人工智能在食品安全檢測中的應用研究

摘 要：本文梳理了食品安全檢測的內涵和人工智能的應用基礎，指出當前食品安全檢測存在的主要問題，并提出了基于深度學習優(yōu)化檢測算法精度、機器學習構建多靶標識別模型、智能傳感器提升現(xiàn)場檢測效率等應對策略。人工智能技術有望顯著提升食品安全檢測的靈敏度、特異性和實時性，為保障食品安全提供有力支撐。

關鍵詞：食品安全檢測；人工智能；深度學習

Abstract： This article combs the connotation of food safety testing and the application basis of artificial intelligence， points out the main problems existing in current food safety testing， and proposes optimization of detection algorithm accuracy based on deep learning， machine learning to build multi-target recognition models， and smart sensors to improve on-site detection efficiency and other coping strategies. Artificial intelligence technology is expected to significantly improve the sensitivity， specificity and real-time performance of food safety testing， providing strong support for ensuring food safety.

Keywords： food safety testing; artificial intelligence; deep learning

近年來，食品安全問題頻發(fā)，嚴重危害人們身體健康和生命安全。我國高度重視食品安全工作，出臺了一系列政策法規(guī)?？茖W技術是保障食品安全的關鍵，人工智能在計算機視覺、機器學習等領域取得的突破，為食品安全檢測帶來了新的機遇[1]。

1 食品安全檢測的內涵

食品安全檢測是一個涵蓋面廣、技術要求高的系統(tǒng)工程，其涵蓋了食品中農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、重金屬污染物、非法添加劑等有害物質的定性定量分析，以及食品摻假、偽造等質量問題的鑒別。例如，對于農(nóng)藥殘留問題，常用的檢測方法有氣相色譜-質譜聯(lián)用法和高效液相色譜-串聯(lián)質譜法，前者主要針對有機氯、有機磷等揮發(fā)性農(nóng)藥，后者可用于檢測氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等極性較強的農(nóng)藥。除化學污染物外，食品安全檢測對象還涉及微生物污染，如沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等致病菌的快速篩查和鑒定，常采用PCR技術、生物傳感器等方法[2]。此外，食品摻假鑒別也是食品安全檢測的重要內容，如牛奶摻假、橄欖油摻假等，需建立食品成分指紋圖譜，綜合運用紅外光譜、核磁共振波譜、穩(wěn)定同位素比值分析等技術手段進行真?zhèn)伪鎰e。

2 人工智能在食品安全檢測中的應用基礎

人工智能在食品安全檢測領域的應用基于海量食品安全數(shù)據(jù)的積累和深度學習算法的突破。食品安全檢測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多源異構特點，如食品理化指標、污染物殘留量、光譜圖像等結構化、半結構化和非結構化數(shù)據(jù)并存，數(shù)據(jù)維度高、規(guī)模大，為人工智能算法提供了豐富的訓練樣本。深度學習算法的發(fā)展，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（Convolutional Neural Networks，CNN）在圖像特征提取、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（Recurrent Neural Network，RNN）在序列數(shù)據(jù)處理、遷移學習在小樣本學習等方面的進步，極大地拓展了食品安全檢測的應用場景。例如，基于CNN的農(nóng)產(chǎn)品病蟲害智能識別系統(tǒng)可通過病斑形狀、顏色等視覺特征快速診斷病蟲害類型[3]；基于RNN的農(nóng)藥殘留量動態(tài)預測模型可根據(jù)氣象、施藥量等時間序列數(shù)據(jù)提前預警超標風險；將遷移學習應用于食品摻假鑒別，可利用成分相似食品的檢測模型，通過微調快速實現(xiàn)新?lián)郊贅悠返淖R別，大幅縮短建模周期。此外，人工智能與光譜分析、色譜分析等傳統(tǒng)檢測手段的融合，可顯著提升分析速度和準確性，如結合拉曼光譜和支持矢量機算法，可實現(xiàn)對蜂蜜摻假的快速無損鑒別。

3 食品安全檢測面臨的主要問題

3.1 檢測方法的靈敏度和特異性不足

食品安全檢測技術雖然在過去幾十年中取得了長足進步，但是在檢測方法的靈敏度和特異性方面仍存在一定的不足和局限。以農(nóng)藥殘留檢測為例，目前廣泛采用的氣相色譜-質譜聯(lián)用法和液相色譜-串聯(lián)質譜法，雖然靈敏度較高，但是對于某些極性較強或者含量極低的農(nóng)藥，如氨基甲酸酯類、新煙堿類等，檢出限仍難以滿足日益嚴格的殘留限量標準。此外，基質效應也是影響檢測靈敏度和準確性的重要因素，不同食品基質中復雜的共存物質會導致目標分析物的離子化效率發(fā)生變化，進而影響定量結果的可靠性。同時，在混合污染物的檢測中，如多種農(nóng)藥、獸藥的同時殘留，不同檢測方法之間的適用性和匹配性差異可能導致漏檢或誤判[4]。針對食品摻假問題，現(xiàn)有的理化檢測方法如近紅外光譜、核磁共振等，雖然能夠快速鑒別某些摻假物質，但是在面對日益復雜多變的摻假手段時，特異性識別能力還有待提高。

