張辰璐 朱欣然 胡順石* 陳子晗 陳俞池 李心怡

1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410081 2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 北京 100101 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

豬肉是我國(guó)居民最主要的食用肉種類之一，豬肉的新鮮度是保障消費(fèi)者“舌尖上的安全”的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的豬肉新鮮度檢測(cè)一般采用實(shí)驗(yàn)室分析檢驗(yàn)方法，需要依靠專業(yè)、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析，普通消費(fèi)者無(wú)法使用[1]。近年來(lái)，由于光譜分析技術(shù)的快速、高效、無(wú)損、非接觸等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為冷鮮肉新鮮度的無(wú)損、快速檢測(cè)提供了新的思路[2～4]。近年來(lái)眾多學(xué)者將光譜分析技術(shù)應(yīng)用于豬肉新鮮度的檢測(cè)，通過(guò)分析不同肉類的光譜特征，采用經(jīng)驗(yàn)或機(jī)理模型，構(gòu)建肉類新鮮度檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鮮肉新鮮度的快速、無(wú)損檢測(cè)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5～10]。黃長(zhǎng)平[11](2018)等基于PSR便攜式光譜采集系統(tǒng)，基于豬肉內(nèi)肌紅蛋白質(zhì)含量與新鮮度變化的關(guān)系，提出在760nm光譜附近構(gòu)建反映肌紅蛋白質(zhì)吸收特征的豬肉新鮮度指數(shù)(Fresh Index，F(xiàn)I)，解決了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建模型，缺乏明確物理意義，適用性差等問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了FI指數(shù)的有效性，為低成本、手持式簡(jiǎn)易豬肉新鮮度光譜檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)采用光譜分析技術(shù)在豬肉新鮮度檢測(cè)方面的研究，仍受限于光譜采集設(shè)備，由于設(shè)備的昂貴，大多數(shù)研究人員所采用的設(shè)備為點(diǎn)光譜設(shè)備[12]，只能獲取分析樣本的局部點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)豬肉樣本整體的新鮮度分布情況進(jìn)行分析，掩蓋了豬肉新鮮度在空間分布上的差異性。

本文利用中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所自主研發(fā)的地面成像光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)(Field Imaging Spectrometer System，F(xiàn)ISS)，連續(xù)地采集冷鮮肉樣本的成像光譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合豬肉新鮮度指數(shù)FI，考慮豬肉新鮮度的空間特征差異，提出一種能夠綜合反映樣本總體新鮮度特征的均一化豬肉新鮮度指數(shù)(Pork Average Fresh Index，PAFI)，實(shí)現(xiàn)了豬肉新鮮度空間連續(xù)成像檢測(cè)過(guò)程，為肉類檢測(cè)在空間特征的研究提供參考。本文為高光譜成像技術(shù)在肉類食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論和方法支撐。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 儀器與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用中科院遙感地球所研制的地面成像光譜儀FISS系統(tǒng)進(jìn)行成像光譜數(shù)據(jù)獲取。FISS的空間分辨率可達(dá)毫米，能在可見(jiàn)/近紅外波段處連續(xù)采集344個(gè)波段的光譜數(shù)據(jù)(光譜分辨率優(yōu)于5nm)，具有“圖譜合一”的優(yōu)勢(shì)。FISS系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

本文共選取4類冷鮮肉樣本用于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，包括：普通冷鮮豬肉(P)、黑豬肉(H)、冷鮮肥肉(F)、冷鮮雞肉(C)。其中2種不同類型的豬肉各設(shè)置2個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，分別記為P1、P2、H1、H2，選取豬后腿肉用于實(shí)驗(yàn)，以減少脂肪對(duì)于光譜檢測(cè)結(jié)果的影響。選取雞胸肉與豬后腿上的肥肉樣本作為對(duì)比樣本，用于檢驗(yàn)本文所使用方法的可靠性。

表1 FISS系統(tǒng)主要參數(shù)

Table 1 The main parameters of FISS system

波段數(shù)/個(gè)Band number344光譜范圍/nm Spectral wavelength410～860光譜分辨率/nm Spectral resolution>5地面分辨率/mm Ground resolution>2實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)精度/% Laboratory Radiometric Calibration Accuracy>5成像速率/(幀s-1)imaging speed<20掃描視場(chǎng)/(°)field of view-20～+20信噪比 signal to noise>500(60% band)光譜采樣間隔/nm Spectral sampling interval～1.4

