基于光譜分析的牛肉干鑒別方法研究報告

摘要：本項目首先以不同品牌的牛肉干為實驗材料，通過高光譜測量技術對其光譜數據進行采集，并對不同品牌的牛肉干進行光譜分析和對比，設計了一種能以高光譜分析技術檢測牛肉干是否摻入牛肉膏、蘇丹紅等添加劑的方案;接著在實驗中采用光譜角匹配Spectral angle map（SAM）方法，光譜特征匹配方法Spectral Feature Fitting和二進制編碼（Binary coding）綜合投票的方式來鑒別牛肉干的品牌。實驗結果表明，所提出的方法是一種能簡便鑒別不同品牌牛肉干的方案，具有較好的實用性和創新性。

關鍵詞：高光譜;食品安全與質量檢測;牛肉干;添加劑

一、我國牛肉干市場存在的問題

牛肉干是四川特產之一，不僅以獨特的風味讓人回味無窮，還具有很高的營養價值，受到消費者的喜愛。但近幾年來，部分牛肉干在生產過程中過量使用添加劑甚至使用國家禁止的添加劑、選用次等或劣質牛肉原料等情況時有曝光，嚴重影響了牛肉干的整體質量形象。已有報道的抽檢顯示：品牌牛肉干也出現了問題。

問題一：濫用添加劑。近日國家質檢總局公布的抽查數據顯示，目前市場上的肉干肉脯食品主要存在細菌總數嚴重超標、大腸菌群超標、山梨酸及苯甲酸含量不符合標準規定、違規添加人工合成色素四種質量問題，部分小型企業、特別是小作坊式企業產品質量低劣。以山梨酸和苯甲酸為例，山梨酸、苯甲酸均為化學合成防腐劑，在一定條件下對霉菌和酵母菌的繁殖起到抑制作用。一些食品企業出于成本考慮，會選用成本較低的防腐劑。山梨酸的成本為苯甲酸的兩三倍，不少企業為了節省成本，選擇并超量使用苯甲酸。

問題二：衛生狀況堪憂。牛肉干作為國人主要休閑食品之一，近年來，我國牛肉干市場規模成高速增長態勢，但牛肉干的食品安全問題日益凸顯，一根繩子、一把刀再加上兩口鍋就可以生產牛肉干了。好壞不一、真真假假，這就是當今的牛肉干市場。菌落總數是重要的微生物學衛生指標，屬于生物性污染指標，是影響食品安全性的重要因素。國家強制性標準GB27262005《熟肉制品衛生標準》規定，肉制品中大腸菌群不得超過30MPN/100g。但是近年來相關部門對肉干食品的抽查表明，大腸桿菌、細菌總數超標現象仍然非常嚴重。

問題三：使用劣質材料。除了違規使用添加劑和衛生指數不達標外，部分企業使用劣質牛肉材料制作牛肉干也是行業的一大問題。印度牛肉質量較差，但價格便宜，幾塊錢一斤便可以出口到中國。央視經濟半小時2013年調查也顯示，來自印度、巴西、澳大利亞等地的牛肉，經中印邊境走私到廣西，通過螞蟻搬家的方式進入中國，走私牛肉凍品未經檢疫，存在嚴重的食品衛生安全隱患。近些年來檢驗牛肉摻假的方法，如電子鼻數據分析方法[1]，基于近紅外光譜分析的方法[2]已有研究。但是這些方法普遍存在成本高，步驟復雜，檢驗時間久等問題，這便給民眾檢測帶來不便，所以，如何快速有效地檢測牛肉干是否添加了某些有害添加劑，并判斷牛肉干的品牌真假，成為一大科研難題。

二、實驗與方法

高光譜技術，就是利用光譜分散原理，在經過光柵后，對分散后的光進行反射吸收率進行精密測量，這樣就可以分辨肉眼無法區別的牛肉干間的光譜特征差別，并且該方法的效率較快，實驗成本較低，是一個有效區分哪個添加了有害食品添加劑的牛肉干，對保護民眾生命健康設置了一道防線，也可以打擊不良商家的“黑加工”市場。本項目提出了一種能利用光譜分析技術鑒別不同品牌牛肉干，并設計了通過分析牛肉干光譜特性，進行添加劑情況分析的方法。

（一）實驗儀器

本次實驗，采用便攜式地物光譜儀ASD開展光譜測量，波譜范圍為350—2500nm，光譜分辨率為3nm，適合本次實驗。在實驗中，用太陽光為光源，在下午兩點開展了牛肉干的光譜數據采集工作。

