基于便携式近红外技术的生鲜乳品质现场评价

生鲜乳作为乳制品生产的基本原料,其质量是保证乳制品食用安全、维护人类健康的基础。可见/近红外光谱技术结合化学计量学方法,构建生鲜乳品质指标的数学模型,实现生鲜乳品质的现场评价。在不同年份,收集88份来自不同奶牛个体的生鲜乳样品。便携式光谱仪采集生鲜乳漫透射光谱(500~1 010 nm),二阶导数和卷积平滑进行光谱预处理,以消除脂肪球引起的光散射和高频噪声。变窗宽移动窗口偏最小二乘法(CSMWPLS)和遗传偏最小二乘法(GAPLS)用于筛选信息区间,并构建预测模型。CSMWPLS与GAPLS模型的预测性能相当,脂肪、蛋白质、干物质和乳糖的预测标准误差(RMSEP)分别为0.115 6/0.103 3,0.096 2/0.113 7,0.201 3/0.123 7和0.077 4/0.066 8,相对预测误差(RPD)分别为8.99/10.06,3.53/2.99,5.76/9.38和1.81/2.10。同时构建了生鲜乳品质指标的多元线性回归(MLR)方程,采用的最优变量数分别为8,10,9和7。采用外部数据集检验,MLR预测性能与PLS相近甚至更优,脂肪、蛋白质、干物质和乳糖模型的RMSEP分别为0.107 0,0.093 0,0.136 0和0.065 8;相对预测误差(RPD)分别为9.72,3.66,8.53和2.13,可用于现场准确测量。结果显示,便携式近红外光谱仪结合MLR模型可实现生鲜乳品质的现场快速评价,为生鲜乳按质论价收购提供了一种新方法,同时为便携式乳品近红外专用仪器设计提供技术参考。     

近红外光谱法非破坏性测定黄豆籽粒中蛋白质、脂肪含量

采用傅里叶近红外漫反射光谱非破坏性分析 ,能够提供完整籽粒黄豆样品成分的含量信息 ,结合偏最小二乘回归法 (PartialLeast Squares,PLS) ,以 39个不同品种的完整籽粒黄豆样品建立蛋白质和脂肪含量近红外定量分析模型 ,其中蛋白质、脂肪含量分析模型的测定系数R2 分别为 99 30 ,97 5 2 ,相对标准偏差RSD分别为 0 76 %和 1 3% ,检验集的化学值与模型预测值的相关系数r分别为 0 94 73,0 86 95。用所建模型对 2 6 4个不同品种的黄豆样品进行预测 ,并采用R error指标来估计分析结果的误差 ,其中蛋白质和脂肪模型预测的最小相对误差分别为 0 0 4 %和 2 4 6 % ,最大相对误差分别为 2 4 5 %和 4 2 5 %。该结果对育种过程中的早代筛选工作有重要意义     

Determination of Lignin,Ash and Protein in Corn Fiber by Near Infrared Spectroscopy

研究一种基于近红外(NIR)光谱法的玉米皮渣组分中木质素、灰分及蛋白质的快速检测分析,采用偏最小二乘法(PLS)建立数学模型,比较了不同预处理方法对建立的木质素、灰分及蛋白质模型的影响,建立的校正模型所构建的木质素、灰分及蛋白质模型的定标集相关系数(Rc)分别为0.922887、0.902713和0.973160,验证集相关系数(Rv)分别为0.944109、0.916882和0.900532,定标集标准偏差(SEE)分别为0.304609、0.109288和0.697201,验证集标准偏差(SEP)分别为0.307115、0.0800459和0.96164.所建模型有较高的拟合和预测能力,可用于木质素、灰分及蛋白质含量的快速检测分析.     

微型近红外光纤光谱仪用于奶粉中蛋白质脂肪的定量检测研究

提出利用微型近红外光谱仪、结合Y型光纤探头,在900～1 700 nm范围内对奶粉中蛋白质、脂肪含量进行快速、无损检测的漫反射光谱检测方法。基于Unscrambler 9.7化学计量学软件,选择合适的光谱波段,通过PLS算法分别建立了蛋白质、脂肪的校正模型,得到蛋白质、脂肪校正模型的决定系数R2分别为0.987和0.986,均方根误差RMSC分别为0.385和0.419。利用所建模型对预测样本数据集进行预测验证,得到蛋白质的标准差SEP_Protein=0.768、脂肪的标准差SEP_Fat=1.109,表明所建模型具有较高的预测能力,已基本达到实用化要求。     

