基于近紅外光譜無損快速檢測面粉品質的研究

孫曉榮， 劉翠玲， 吳靜珠， 索少增， 吳勝男

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

基于近紅外光譜無損快速檢測面粉品質的研究

孫曉榮， 劉翠玲， 吳靜珠， 索少增， 吳勝男

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

提出一種基于近紅外光譜技術結合偏最小二乘法對面粉品質進行無損快速檢測的方法．配制含滑石粉的面粉樣品30個，采集樣品在12 500～4 000 cm－1范圍內的近紅外漫反射光譜，選擇最優的光譜預處理方法和光譜范圍，采用偏最小二乘法(PLS)建立定量分析模型．結果表明所建定量分析模型的相關性能比較高，預測相關系數和預測均方根誤差均符合要求．研究發現，近紅外光譜技術用于快速無損檢測面粉摻假是可行的．

近紅外光譜;偏最小二乘法;面粉;滑石粉

隨著我國綜合國力的不斷增強，人民生活水平的日益提高，食品的衛生和質量問題也備受人們的關注．在日常飲食中，面粉是不可或缺的重要組成部分，同時其優劣與人們的健康息息相關．面粉的食用安全問題受到人們廣泛重視，長期食用含有有害或過量添加劑的面粉，會引起人們身體不適，甚至致癌．近年來，部分面粉企業為了謀取利益，向面粉中添加大量滑石粉，以增加面粉的重量，50 kg面粉最多加10 kg多的滑石粉，嚴重危害了人們的健康．目前檢測面粉中是否含有滑石粉的試驗所需試劑、材料、儀器多而繁瑣，此外也會破壞被測樣品，因此有必要研究一種簡單、快速、無損的面粉品質檢測技術［1］．

近紅外光譜分析技術用于食品成分分析已有30多年，相關的分析研究報告已經發表很多．AACC(美國臨床化學協會)年會每年都有10～15個課題是有關食品研究的．近紅外光譜分析法的優點是可對食品中的多種組分同時測定，并可間接獲得一些有關食品理想化特性的參數．例如，分析小麥中的淀粉可知其水溶性，測定蛋白質含量可判斷其硬度，測定淀粉結構的變化可判定其糖化度等等．其次，近紅外光譜在食品品質分析上具有快速、不破壞樣品等優點，因此近紅外光譜在食品檢測中的應用越來越廣［2－3］．

1 實驗方法設計

1.1 實驗儀器

采用傅里葉變換近紅外光譜儀，德國布魯克光學儀器公司;漫反射積分球附件;OPUS6.5光譜采集及分析軟件．

1.2 實驗樣品

實驗用的面粉均是從市場購買不同品牌或同一品牌不同批次的面粉，用電子分析天平準確稱量，在面粉中隨機摻入濃度為0～25%的滑石粉，共制備30個摻雜樣本，并以摻雜后滑石粉的濃度作為樣本的真值．

1.3 光譜采集

將上述面粉樣品放置在旋轉樣品臺的樣品杯中，然后進行近紅外光譜采集．波數范圍12 500～4 000 cm－1，波數間隔8 cm－1，掃描64次后取平均，環境溫度23～25℃．

2 結果與討論

2.1 采集樣本的近紅外光譜

面粉和滑石粉的近紅外光譜圖如圖1．從圖中可以看出，在12 500～4 000 cm－1范圍內峰形和峰位差別比較大．

圖1 面粉和滑石粉的近紅外光譜圖Fig．1 Near-infrared spectra of flour and talcum powder

2.2 面粉摻雜后的近紅外光譜

30個混合后的面粉樣品的近紅外漫反射光譜圖如圖2．由圖可以看出，在9 000～4 000 cm－1范圍內較為相似，帶有許多面粉之間的相似信息，峰形、峰位差別很小，無法直接鑒別．利用化學計量學方法將原光譜進行數學預處理，采用OPUS6.5軟件分析光譜數據．通過選擇信息較豐富的光譜譜段及對數據進行預處理，實現對原始光譜數據進行優化，建立精度較高的預測模型．回歸統計方法采用偏最小二乘方法(partial least squares，PLS)．偏最小二乘法利用主成分分析將吸光度矩陣和濃度矩陣先分別分解為特征向量和載荷向量，然后用偏最小二乘法在這些穩變量之間建立相互關系，從而得到吸光度矩陣與濃度矩陣之間的數學校正模型．PLS的優點希望盡可能在自變量中提取出與因變量相關性最大的組成分，這對于分析微含量的物質有益．

