基于拉曼和近紅外光譜特征層融合的食用油MUFA和PUFA含量檢測

吳 雙 王 杰 俞雅茹 涂 斌 鄭 曉 何東平

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，武漢 430000) (武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院2，武漢 430000)

基于拉曼和近紅外光譜特征層融合的食用油MUFA和PUFA含量檢測

吳 雙1王 杰1俞雅茹1涂 斌1鄭 曉1何東平2

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，武漢 430000) (武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院2，武漢 430000)

針對(duì)食用油中單不飽和脂肪酸(MUFA)和多不飽和脂肪酸(PUFA)含量的快速檢測問題，研究探索應(yīng)用拉曼(Raman)和近紅外(NIR)光譜以及特征層數(shù)據(jù)的融合，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析，建立食用油MUFA和PUFA含量預(yù)測模型。重點(diǎn)研究各種預(yù)處理算法對(duì)模型預(yù)測能力的影響。應(yīng)用競爭性自適應(yīng)重加權(quán)采樣(CARS)提取Raman和NIR光譜的特征波長，應(yīng)用網(wǎng)格搜索(GS)算法選取支持向量機(jī)回歸(SVR)模型的參數(shù)組合(C，g)值，分別建立基于拉曼和近紅外光譜的特征波段的SVR預(yù)測模型；建立基于特征層的多源光譜融合的SVR預(yù)測模型。試驗(yàn)表明，基于特征層融合建立的Raman-NIR-SVR模型能夠?qū)崿F(xiàn)食用油MUFA和PUFA含量的快速預(yù)測，且預(yù)測效果更優(yōu)。其中預(yù)測MUFA含量的SG15-ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型的預(yù)測集決定系數(shù)R2為0.977 3，與單光譜中最優(yōu)含量預(yù)測模型相比增加了2.43%；而預(yù)測PUFA含量的MA11-airPLS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型的預(yù)測集R2為0.993 0，比較最優(yōu)單光譜數(shù)據(jù)建立的SVR模型增加了2.57%。結(jié)果表明，采用特征層融合方法建立的含量預(yù)測模型的綜合性能優(yōu)于基于單光譜數(shù)據(jù)建立的模型。

單不飽和脂肪酸 多不飽和脂肪酸 特征層融合 支持向量機(jī)回歸

食用油不僅可以提高食品的感官性質(zhì)，增強(qiáng)飽腹能力，而且提供人體所需的植物淄醇、不飽和脂肪酸、谷維素等營養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)身體健康和保健作用越來越大[1]。食用油中包含單不飽和脂肪酸(Monounsaturated Fatty Acid，MUFA)和多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acid，PUFA)，MUFA具有保護(hù)心臟、降低血糖和膽固醇、調(diào)節(jié)血脂、防止記憶下降等功能[2]，PUFA不僅有MUFA的功能，還具有通過排除體內(nèi)多余脂肪實(shí)現(xiàn)減肥的作用[3]。然而，一些不法人員為謀取暴利，使用變質(zhì)原料加工食用油或?qū)⒘淤|(zhì)油或低價(jià)值油摻入高價(jià)值油中，使食用油中的不飽和脂肪酸含量減少，損害消費(fèi)者權(quán)益，影響人的身體健康。

現(xiàn)有的檢測食用油PUFA和MUFA含量的方法是采用色譜和質(zhì)譜等方法，此方法需要借助昂貴的儀器及嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場快速準(zhǔn)確檢測的要求。因此，探索一種能快速、靈敏度高的動(dòng)態(tài)分析檢測食用油的技術(shù)對(duì)提高油脂企業(yè)品質(zhì)監(jiān)管，保障食用油市場和消費(fèi)者權(quán)益等方面具有重要意義[4]。近年來，拉曼(Raman)光譜和近紅外(NIR)光譜技術(shù)用于食用油品質(zhì)檢測成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。這是由于光譜技術(shù)是一種快速、簡便、無損分析技術(shù)，并且具有測量時(shí)間短，不需要對(duì)待測樣本預(yù)處理，易于實(shí)現(xiàn)在線分析，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、煙草、農(nóng)業(yè)和石化等領(lǐng)域[5-6]。Raman光譜的特征峰的位置和強(qiáng)度能夠直觀的反映待測樣品的化學(xué)基團(tuán)、結(jié)構(gòu)及其變化信息[7]，而NIR技術(shù)主要基于光譜波段范圍與含氫基團(tuán)(O—H、N—H、C—H)振動(dòng)的合頻、倍頻的吸收區(qū)一致，故其光譜反映待測樣品的有機(jī)分子O—H、N—H、C—H等基團(tuán)的特征信息[8]。既然2種光譜都能反映待測樣品的信息，那么將2種光譜融合來提高定性定量分析的準(zhǔn)確性成為了研究的新方向。

