高光譜(pu)成像技術(shu)在(zai)食(shi)品品質(zhi)檢(jian)測(ce)中(zhong)的(de)應(ying)用 ——以(yi)辣(la)椒(jiao)粉為(wei)例

紅辣(la)椒(jiao)營養價(jia)值(zhi)豐(feng)富，除了(le)在(zai)食(shi)品料理(li)中(zhong)可作為日常(chang)調味(wei)品，還(hai)有很大(da)的(de)藥用價(jia)值(zhi)。紅(hong)辣(la)椒(jiao)含有豐(feng)富的(de)維(wei)生素C和(he)類胡蘿蔔素(維生素A前(qian)體)，但在(zai)黃(huang)色(se)辣(la)椒(jiao)和(he)綠(lv)色(se)辣(la)椒(jiao)(未成熟狀(zhuang)態(tai))中這兩(liang)種(zhong)維(wei)生素含(han)量(liang)則(ze)顯著(zhu)偏(pian)低(di)。在(zai)自(zi)然(ran)生長環(huan)境(jing)中(zhong)，紅辣(la)椒(jiao)中的(de)類胡蘿蔔素得到(dao)了很好的(de)保護(hu)，但是(shi)采(cai)摘後(hou)的(de)紅(hong)辣(la)椒(jiao)或(huo)辣(la)椒(jiao)粉的(de)儲(chu)存(cun)條件如光照、溫(wen)度(du)、濕(shi)度(du)等(deng)因(yin)素對(dui)類胡蘿蔔素的(de)含(han)量(liang)影響(xiang)很大(da)。有研(yan)究(jiu)報(bao)告(gao)指(zhi)出(chu)，在(zai)有光(guang)照和(he)無(wu)光照的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，類胡蘿蔔素的(de)損(sun)失(shi)量(liang)分別(bie)為9.6％到16.7％不等。

通常(chang)經營(ying)者會使用密(mi)閉(bi)存(cun)儲(chu)、降低(di)溫(wen)度(du)和(he)濕(shi)度(du)等(deng)手段來(lai)減(jian)少紅(hong)辣(la)椒(jiao)中類胡蘿蔔素含量(liang)的(de)損(sun)失(shi)。但是(shi)，壹(yi)些不法(fa)商(shang)家為了(le)牟取(qu)更(geng)多的(de)利(li)益，通常(chang)在(zai)辣(la)椒(jiao)粉中(zhong)添加食用(yong)油或(huo)者sudanhong染料(liao)來(lai)提(ti)亮辣(la)椒(jiao)粉的(de)顏(yan)色(se)，以(yi)次(ci)充好。sudanhong染料(liao)為(wei)*的(de)致(zhi)癌(ai)物，在(zai)*範(fan)圍(wei)內被(bei)禁止(zhi)用作食品添加劑(ji)，而盡管所用的(de)油(you)大(da)部分是(shi)可食(shi)用(yong)的(de)，但(dan)對(dui)於(yu)對油(you)過(guo)敏(min)或(huo)面臨(lin)特(te)定(ding)健康狀(zhuang)況(kuang)的(de)人(ren)仍然有害(hai)。

圖1：純(chun)辣(la)椒(jiao)粉與(yu)摻(chan)油(you)辣(la)椒(jiao)粉的(de)視(shi)覺(jiao)差異

有幾(ji)種(zhong)傳(chuan)統方(fang)法(fa)可(ke)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)紅(hong)辣(la)椒(jiao)中的(de)sudanhong，例如薄層液相(xiang)色(se)譜(pu)（TLC），高效液相色(se)譜(pu)（HPLC）等(deng)方(fang)法(fa)。但(dan)這(zhe)些方法(fa)需(xu)在(zai)實(shi)驗室進行，且(qie)需(xu)要(yao)專(zhuan)業的(de)技術(shu)人(ren)員(yuan)操(cao)作，往(wang)往(wang)耗費(fei)大量(liang)的(de)時間(jian)和(he)人(ren)力物力。

