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高光譜成像技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用
食品安全問題備受關(guān)注，人們對果蔬品質(zhì)與安全標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來越高，已成為社會關(guān)注的熱點。傳統(tǒng)果蔬品質(zhì)檢測方法如化學(xué)法、高效液相色譜法、質(zhì)譜分析法等通常對待測物具有破壞性，且檢測速度慢。
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，可同時快速、準(zhǔn)確地獲取被測食品的圖像信息和光譜信息, 憑借無損、檢測速度快和不損害被測食品的優(yōu)點，實現(xiàn)食品品質(zhì)和質(zhì)量的快速、高效檢測，使得其在食品安全檢測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)檢測中的應(yīng)用
市場上人們對果蔬的直接感受就是其外部品質(zhì)的好壞，即對顏色、新鮮度、大小、損傷、凍傷與腐爛等方面的判斷；其次，就是對果蔬的內(nèi)部品質(zhì)來作為衡量其營養(yǎng)價值的重要依據(jù)，通過檢測果蔬的糖分、硬度、水分、成熟度、蛋白質(zhì)等指標(biāo)對其進行判斷。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)由于精度低、操作復(fù)雜，很難區(qū)分出來。高光譜成像技術(shù)恰好克服了這一缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的無損檢測，而且精度高、易于操作，近年來逐步用于果蔬外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)的檢測中。
3. 果蔬外部品質(zhì)的檢測
1) 新鮮度檢測
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小時狀態(tài)下的小白菜、菠菜、油菜、娃娃菜等四種蔬菜葉片，并對其光譜圖像進行對比分析。其中，通過小白菜葉片在不同失水時間下的高光譜圖像及光譜信息的變化，葉片在失水過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間段下的高光譜圖像
2) 凍傷檢測
凍傷和機械損傷是果蔬在采摘、運輸及儲藏過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)測模型對蘋果凍傷進行了研究，如圖1所示。實驗采用如圖2所示過程，在400-1000nm波段的凍傷蘋果高光譜圖像中選擇5個主成分波段（717,875,960和980nm）進行ANN模型的建立，其訓(xùn)練集、測試集、和驗證集的相關(guān)系數(shù)分別為0.93,0.91和0.92，最終實現(xiàn)了98%以上的識別準(zhǔn)確率。
圖1：蘋果光譜特征曲線圖
圖2：特征波段光譜數(shù)據(jù)選取
3）腐爛檢測
腐爛是果蔬在儲藏、運輸過程中最常見的現(xiàn)象，不僅影響果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致安全問題。利用高光譜成像技術(shù)對桃子根霉菌進行深入研究，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），然后通過統(tǒng)計方法和圖像分割算法得到三個單波長圖像（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
1）糖度和硬度檢測
糖度和硬度是反映果蔬內(nèi)部品質(zhì)的兩個重要指標(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490個藍(lán)莓的果柄側(cè)和花萼側(cè)進行光譜成像檢測果實的糖度和硬度。
藍(lán)莓果實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，人們對健康食品的品質(zhì)要求越來越高。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)操作復(fù)雜、破壞性強，難以滿足檢測需要。高光譜成像技術(shù)憑借圖譜結(jié)合、無損、無接觸的優(yōu)勢，能夠快速、準(zhǔn)確、無損的檢測出食品的品質(zhì)，操作簡單，近年來廣泛應(yīng)用與果蔬品質(zhì)的檢測中，成為食品安全質(zhì)量檢測最先進技術(shù)之一。
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