豬肉新鮮度數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為暗室，將制備好的冷鮮肉樣本置于試驗(yàn)臺(tái)上，暴露于室溫環(huán)境，每間隔6h采集一組光譜數(shù)據(jù)，共采集36h內(nèi)的7組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為降低雜散光對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響，實(shí)驗(yàn)在光學(xué)暗室內(nèi)進(jìn)行，光源為專用鹵素?zé)?，光譜采集設(shè)備為FISS成像系統(tǒng)。將FISS放置于桌面并與試驗(yàn)臺(tái)保持相對(duì)固定直至整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成，光學(xué)白板置于樣本中間位置，用于后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反射率校正過(guò)程。為避免儀器噪聲、操作等對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響，在每次數(shù)據(jù)采集前，需將鹵素?zé)襞cFISS系統(tǒng)提前預(yù)熱5～10min。

對(duì)放置不同時(shí)間采集到的豬肉樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括影像的裁剪、拼接、平域場(chǎng)校正、光譜去噪等，圖1為預(yù)處理后得到的36h內(nèi)的新鮮度檢測(cè)影像與光譜數(shù)據(jù)。由于前34個(gè)波段數(shù)據(jù)的信噪比較低，難以應(yīng)用于分析，因此本文僅應(yīng)用415nm～1 000nm范圍內(nèi)共310個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析。圖1(a)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集的樣本照片，圖1(b)～圖1(h)為FISS系統(tǒng)采集的豬肉新鮮度成像數(shù)據(jù)，從依次為00、06、12、18、24、30、36h采集數(shù)據(jù)；圖1(i)為樣本H1在00h影像樣本上隨機(jī)選取的50條原始DN值剖面光譜數(shù)據(jù)；圖1(j)為進(jìn)行平域場(chǎng)校正后的反射率剖面數(shù)據(jù)；圖1(k)為采用均值濾波進(jìn)行光譜去噪后的反射率數(shù)據(jù)。

圖1 FISS系統(tǒng)采集的豬肉成像光譜數(shù)據(jù)Fig. 1 Imaging spectral data collected by FISS system(a)0h樣本照片 (b)(h)0h～36h樣本FISS成像數(shù)據(jù) (i)原始DN值數(shù)據(jù) (j)轉(zhuǎn)換反射率后剖面數(shù)據(jù) (k)反射率去噪后的反射率數(shù)據(jù)

1.2 豬肉新鮮度指數(shù)(Fresh Index，F(xiàn)I)計(jì)算

黃長(zhǎng)平[11](2018)等提出在760nm光譜附近構(gòu)建反映肌紅蛋白質(zhì)吸收特征的豬肉新鮮度指數(shù)FI，彌補(bǔ)了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建模模型適用度不高的問(wèn)題。由于肌紅蛋白質(zhì)是豬肉中主要的色素物質(zhì)，其氧化生成氧合肌紅蛋白的過(guò)程能夠反映豬肉新鮮度的變化，而760nm波長(zhǎng)附近正是肌紅蛋白質(zhì)的典型光譜吸收特征帶[13]，因此FI能夠有效反映豬肉新鮮度的變化情況。

FI構(gòu)建過(guò)程如公式(1)、(2)：

(1)

(2)

其中，F(xiàn)I為豬肉新鮮度光譜特征指數(shù)，Rt為特征波段760nm處的光譜反射值，RL、RR為不受肌紅蛋白影響的參考波段，分別位于742nm與815nm附近。ΩL、ΩR、Ωt分別為以RL、RR、Rt為中心波長(zhǎng)的5鄰域集合，Ri為鄰域內(nèi)各個(gè)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的反射值，N為鄰域內(nèi)波段總數(shù)。隨著豬肉新鮮度的下降，肌紅蛋白質(zhì)含量降低，F(xiàn)I指數(shù)降低。

1.3 均一化豬肉新鮮度指數(shù)(Pork Average Fresh Index，PAFI)構(gòu)建過(guò)程

FI是基于點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)提出，其僅能夠反映樣本局部區(qū)域上的新鮮度水平，難以有效代表樣本整體的新鮮度狀態(tài)。而基于FISS系統(tǒng)的新鮮度檢測(cè)數(shù)據(jù)屬于面成像數(shù)據(jù)，其與FI結(jié)合，能夠獲取樣本新鮮度的空間分布情況。通過(guò)綜合樣本各處的新鮮度指標(biāo)FI，能夠更為準(zhǔn)確的對(duì)樣本整體的新鮮度狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)也為用戶提供更為直觀準(zhǔn)確的新鮮度表達(dá)方式。本文通過(guò)計(jì)算樣本區(qū)域內(nèi)的FI均值構(gòu)建PAFI指數(shù)，構(gòu)建公式(3)：

(3)

其中，PAFI為均一化豬肉新鮮度指數(shù)，F(xiàn)Ip為同一豬肉樣本內(nèi)各像素上的新鮮度指數(shù)FI，當(dāng)FIp超出指定范圍，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)受噪聲及環(huán)境影響較大，為異常數(shù)據(jù)不參與計(jì)算。N為同一樣本內(nèi)FIp在區(qū)間[-5,5]內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，是參與PAFI計(jì)算的像元個(gè)數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基于FISS數(shù)據(jù)的豬肉新鮮度檢測(cè)結(jié)果