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了特征層數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)含量預(yù)測模型的作用。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是對(duì)來自多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測、估計(jì)、相關(guān)及組合等處理，一個(gè)多層面、多級(jí)的數(shù)據(jù)處理過程，產(chǎn)生新的有意義的信息，對(duì)目標(biāo)識(shí)別是一種新的方法，目前數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、機(jī)器人、醫(yī)療、石化、食品和水質(zhì)檢測等領(lǐng)域[9-10]。本研究基于近紅外、拉曼及兩者融合的光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法建立了食用油MUFA和PUFA含量預(yù)測的SVR模型。通過比較單光譜和融合光譜對(duì)模型預(yù)測能力的影響，為準(zhǔn)確建立MUFA和PUFA含量預(yù)測的回歸模型提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 脂肪酸含量檢測樣本

按照GB/T 17377—2008，采用Angilent 7890-5975 GC-MS型氣相色譜儀對(duì)大豆油、菜籽油、茶籽油、花生油等55個(gè)正常食用油的脂肪酸含量進(jìn)行氣相色譜測定，所得到的脂肪酸含量為總脂肪酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。采用SPXY(Sample set Portioning based on joint x-y distances)算法按3:1的比例選取油脂肪酸成分含量預(yù)測模型的校正集和預(yù)測集樣品。脂肪酸含量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 脂肪酸含量統(tǒng)計(jì)

1.2 設(shè)備及儀器

選用RamTraceer-200激光拉曼光譜儀(歐普?qǐng)D斯，中國)采集拉曼光譜數(shù)據(jù)，其參數(shù)為：激光波長為785 nm，分辨率≤8 cm-1，光譜采集波數(shù)范圍250～2 340 cm-1，最大激光功率為320 mW，積分時(shí)間參數(shù)設(shè)置為5 s，激光功率為220 mW。同時(shí)選用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的激光近紅外光譜儀(AXSUN，USA)采集近紅外光譜數(shù)據(jù)。其主機(jī)為Axsun XL410，光譜測定范圍為1 350～1 800 nm，掃描次數(shù)32次，分辨率為3.5 cm-1，波長重復(fù)性為0.01 nm，信噪比(250 ms,RMS)>5 500:1。

1.3 拉曼和近紅外光譜采集

每個(gè)樣品裝樣3次，采集3次穩(wěn)定的譜圖后取其平均圖譜作為最終圖譜，室溫下測定。采集樣品的拉曼原始光譜，選取信噪比較高的780～1 800 cm-1示于圖1。圖2為采集樣品的近紅外原始圖。

圖1 拉曼原始光譜

圖2 近紅外原始光譜

1.4 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理和基線校正

拉曼光譜采用移動(dòng)平均11點(diǎn)平滑法(MA11)和Savitzky-Golay[11]濾波15點(diǎn)平滑法(SG15)消除光譜噪聲，自適應(yīng)迭代重加權(quán)懲罰最小二乘(airPLS)和非對(duì)稱最小二乘法(ALS)算法進(jìn)行基線校正，以1 454 cm-1附近的特征峰強(qiáng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化(Nor)處理。圖3是經(jīng)SG15-ALS-Nor預(yù)處理的拉曼光譜。airPLS[12]是懲罰最小二乘法結(jié)合自適應(yīng)迭代加權(quán)而得到的一種易于實(shí)現(xiàn)拉曼光譜背景扣除的算法，對(duì)拉曼光譜進(jìn)行基線校正時(shí)，只需要設(shè)置影響背景平滑程度的參數(shù)λ，試驗(yàn)中設(shè)置參數(shù)λ=105。而ALS則是Boelens等[13]提出的懲罰最小二乘法結(jié)合非對(duì)稱加權(quán)而得到的一種易于實(shí)現(xiàn)拉曼光譜背景扣除的算法，對(duì)拉曼光譜進(jìn)行基線校正時(shí)需要設(shè)置平滑(smoothness)和非對(duì)稱加權(quán)(asymmetry)參數(shù)組合(smo，asy)，試驗(yàn)中設(shè)置參數(shù)smo=106，asy=10-2。

