王泓鵬，萬(wàn) 雄，袁汝俊

中國(guó)科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083

引 言

未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)世界橄欖油消費(fèi)量將繼續(xù)呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而我國(guó)食用油60%依賴于進(jìn)口，橄欖油的進(jìn)口量高達(dá)95%(2014年)，糧油安全面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。 國(guó)內(nèi)民眾對(duì)營(yíng)養(yǎng)保健的盲目跟風(fēng)以及缺乏橄欖油的理性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致一些不法商販為達(dá)到以次充好、以假亂真的目的大量進(jìn)口低品質(zhì)的橄欖油或橄欖果渣油，危害廣大人民群眾的健康[3]。 Sales等采用新型大氣壓化學(xué)電離(APCI)源與氣相色譜(GC)相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)使用多變量分析和創(chuàng)建具有分子片段的響應(yīng)組合的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)未知油品進(jìn)行驗(yàn)證，并獲得油品分類準(zhǔn)確度為70%的結(jié)果[4]。 Torrecilla等采用紫外-分光光度法鑒別了特級(jí)初榨橄欖油中摻入精煉橄欖油和果渣油的研究，當(dāng)摻偽量低于10%時(shí)，識(shí)別效果大于97%[5]。 Hernández-Sánchez等利用三維熒光光譜技術(shù)模擬特級(jí)初榨橄欖油中與氧化過(guò)程相關(guān)的化合物的預(yù)期變異性，有助于監(jiān)測(cè)在零售市場(chǎng)獲得的特級(jí)初榨橄欖油樣品在2個(gè)月內(nèi)暴露于間接光照下的光譜演變[6]。 此外紅外光譜法[7]、拉曼光譜法[8-10]、基因檢測(cè)[11]和DNA條形碼技術(shù)[12]等也被應(yīng)用于特級(jí)初榨橄欖油的摻偽檢測(cè)。 以上幾種光譜技術(shù)在橄欖油檢測(cè)技術(shù)中具有重要價(jià)值，但在實(shí)際推廣中又有自身的缺點(diǎn)和劣勢(shì)。 因此，為實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)便、時(shí)效性更強(qiáng)的特級(jí)初榨橄欖油檢測(cè)方法，提出一種基于超連續(xù)光譜特級(jí)初榨橄欖油的快速檢測(cè)方法。

超連續(xù)譜光源的光譜覆蓋范圍從可見光到紅外波段，平均功率可達(dá)數(shù)瓦，由于超連續(xù)譜光源可保持入射光的光學(xué)相干性，并將激光的高亮度和聚焦性質(zhì)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)又具有白熾燈般的連續(xù)光譜。 作為光源既可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得檢測(cè)樣本的寬譜段光譜信息又能體現(xiàn)出樣本與激光相互作用的光譜特性。 與分光光度計(jì)的吸收透射光譜法相比，采用超連續(xù)譜光源的檢測(cè)方法可在更短的時(shí)間內(nèi)、以更簡(jiǎn)便的操作流程實(shí)現(xiàn)特級(jí)初榨橄欖油的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用安揚(yáng)超連續(xù)譜光源SC-PRO，可見光增強(qiáng)型超連續(xù)譜光源，光譜范圍400～2 400 nm，功率≥4 W，可見光功率大于900 mW，重復(fù)頻率可調(diào)(0.1～25 MHz)，功率穩(wěn)定性小于1%，脈沖能量大于1 μJ，脈寬100 ps； 光譜儀選用愛(ài)萬(wàn)提斯光譜儀型號(hào)為AvaSpec-2048-USB2 ，光譜測(cè)量范圍200～750 nm，狹縫寬度10 μm，光學(xué)分辨率最高可達(dá)0.05 nm。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光器功率900 mW，光譜儀曝光時(shí)間50 ms，平均2次保存一條光譜，超連續(xù)譜光源的可見光譜如圖2所示。

1.2 樣本采集

實(shí)驗(yàn)所用的植物油均來(lái)自上海市某大型超市，不同品牌的特級(jí)初榨橄欖油、菜籽油、茶油、芝麻油、稻米油、葵花油、玉米油以及大豆油，如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 超連續(xù)譜光源的可見光譜

