應(yīng)用雙能X射線進(jìn)行在線肉類脂肪含量測量的可行性研究

施利輝

摘 要：本文根據(jù)目前的國內(nèi)外研究進(jìn)展和市場實(shí)際需要，對(duì)應(yīng)用雙能X射線進(jìn)行在線肉類脂肪含量測量的可行性進(jìn)行研究。通過在雙能X射線成像（DEXA）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該技術(shù)在肉品脂肪含量分析上的技術(shù)可行性。

關(guān)鍵詞：X射線;脂肪含量;肉類;可行性

目前，以國內(nèi)消費(fèi)量最大的豬肉為例，檢測豬肉脂肪含量主要有以下幾類。①人工檢測。通過檢測人員感官分辨判斷肉品等級(jí)，這種方法完全依賴個(gè)人主觀經(jīng)驗(yàn)，不具備科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性差。②實(shí)驗(yàn)室理化檢測法。根據(jù)國標(biāo)GB 5009.6—2016食品中脂肪的測定方法，對(duì)于肉制品常用索氏抽提法[1]，可以準(zhǔn)確檢測出脂肪含量，但其對(duì)樣品的檢測方法是有損測試，難以滿足企業(yè)對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)檢測的實(shí)際要求。③通過特定技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)在線式的無損脂肪含量測量。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備制造企業(yè)通過近紅外光譜分析，三維超聲波檢測，X射線透射成像等技術(shù)對(duì)生豬及豬肉制品進(jìn)行脂肪含量在線無損檢測，在一些肉類加工廠得到批量應(yīng)用，目前國內(nèi)大型的肉類加工企業(yè)在這方面仍然處于起步階段。本文根據(jù)目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展和市場實(shí)際需要，通過在雙能X射線成像（DEXA）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該技術(shù)在肉品脂肪含量分析上的技術(shù)可行性[2-3]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通常雙能X射線吸收測量法（DEXA）應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中的骨密度檢測或是行李安檢透射檢測，利用不同材質(zhì)（對(duì)應(yīng)不同等效原子序數(shù)Zeff屬性）對(duì)高能和低能X射線吸收的差異性來對(duì)材質(zhì)屬性進(jìn)行鑒別。本實(shí)驗(yàn)使用的是光源規(guī)格為最大電壓80 kV，最大電流為8 mA，探測器為0.8 mm分辨率雙排線陣高低雙能探測器。光源和探測器成像平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

射線源位于照射面上方，產(chǎn)生的扇面光束通過中部準(zhǔn)直縫形成一個(gè)線狀扇面束照射到平臺(tái)底部的雙能探測器。雙能探測器由低能探測片、高能探測片以及中間濾波銅片組成。對(duì)于連續(xù)X射線能譜來說，低能探測器偏向吸收能譜中能量較低的射線束，中間濾波片屏蔽了低能譜部分而讓高能譜部分被下方高能探測器吸收。測試樣品通過傳統(tǒng)帶機(jī)平移掃描成像從而獲得兩幅高低能圖像，上傳系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣本

為分析實(shí)際豬肉脂肪含量，需要有典型樣品供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采購1 100 g豬膘油作為參考脂肪標(biāo)本，1 338 g瘦肉并分割剔除明顯脂肪作為參考肌肉標(biāo)本。

1.3 測量原理

當(dāng)射線照射一定物質(zhì)后，會(huì)被對(duì)應(yīng)穿透材料吸收而衰減，其低能、高能對(duì)應(yīng)的衰減率公式為：

Il=Iole-μT （1）

Ih=Iohe-μT （2）

式中：Iol和Ioh分別為低能、高能初始能量，Il和Ih為低能、高能衰減后能量，T為材質(zhì)質(zhì)量，μ為材質(zhì)對(duì)應(yīng)衰減系數(shù)。當(dāng)照射樣品為脂肪和肌肉混合時(shí)，對(duì)應(yīng)的理論吸收率應(yīng)為[4]：

（3）

（4）

經(jīng)過轉(zhuǎn)換后計(jì)算得出脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量為：

（5）

（6）

其中，，通過得到脂肪厚度和肌肉厚度便可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的脂肪含量比例，由式（5）、

式（6）可以看出Tf和Tm跟低能和高能的吸收率直接相關(guān)，其余為固定參數(shù)，脂肪跟肌肉含量比例可直接等效為：

基于高低能圖像來分析，樣品的脂肪含量比例F計(jì)算可通過統(tǒng)計(jì)所有肉品區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)代表的單位面積質(zhì)量求和來進(jìn)行評(píng)估。

F （8）

1.4 測試方法

由于圖像本身噪聲和射線源受本體波動(dòng)的影響，數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)分布性，在衰減較大區(qū)域的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非線性特性。為提取精確的典型高低能衰減比描述曲線[5]，本文選擇分段二次多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行確定，為防止分段曲線在交界處不連續(xù)問題，在段與段之間設(shè)置有1/4的重疊區(qū)域，該區(qū)域擬合值由交接兩邊的兩個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)曲線進(jìn)行混合，根據(jù)交接區(qū)位置點(diǎn)，取不同權(quán)重進(jìn)行線性插值，得到如圖2中對(duì)應(yīng)的參考曲線，可以看到擬合曲線達(dá)到了較好效果。

2 結(jié)果與分析

對(duì)測試樣本進(jìn)行分割混合后，得到若干評(píng)估樣本，包括樣本1純脂肪280 g，樣本2純瘦肉510 g，樣本3脂肪

（380 g）+瘦肉（250 g）混合肉。每份樣品在相同工況下隨機(jī)照射10次，并取10次數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)有效像素點(diǎn)位置的低能灰度值L（x）和高能灰度值H（y）對(duì)應(yīng)到參考曲線坐標(biāo)中的點(diǎn)。假設(shè)以脂肪參考曲線上取值為1.0（100%），肌肉參考曲線為0（0%），對(duì)應(yīng)的結(jié)果值可通過該點(diǎn)位置距離脂肪曲線和肌肉曲線的位置關(guān)系比例進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。對(duì)每幅圖像中所有像素點(diǎn)數(shù)據(jù)分析求和跟假設(shè)值對(duì)比后，得到的評(píng)估數(shù)據(jù)如表1。

3 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，可以看到雙能透射成像對(duì)于肉類脂肪含量測定在少量樣本實(shí)驗(yàn)條件下測量誤差可以控制在±5%以下。在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，相比較其他在線脂肪含量測量方法，該技術(shù)在可靠性及檢測效率上具有明顯的優(yōu)勢以及很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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