圖3 經(jīng)過SG15-ALS-Nor預(yù)處理拉曼光譜

近紅外光譜采用的預(yù)處理方法有：多元散射校正(MSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換和去趨勢技術(shù)聯(lián)用算法(SNV_DT)。圖4是經(jīng)過SNV_DT預(yù)處理的近紅外光譜。

圖4 經(jīng)過SNV_DT預(yù)處理近紅外光譜

1.5 光譜特征波長提取

競爭性自適應(yīng)重加權(quán)采樣方法(CARS)[14]是采用偏最小二乘(PLS)交叉驗(yàn)證建模，結(jié)合蒙特卡羅(MC)采樣技術(shù)，根據(jù)PLS模型的交互檢驗(yàn)均方差(RMSECV)值選擇波長變量子集，RMSECV值最小時(shí)選取對(duì)應(yīng)的變量區(qū)間作為建模的特征變量。試驗(yàn)中MC采樣次數(shù)設(shè)為100，根據(jù)PLS模型的10折交互檢驗(yàn)均方差值選擇波長變量子集。

將預(yù)處理(MA11-ALS-Nor、MA11-airPLS-Nor、SG15-ALS-Nor、SG15-airPLS-Nor)的拉曼和預(yù)處理(SNV、MSC、DT、SNV_DT)的近紅外光譜應(yīng)用CARS提取特征變量，將提取后特征波段光譜分別應(yīng)用于拉曼和近紅外光譜、多源光譜特征層融合SVR模型的建立。

1.6 建模方法、參數(shù)優(yōu)化方法及模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

支持向量機(jī)(SVM)在解決小樣品、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，成為克服“維數(shù)災(zāi)難”和“過學(xué)習(xí)”等困難的強(qiáng)有力手段[15]。SVM

方法可細(xì)分為支持向量機(jī)分類(SVC)和支持向量機(jī)回歸(SVR)2種方法[16]。而本試驗(yàn)選用支持向量機(jī)回歸法建立食用油MUFA和PUFA含量的快速預(yù)測模型。SVR方法需要設(shè)置懲罰因子C和RBF核函數(shù)的參數(shù)g的輸入值，不同的參數(shù)組合(C，g)值對(duì)SVR模型的檢測效果存在較大差異，人為地設(shè)置參數(shù)，很難確定最佳參數(shù)組合，因此本實(shí)驗(yàn)采用GS法優(yōu)化食用油MUFA和PUFA檢測模型的參數(shù)組合(C，g)，建立預(yù)測能力較強(qiáng)的SVR模型[17]。試驗(yàn)中以校正集和預(yù)測集的決定系數(shù)R2和均方誤差(MSE)作為模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 食用油MUFA含量預(yù)測的SVR模型

2.1.1 食用油MUFA含量預(yù)測的拉曼、近紅外SVR模型

采用4種不同預(yù)處理的拉曼光譜經(jīng)CARS提取的特征變量作為SVR模型的輸入量,選用RBF核函數(shù)，采用GS算法對(duì)組合參數(shù)(C，g)進(jìn)行尋優(yōu)，建立特征波段含量預(yù)測SVR模型。同理，建立基于4種不同預(yù)處理的近紅外光譜的CARS-SVR模型。表2為拉曼、近紅外光譜結(jié)合SVR建模得到的MUFA含量預(yù)測結(jié)果和模型參數(shù)。

從表2中可以看出，拉曼、近紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立的SVR模型都能夠?qū)崿F(xiàn)食用油MUFA含量的快速預(yù)測。采用DT預(yù)處理方法的近紅外光譜建立的CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品預(yù)測效果最好，預(yù)測集決定系數(shù)R2和均方誤差(MSE)為0.953 0、1.29E-3，校正集和預(yù)測集的MSE相差較小，預(yù)測能力強(qiáng)?；诶庾V建立的CARS-SVR模型的校正集決定系數(shù)R2較近紅外有一定程度的增加，但是前3個(gè)模型的預(yù)測集R2最高才0.852 7,遠(yuǎn)低于NIR-SVR模型，采用預(yù)處理方法(SG15-airPLS-Nor)建立的Raman-CARS-SVR模型的預(yù)測集R2提升到0.932 0，但校正集和預(yù)測集的MSE相差較大，模型預(yù)測效果較之NIR-DT-CARS-SVR差。圖5為近紅外光譜的食用油MUFA的DT-CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果圖。