基于波长选择方法Modeling Power的黑木耳产地判别研究

应用近红外光谱技术结合波长选择方法(modeling power,MP)实现了黑木耳产地的快速准确判别。共收集4个产地240个黑木耳样本,通过光谱扫描,建立了最优的偏最小二乘(PLS)判别模型。同时应用MP选择对黑木耳产地判别的有效波长,作为输入变量,建立最小二乘-支持向量机(MP-LS-SVM)模型。比较了3种MP选择波长的阈值方法,分别为MP值大于0.95,0.90和(0.90+Peak),并建立了相应的MP-LS-SVM模型。以预测集样本的准确判别率作为模型评价标准,分别设定预测的残差绝对值标准0.1,0.2和0.5。预测结果表明,MP-LS-SVM(0.90+Peak)模型在残差标准为0.1,0.2和0.5时的判别效果均为最优,正确判别率分别为98.3%,100%和100%。说明ModelingPower是一种非常有效的波长选择方法,应用近红外光谱技术结合MP-LS-SVM进行黑木耳产地判别是可行的,并获得了满意的判别精度。     

可见/近红外光谱检测冷鲜猪肉中的脂肪、蛋白质和水分含量

采用可见/近红外光谱分析方法对冷鲜猪肉中的脂肪、蛋白质和水分含量进行了研究。光谱数据经多元散射校正(MSC)处理后,分别建立0～4 ℃和20 ℃下的原始光谱、一阶导数和二阶导数的偏最小二乘(PLS)定量分析模型,比较其相关系数(r)、校正标准差(RMSEC)和预测标准差(RMSEP),得到一阶导数处理后的模型最好,并且0～4 ℃下的模型优于20 ℃下的模型。0～4 ℃和20 ℃下脂肪的相关系数(r)分别为0.950和0.924,蛋白质为0.713和0.455,水分为0.944和0.914;脂肪的预测标准差(RMSEP)分别为2.41和2.95,蛋白质为5.44和4.25,水分为2.37和2.38。由此可见,可见/近红外光谱分析方法能够很好的检测冷鲜猪肉中的脂肪和水分,蛋白质的检测结果较差是由冷鲜肉加工工艺引起的。另外,两种温度下光谱曲线在770 nm附近产生了波长漂移,漂移量约10 nm。     

核果类水果干物质含量近红外无损检测研究

以桃、李及杏果实为材料,研究其干物质含量的近红外漫反射无损检测模型的建立方法。研究发现,桃、李及杏果实干物质预测模型的决定系数(r_P~2)分别为0.901、0.909及0.923,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.365、0.401及0.465,相对分析误差(RPD_P)分别达2.9、3.2及3.1以上。结果表明,近红外漫反射光谱可用于准确、快速、无损定量3种水果中干物质含量。     

菊苣体外干物质消化率近红外分析模型的建立

菊苣(Cichorium intybus L.)是一种新型的高产优质饲用牧草,具有极大的推广利用价值。体外干物质消化率(in vitro dry matter digestibility,IVDMD)是评价饲草营养价值的重要指标之一。建立菊苣体外干物质消化率的NIRS定量分析模型的研究,采集了72个品种、不同基因型、不同生长发育时期的204个菊苣地上部分为样品,应用傅里叶变换近红外漫反射光谱技术,通过采用不同的回归算法,比较不同的光谱范围和光谱预处理方法,建立了8个菊苣体外干物质消化率(IVDMD)的近红外漫反射光谱校正模型,从中选出最佳参数的校正模型。其校正决定系数(R2cal)和外部验证决定系数(R2val)分别为0.953 17和0.904 55,校正标准差(RMSEC)和预测标准差(RMSEP)分别为1.977 99%和2.008 82%,预测值与化学值间的相关系数(r)达0.951 08。结果表明,利用近红外漫反射光谱法来测定菊苣体外干物质消化率(IVDMD)是可行的,可为菊苣体外干物质消化率(IVDMD)的测定提供快速的分析测定方法。     

应用近红外漫反射光谱对猪肉肉糜进行定性定量检测研究

利用傅里叶变换近红外漫反射光谱结合不同数学建模算法对不同部位取样的猪肉肉糜进行定性判别建模,并建立猪肉肉糜品质指标脂肪、蛋白质和水分含量的定量检测模型。结果表明:不同部位取样猪肉肉糜判别分析PLSDA模型性能良好,最优模型校正集判别正确率为100%,预测集判别正确率为96%;比较两种方法结合,不同光谱预处理建立各品质指标的定量模型,LS-SVM模型性能优于PLSR模型,脂肪和水分含量最佳预测模型校正及预测相关系数r均高于0.9,蛋白质含量最优模型校正及预测相关系数r,RMSEC,RMSEP和RMSECV分别为0.722,0.593,1.595,1.550和1.888,模型精度需进一步提高。研究表明利用傅里叶变换近红外漫反射光谱快速判别不同部位猪肉肉糜的方法是可行的,脂肪和水分含量定量分析模型从预测精度、稳定性及适应性考虑均具一定的通用性,具有良好的市场应用前景。     

