、準(zhǔn)確地獲取被測(cè)食品的圖像信息和光譜信息, 憑借無(wú)損、檢測(cè)速度快和不損害被測(cè)食品的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)食品品質(zhì)和質(zhì)量的快速、高效檢測(cè)，使得其在食品安全檢測(cè)中有著極為廣泛的應(yīng)用。
高光譜三維立體圖像
2. 高光譜成像技術(shù)在果蔬品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用
市場(chǎng)上人們對(duì)果蔬的直接感受就是其外部品質(zhì)的好壞，即對(duì)顏色、新鮮度、大小、損傷、凍傷與腐爛等方面的判斷；其次，就是對(duì)果蔬的內(nèi)部品質(zhì)來(lái)作為衡量其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要依據(jù)，通過(guò)檢測(cè)果蔬的糖分、硬度、水分、成熟度、蛋白質(zhì)等指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行判斷。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)由于精度低、操作復(fù)雜，很難區(qū)分出來(lái)。高光譜成像技術(shù)恰好克服了這一缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的無(wú)損檢測(cè)，而且精度高、易于操作，近年來(lái)逐步用于果蔬外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)中。
3. 果蔬外部品質(zhì)的檢測(cè)
1) 新鮮度檢測(cè)
新鮮度是反映果蔬品質(zhì)最重要指標(biāo)。利用高光譜成像儀采集了分別在失水0、10、24、48小時(shí)狀態(tài)下的小白菜、菠菜、油菜、娃娃菜等四種蔬菜葉片，并對(duì)其光譜圖像進(jìn)行對(duì)比分析。其中，通過(guò)小白菜葉片在不同失水時(shí)間下的高光譜圖像及光譜信息的變化，葉片在失水過(guò)程中其形狀外觀形態(tài)及內(nèi)部葉綠素均有變化。
小白菜葉片不同失水時(shí)間段下的高光譜圖像
2) 凍傷檢測(cè)
凍傷和機(jī)械損傷是果蔬在采摘、運(yùn)輸及儲(chǔ)藏過(guò)程中不可避免的表面損傷，將直接影響果蔬的外部品質(zhì)。利用高光譜成像技術(shù)和ANN預(yù)測(cè)模型對(duì)蘋(píng)果凍傷進(jìn)行了研究，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示過(guò)程，在400-1000nm波段的凍傷蘋(píng)果高光譜圖像中選擇5個(gè)主成分波段（717,875,960和980nm）進(jìn)行ANN模型的建立，其訓(xùn)練集、測(cè)試集、和驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)分別為0.93,0.91和0.92，最終實(shí)現(xiàn)了98%以上的識(shí)別準(zhǔn)確率。
圖1：蘋(píng)果光譜特征曲線圖
圖2：特征波段光譜數(shù)據(jù)選取
3）腐爛檢測(cè)
腐爛是果蔬在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸過(guò)程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象，不僅影響果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致安全問(wèn)題。利用高光譜成像技術(shù)對(duì)桃子根霉菌進(jìn)行深入研究，選取400-1000nm波段采集桃子360°全方位的高光譜數(shù)據(jù)（如圖1所示），然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法和圖像分割算法得到三個(gè)單波長(zhǎng)圖像（709nm，807nm和874nm）可以明顯區(qū)分出邊緣、健全和腐爛部位。
圖1：包含光譜和空間信息的高光譜圖像示意圖
4.果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)
1）糖度和硬度檢測(cè)
糖度和硬度是反映果蔬內(nèi)部品質(zhì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，糖度能體現(xiàn)出果蔬的口感度，硬度能間接體現(xiàn)果蔬的成熟度。利用近紅外高光譜成像儀（900-1700nm）分別對(duì)490個(gè)藍(lán)莓的果柄側(cè)和花萼側(cè)進(jìn)行光譜成像檢測(cè)果實(shí)的糖度和硬度。
藍(lán)莓果實(shí)樣本的硬度和糖度的Brix值分布圖
5. 結(jié)論
隨著生活水平的提升，人們對(duì)健康食品的品質(zhì)要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)操作復(fù)雜、破壞性強(qiáng)，難以滿足檢測(cè)需要。高光譜成像技術(shù)憑借圖譜結(jié)合、無(wú)損、無(wú)接觸的優(yōu)勢(shì)，能夠快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的檢測(cè)出食品的品質(zhì)，操作簡(jiǎn)單，近年來(lái)廣泛應(yīng)用與果蔬品質(zhì)的檢測(cè)中，成為食品安全質(zhì)量檢測(cè)最先進(jìn)技術(shù)之一。
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