近红外光谱技术在食品产地溯源中的研究进展

食品产地溯源是建立食品质量安全追溯制度的重要组成部分,也是保障食品质量安全的有效手段.近红外光谱(near infrared spectroscopy,NIRS)技术因其快速、无污染、操作简单等优点受到人们的青睐,是用于食品产地溯源的有效技术.对比了几种用于食品产地溯源的技术的优缺点,阐述了近红外光谱技术分析的基本原理...     

栀子药材提取工艺的近红外光谱实时控制方法研究

提出了用近红外光谱技术实时控制中药提取工艺的新方法。采用光纤近红外光谱法分析不同工艺条件下的栀子药材提取液样本,通过SIMCA方法建立了工艺稳态监控模型,用于评价26个未知样本的工艺状态,成功地判别了其中的全部异常工艺样本。结果表明,近红外光谱结合SIMCA分析方法是一种快速、方便、有效的工艺监测手段,该方法无需对指标成分进行定量,即可通过样品整体近红外光谱监控其工艺是否正常,从而为中药提取工艺的实时控制提供了一条新的思路。     

近红外光谱分析技术

介绍了近红外光谱分析技术的工作原理,阐述了其数学模型的建立及分析过程,总结了现有常用的化学计量学方法及各自的优点,最后简单的概括了近红外光谱分析技术的应用,尤其是在制药方面的应用.     

近红外光谱桉树杂交种鉴别

桉树育种和遗传分析是开展桉树世代改良及其目标性状改良等研究的前提。而常用的遗传基础研究方法专业性要求高,且费时费力。该研究旨在利用近红外光谱（NIRs）分析NIRs信息与桉树遗传信息间的关系,并探索NIRs信息用于桉树杂交种判别分析的可行性和准确性。以现有的桉树杂交种测试试验及其亲本材料为对象,用手持式近红外仪Phazir Rx（1624）采集了7个桉树杂交种及其4个亲本树种叶片的NIRs信息。每个树种选择10个单株,每个单株选10片当年生健康叶片,扫描其正面叶脉中部两侧光谱各5次,以均值代表单个叶片的NIRs信息。每种基因型总共各获得100条NIRs信息,其中70条构成训练集样本,30条构成验证集样本。原始NIRs信息采用S.G二阶导数转换预处理,以消除基线及其他因素对光谱信息的影响,增强特征峰信息。经预处理后的NIRs信息用于后续分析,首先通过主成分分析（PCA）的因子得分对树种的分类判断NIRs信息与测试树种遗传信息间的关系。在此基础上,分别用簇类独立软模式（SIMCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）两种判别模式建立桉树杂交种的NIRs判别模型。经预处理后的NIRs信息的变异系数曲线显示,在波长2 000 nm后,各树种的NIRs信息存在丰富的特征峰,且特征峰的分布范围存在较大的差异。PCA结果显示,不同的亲本间、杂交种间及杂交种与亲本间样本的PC1和PC2得分可以清晰地将各树种进行分类,这在很大程度上表明NIRs信息可以正确反映桉树不同基因型的遗传信息。NIRs模型的判别效果显示,少数遗传关系比较接近的杂交组合的SIMCA模式相互判别准确率较低,而多数杂交组合间的SIMCA判别准确率则在73%～100%之间;桉树各杂交组合间的单独和综合模型的PLS-DA判别准确率均为100%,且基于PLS-DA判别的综合模型能将7个杂交组合一一与其他组合正确区分开,判别效果明显优于SIMCA模式。结果表明：NIRs信息可以正确反映桉树不同基因型的遗传信息,NIRs判别模型可以比较准确地将各树种进行区分,因此,NIRs信息可用于桉树杂交种和纯种的田间定性判别,从而辅助桉树育种材料遗传基础的研究。     

基于改进1D-VD-CNN与近红外光谱数据的金银花产地溯源研究

金银花是清热解毒必备良药,市面上金银花来源复杂,最著名的山东平邑产金银花在市场上常遭造假。已有的鉴别方法大多耗时长、成本高且操作复杂,亟需一种快速高效的金银花产地溯源方法。针对应用在金银花鉴别中的近红外光谱(NIRS)数据的一维卷积神经网络(1D-CNN)鉴别模型存在参数量过大、模型效率过于低下、计算复杂度高,同时易产生过拟合问题,对传统1D-CNN结构作出改进。使用效率较高的VD(Very Deep)结构替代传统1D-CNN中隐含层结构,并针对NIRS数据适应性改进,使其可直接应用于一维NIRS数据。改进分为三步：(1)将特征层的设计转为2个约束优化设计：第一约束条件设每个卷积层C值(卷积核与感受野的大小比值)为1/6,可提高网络模型效率;第二约束条件取顶层感受野大小为数据向量大小,实现更深层数据特征提取,并减小过拟合。(2)通过降采样把特征层输出特征向量缩小至较小的尺寸;(3)使用两个1×5大小的卷积层和一个带有Dropout的池化层将数据大小降采样到只有一个矢量的向量替代分类作用的全连接层,进而减小参数量。采集河南、山东、河北、重庆主要产地出产的金银花为样品500份。测试光谱范围...     