（二）實驗材料

在超市隨機購買各種牛肉干各三袋，在光譜數據采集實驗中，三種品牌牛肉干的光譜數據被依次測量。實驗樣品處理所用器材：白紙、筆。

（三）研究方法

本次實驗選用牛肉干為實驗材料，通過不同牛肉干的光譜數據進行采集，并對比分析，分析其光譜曲線差異，以自動化判別牛肉干各種調料含量等為目標。

1.實驗樣本制備

從各種的三袋牛肉干隨機選取樣本，按類別順序編號拍照，并選取一組訓練組，一組測試組。

1.棒棒娃、2.老四川金角、3.牛浪漢、4.老四川三鼎

圖1 牛肉干圖片

2.光譜數據采集

先測量白板在太陽光照射下的光譜，并設置為標準光譜。再將探頭用黑板遮住，測量此時暗電流光譜，保存，待用。保存參考光譜和暗光譜，選擇反射率測量模式，分別測量四種牛肉干的光譜數據。測得的光譜特征曲線如圖2所示。

圖2 四種牛肉的光譜測量結果（beaf14分別對應樣本的四種品牌牛肉）

由圖2可見，beaf1（棒棒娃五香牛肉）有明顯的紅邊效應，在紅色波譜范圍的數值明顯高于藍綠波段，因此，其看來就偏暗紅色。beaf3（牛浪漢五香牛肉干）、beaf2（老四川金角五香牛肉干）、beaf4（老四川三鼎五香牛肉干）具有相似的光譜曲線，分別在561nm、580nm、618nm，685nm、713nm，751nm，777nm、840nm具有波峰，分別在590nm、656nm、720nm、820nm、939nm具有波谷。在黃色波段和紅色波段beaf3>beaf2>beaf4，可見牛浪漢五香牛肉干偏黃偏紅、偏亮，這可能是由于添加了牛肉膏所致。而三鼎老四川和金角老四川兩種牛肉，從口感上，金角（beaf2）更硬，三鼎（beaf4）更軟，可見含水量不同，三鼎含水量更高，因水對藍綠波段有較強的吸收作用，在藍綠波段三鼎（beaf4）比金角（beaf2）更暗一些。在紅色波段，beaf2比beaf4亮度高，因此金角比三鼎牛肉干偏黃偏紅一些。而利用金角和三鼎牛肉干在水分上的含量差異導致的光譜差異可以鑒別兩者。由圖可見，可見光波段中，黃色波段、藍綠色波段和紅色波段是幾個關鍵的可用于區分不同品牌牛肉干的成分組成。而且三鼎老四川牛肉的紅色波段最暗，可見在蘇丹紅事件后，三鼎老四川牛肉可能降低了對紅色鮮艷度的要求，其添加蘇丹紅等偏紅色的添加劑含量降低了。可見，紅色波段可以被用于區分三鼎老四川牛肉干和金角老四川牛肉干，黃色波段（550nm）可被用于區分牛浪漢牛肉干和其他幾種牛肉干，紅色波段612nm一階導數可被用于區分棒棒娃和其他種類牛肉。還有857nm近紅外波段反映了不同牛肉干的含水量差異，含水量越高，光譜亮度越低。總之，通過分析不同牛肉干的光譜特性，可以發現，利用光譜差異是可以鑒別不同牛肉品牌的。

3.牛肉干品牌鑒別方法

本研究中，將利用光譜角匹配（Spectral Angle Match，SAM）、光譜特征匹配Spectral feature fitting（SFF）和二進制編碼Binary Coding（BC）三種方法綜合實現牛肉干品牌鑒別的工作。首先，為了突出某個波長范圍的光譜吸收特征，對像元光譜和參考光譜進行包絡線消除處理，去包絡線后的像元光譜和參考光譜在光譜曲線曲率角度、特征吸收深度上存在差異，可分別基于SAM算法和SFF算法實現光譜特征匹配，以鑒別牛肉干的種類。而二進制編碼可以快速實現分類識別。下面以SFF為例，解釋其方法原理，其他兩個方法因較為常用，筆者暫不贅述。

SFF方法可以通過增加一個常量k來調整參考光譜的曲線形狀，以最好地和像元光譜進行擬合匹配，計算公式如下：

ρ′=（ρ+k）/（1.0+k）

其中ρ′為經過變換的參考光譜特征曲線，ρ為參考光譜的原光譜特征曲線（在這里ρ′和ρ都經過包絡線去除處理），k為一常數且k不等于-1。

上式可以變換為ρ′=aρ+b，其中a=1.0/（1.0+k），b=k/（1.0+k）。現在已知一組光譜吸收特征范圍內的參考光譜反射率ρi和像元光譜反射率Pi（i為波段號），為獲得它們的最佳擬合，即經過變換的ρ′i=aρi+b和Pi最佳擬合，利用最小二乘原理，需要∑（Pi-（aρi+b））2=min。