表1 不同品牌的植物油

1.3 積分球中植物油的可見光超連續(xù)譜吸收透射光譜采集及預(yù)處理

控制室溫恒定，確保采集時(shí)植物油及所處環(huán)境的溫度恒為25 ℃(±1 ℃)。 調(diào)試光譜儀及超連續(xù)譜光源，采集激光器原始光譜數(shù)據(jù)并控制光源光譜的抖動(dòng)； 使用移液槍將49個(gè)樣本分別注入編號(hào)的采樣管中(1.5 mL)； 分別采集不同種類植物油在超連續(xù)譜光源激發(fā)下的透射光譜和吸收光譜，如圖3(a)、圖4(a)所示，圖3(b)、圖4(b)是相對(duì)應(yīng)的透射光譜和吸收光譜強(qiáng)度等高線圖。 圖3(c)、圖4(c)為對(duì)光譜數(shù)據(jù)校正，去除無(wú)關(guān)信息(如噪聲、雜散光以及背景信號(hào)等)的光譜預(yù)處理結(jié)果； 圖3(d)、圖4(d)是相對(duì)應(yīng)的透射光譜和吸收光譜強(qiáng)度等高線圖； 圖3(e)、圖4(e)分別是面積歸一化的透射光譜和吸收光譜圖。 為更好地了解每種植物油的光譜指紋特性受非物種差異(如品牌、產(chǎn)地及氣候等)的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)每種植物油進(jìn)行了不同品牌的光譜測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 造成不同植物油的超連續(xù)光譜差異的主要因素

熒光活性物質(zhì)是導(dǎo)致超連續(xù)光譜差異的主要因素，其中葉綠素是綠色植物中廣泛存在的一種天然熒光活性物質(zhì)。 葉綠素作為一種植物光合色素，在植物光合作用中具有吸收光能以實(shí)現(xiàn)自身離子化的作用，并非只有葉子才存在葉綠素，葉柄、果實(shí)及種子中都含有一定量的植物色素。 植物油在加工和生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)保留一定量的植物色素，而不同種類植物油所含有的色素和比例均有一定差異，這種光合色素的差異就會(huì)在超連續(xù)光譜中體現(xiàn)出不同的光譜特性。 特級(jí)初榨橄欖油由于采用物理冷榨的加工工藝，像光合色素這種不穩(wěn)定的抗氧化物質(zhì)得以大量保留，如圖5所示，葉綠素a的分解代謝過(guò)程。 除此之物，特級(jí)初榨橄欖油富含酚類等抗氧化劑以及大量的單不飽和脂肪酸，此為特級(jí)初榨橄欖油與其他植物油超連續(xù)光譜差異的主要因素。

圖3 不同植物油樣本的超連續(xù)激光透射光譜

2.2 超連續(xù)光譜曲線相關(guān)系數(shù)在特級(jí)初榨橄欖油檢測(cè)中的應(yīng)用

皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式如式(1)所示

(1)

式(1)中，協(xié)方差cov(X，Y)是反應(yīng)隨機(jī)變量X和Y相關(guān)程度的指標(biāo)，若兩變量同時(shí)變大或是變小，則兩變量的協(xié)方差為正值，說(shuō)明兩變量正相關(guān)； 若其中一變量隨著另一變量的增加而變小，則兩變量的協(xié)方差為負(fù)值，說(shuō)明兩變量負(fù)相關(guān)。 雖然協(xié)方差可反映出兩個(gè)變量的相關(guān)性，但協(xié)方差值的大小難以度量?jī)蓚€(gè)隨機(jī)變量的相關(guān)程度。 為更好地度量不同變量間(不同光譜數(shù)據(jù))的相關(guān)程度，在協(xié)方差的基礎(chǔ)上除以兩個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)差，因此皮爾遜相關(guān)系數(shù)的取值在-1和1之間。 當(dāng)0<ρX，Y<1時(shí)，表示正相關(guān)，當(dāng)-1<ρX，Y<0時(shí)，表示負(fù)相關(guān)，當(dāng)ρX，Y=0時(shí)，表示兩變量之間不存在線性相關(guān)關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)中采集49個(gè)樣本的透射光譜和吸收光譜曲線，分別計(jì)算49個(gè)樣本除噪后歸一化的透射光譜和吸收光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)，如圖6所示。