近红外光谱的马铃薯环腐病SIMCA模式识别

中国是马铃薯生产和消费大国,伴随马铃薯主粮化战略推进,马铃薯对中国农业结构和消费者饮食结构的影响与日俱增。环腐病是制约马铃薯产业发展的常见病害,对种薯会造成死苗死株,对加工原料会降低加工效率和成品质量,严重可达30%~60%。传统检测马铃薯病害的主要方法是目测、机器视觉以及高光谱成像等方法,目测或机器视觉方式鉴别环腐病需要对样品进行破坏;高光谱成像技术成本高昂,存在一定的应用局限性。因环腐病会造成整薯内部品质变化,利用近红外光谱技术探测整薯内部品质变化,从而将环腐病马铃薯从健康薯中区别开来,具有可行性和实用价值。创新地尝试利用近红外光谱结合SIMCA模式方法来区分马铃薯环腐病及健康薯。研究结果表明,基于主成分分析的SIMCA模式识别能有效判别马铃薯环腐病样品,模型校正集中环腐病和健康薯的识别率、拒绝率均为100%;模型验证集中环腐病的识别率、拒绝率分别为99.00%和100%,健康薯的识别率、拒绝率分别为94.12%和100%,所建模型精度较高。利用独立的18个样品进行模型外部验证,环腐病样品识别率为87.50%,健康薯识别率为80.00%,均没有错判。表明所建SIMCA二值识别模型效果良好,可满足实际应用,但模型精度需进一步提高。马铃薯环腐病发病部位接近表皮0.5 cm左右,近红外光谱对马铃薯样品有一定的透射和漫反射。可考虑采集马铃薯接近表皮部分的果肉组织内部光谱信息,结合马铃薯环腐病的发病机理及近红外漫反射光谱的特性,利用近红外识别模型进行环腐病判别,具有一定的创新性和应用性。     

近红外光谱用于干粉灭火剂有效成分含量测定及种类识别的快速方法研究

为满足消防安全领域中灭火剂产品质量的快检需求,提出了一种近红外漫反射光谱快速测量ABC干粉灭火剂主要有效成分磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄)及识别ABC干粉灭火剂与BC干粉灭火剂的新方法。采用多元校正PLS方法建立了ABC干粉灭火剂磷酸二氢铵含量校正模型,RMSECV=2.1, RMSEP=2.4。采用SIMCA方法建立了ABC／BC干粉灭火剂识别模型,分辨准确率百分之百。与现行标准方法相比,该方法具有快速,操作简单等优点,非常适合于消防产品的现场质量检测。     

基于NIRS技术的食用醋品牌溯源研究

以四种品牌152组食用醋样品为研究对象,采用漫反射与透射两种近红外光谱采集模式分别进行光谱数据采集,并以此建立了食用醋品牌溯源模型,重点考察光谱采集模式、光谱预处理方法等对溯源模型精度的影响。结果表明,选取114组样品为训练集,原始光谱数据经过多元散射校正、二阶求导预处理后,采用偏最小二乘判别分析法(PLS1-DA)建立的食用醋NIRS品牌溯源模型,对38组测试集样品进行预测,透射光谱模型的决定系数(R2)、校准均方根误差(root-mean-square error of calibration, RMSEC)、预测均方根误差(root-mean-square error of prediction, RMSEP)分别为0.92,0.113,0.127,正确识别率为76.32%;漫反射光谱模型R2,RMSEC,RMSEP分别为0.97,0.102,0.119,正确识别率为86.84%。由此说明,近红外光谱结合PLS1-DA可以用来建立食用醋品牌溯源模型,且漫反射光谱模型预测效果更好。     

利用近红外光谱技术建立土壤水分含量定标方程

应用近红外漫反射光谱技术（波长为1100—2498nm,分辨率为2nm）,以温县和郑州市郊的土壤为材料建立土壤水分含量分析系统。结果表明,优化各项参数后,光谱经过标准正态变换校正和一阶导数处理后,回归分析采用修正的偏最小二乘法（M PLS）得到的定标模型效果最佳。最终得到的预测方程定标相关系数（RSQ）、交叉验证标准误差（SECV）、交叉验证相关系数（1-VR）分别为0.98,0.92,0.97。数学模型经过验证样品集检验,预测相关系数达到0.96,达到了快速、准确分析土壤水分含量的要求。     

近红外漫反射光谱无损检测乳粉蛋白质的研究

利用近红外漫反射光谱技术对奶粉蛋白质含量的快速无损检测进行了研究。挑选来自国内不同地区的29种奶粉,以化学分析值作参比,采用偏最小二乘回归算法建立奶粉光谱信息和蛋白质含量的定量模型,预测均方根差(RMSEP)为0.687%。采用波长选择对模型进行优化后,波长点从1 558个减为11个,大大加快了运算速度,同时还在一定程度上提高了模型的精度。为了减小颗粒大小不均匀和粒子表面非特异性散射的影响,对光谱数据进行了标准正态变量(SNV)变换和多元散射校正(MSC),结果表明这两种方法是有效的,得到RMSEP减小了约37%。研究结果表明,近红外漫反射光谱测定奶粉中蛋白质含量实时、快速,能满足工业过程分析中的测量精度要求,为提高奶粉质量分析水平提供了新的途径。     