马铃薯多品质参数可见/近红外光谱无损快速检测

马铃薯是与小麦、稻米、玉米协调发展的第四大主粮作物,现阶段我国正积极推进马铃薯主食开发,但马铃薯品质的参差不齐严重制约了马铃薯产业主食化进程,马铃薯品质快速无损检测对其加工产业化进程有着重要意义。国内外学者基于可见/近红外光谱对马铃薯内部品质检测进行了不少相关研究,但迄今为止大部分研究都基于可见/近红外漫反射原理,马铃薯粗糙的表皮对样品漫反射光谱影响较大。近红外透射光谱能较好的反映样品的品质信息,但马铃薯样品全透射光谱因样品大小不同,导致光谱受光程差异的影响较大。考虑到马铃薯样品整体质地较为均匀,根据马铃薯的形状特性搭建了马铃薯局部透射光谱采集系统,局部透射检测方式既能避免马铃薯表皮的影响,又能在保证光程统一的情况下获得样品内部的信息。该光谱采集系统由光谱采集单元(光谱仪、耦合透镜)与光源单元(卤素灯、灯杯)构成。进行光谱采集时,将二者贴紧马铃薯表面以确保光谱采集单元不会接收到来自马铃薯表面的反射光。用该系统采集了120个马铃薯650~1 100 nm范围的局部透射光谱,分别进行去趋势(detrend)、多元散射校正(muliplication scattering correction, MSC)、标准正态变量变换(standard normal variable transformation, SNV)和一阶导数(first Derivative, FD)预处理,并建立了马铃薯干物质、淀粉、还原糖含量的偏最小二乘预测模型(partial least squares regression,PLSR)。结果显示,采用多元散射校正预处理的干物质和淀粉含量预测模型效果较好,其验证集决定系数分别为0.854 0和0.851 0,验证集均方根误差分别为0.521 9%和0.484 8%;采用一阶导数预处理的还原糖预测模型效果最好,其验证集决定系数为0.768 6,均方根误差为0.025 1%。为进一步优化模型采用竞争性自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)等三种方法进行特征波长的筛选,并建立了偏最小二乘预测模型。结果显示,马铃薯各品质参数的预测效果均得到了较大提升,CARS筛选波长后的干物质、淀粉、还原糖预测模型的验证集决定系数分别为0.877 6, 0.865 3和0.887 7,验证集均方根误差分别为0.449 2%, 0.930 2%和0.016 7%。采用CARS特征波长提取能够简化模型,去除无关变量和共线性变量,从而提高模型的精度和稳定性,尤其是对低含量组分还原糖的预测模型效果显著。最后,为验证马铃薯各品质参数预测模型的精度及稳定性,选取30个不同批次马铃薯样品对所建预测模型进行了外部验证。马铃薯干物质、淀粉、还原糖含量的模型预测值与标准理化值决定系数分别为0.849 9, 0.867 1, 0.877 6,均方根误差分别为0.660 9, 0.480 9, 0.016 9,平均相对误差分别为2.03%, 1.77%, 7.58%。研究表明,局部透射光谱携带了马铃薯的内部信息,与干物质、淀粉、还原糖含量有显著相关性。该可见/近红外局部透射检测系统可以实现马铃薯多品质参数的快速无损预测,特别是干物质含量及淀粉含量的预测效果较好,但是对个别还原糖含量非常低的样品出现预测相对误差较大现象,下一步研究中需要进一步优化完善。     

