基于近紅外透射光譜及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大豆油質(zhì)量分析

蔡立晶　蔡立娟　李文勇　趙肖宇　尚廷義

摘要：提出了一種基于近紅外透射光譜及最速下降BP算法識(shí)別大豆油質(zhì)量的方法。光譜采集范圍是10 000～4 000 cm-1，將得到的近紅外光譜數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元，利用主成分分析方法得出8個(gè)變量指標(biāo)數(shù)，該變量指標(biāo)對(duì)樣品累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.9%以上；將8個(gè)主成分的特征值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型對(duì)預(yù)測(cè)樣品集能正確判別，判別正確率達(dá)到100%。

關(guān)鍵詞：近紅外透射光譜；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；豆油質(zhì)量分析

中圖分類號(hào)： O657.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）01-0175-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.045

近紅外光譜技術(shù)具有快速、高效、無(wú)污染、無(wú)需前處理、無(wú)損分析及多組分同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，在快速檢測(cè)領(lǐng)域有較大的潛力和發(fā)展空間。近紅外光譜分析技術(shù)用于食用油品質(zhì)分析檢測(cè)目前也有一些研究報(bào)道，主要用于油脂的品質(zhì)檢測(cè)[1]。西方國(guó)家最早利用近紅外技術(shù)進(jìn)行油脂品質(zhì)分析。近紅外技術(shù)結(jié)合判別分析方法等，在橄欖油[2，3]、堅(jiān)果油[4]及其他植物油[5]的檢測(cè)中已得到成功應(yīng)用。劉福莉等[6]以8種食用油純油的43個(gè)樣品為對(duì)象，研究了近紅外透射光譜結(jié)合聚類分析法快速鑒別食用油種類的可行性，判別模型對(duì)預(yù)測(cè)集樣品的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。范璐等[7]利用氣相色譜和傅里葉變換紅外吸收光譜，對(duì)21種花生油、20種棕櫚油及兩者的4種調(diào)和油進(jìn)行分析，對(duì)花生油和棕櫚油做了識(shí)別分析。近紅外光譜技術(shù)在摻偽檢測(cè)中有著很多的應(yīng)用[8]，翁欣欣等[9]研究了橄欖油中摻偽情況研究，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摻偽橄欖油和未摻偽橄欖油進(jìn)行了鑒別，對(duì)52個(gè)樣品進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為100%。隨著營(yíng)養(yǎng)學(xué)的研究發(fā)展，評(píng)估食用植物油的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，研究分析常用食用植物油中的脂肪酸的組成是有意義的，吳靜珠等[10，11]對(duì)食用油脂肪酸的定量分析進(jìn)行了研究，人們對(duì)植物油中脂肪酸的認(rèn)識(shí)不斷增加。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種具有很強(qiáng)函數(shù)逼近能力的非線性建模方法，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，BP網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于函數(shù)逼近、模式識(shí)別/分類、數(shù)據(jù)壓縮等。陳建等[12]提出了一種采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)玉米品種進(jìn)行鑒別的方法，試驗(yàn)結(jié)果說明該方法能快速無(wú)損地鑒別玉米品種，為玉米的品種鑒別提供了一種新方法。羅一帆等[13]進(jìn)行了近紅外光譜測(cè)定茶葉中茶多酚和茶多糖的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究，建立近紅外光譜測(cè)定茶葉中茶多酚和茶多糖的模型，由此說明建立的近紅外光譜-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可用于預(yù)測(cè)茶葉中茶多酚和茶多糖的含量。趙肖宇等[14]研究應(yīng)用近紅外透射光譜和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豆油脂良莠鑒別，建立3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型能夠有效辨識(shí)未知豆油脂的良莠以及不合格具體種類，類別預(yù)測(cè)正確率為100%。

本研究采用基于近紅外透射光譜及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的最速下降BP算法的方法，對(duì)純大豆油和摻雜大豆油進(jìn)行真?zhèn)舞b別研究。

1 材料與方法

1.1 儀器

采用北京瑞利分析儀器公司W(wǎng)QF-510型傅里葉變換紅外光譜儀。室溫介于15～30 ℃，相對(duì)濕度的允許范圍小于60%。儀器預(yù)熱，系統(tǒng)通過自檢且已獲得本底光譜時(shí)，開始掃描樣品。采集光譜范圍10 000～4 000 cm-1，采樣分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次，液體池6 mL玻璃器皿。

1.2 材料

樣品包括兩種，純大豆油和摻雜大豆油，全部樣品未經(jīng)任何化學(xué)處理。所使用的純大豆油是超市購(gòu)買的九三大豆油，摻雜大豆油是指純大豆油中摻入一定比例的豬油。為了使配置的摻雜大豆油得以充分混合，在制備樣品前，先把豬油放在恒溫箱中加熱使其成液體狀態(tài)，取一定量的豬油混合到純大豆油中進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋蛊涑浞只旌稀в袠悠返钠髅蠓湃敫道锶~變換紅外光譜儀中進(jìn)行光譜采集。每種樣品光譜采集為30個(gè)樣品，共收集60個(gè)樣品的光譜信號(hào)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜采集