圖2 30個摻雜樣品的近紅外光譜圖Fig．2 Near-infrared spectra of 30 doped samples

2.3 定量分析模型的建立

將30個樣本應用于NIR定量分析，按含量梯度法確定校正集24個樣本，檢驗集6個樣本．通過OPUS6.5軟件的分析和優化，選擇最優處理算法，通過比較建立面粉的PLS模型的優劣，尋找面粉的吸收光譜較豐富的波段，分析表明面粉對光譜信息貢獻量最大的譜區范圍是7 502～6 472 cm－1和4 601～4 424 cm－1，維數為4．圖3為摻雜面粉中滑石粉含量的近紅外光譜圖交叉驗證NIR預測值與化學值．

圖3 近紅外光譜交叉驗證預測值與化學值Fig．3 Predictive value and chemical value of cross-vali dation

交互驗證結果表明，NIRS預測值和化學值之間具有顯著的線性相關性，校正樣品均勻地分布在回歸線的兩側，且交互驗證得到的校正相關系數R2為0.991 1，交叉驗證均方差RMSECV為0.118，偏移為 0.001 93［4－5］．

2.4 定量分析模型的驗證

為了驗證定量模型的預測精度，實驗用檢驗集的6個樣本進行預測，預測RMSEP為0.084 1，偏差為0.060 3，相關因子為0.994，詳細分析結果值見表 1［6］．

3 結束語

初步實驗結果表明，利用近紅外漫反射光譜分析技術，能夠無損、快速地檢測出面粉中摻雜滑石粉的含量．由于受條件所限，本實驗尚屬于探索性研究，還需進一步結合實際樣品做更深入的研究，收集更多的樣品數量，在此基礎上提高檢測模型的穩定性［7－8］．

表1 6個檢驗集樣本的分析結果Tab．1 Analysis of 6 test set samples

［1］倪永年．化學計量學在分析化學中的應用［M］．北京:科學出版社，2004:304．

［2］陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等．現代近紅外光譜分析技術［M］．北京:中國石油化工出版社，2000:37．

［3］劉福強．短波近紅外光譜的鹽酸環丙沙星粉末藥品的定量分析［J］．生命科學儀器，2005，3(4):41－43．

［4］張明詳．近紅外儀器能量變化對模型的影響及OSC算法的應用［D］．北京:中國農業大學，2004．

［5］吳軍，白琪林．近紅外反射光譜法分析玉米秸稈纖維素含量的研究［J］．分析化學，2005，10(10):1421－1423．

［6］謝麗娟，應義斌．近紅外光譜分析技術在蔬菜品質無損檢測中的應用研究進展［J］．光譜學與光譜分析，2007，6(6):1131 －1135．

［7］Josep F，Ventura G，Sergio A，et al．Multicommutation-NIR determination of Hexythiazox in pesticide formulations［J］．Science Direct Tlanta，2006，68:1700 －1706．

［8］Javier M，Sergio A，Salvador G，et al．Near infrared determination of Diuron in pesticide formulations［J］．Science Direct．Analytica Chimica Acta，2005，543:124 －129．

(責任編輯:王 寬)

Research of Rapid and Undamaged Assessment of Flour Quality Using Near Infrared Spectroscopy

SUN Xiao-rong， LIU Cui-ling， WU Jing-zhu， SUO Shao-zeng， WU Sheng-nan
(School of Computer Science and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

A rapid non-destructive method for detecting flour quality was presented using near-infrared spectroscopy combined with partial least squares method．Thirty flour samples containing talc were prepared，and near-infrared diffuse reflectance spectrograms of the samples were collected in the 12 500－4 000 cm－1range．A quantitative analysis model was established by selecting the optimal spectral pretreatment methods and spectral range，and using partial least squares(PLS)．The quantitative analysis model showed a relatively high correlation，and the correlation coefficients and predicted root mean square error could met the requirements．The results indicated that the near-infrared spectroscopy was feasible for rapid non-destructive testing adulteration of flour．

NIR;PLS;flour;talcum powder

TS207.3

A

1671-1513(2011)04-0068-03

2011－06－17

孫曉榮，女，講師，碩士，主要從事智能檢測技術與數據處理、系統建模與仿真方法方面的研究．