由極值原理，解式（2）得：

a=（n∑Piρi∑Pi·ρi）/n∑ρi2（∑ρi）2

b=∑Pi/n（a∑ρi）/n

得到系數a和b為參考光譜和像元光譜的最小二乘擬合系數，現通過計算ρ和P的相關系數f來表示兩種光譜的擬合度。

三、結果與討論

（一）數據預處理

因光譜在1000nm以上波段范圍屬于近紅外、短波紅外等區域，其噪聲過大，本研究僅僅取光譜取3501000nm譜段進行光譜分析。如圖3為包絡線去除后的光譜曲線圖。

圖3 經包絡線去除后的牛肉干光譜曲線圖

（二）光譜特征對比

分析圖3發現，老四川金角和老四川三鼎牛肉干在光譜曲線的趨勢山近似一致，而棒棒娃和牛浪漢的光譜曲線有較大的差異。在500nm580nm范圍黃色波段beaf3>beaf2>beaf4>beaf1，在677nm756nm紅色波段范圍，beaf3>beaf2>beaf1>beaf4。

（三）牛肉干品牌識別

將之前訓練樣本集合中的光譜數據以tab分隔的形式輸出，并導入ENVI中，并存入envi spectral library名為traindata，保存作為訓練樣本。再將測試樣本集合的光譜數據以tab分隔的形式輸出，并導入ENVI中，將數據存入ENVI spectral library作為測試樣本，這樣便可以通過光譜角制圖法（Spectral Angel Map，SAM）、光譜特征匹配（Spectral Feature Fitting，SFF）以及二進制編碼（Binary Code，BE）的數據處理方法對比分析出每一個測試樣本屬于某一個品牌的概率。通過SAM，SFF，BE三種方法可以鑒定牛肉干的種類。每一個類別的牛肉干選取5個測試樣本進行測試。測試結果表明，利用三種分類算法相結合去綜合分析獲得的評分能很好地區分不同類別的光譜曲線，精度達到了100%。假如能建立不同品牌牛肉干的光譜數據庫，那么通過智能機器學習、深度學習算法，還有可能能進一步提升該方法的智能水平、自動化水平。

四、結論

本項目提出了一種基于光譜分析技術的牛肉干快速鑒別方法，通過實驗分析，可以得出以下結論：

（1）測量得到的不同品牌的牛肉干在黃色、紅色波段的數值具有不同的數值。亞硝酸鹽添加會導致紅色波段的灰度升高，牛肉膏的添加會導致黃色波段的灰度升高;蘇丹紅的添加會導致紅色波段的亮度值高。利用高光譜測量手段，可以無損檢測牛肉干，確認牛肉是否增加了過量添加劑，保護消費者的合法權益。

（2）通過光譜分析技術，如光譜角制圖法、光譜匹配方法、二進制分類方法，能快速確定牛肉干所屬的品牌和類別。

綜上所述，用高光譜技術鑒別添加各種添加劑的牛肉干是可行的，本項目提出一套基于光譜分析技術的牛肉干鑒別方案，實驗結果驗證了其可行性。假如能在打假和質量檢測中能采用本項目所提出的牛肉干光譜分析技術，不僅能實現無損品牌鑒別，而且將提高其檢驗效率。另外，隨著便攜式高光譜成像儀技術的發展，傳感器設備從大變小，從笨重到輕便，光譜分析技術不僅能用于點對點的測量，還可以實現面對面的監測，通過遙感技術還能實現牛肉干定量反演，進而控制牛肉干中各類添加劑含量，這將為牛肉干批量化生產的監控提供一種有效手段，進而促進我國牛肉產業向更好更快的方向發展[3]。

參考文獻：

[1]張申.電子鼻基于數據處理方法對摻假牛肉檢測研究[D].西北農林科技大學，2016.

[2]陳偉.基于近紅外光譜與生物散斑融合的牛肉摻假檢測方法[D].華中農業大學，2018.

[3]王國澤，何燕，李慧，楊曉玉，楊紹斌，劉達玉，唐仁勇.淺談四川牛肉產業現狀[J].肉類工業，2018（01）：5356.

作者簡介：張周（2004—），女，漢族，四川成都人，在讀高中。