同步荧光技术检测鲜牛乳中掺杂复原乳的可行性研究

近年来随着人们对乳制品需求的不断增加,将复原乳冒充或添加在鲜乳中出售的现象也日益严重,亟需简单、快速的检测方法监测掺假行为。利用同步荧光技术,分别对两种鲜牛乳(未经杀菌的生牛乳和低温处理的巴氏杀菌乳)掺杂复原乳的情况进行了定性判别和定量分析。以各类样本及全部样本的判别正确率作为定性判别模型的评价指标;以相关系数(r)、校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)作为定量分析模型的评价指标。通过分析牛乳的三维荧光图谱确定同步荧光扫描的固定波长差Δλ值为80 nm;在对图谱进行二阶求导后,偏最小二乘-判别分析法(PLS-DA)对生鲜牛乳、巴氏杀菌乳和复原乳的种类判别总正确率可达100%,并且在判断两种鲜乳中是否添加复原乳时,校正集样品的正确率均可达到100%,预测集样品的正确率分别为75%和81.25%,鲜牛乳和复原乳的种类判别模型,以及鲜乳与掺假乳的定性判别模型均取得了良好的效果;PLS回归对同步光谱值与复原乳含量建立线性关系时,两种鲜乳定量模型的r值分别为0.911 2和0.936 7,RMSEC分别为0.042 2和0.038 4,RMSEP分别为0.054 8和0.057 5,鲜乳中复原乳含量的定量分析模型的r值均可达到0.9以上,能对添加量较高的样品进行预测。因此,同步荧光技术可以较为准确、快速的检测鲜牛乳中是否掺杂复原乳。     

近红外漫反射用于检测苹果糖度及有效酸度的研究

提出了应用近红外漫反射光谱技术并结合光纤传感技术快速检测苹果糖度和有效酸度的新方法。以傅里叶变换光谱仪(12 500～4 000 cm-1)为试验仪器,以120个红富士苹果为标准样品并结合偏最小二乘法,建立了苹果糖度、有效酸度的定量预测数学模型。试验结果为：样品预测值和真实值之间的相关系数分别为0.970,0.906,标准校正误差(SEC)分别为0.261,0.0562,标准预测误差(SEP)分别为0.272,0.0562,偏差(Bias)分别为0.011,0.0115。通过本研究表明：应用近红外光谱漫反射技术在10 341～5 461 cm-1光谱波长范围内对苹果糖度的无损检测和在10 341～3 818 cm-1有效光谱范围内对有效酸度的无损检测具有可行性。     

傅里叶变换红外光谱的牛乳中αs1-酪蛋白和κ-酪蛋白含量的快速检测

为了找到一种能够对牛乳中的两种主要过敏原（α_s1和κ-酪蛋白）含量快速检测的方法,以河南、湖北、宁夏和内蒙古四省区的211份中国荷斯坦牛牛乳样本为研究对象,建立了基于傅里叶变换中红外光谱技术的牛乳中α_s1和κ-酪蛋白含量的无损快速检测模型。首先对牛乳的原始光谱进行预分析,发现水对牛乳的光谱吸收具有很强的干扰,对水的两个主要吸收区域1 597~1 712和3 024~3 680 cm-1进行分析,发现水的吸收区域1 597~1 712 cm-1和蛋白的部分吸收区域1 558~1 705 cm-1（酰胺Ⅰ）基本重合,通过对比去除1 597~1 712 cm-1前后的效果,最终选择925.92~3 005.382 cm-1的光谱区域作为敏感波段用于后续分析。选取的全光谱经手动降维,利用MCCV剔除异常样本,分别采用标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正(MSC)等8种预处理算法和竞争性自适应重加权算法（CARS）、无信息变量消除法（UVE）等3种特征选择算法联合建立支持向量机回归模型（SVR）。经检验,对于α_s1-酪蛋白,一阶导数和CARS算法结合建立的SVR模型效果最优,训练集相关系数Rc和测试集相关系数R_p分别为0.882 7和0.899 8,训练集均方根误差RMSEC和测试集均方根误差RMSEP分别为1.136 3和1.372 6;对于κ-酪蛋白,一阶差分和UVE算法结合建立的SVR模型效果最优,训练集相关系数R_c和测试集相关系数R_p分别为0.880 8和0.890 3,训练集均方根误差RMSEC和测试集均方根误差RMSEP分别为0.534 5和0.535 4。研究结果表明,基于傅里叶变换中红外光谱技术建立的SVR模型可以对牛乳中的过敏原α_s1和κ-酪蛋白含量进行无损检测,预测效果良好,此研究弥补了国内利用光谱技术对牛乳中的酪蛋白进行无损快速检测的空白。     

