基于可見光與近紅外反射光譜的牛奶光譜特性識別研究

謝春光+李宇航+夏惠婕+李棒棒

摘 要：食品安全是對人身體健康產(chǎn)生極大影響的因素，受到了國家，人民和社會的廣大的關(guān)注，成為我國主要問題之一。尤其是奶制品，像牛奶這樣營養(yǎng)價值高，又性價比有很高的產(chǎn)品，更容易摻假謀取利益。現(xiàn)有的主流分析方法較為復(fù)雜，需要時間長，不僅不能快速效率的分析，還會浪費很多資源。因此更迅速有效的分析方法，是幫助高效辨別的必要條件。一但確定可快速分辨的技術(shù)手段，對于質(zhì)檢，即時的商品抽測等多方面的測量和檢驗有很大貢獻和意義。要實現(xiàn)快速分辨，首先要識別出特定的牛奶，而牛奶具有特定的光譜，本課題講述以光譜特征來識別牛奶表面，進而對于牛奶的特定識別與牛奶種類間的區(qū)分有重要幫助。

關(guān)鍵詞：牛奶；光譜；食品安全

中圖分類號：O433.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0217-03

1 引言

現(xiàn)代檢測技術(shù)主要為利用具有不同性質(zhì)的傳感器進行測量，用于較為常見的待測參數(shù)，而且對于沒有適合傳感器的參數(shù)的測量較為困難。其應(yīng)用領(lǐng)域主要用于復(fù)雜設(shè)備或過程等多方面參數(shù)的測量，多依賴于傳感技術(shù)。

其較為復(fù)雜，需要大量設(shè)備，檢測周期長，而且需要繁瑣的檢測技術(shù)與方法，還會產(chǎn)生誤差較大的現(xiàn)象，而光譜檢測技術(shù)有著快捷，方便并且對食品樣本無損傷的特點，在一定限度內(nèi)具有有效檢查的優(yōu)勢。對于檢測食品添加劑和變質(zhì)過期食品的檢測上，此技術(shù)可以在更高經(jīng)濟效益的層面上，對食品內(nèi)有害物質(zhì)含量進行檢測，還有對于不容易看出來的食品摻假現(xiàn)象進行有效檢測和打壓，是或不可缺的技術(shù)并且還擁有很大發(fā)展空間，而且近幾年來，光譜特征技術(shù)被特別用于識別食品，并且在國外已有部分概念產(chǎn)品問世。

2 牛奶表面測定

本次實驗采用USB2000光纖光譜儀，光譜量程在 390nm--1100nm的范圍之間，分辨率為1.5nm。實驗光源選取鎢燈。本次實驗選擇從正規(guī)渠道購買的新鮮的同一品牌（某品牌牛奶）不同的三個含脂級別的牛奶為實驗材料，將部分新鮮牛奶經(jīng)過特殊處理作為實驗中的變質(zhì)樣本進行實驗。將不同品質(zhì)不同含脂量的奶放置于相同大小的塑料碗里，保證液面高度一致，放置于室溫狀態(tài)下的實驗室中。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，將光源投射于白板，將光譜儀的探頭固定于升降臺上，使探頭對準(zhǔn)白板，打開spectrasuite軟件，將所測得的光源光譜保存；將待測的牛奶放置在白板，測量并保存牛奶光譜數(shù)據(jù)。調(diào)整光源輻射度三次，測量不同的輻射度下所對應(yīng)的新鮮奶的反射光譜，取多組牛奶重復(fù)完成多次實驗測量。

牛奶的好壞品質(zhì)主要差別在于變質(zhì)與是否變質(zhì)。

將被測實驗對象換成變質(zhì)的牛奶，在相同條件下測量不同牛奶的反射光譜并保存牛奶光譜數(shù)據(jù)，取多組牛奶重復(fù)完成多次實驗測量。

牛奶的不同主要表現(xiàn)還在在牛奶里面脂含量差異較大，實驗中選取不同含脂量的牛奶（脫脂奶，低脂奶，全脂奶）作為實驗條件進行測定。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置不同含脂量的牛奶（脫脂奶，低脂奶，全脂奶）測牛奶的反射光譜并保存光譜數(shù)據(jù)與圖像，取多組牛奶重復(fù)完成多次實驗測量。