圖2(a)～圖2(g)為0h～36h為基于FISS系統(tǒng)的豬肉新鮮度檢測(cè)結(jié)果，各像元表示該像素區(qū)域內(nèi)的樣本總體新鮮度指數(shù)FI值。圖示結(jié)果接近藍(lán)色表示樣本新鮮度水平越高，接近棕紅表示新鮮度低，黃白區(qū)域?yàn)橹械刃迈r度水平，黑色為FI值超過(guò)[-2,2]區(qū)間的像元。

圖2 FISS系統(tǒng)新鮮度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖2可知，在不同的檢測(cè)時(shí)段，各冷鮮豬肉樣本新鮮度分布均存在空間異質(zhì)性，各處新鮮度值FI差異較大，因此局部單一的FI值存在較大的波動(dòng)性，難以準(zhǔn)確代表樣本整體的新鮮度狀態(tài)；在初始檢測(cè)時(shí)刻，各冷鮮豬肉樣本新鮮度指數(shù)值FI分布于區(qū)間[0.6,2.0]為多，樣本整體新鮮度水平較高，隨著時(shí)間的增加，各冷鮮豬肉樣本FI值逐漸降低，在36h后豬肉樣本FI值聚集分布于區(qū)間[-0.6,0.2]，樣本整體新鮮度水平較高，F(xiàn)I指數(shù)表現(xiàn)出顯著的新鮮度變化過(guò)程；雞肉、肥肉樣本在36h內(nèi)FI值無(wú)顯著規(guī)律變化，由于該兩類樣本不含有肌紅蛋白質(zhì)，因此FI指數(shù)不適用于該兩類樣本的新鮮度檢測(cè)過(guò)程，同時(shí)也證明了FI指數(shù)對(duì)于肌紅蛋白質(zhì)的敏感探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

2.2 均一化豬肉新鮮度指數(shù)PAFI檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)統(tǒng)計(jì)各樣本內(nèi)FIp在[-5,5]范圍內(nèi)的像元值，根據(jù)式(3)得到各個(gè)豬肉樣本的均一化新鮮度指數(shù)PAFI，結(jié)果如表2與圖3所示。

表2 PAFI豬肉新鮮度檢測(cè)結(jié)果

圖3 PAFI豬肉新鮮度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表2與圖3，各豬肉樣本在初始檢測(cè)時(shí)的新鮮度水平不同，樣本H1與樣本P1表現(xiàn)出較好的初始新鮮度水平，初始PAFI值分別為0.9192、1.1408，樣本H2、P2相對(duì)較差。

隨著放置時(shí)間的增加，豬肉樣本整體開(kāi)始變質(zhì)，新鮮度水平下降，各個(gè)樣本的均一化新鮮度指數(shù)PAFI值均逐漸降低。

樣本在初始的12h內(nèi)新鮮度變化較快，同時(shí)PAFI變化速率較快，在后24h內(nèi)新鮮度變化過(guò)程變緩，PAFI指數(shù)變化趨勢(shì)下降。

PAFI相較于FI指數(shù)能夠綜合樣本上各處的新鮮度狀況，從而對(duì)樣本整體的新鮮度水平綜合評(píng)價(jià)，能夠更好的反映豬肉樣本整體的新鮮度變化過(guò)程，避免了選取局部FI值，難以對(duì)樣本進(jìn)行代表，導(dǎo)致檢測(cè)具有偶然性的問(wèn)題。

2.3 基于FISS數(shù)據(jù)的豬肉新鮮度檢測(cè)結(jié)果定量分析

為了更好的了解樣本內(nèi)各個(gè)像元FI值的變化過(guò)程，本文統(tǒng)計(jì)了4個(gè)豬肉樣本內(nèi)，不同范圍FI值對(duì)應(yīng)像元個(gè)數(shù)的變化過(guò)程，結(jié)果如圖4。

圖4 各樣本內(nèi)不同范圍FI值對(duì)應(yīng)像元個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

其中FI值被分割為7個(gè)尺度，統(tǒng)計(jì)各樣本不同時(shí)段內(nèi)屬于某一FI尺度內(nèi)的像元個(gè)數(shù)n，并與樣本整體的像元總量N進(jìn)行比值計(jì)算，求取在這一FI尺度內(nèi)像元個(gè)數(shù)n占總體像元量N的比重P。