利用(yong)高光譜(pu)成像技術(shu)，可(ke)以(yi)實現(xian)快速(su)檢(jian)測(ce)辣(la)椒(jiao)粉是(shi)否摻(chan)假(jia)。下(xia)面研(yan)究(jiu)實(shi)驗中選(xuan)擇(ze)市面上(shang)常(chang)見(jian)的(de)兩(liang)種(zhong)辣(la)椒(jiao)制作了3類樣(yang)品，分別(bie)為(wei)純(chun)凈辣(la)椒(jiao)粉（class 1）、摻(chan)雜了芥(jie)末(mo)油/橄欖(lan)油的(de)辣(la)椒(jiao)粉（class 2）、和(he)摻(chan)雜了sudanhong的(de)辣(la)椒(jiao)粉（class 3）。利(li)用(yong)Specim FX10采(cai)集(ji)每(mei)組樣(yang)品的(de)高光譜(pu)成像數(shu)據，使用標(biao)準正(zheng)態(tai)變量(liang)轉換(huan)（SNV）和(he)Savitzky-Golay濾波器(qi)依(yi)次(ci)對原始(shi)光(guang)譜(pu)數(shu)據進行了(le)散(san)射(she)校正(zheng)和(he)低(di)通濾波平滑處理，大(da)限度(du)的(de)消(xiao)除各(ge)種(zhong)誤(wu)差，同(tong)時保留了重(zhong)要(yao)的(de)頻譜特(te)征(zheng)。為了消(xiao)除基(ji)線(xian)影(ying)響(xiang)，還(hai)在(zai)Savitzky-Golay濾波後(hou)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)計(ji)算了(le)壹(yi)階導(dao)數(shu)，見(jian)下(xia)圖。

圖2：高光譜(pu)成像系(xi)統（左(zuo)），壹(yi)階導(dao)數(shu)光(guang)譜曲線(xian)（右(you)）（引(yin)自(zi)：Khan Muhammad Hussain, et al."Hyperspectral Imaging for Color Adulteration Detection in Red Chili." Applied Sciences 10.17(2020)）

從導(dao)數(shu)光譜上(shang)可以(yi)看(kan)出(chu)，在(zai)500-600nm波(bo)段範(fan)圍(wei)內摻(chan)油(you)的(de)紅(hong)辣(la)椒(jiao)粉反射(she)光譜(pu)類似(si)於(yu)純(chun)辣(la)椒(jiao)粉，反射(she)峰均在(zai)570nm左(zuo)右，但其反射(she)率(lv)更低(di)壹(yi)些；摻(chan)有sudanhong的(de)紅(hong)辣(la)椒(jiao)粉反射(she)曲線(xian)則(ze)與純(chun)辣(la)椒(jiao)粉有著(zhe)明(ming)顯區(qu)別，反射(she)峰“紅(hong)移(yi)”，出(chu)現(xian)在(zai)590nm左(zuo)右。而且在(zai)650-700nm之間(jian)，兩(liang)種(zhong)辣(la)椒(jiao)粉光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)也出(chu)現(xian)了明(ming)顯差異。

實驗分析(xi)中(zhong)分(fen)別(bie)對(dui)樣(yang)品的(de)全部波段和(he)包(bao)含95%以(yi)上(shang)信(xin)息量(liang)的(de)前(qian)4個主成分訓(xun)練SVM分類器(qi)。結果顯(xian)示，基(ji)於(yu)4個主成分特(te)征(zheng)的(de)分(fen)類器(qi)可達(da)到97％的(de)精度(du)，而使用全部感興(xing)趣波(bo)段訓(xun)練的(de)分(fen)類器(qi)則(ze)可以(yi)將(jiang)分(fen)類精度(du)提(ti)高到100％。這(zhe)壹(yi)結果反映(ying)出(chu)高光譜(pu)成像技術(shu)在(zai)食(shi)品檢(jian)測(ce)領(ling)域具有巨(ju)大(da)的(de)應(ying)用潛力。

易科(ke)泰生態技術(shu)公(gong)司致力於(yu)生態-農業-健康研(yan)究(jiu)發(fa)展與(yu)創新(xin)應(ying)用，為食(shi)品質(zhi)量(liang)檢(jian)測(ce)鑒(jian)定應(ying)用提供高光譜(pu)成像技術(shu)全面解決方案(an)。易(yi)科泰生態健康研(yan)究(jiu)中(zhong)心(xin)依(yi)托(tuo)Ecolab®實(shi)驗室，可(ke)提(ti)供中(zhong)草(cao)藥及食品品質(zhi)檢(jian)測(ce)等(deng)技術(shu)服(fu)務(wu)和(he)實(shi)驗合作。