將實驗購買的新鮮不同含脂量的牛奶和制作的變質(zhì)不同含脂量的牛奶放置于一起，且在實驗之前盡量保持有著相同的條件。

3 實驗結(jié)果

牛奶光譜是由牛奶內(nèi)含有物質(zhì)的特征決定的，而這種特征與牛奶的含脂量，牛奶生產(chǎn)商的制作工藝，添加菌類密切相關(guān)。牛奶表面的光反射包括正面光譜反射，還有牛奶對光能吸收，本實驗在實驗室環(huán)境中測量，根據(jù)實驗環(huán)境將其他影響極小因素忽略，只考慮牛奶的正面光譜的反射。

根據(jù)圖1實驗得到，在可見光譜范圍內(nèi)，600nm附近有一個不較為明顯的波峰，左側(cè)430nm有吸收帶，并且伴隨著牛奶光譜吸收度的減少再增加。隨著牛奶脂肪含量的增加，光譜的反射率會逐漸增加，而到一定程度后基本不變。

實驗測得正常的低脂，全脂某品牌牛奶在近紅外波段（760-1000）的光譜特征幾乎不受含脂量變化的影響，而脫脂牛奶會光譜反射率會稍微較低。

根據(jù)圖2實驗得到，在可見光譜范圍內(nèi)，在600nm處有一個波峰，左側(cè)420nm處有一個吸收帶，并且伴隨著牛奶光譜的吸收度的減少再增加。隨著牛奶脂含量的增加，光譜反射率有輕微增加，但至一定程度便無太大變化。

實驗得出變質(zhì)的某品牌牛奶在可見光和近紅外波段（760-1000）的光譜特征受脂含量的影響有輕微變化，隨著脂含量的增加牛奶光譜反射也增加。

過期與不過期的某品牌脫脂和低脂據(jù)圖3、4、5實驗得到，在各圖在約600nm處有一個波峰，左側(cè)430nm處有一個吸收帶，而且各圖中兩個光譜反射率有巨大差異，伴隨著牛奶光譜的吸收度增加再減小，而且隨著牛奶脂含量的增加，差異逐漸增大，到一定程度趨于不變。

實驗得出，變質(zhì)與未變質(zhì)的低脂和全脂牛奶在近紅外波段（760-1000）的光譜特征差異較小，而脫脂牛奶所受影響較大。

4 實驗誤差分析

實驗中使用光纖光譜儀于可以進行密閉遮光的實驗室進行實驗，可以人為排除各種光源的干擾，且溫度與濕度得到控制。如圖6所示。

在實驗過程中，將過期牛奶攪拌均勻，防止其影響表面反射率，減小實驗誤差。

另外實驗樣品可能會遭到污染，所以在實驗過程中，除了拿光譜儀檢測的過程中，所有樣品均為密封狀態(tài)。

5 結(jié)論和討論

實驗得到正常牛奶不同含脂量對牛奶表面反射率的影響表現(xiàn)為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關(guān)系，而且三種牛奶對于光的吸收度近乎相同，均在430nm出有一個吸收帶，600nm處有一不較為明顯突出的個波峰，總體吸收度由增大到減小再稍微增大。但在于低脂和全脂牛奶之間并無任何太大差異。endprint

實驗得到變質(zhì)牛奶不同含脂量對牛奶表面反射率的影響表現(xiàn)為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關(guān)系，而且三種牛奶對于光的吸收度近乎相同，均在420nm出有一個吸收帶，600nm處有一不較為明顯突出的個波峰，總體吸收度由增大到減小再稍微增大，趨勢無太大差異，只是隨著含脂量的增加，牛奶表面的反射率也隨之增加。

實驗得到牛奶品質(zhì)不同對牛奶表面的反射率的影響表現(xiàn)為：未變質(zhì)的牛奶普遍所得到的牛奶表面光譜反射率要高于變質(zhì)的牛奶許多，且隨著含脂量的增加，其變化差異就越小。在近紅外（760-1000）段差異明顯逐漸減小。

根據(jù)實驗得到，某品牌牛奶的牛奶表面光譜，在600nm附近有一個波峰，左側(cè)430納米處有一個吸收帶，右側(cè)吸收度度逐漸增加。在近紅外波段可以發(fā)現(xiàn)正常的牛奶低脂與全脂并無太大分別，而且低脂則有較明顯區(qū)分。變質(zhì)牛奶與正常牛奶的牛奶表面的反射率有極大不同，表現(xiàn)為正常牛奶在對應(yīng)吸收帶以及波峰上的吸收度和反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變質(zhì)牛奶，因此可以有效區(qū)分。

綜上得出結(jié)論：通過可見光波段反射光譜的研究，可以根據(jù)600nm的波峰與430nm的特征吸收帶作為光譜特征研究牛奶的變質(zhì)情況。

通過對近紅外波段反射光譜的研究，對于分別牛奶的含脂量有幫助。

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