3.2 多殘留復合污染物分析困難

在日常的食品安全檢測工作中，多殘留復合污染物的分析是一個棘手的難題。農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留就是一個典型的復合污染問題，不同種類農(nóng)藥的理化性質差異很大，如有機氯、有機磷、擬除蟲菊酯等，常規(guī)的檢測方法難以實現(xiàn)多組分的同時分析。畜禽產(chǎn)品中抗生素殘留更是涉及多個類別，如β-內酰胺類、四環(huán)素類、喹諾酮類等，不同類別抗生素在提取、凈化、檢測等環(huán)節(jié)的條件差異明顯，對檢測方法的選擇性和兼容性提出了極高要求。食品摻假造成的復合污染問題也不容忽視，以食用油摻假為例，常見的摻假方式有地溝油、礦物油等，這些非食用油脂與食用油有相似的理化特性，常規(guī)的檢測指標如酸價、過氧化值等難以準確辨別，需要采用多參數(shù)聯(lián)合分析的策略[5]。

3.3 快速篩查技術實時性欠佳

近年來，我國食品安全快速檢測技術不斷進步，在抽檢監(jiān)測、現(xiàn)場執(zhí)法等環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用。例如，免疫層析技術可用于定性或半定量檢測農(nóng)藥殘留、獸藥殘留等，膠體金標記的特異性抗體與待測物結合，通過顏色變化判斷檢測結果，操作簡便，但實時性方面仍有不足。酶聯(lián)免疫法、表面等離子體共振法等也是常用的快檢技術，前者利用酶標記抗體的催化反應，實現(xiàn)批量樣品的高通量篩查，但操作流程較為復雜，現(xiàn)場檢測難度較大；后者利用表面等離子體激發(fā)產(chǎn)生的共振信號檢測待測物，靈敏度高，但受制于儀器設備笨重、價格昂貴等因素，實時檢測能力受限。此外，基于紙基芯片、微流控芯片等新型快檢方法雖有所突破，但從實驗室走向實際應用還需時日。

4 基于人工智能的食品安全檢測問題應對策略

4.1 深度學習優(yōu)化檢測算法精度

深度學習算法憑借其強大的特征提取和分類識別能力，可有效優(yōu)化傳統(tǒng)檢測方法的精度。在農(nóng)藥殘留檢測領域，可構建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的智能識別模型，通過大量農(nóng)藥殘留光譜圖像的訓練學習，模型能夠自動提取待測樣品的特征信息，實現(xiàn)農(nóng)藥種類和含量的快速識別，突破傳統(tǒng)方法對極性、含量等的局限。同時，引入注意力機制、遷移學習等策略，可進一步提高模型的泛化能力和魯棒性，使其適應不同食品基質的干擾。

針對基質效應引起的檢測誤差，可開發(fā)基于生成對抗網(wǎng)絡（Generative Adversarial Networks，GAN）的智能校正算法。利用GAN的生成器和判別器實現(xiàn)對抗訓練，生成器模擬合成被基質干擾的光譜數(shù)據(jù)，判別器進行真?zhèn)闻袆e，通過不斷迭代優(yōu)化，使生成的光譜數(shù)據(jù)盡可能接近真實采集的數(shù)據(jù)分布，從而掌握真實的基質干擾規(guī)律，實現(xiàn)智能化校正補償，提高檢測準確性。在復合污染物檢測中，可采用多任務學習框架，設計共享的特征提取網(wǎng)絡和獨立的分類預測網(wǎng)絡，同時學習不同污染物的共性特征和個性特征，實現(xiàn)“一測多評”。此外，還可嵌入先驗知識，如污染物的理化性質、法規(guī)標準等，指導網(wǎng)絡參數(shù)的優(yōu)化，提高模型的可解釋性。

深度學習的應用范式為食品摻假鑒別提供了新思路?？蓸嫿ㄊ称烦煞种讣y圖譜數(shù)據(jù)庫，采用孿生網(wǎng)絡、對比學習等方法，學習不同食品的成分差異特征，實現(xiàn)對樣品真?zhèn)蔚目焖倥卸?。引入小樣本學習策略，利用少量標準樣品微調模型，可顯著提升模型識別摻假新手段的能力。