表2 拉曼、近紅外光譜結(jié)合SVR建模得到的MUFA含量預(yù)測結(jié)果

圖5 DT-CARS-SVR對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果

2.1.2 特征層多源光譜數(shù)據(jù)融合食用油MUFA含量預(yù)測SVR模型

將經(jīng)過特征波長提取方法優(yōu)選的拉曼和近紅外光譜數(shù)據(jù)同時(shí)作為SVR模型的輸入變量，建立特征層多源光譜數(shù)據(jù)融合的MUFA含量快速預(yù)測Raman-NIR-SVC模型；建立的特征層融合SVR模型預(yù)測結(jié)果和模型參數(shù)見表3。

從表3中可以看出，基于特征層融合建立的Raman-NIR-SVR模型能夠?qū)崿F(xiàn)食用油MUFA含量的快速預(yù)測。經(jīng)過特征波長提取的拉曼和近紅外2種光譜數(shù)據(jù)融合建立的Raman-NIR-SVR模型預(yù)測集決定系數(shù)R2均在0.943 4以上，最高達(dá)到0.977 3，模型預(yù)測能力強(qiáng)，其中SG15-ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型的校正集和預(yù)測集的R2為0.996 8和0.977 3。與單光譜中最優(yōu)的NIR-DT-CARS-SVR模型比較，使用特征層融合的SG15-

ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型的預(yù)測集和校正集的R2分別增加了5.63%、2.43%。結(jié)果表明使用特征層融合建立的MUFA含量的快速預(yù)測的SVR模型的預(yù)測效果要好于單獨(dú)使用Raman和NIR光譜建立的SVR預(yù)測模型，說明Raman和NIR 2種光譜具有互補(bǔ)效果。圖6為拉曼和近紅外光譜的特征層融合的食用油MUFA的SG15-ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果圖。

圖6 SG15-ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果

2.2 食用油PUFA含量預(yù)測SVR模型

2.2.1 食用油PUFA含量預(yù)測拉曼、近紅外光譜SVR模型

將拉曼光譜經(jīng)過預(yù)處理及CARS特征波長提取后得到的光譜數(shù)據(jù)作為SVR模型的輸入變量；近紅外光譜則經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)行CARS特征波長提取，得到的光譜數(shù)據(jù)作為SVR模型的輸入變量，然后分別建立PUFA含量預(yù)測SVR模型?；诶?、近紅外光譜數(shù)據(jù)建立的含量預(yù)測SVR模型預(yù)測結(jié)果和模型參數(shù)見表4。

表3 基于特征層多源光譜融合的Raman-NIR-SVR模型MUFA預(yù)測結(jié)果

表4 拉曼、近紅外光譜結(jié)合SVR建模得到的PUFA含量預(yù)測結(jié)果

表5 基于特征層多源光譜融合的Raman-NIR-SVR模型PUFA預(yù)測結(jié)果

從表4中可以看出，拉曼、近紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立的SVR模型能夠?qū)崿F(xiàn)PUFA含量的快速預(yù)測。就Raman-SVR模型而言，經(jīng)過SG15-airPLS-Nor-CARS處理的光譜數(shù)據(jù)建立的模型對(duì)預(yù)測集樣品預(yù)測效果最好，預(yù)測集決定系數(shù)R2為0.941 3。而對(duì)于NIR-SVR模型，采用SNV_DT-CARS處理的光譜建立的模型的預(yù)測效果最好，預(yù)測集決定系數(shù)R2和均方誤差(MSE)為0.967 3、7.88E-4，預(yù)測能力強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大。對(duì)比2種單光譜建立的CARS-SVR模型，NIR-SNV_DT-CARS-SVR模型的含量預(yù)測的綜合性能最好。圖7為近紅外光譜的PUFA的SNV_DT-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果圖。

圖7 SNV_DT-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果

2.2.2 特征層多源光譜數(shù)據(jù)融合食用油PUFA含量預(yù)測SVR模型

將經(jīng)過特征波長提取方法優(yōu)選的拉曼和近紅外光譜數(shù)據(jù)同時(shí)作為SVR模型的輸入變量，建立特征層融合的食用油PUFA含量快速預(yù)測Raman-NIR-SVR模型。建立PUFA含量的特征層融合SVR模型預(yù)測結(jié)果和模型參數(shù)見表5。

