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生極大影響的因素，受到了國家，人民和社會的廣大的關注，成為我國主要問題之一。尤其是奶制品，像牛奶這樣營養價值高，又性價比有很高的產品，更容易摻假謀取利益。現有的主流分析方法較為復雜，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手段，對于質檢，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分有重要幫助。

關鍵詞：牛奶；光譜；食品安全

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

1 引言

現代檢測技術主要為利用具有不同性質的傳感器進行測量，用于較為常見的待測參數，而且對于沒有適合傳感器的參數的測量較為困難。其應用領域主要用于復雜設備或過程等多方面參數的測量，多依賴于傳感技術。

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

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，將部分新鮮牛奶經過特殊處理作為實驗中的變質樣本進行實驗。將不同品質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據。調整光源輻射度三次，測量不同的輻射度下所對應的新鮮奶的反射光譜，取多組牛奶重復完成多次實驗測量。

牛奶的好壞品質主要差別在于變質與是否變質。

將被測實驗對象換成變質的牛奶，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據，取多組牛奶重復完成多次實驗測量。

牛奶的不同主要表現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，保持其他設備不做改變，在相同條件下換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據與圖像，取多組牛奶重復完成多次實驗測量。

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 實驗結果

牛奶光譜是由牛奶內含有物質的特征決定的，而這種特征與牛奶的含脂量，牛奶生產商的制作工藝，添加菌類密切相關。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，本實驗在實驗室環境中測量，根據實驗環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。

根據圖1實驗得到，在可見光譜范圍內，600nm附近有一個不較為明顯的波峰，左側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。

根據圖2實驗得到，在可見光譜范圍內，在600nm處有一個波峰，左側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圖3、4、5實驗得到，在各圖在約600nm處有一個波峰，左側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，變質與未變質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。

5 結論和討論

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為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關系，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

實驗得到變質牛奶不同含脂量對牛奶表面反射率的影響表現為：隨著脂含量的增加，反射率成線性減小關系，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。

實驗得到牛奶品質不同對牛奶表面的反射率的影響表現為：未變質的牛奶普遍所得到的牛奶表面光譜反射率要高于變質的牛奶許多，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430納米處有一個吸收帶，右側吸收度度逐漸增加。在近紅外波段可以發現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分。變質牛奶與正常牛奶的牛奶表面的反射率有極大不同，表現為正常牛奶在對應吸收帶以及波峰上的吸收度和反射率遠遠大于變質牛奶，因此可以有效區分。

綜上得出結論：通過可見光波段反射光譜的研究，可以根據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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