通過(guò)圖4，在時(shí)間軸上，樣本H1中50%以上的像元初始新鮮度值落在尺度[0.2,1.0]下，其中尺度[0.6,1.0]下的約占34%，尺度[0.2,0.6]下的約占25%。隨著時(shí)間的增加，36h后，F(xiàn)I尺度在[0.2,0.6]下的像元比重增長(zhǎng)為約59%，尺度[0.6,1.0]下的像元比重降低為僅9%左右，而在[-0.2,0.2]尺度下的像素增長(zhǎng)為30%附近，表明隨著時(shí)間的增加樣本H1中“新鮮”像元的比例逐漸降低，“變質(zhì)”像元的比例逐漸增高，樣本逐漸向“變質(zhì)”像元轉(zhuǎn)化。

其余樣本的變化趨勢(shì)與H1相似，F(xiàn)I屬于[-0.2,0.2]尺度下的“變質(zhì)”像素比重分別由10%、4%、24%增加為51%、33%、72%，而“新鮮”像元比重分別由24%、20%、15%降低為4%、11%、1%。隨著時(shí)間的增加，各個(gè)樣本均由初始的新鮮狀態(tài)向變質(zhì)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，新鮮像元所占比重下降，變質(zhì)像元比重上升，樣本整體新鮮度降低。

圖5為各樣本內(nèi)特定FI尺度下像元統(tǒng)計(jì)數(shù)量與時(shí)間之間的關(guān)系曲線，將FI重新劃定為4個(gè)尺度：[-5,0.2]、[0.2,0.6]、[0.6,1.0]、[1.0,5.0]，分別記做FI-D、FI-C、FI-B、FI-A，表示豬肉樣本新鮮度的4個(gè)等級(jí)。

對(duì)于A、B等級(jí)，豬肉內(nèi)的像元數(shù)量隨時(shí)間的增加而逐漸降低，表現(xiàn)為新鮮度的逐漸降低。

對(duì)于C等級(jí)，樣本H1、P1表現(xiàn)為上升，而H2、P2表現(xiàn)為下降，說(shuō)明該區(qū)間為新鮮度變化的主要過(guò)度區(qū)域，大量的樣本在這一區(qū)間發(fā)生了跨越。

在D等級(jí)上的樣本數(shù)量表現(xiàn)為顯著的增加過(guò)程，大量的像素轉(zhuǎn)化為“變質(zhì)”像元。

圖5 不同新鮮度等級(jí)下像元統(tǒng)計(jì)數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系

2.4 基于FISS數(shù)據(jù)的豬肉、肥肉、雞肉樣本光譜特征對(duì)比分析

通過(guò)選取不同樣本的光譜特征曲線(各50條并均值化處理)，得到各樣本的典型光譜特征曲線，如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為波段號(hào)，縱坐標(biāo)為反射率值，不同顏色的曲線表示放置不同時(shí)間樣本的典型光譜特征曲線。

圖6 豬瘦肉、豬肥肉、雞肉樣本光譜特征曲線

通過(guò)圖6(a)、(b)、(c)對(duì)比分析，四種類型的樣本隨著時(shí)間的變化，在反射率強(qiáng)度上均有所降低；在所有時(shí)間上，肥肉的反射率值都遠(yuǎn)高于其余兩種類型的樣本；同種樣本的光譜特征曲線雖然在局部上發(fā)生細(xì)微的變化，然而其總體特征一般相同，而根據(jù)圖6(d)，不同種肉類樣本的光譜特征則表現(xiàn)出顯著的差異；豬肉在760nm附近表現(xiàn)出顯著的吸收特征，因此FI指數(shù)能夠很好地表現(xiàn)其新鮮度的變化過(guò)程，而雞肉與肥肉在760nm附近并無(wú)顯著的吸收特征，因此在圖2上難以表達(dá)其新鮮度隨時(shí)間的顯著變化規(guī)律。

3 結(jié)論

本文利用自主研發(fā)的地面成像光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)(Field Imaging Spectrometer System，F(xiàn)ISS)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)、空、譜一體化的豬肉新鮮度檢測(cè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程的空間可視化和對(duì)樣本新鮮度空間異質(zhì)性的探測(cè)研究。實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)ISS采集的成像光譜數(shù)據(jù)能夠更好地反映豬肉樣本新鮮度的時(shí)空變化過(guò)程，并能夠?qū)ν回i肉樣本新鮮度的空間差異性進(jìn)行探測(cè)，且由于對(duì)比樣本雞肉、肥肉在肌紅蛋白特征波段無(wú)顯著的吸收特征，因而難以表達(dá)其新鮮度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

本文還提出了一種考慮樣本整體新鮮度的均一化豬肉新鮮度指數(shù)(Pork Average Fresh Index，PAFI)，相較于FI指數(shù)，PAFI指數(shù)具有更加穩(wěn)健的探測(cè)效果，能夠更有效地表達(dá)同一豬肉樣本整體的新鮮度變化過(guò)程，有效減少了選取局部FI值所導(dǎo)致的偶然性誤差。本文為高光譜成像技術(shù)在肉類食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用做出進(jìn)一步的探究。