现代光学成像技术在食品品质快速检测中的应用

食品现代化生产、加工过程中需要对食品品质信息进行快速无损获取,以保证食品品质安全,满足消费者的需要.近年来国内频发的食品质量与安全问题也要求实现食品品质安全信息的客观准确检测.现代光学成像技术通过获取食品在不同光谱波段下的图像信息,然后采用数字图像处理算法进行特征信息提取,并通过模式识别算法建立食品品质定量关系模型,从而实现食品品质信息的快速、无损、高效、低成本检测,为食品现代化加工流程中的自动控制和分级管理与监控提供信息支持.孙大文院士领导的爱尔兰国立都柏林大学(University College Dublin,UCD)食品冷冻与计算机化食品技术(Food Refrige-ration&Computerised Food Technology,FRCFT)研究所在应用包括计算机视觉技术和高光谱成像技术在内的多种现代光学成像技术对食品品质快速无损检测这一领域的研究工作一直处于世界领先水平,研究成果得到了国际同行的广泛认可和高度关注.本文综述了孙大文院士及其团队过去十余年间在相关领域取得的一系列原创性研究成果.     

基于长波近红外光谱快速无接触评估小麦籽粒含水率

利用长波近红外光谱(900～1700 nm)联用偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)算法快速评估小麦水分含量。通过采集7个不同品种小麦籽粒(百农201、百农207、百农307、百旱207、AK-58、冠麦1号、周麦18)的近红外反射光谱信息,经高斯滤波平滑(Gaussian Filtering Smoothing,GFS)、多元散射校正(Multiplicative Scatter Correction,MSC)和标准正态变量变换(Standard Normal Variable Correction,SNV)三种预处理后,分别利用偏最小二乘法(Partial Least Squares,PLS)挖掘光谱信息与小麦水分之间的定量关系。结果显示,经GFS预处理的近红外光谱(100个波长)构建的全波段PLS回归模型(F-PLS)的预测相关系数(RP=0.927)、预测误差(RMSEP=1.596%)和鲁棒性(ΔE=0.064)均优于另外两种光谱。采用Regression coefficient算法筛选最优波长优化F-PLS模型,以提高预测效率。结果显示,从GFS预处理光谱筛选的29个最优波长构建的O-PLS回归模型预测精度及鲁棒性均较好(R_P=0.909,RMSEP=0.229%,ΔE=0.078)。本试验表明,利用长波近红外光谱技术来快速无接触评估小麦籽粒含水率的潜力巨大。     

不同播期下小麦品种百农207越冬期生理生化特性

为了研究播期对小麦品种百农207越冬期生理生化特性的影响,以周麦18为对照,于 2016—2017年10月08日、10月15日、10月22日、10月29日和11月05日在大田条件下进行不同播 期试验,并测定小麦越冬期根系活力及叶片叶绿素、脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（Pr）、丙二醛（MDA）、 超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等生理生化指标。结果表明,在大田自然低温条件下, 随播期推迟,2个小麦品种越冬期各生理生化指标变化趋势不尽一致。与周麦18相比,5个播期 中,百农207除11月05日播期的Pro含量显著降低（P < 0.05）外,其他播期的根系活力、叶绿素含 量、Pro含量、Pr含量、SOD活性和POD活性均有提高,MDA含量显著降低（P < 0.05）。由此可见,百 农207越冬期耐寒性强于周麦18,其中以10月08日至10月15日可作为百农207的适宜播期播种, 周麦18应适当晚播。     

响应面法优化复合发酵果汁工艺研究

通过苹果和草莓榨汁配制,进行复合果汁发酵优化试验,以期制得一种新型的复合发酵果汁。以发酵时间、发酵温度、菌种接种量为试验因素,以嗜酸乳杆菌为接种菌种,采用响应面优化法,研究复合发酵果汁最佳工艺条件。试验结果显示,从形态、颜色、口感上评定得出复合发酵果汁的最佳发酵工艺条件为:最佳发酵时间40 h、最佳发酵温度37℃、最佳接种量1%,并在4℃储藏6 h。该复合发酵果汁中苹果与草莓的最佳配比为1∶1、白糖15%。所制得的苹果、草莓复合发酵果汁色泽显深红色,风味独特,形态均匀,口感酸甜、柔滑。     

高光谱成像技术快速预测冷鲜鸡胸肉的嫩度

本试验研究了基于近红外(900~1700 nm)高光谱成像技术快速预测不同冷藏时长(0~6天)的鸡胸肉嫩度.通过对原始光谱信息进行S-G卷积平滑及Baseline基线校正预处理,并采用偏最小二乘回归算法(PLSR)构建光谱信息与嫩度参考值之间的定量关系.结果显示,全波段原始光谱及预处理光谱构建的PLSR校正模型和预测模型相关系数R均大于0.90,预测效果良好.经回归系数法,从原始光谱、S–G卷积平滑预处理光谱及Baseline基线校正预处理光谱中分别筛选出20、20和19个最后波长,构建优化的RC-PLSR模型,预测相关系数分别为0.91、0.89及0.93,均方根误差分别为2.33、2.45及2.03.相比之下,经S-G卷积平滑预处理构建的PLSR模型和RC-PLSR模型预测效果均最优.研究表明,近红外高光谱成技术结合PLSR可实现对鸡肉嫩度的快速无损预测.     

NIR光谱法快速预测小麦籽粒干物质含量

通过采集百农201、百农207、百农307、百旱207、AK-58、冠麦1号、周麦18等7个不同品种完整小麦籽粒的近红外光谱(900～1700 nm)信息,经高斯滤波平滑(Gaussian Filtering Smoothing,GFS)、标准化校正(Normalization Correction)和卷积平滑(Savitzky-Golay Convolution Smoothing,SGCS)三种预处理后,利用偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)算法寻找光谱信息与小麦籽粒干物质含量之间的定量关系。结果显示,经GFS预处理的近红外光谱(100个波长)构建的全波段PLSR模型(PLSR)预测相关系数(RP)为0.952,预测误差(RMSEP)为0.158%,RMSEC与RMSEP绝对值差(ΔE)为0.082,预测效果优于其他两种预处理光谱。从GFS光谱中经PLSR-β法筛选获得17个最优波长,构建的优化模型(O-PLSR)RP为0.928,RMSEP为0.191%,ΔE为0.049,其预测效果接近于PLSR模型。试验表明,利用900～1700 nm光谱可被潜在用于快速无损预测小麦籽粒干物质含量。     

基于近红外高光谱成像快速预测牛肉中猪肉掺入量

基于900~1 700 nm波段范围内的近红外高光谱成像技术结合线性算法快速预测牛肉 中猪肉掺入量。使用BC、SGS和SNV3种方法预处理光谱信息，结果显示原始光谱信息更适合于构 建PLSR模型，预测牛肉掺假效果良好（R2 P = 0.95，RMSEP = 6.82%，RPD = 4.89）。经Stepwise算法 从全波段486个波长中筛选出8个最优波长（918、926、935、1 053、1 055、1 086、1 088、1 382 nm）简 化全波段预测模型，结果显示，基于这 8 个最优波长构建的 MLR 模型预测效果良好（R2 P = 0.96， RMSEP = 5.70%，RPD = 5.56），可代替全波段光谱信息实现牛肉掺假的快速预测。