近红外光纤光谱技术检测西红柿果浆总酸及可溶性糖的研究

为了探索一种简捷、快速、高效的西红柿品质检测方法,应用近红外光谱技术与光纤传感技术相结合的新方法,快速测量西红柿果浆样品中营养成分的含量。实验所用的主要仪器为近红外光纤光谱仪,波长范围为900～2 500 nm。以164个西红柿样品为标准样品,进行了光谱采集及相应的化学值测定。实验数据采用偏最小二乘法(PLS)进行回归,建立西红柿果浆中总酸及可溶性糖含量的数学模型,并对回归方法进行统计分析。结果为：西红柿果浆中总酸验证集的决定系数(R2)为0.967,均方根误差(RMSEC)为0.133,预测均方根误差(RMSEP)为0.103;总糖验证集的决定系数(R2)为0.976,均方根误差(RMSEC)为0.463,预测均方根误差(RMSEP)为0.460。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析西红柿果浆中多组分含量是可行的。基于该方法快速、简便及可对同一样品多组分含量同时分析的优点,它是一种极具发展前途的传感器,正在逐渐成为国际传感器领域的研究热点。     

近红外光谱技术快速鉴别地沟油与食用植物油的研究

地沟油检测是我国食品安全最为关注的话题之一,它给人们的生活健康带来了极大的危害。国内现有的检测手段也仅停留在定性检测水平上,只能确定地沟油的有无,还难以进行定量检测。本实验利用近红外光谱技术与光纤传感技术相结合的新方法对勾兑混合油中地沟油的含量进行了定量分析。将煎炸老油与九三大豆油按照一定的体积比进行勾兑,共计50个样本,采集其近红外透射光谱,分别采用偏最小二乘法(PLS)和BP人工神经网络建立了煎炸老油含量的定量分析模型,校正集决定系数分别为0.908和0.934,验证集决定系数分别为0.961和0.952,均方估计残差(RMSEC)为0.184和0.136,预测均方根误差(RMSEP)都为0.111 6,符合应用要求,同时还结合主成分分析法(PCA)对煎炸老油与食用植物油进行了鉴别,识别准确率为100%。实验研究证明近红外光谱技术不仅可以准确快速的定性分析地沟油, 还能定量的检测地沟油的含量,在油脂的检测方面具有很大的应用前景。     

Vibrational spectroscopy for milk fat quantification: line shape analysis of the Raman and infrared spectra

This paper presents a systematic analysis of the infrared absorption spectra and Raman scattering of the triacylglycerol molecule predominant in raw bovine milk. Gas chromatography measurements were also performed and revealed the palmitic, stearic, and oleic acids as the most predominant fatty acids in the composition of milk. Based on the gas chromatography results, infrared, and Raman spectra of the triacylglycerol with this combination of fatty acids were simulated. The theoretical spectra were compared with the experimental ones of milk fat and fluid raw milk. Assignment of bands of milk fat was proposed, which can be used for a quality monitoring of the product. We also performed a multivariate model of partial least squares from samples of fluid milk with different concentrations of fat. As a result, the most important variables in the projection were selected as vibrational markers for quality monitoring and quantifying of this important constituent of milk. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

赣南脐橙果园土壤全氮和有机质近红外漫反射光谱检测

选取赣南脐橙果园土壤作为研究对象,探讨在4 000～7 500 cm-1范围内的光谱分析土壤全氮和有机质的可行性。采集的近红外光谱采用多元散射校正、一阶微分、二阶微分、七点平滑等多种预处理对比分析,分别建立了有机质和全氮含量偏最小二乘模型。实验得出全氮预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用七点平滑(SG)进行预处理模型较为理想,校正集相关系数(r_c)为0.802,校正均方根误差(RMSEC)为2.754,预测集相关系数(r_p)为0.715,预测均方根误差(RMSEP)为3.077;有机质预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用标准正态变量变换(SNV)预处理模型较为理想,r_c为0.848,RMSEC为0.128,r_p为0.790,RMSEP为0.152。研究表明近红外漫反射光谱可快速用于赣南脐橙果园的土壤中全氮和有机质含量的快速检测。     

基于近红外光谱的腐乳白坯硬度检测研究

考察了硬度与腐乳白坯中水分含量和蛋白质含量的相关关系,探讨了利用近红外光谱技术检测白坯硬度的可行性。通过水分以及蛋白质的相关吸收峰建立预测白坯硬度的数学模型;在建模过程中重点讨论了多元散射校正(MSC)、一阶求导和波段选择等优化处理对建模的影响,利用偏最小二乘法得到的最优模型的建模相关系数r=0.935,建模标准差RMSEC＝0.019 3,预测标准差RMSEP=0.023 6,其分级正确率达到94.72%;利用主成分分析法结合判别分析法建立的定性判别模型,分级正确率也达到了90.12%。上述分级结果均好于感观评价的方法,表明近红外技术可以实现白坯硬度的快速无损检测。