從表5中可以看出，基于多源光譜的特征層融合建立的Raman-NIR-SVR模型能夠?qū)崿F(xiàn)食用油PUFA含量的快速預(yù)測。經(jīng)過特征波長提取的激光拉曼和近紅外兩種光譜數(shù)據(jù)融合建立的Raman-NIR-SVR模型校正集和預(yù)測集決定系數(shù)R2均在0.983 9以上，且校正集和預(yù)測集的均方誤差(MSE)相差較小，模型預(yù)測能力和穩(wěn)定性強(qiáng)，其中MA11-airPLS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型的校正集和預(yù)測集決定系數(shù)R2為0.995 8和0.993 0。比較最優(yōu)單光譜數(shù)據(jù)建立的NIR-SNV_DT-CARS-SVR模型，校正集和預(yù)測集決定系數(shù)R2分別增加了4.59%、2.57%，預(yù)測效果更好。結(jié)果表明使用特征層多源光譜數(shù)據(jù)融合建立的PUFA含量預(yù)測模型的預(yù)測效果優(yōu)于單獨(dú)使用拉曼光譜和近紅外光譜建立的模型。圖8為拉曼和近紅外光譜的數(shù)據(jù)層融合的PUFA的MA11-airPLS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果圖。

圖8 MA11-airPLS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR模型對(duì)預(yù)測集樣品的預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)論

應(yīng)用光譜數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在特征層建立融合拉曼和近紅外光譜的食用油MUFA和PUFA含量的快速預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了基于多源光譜特征層數(shù)據(jù)融合的食用油MUFA和PUFA含量的快速預(yù)測。研究表明，近紅外、拉曼光譜法結(jié)合SVR建立的NIR-SVR模型能夠?qū)崿F(xiàn)食用油MUFA、PUFA含量的快速預(yù)測。使用特征層多源光譜數(shù)據(jù)融合建立的食用油MUFA、PUFA含量預(yù)測模型的預(yù)測效果優(yōu)于單獨(dú)使用拉曼光譜和近紅外光譜建立的含量預(yù)測模型。結(jié)果表明，本研究提出的技術(shù)路線能夠?qū)崿F(xiàn)食用油MUFA和PUFA含量的快速預(yù)測，而基于特征層融合建立的定量回歸模型提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性，為其他食用植物油品質(zhì)在快速檢測的問題上提供借鑒。

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Content Detection of MUFA and PUFA Integrated Based on Characteristic Fusion of Raman and Near Infrared Spectrum

Wu Shuang1Wang Jie1Yu Yaru1Tu Bin1Zheng Xiao1He Dongping2

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University1,Wuhan 430000) (College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University2,Wuhan 430000)

It was explored in this paper that characteristic fusion of Raman-NIR was combined with Chemometrics to establish monounsaturated fatty acid(MUFA)and polyunsaturated fatty acids(PUFA)content prediction model to solve the problem of their content rapid prediction.It focused on what effects various pretreatment algorithms had on prediction model.Competitive adaptive reweighted sampling(CARS)was used to extract the characteristic wavelength of Raman and NIR spectra,grid search(GS)algorithm to select the parameter combination(C,g).The author established SVR model based on characteristic wavelength of Raman and NIR spectra respectively,and based on characteristic fusion did SVR model.The experiment showed that based on feature fusion of Raman-NIR the SVR model was better to realize fast prediction.For MUFA content,prediction set determination coefficientR2of SG15-ALS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR model was 0.977 3,compared with the optimal prediction model of the single spectra,which increased by 2.43%;and for MUFA,MA11-airPLS-Nor-CARS-MSC-CARS-SVR modelR2was 0.995 8,comparing the optimal single spectra SVR model increased by 2.57%.Result showed that comprehensive performance of the prediction model established by feature fusion method was better than the model based on single spectral data.

monounsaturated fatty acid,polyunsaturated fatty acids,characteristic fusion,support vector machine

TS225.1

A

1003-0174(2017)11-0158-07

2016湖北省糧食科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化(20165104),武漢市科技攻關(guān)計(jì)劃(2013010501010147),武漢工業(yè)學(xué)院食品營養(yǎng)與安全重大項(xiàng)目培育專項(xiàng)(2011Z06),武漢輕工大學(xué)研究生創(chuàng)新(2014CX005)

2016-10-24

吳雙,女，1989年出生，碩士，利用光譜技術(shù)檢測食用油的成分

鄭曉，男，1958年出生，教授，利用光譜技術(shù)檢測食用油的成分