純大豆油和摻雜大豆油的近紅外透射光譜見圖1。由圖1可見，摻雜大豆油與純大豆油圖譜之間的差異不明顯。近紅外光譜圖之間的差異很小，很難通過直觀的分析對(duì)兩種油進(jìn)行鑒別。

2.2 主成分?jǐn)?shù)據(jù)處理

將asf文件轉(zhuǎn)換為ASC碼文件，每條譜圖數(shù)據(jù)量為1 556個(gè)，共計(jì)得到60×1 556個(gè)全波段數(shù)據(jù)點(diǎn)，試驗(yàn)訓(xùn)練樣品集數(shù)為50個(gè)，而且直接把光譜矩陣X50x1 556作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，則輸入元為1 556個(gè)，BP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較為復(fù)雜。將原始光譜矩陣進(jìn)行主成分分解，主成分分析是把原來(lái)多個(gè)變量劃為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，這是一種降維處理技術(shù)。以減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的神經(jīng)元。

采用Matlab的矩陣計(jì)算功能來(lái)編程實(shí)現(xiàn)主成分分析。主成分分析計(jì)算步驟為計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣和計(jì)算特征值與特征向量，以及計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率。特征根數(shù)量為8，即得到8個(gè)主成分，即val1，val2，val3，val4，val5，val6，val7，val8其累積貢獻(xiàn)率分別為70.17%，90.42%，97.13%，98.78%，99.56%，99.88%，99.96%，99.99%。采用8個(gè)變量指標(biāo)數(shù)，對(duì)樣品計(jì)算累計(jì)貢獻(xiàn)率均達(dá)到99.9%以上，基本可以涵蓋樣品光譜圖的所有信息，因此紅外透射光譜數(shù)據(jù)得到了最大程度不失真簡(jiǎn)化。將分解得到的矩陣T50x8作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元。此時(shí)，BP網(wǎng)絡(luò)的輸入元從1 556降為8個(gè)，也就是8個(gè)主成分的特征值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入向量。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模與分析

BP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要包括輸入層、隱層、輸出層及各層之間的傳遞函數(shù)等[15，16]。通用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)先確定網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，而BP網(wǎng)絡(luò)可以包含不同的隱層。理論上已經(jīng)證明，在不限制隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下，兩層（只有一個(gè)隱層）的BP網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意非線性映射。在模式樣本相對(duì)較少的情況下，較少的隱層節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)模式樣本空間的超平面劃分，此時(shí)選擇兩層BP網(wǎng)絡(luò)就可以了，當(dāng)模式樣本數(shù)很多時(shí)，減少網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，增加一個(gè)隱層是必要的，但BP網(wǎng)絡(luò)隱層數(shù)一般不超過兩層。endprint

試驗(yàn)采集光譜樣品數(shù)為60個(gè)，隨機(jī)抽取50個(gè)作為訓(xùn)練集，10個(gè)作為驗(yàn)證集。在BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)主要分為兩類模式，用1個(gè)輸出元素即可表示，采用兩層BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)分類。因?yàn)锽P網(wǎng)絡(luò)的輸出為logig函數(shù)，所以目標(biāo)向量的取值為0.2和0.8，分別對(duì)應(yīng)兩類模式。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，通過判決門限0.5區(qū)分兩類模式，輸出元素分別為0和1。采用最速下降BP算法訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練曲線訓(xùn)練經(jīng)過了5 000次仍未達(dá)到要求的目標(biāo)誤差0.001，雖然訓(xùn)練的誤差性能未達(dá)到要求的目標(biāo)誤差，但這并不妨礙用測(cè)試樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。

利用建立的BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)剩下的10個(gè)預(yù)測(cè)集樣品進(jìn)行鑒別，摻雜大豆油樣品預(yù)測(cè)樣本數(shù)為5個(gè)，純大豆油預(yù)測(cè)樣本數(shù)為5個(gè)。預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。預(yù)測(cè)樣品集可以做到正確的判別，判別正確率達(dá)到100%。

3 結(jié)論

采用大豆油為研究對(duì)象，利用傅里葉變換近紅外光譜儀采集大豆油的近紅外透射光譜，通過主成分分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別。結(jié)果表明，近紅外透射光譜的網(wǎng)絡(luò)建立及仿真可完成兩類模式的分類。采用純大豆油與摻雜大豆油兩種的透射光譜，對(duì)光譜預(yù)處理，抽出8個(gè)主成分作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元，建立最速下降BP網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)預(yù)測(cè)集大豆油預(yù)測(cè)結(jié)果正確率為100%。試驗(yàn)表明將近紅外透射光譜與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合能夠快速檢測(cè)大豆油是否摻雜，從而為檢測(cè)大豆油的品質(zhì)提供一種簡(jiǎn)單有效的方法。

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