圖6(a)為49個(gè)樣本除噪后歸一化的透射光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)雷達(dá)圖，坐標(biāo)范圍圖6(b)為49個(gè)樣本除噪后歸一化的透射光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)偽彩色圖； 圖6(c)為49個(gè)樣本除噪后歸一化的吸收光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)雷達(dá)圖，坐標(biāo)范圍圖6(d)為49個(gè)樣本除噪后歸一化的吸收光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)偽彩色圖。

由圖6(a, b, c, d)可以看出，不同種類樣本間光譜的皮爾遜相關(guān)系數(shù)差異較大，同種類樣本間光譜的皮爾遜相關(guān)系數(shù)差異較小，其中除噪后歸一化的吸收光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)顯示不同橄欖油樣本間光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.901 1，其他種類植物油與橄欖油樣本的光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0.172 2～0.899 0之間。 因此，可設(shè)ρX，Y=0.901 1為橄欖油的判別閾值，將未知樣本與已知橄欖油樣本除噪后歸一化的吸收光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)比并將ρX，Y>0.901 1作為橄欖油的識(shí)別依據(jù)，圖6(d)更為直觀的說(shuō)明透射光譜的皮爾遜相關(guān)系數(shù)優(yōu)于吸收光譜的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。

圖4 不同植物油樣本的超連續(xù)激光吸收光譜

圖5 葉綠素a的分解代謝過(guò)程

3 結(jié) 論

采用超連續(xù)譜光源可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲得滿意的光譜信息，與分光光度法相比，本研究所設(shè)計(jì)的方案可有效縮短測(cè)量時(shí)間、簡(jiǎn)化操作流程、降低檢測(cè)成本，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)性。

圖6 光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)雷達(dá)和偽彩色圖

雷達(dá)圖中的49個(gè)樣本分別有與之對(duì)應(yīng)的一維坐標(biāo)軸并均勻分布在360°范圍內(nèi)，不同編號(hào)的坐標(biāo)軸上分布該編號(hào)樣本與其他48個(gè)樣本的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。 偽彩色圖中兩坐標(biāo)軸均為樣本編號(hào)，不同樣本間的透射光譜曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)用彩色表示

Fig.6ThespectralcurvePearsoncorrelationcoefficientradarandpseudo-colormap

(a): Pearson correlation coefficient radar map of transmission spectrum curve; (b): Pearson correlation coefficient pseuda color map of transmission spectrum curve; (c): Pearson correlation coefficient radar map of absortpion spectrum curve; (d): Pearson correlation coefficient pseuda color map of absortpion spectrum curve

Note: 49 samples in the radar map have corresponding one-dimensional coordinate axes and are evenly distributed within 360°, the pearson correlation coefficients of the numbered samples and the other 48 samples were distributed on the corrdinate axes of different numbers. In the pseudo color image, the two axes are sample numbers. The pearson correlation coefficient of transmission spectrum curve between different samples is expressed in color

在同一種實(shí)驗(yàn)方案下，采用超連續(xù)透射光譜的有效識(shí)別率低于超連續(xù)吸收光譜的有效識(shí)別率，研究結(jié)果表明，采用超連續(xù)譜光源、積分球和皮爾遜相關(guān)系數(shù)法相結(jié)合的技術(shù)方案可對(duì)橄欖油進(jìn)行有效的檢測(cè)。 該研究對(duì)橄欖油的人工智能快速實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)具有一定的參考價(jià)值，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)橄欖油市場(chǎng)亂象的整治和國(guó)內(nèi)橄欖油市場(chǎng)的規(guī)范具有一定的應(yīng)用價(jià)值。