利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性研究

采集了22个合格液态牛奶样品,并制备了50个掺入不同含量三聚氰胺(0.1～1 500 mg·kg-1)的牛奶样品,应用近红外光谱仪扫描其透射光谱,研究利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性。采用偏最小二乘法建立近红外光谱与牛奶中三聚氰胺含量之间的定量模型,结果表明近红外光谱受检测限的限制,难以准确预测牛奶中掺入的三聚氰胺的含量。而应用近红外光谱,结合判别偏最小二乘法建立定性模型,则可以实现对合格牛奶及掺入三聚氰胺的牛奶的定性鉴别,正确识别率达100%。因此,基于近红外光谱的检测方法可以初步判断牛奶中是否含有三聚氰胺,作为高效液相色谱法的补充,为定量检测做初步的筛查,可大大提高检测效率。     

基于近红外的奶粉品质检测技术研究

奶粉种类繁多且检测的理化指标较多,为了进一步简化近红外光谱检测技术在奶粉生产过程中的应用步骤,文章首次提出了建立包含不同种类奶粉样品集的6个指标：酸度、脂肪、乳糖、蔗糖、蛋白和灰分的近红外模型,用于奶粉质量控制。该文采用全谱分析结合模型优化方法研究,分别建立了该混合奶粉样品集的6个指标的近红外模型。实验表明：除酸度外,该研究所建立混合奶粉的其他理化指标的近红外定标模型具有较好的稳定性和预测能力(RSD<10%,RPD>3)。因此该方法的提出可以简化近红外技术在奶粉定量分析中的步骤。     

基于支持向量机算法的红外光谱技术在奶粉蛋白质含量快速检测中的应用

蛋白质是奶粉中重要的营养成分,实现对奶粉中蛋白质含量的快速、无损检测十分重要。文章采用近红外及中红外光谱技术检测了不同品种奶粉的蛋白质含量。采用最小二乘支持向量机对光谱透射率值和蛋白质值建模。模型在全波段对样本蛋白质含量预测得到了较好的结果,绝对系数(R2_p)达到0.9517,预测误差均方根(RMSEP)为0.520 201。预测结果要优于传统的偏最小二乘回归(PLS)的预测结果,说明红外光谱技术能够实现奶粉蛋白质含量的无损检测,且检测过程比传统化学检测方法简单,操作性强。文章同时还研究了分别基于中红外光谱范围和近红外光谱范围的建模。模型预测结果显示中红外光谱区域的建模效果要优于近红外光谱区域。该研究为今后奶粉蛋白质含量快速无损检测提供了新的方法。     

基于近红外自相关谱检测奶粉中的三聚氰胺

发展了一种基于近红外自相关谱定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的检测方法。分别配置40个纯奶粉样品和40个不同质量百分比浓度的掺三聚氰胺奶粉(10-4%～40%, w/w)样品,采集了所有样品的一维近红外漫反射光谱,以奶粉中掺入的三聚氰胺浓度为外扰进行相关计算,选择随浓度变化敏感的7 000～4 200 cm-1为建模区间。在提取自相关谱信息的基础上,建立了定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的偏最小二乘模型,并与常规一维近红外谱模型的预测结果进行了比较。所建立的方法对未知样品的识别正确率为100%,预测均方根误差(RMSEP)为0.63%;而一维近红外谱的识别正确率为96.2%,RMSEP为0.84%。研究结果表明：相对于常规一维近红外谱,所建立的方法能提供更好的预测结果,其原因可能是自相关谱能提取更多的特征信息。     

多成分有机气体的近红外光谱定量检测方法

在环境检测领域,运用近红外光谱分析技术对多成分挥发性有机物进行连续的在线监测具有重要意义。本文分析了三种挥发性有机物——丙烷、丙烯和甲苯的近红外光谱特征和丙烯浓度与吸光度的线性关系,采用线性回归建模方法——偏最小二乘法对丙烷、丙烯和甲苯混合气体存在特征吸收的近红外光谱(1 620～1 750 nm)进行了建模分析,基于该模型预测了验证集样品中三种气体的含量,并对模型进行了评价。实验结果表明,近红外光谱技术可以方便、准确的定量分析有机性挥发气体的多组分含量,可以应用于多成分挥发性有机物的连续在线监测。     

盐酸左西替利嗪片的近红外漫反射光谱定量分析

利用近红外光谱结合偏最小二乘法实现对不同品牌盐酸左西替利嗪片剂有效成分的定量分析。经内部交叉验证,确定最佳波数范围和光谱预处理方法,以及最佳主成分数,建立最优PLS校正模型。对验证集样品浓度进行预测,得到均方根误差RMSECV、决定系数R2分别为0.276和0.974。该方法能够用于不同厂家盐酸左西替利嗪片的快速定量分析,是一种有效的药品快速检验技术。     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。