4.2 機器學習構建多靶標識別模型

機器學習方法為解決多殘留復合污染物分析難題提供了新的突破口。針對農(nóng)藥多殘留檢測，可采用多標記學習算法，將不同農(nóng)藥的檢測建模為多個二分類任務的組合，通過共享的特征表示層學習不同農(nóng)藥的相關性，同時為每種農(nóng)藥設計獨立的分類器，實現(xiàn)對多種農(nóng)藥的同時識別。在模型訓練時，可加入農(nóng)藥的分子結構、理化性質等先驗知識，引導模型學習到更加魯棒和可解釋的特征表示，提高多殘留檢測的準確性和可靠性。

對于畜禽產(chǎn)品中多種抗生素的同時檢測，可構建基于多示例學習的智能識別模型。每個樣品視為一個包，其中可能包含多種抗生素殘留，將檢測問題轉化為多示例多標記學習任務。模型通過對包內不同抗生素示例的學習，掌握其共性特征和判別規(guī)律，實現(xiàn)對畜禽樣品中復雜抗生素組合的精準識別。在特征提取層引入注意力機制，可自動學習不同抗生素對樣品類別判定的重要性權重，進一步提升模型的檢測靈敏度。

食品摻假造成的多組分復合污染也可用機器學習方法進行有效檢測。以食用油摻假為例，可采集不同品質的食用油和摻假油的光譜數(shù)據(jù)，構建支持矢量機、隨機森林等多分類模型，通過對光譜曲線形態(tài)特征、關鍵波段吸收等的綜合學習，實現(xiàn)對樣品真?zhèn)我约皳郊俪煞值目焖勹b別。在訓練過程中，可引入遷移學習策略，利用不同產(chǎn)地、不同生產(chǎn)批次的標準油樣數(shù)據(jù)進行預訓練，提高模型的泛化能力，使其能夠適應不同來源食用油的質量判定。此外，還可采用主動學習方法，通過專家指導樣本的選擇和標注，持續(xù)優(yōu)化模型，提高其對未知摻假手段的識別能力。

4.3 智能傳感器提升現(xiàn)場檢測效率

人工智能驅動的智能傳感器技術是提升食品安全快速篩查實時性的重要突破口。將微納傳感技術與機器學習算法深度融合，可研制出高靈敏、高選擇性、快速響應的智能傳感器，實現(xiàn)食品污染物的實時檢測與溯源。以農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測為例，可開發(fā)基于表面增強拉曼光譜的智能傳感芯片，利用機器學習算法建立光譜特征與農(nóng)藥種類及含量的量化關系模型，實現(xiàn)對芯片采集的拉曼信號的實時解析，無須復雜樣品前處理即可實現(xiàn)對農(nóng)藥多殘留的快速定性定量檢測，大幅提升檢測效率。同時，芯片微型化、集成化設計可實現(xiàn)與智能終端的便攜式組裝，拓展檢測場景，提升實時性。

在食品中抗生素殘留快速檢測領域，可構建基于適體酶和機器學習的電化學智能傳感器。采用分子印跡技術篩選針對特定抗生素分子的適體酶，與電化學信號放大單元耦合，構建尺寸小、靈敏度高的傳感器。引入在線機器學習算法，對傳感器輸出的電信號進行實時建模分析，可自適應識別不同濃度梯度的抗生素殘留，無須人工校準即可實現(xiàn)連續(xù)高效檢測，極大提升了檢測自動化水平。此外，將區(qū)塊鏈技術引入智能傳感器數(shù)據(jù)管理，可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的加密存儲和共享，方便檢測結果的遠程分析和決策，構建更加高效的食品安全快檢體系。

面向食品摻假現(xiàn)場快速辨別，可研發(fā)基于類腦計算的智能電子鼻/舌傳感器。仿生嗅覺/味覺受體陣列與類腦神經(jīng)網(wǎng)絡芯片相結合，通過感受食品的氣味/口感變化，自主學習正常食品與摻假食品的特征差異，形成類腦模式識別，可實現(xiàn)對未知摻假的快速甄別。

5 結語

人工智能技術為食品安全檢測帶來了新的發(fā)展機遇。本文分析了當前食品安全檢測面臨的主要問題，提出了基于人工智能的應對策略，可有效提升檢測的精準性、高效性和智能化水平。

參考文獻

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作者簡介：鄧建勇（1989—），男，山西柳林人，本科，工程師。研究方向：食品質量與安全。