基于可见光与近红外反射光谱的牛奶光谱特性识别研究

1、基于可见光与近红外反射光谱的牛奶光基于可见光与近红外反射光谱的牛奶光谱特性识别研究谱特性识别研究谢春光+李宇航+夏惠婕+李棒棒摘 要：食品安全是对人身体健康产生极大影响的因素，受到了国家，人民和社会的广大的关注，成为我国主要问题之一。尤其是奶制品，像牛奶这样营养价值高，又性价比有很高的产品，更容易掺假谋取利益。现有的主流分析方法较为复杂，需要时间长，不仅不能快速效率的分析，还会浪费很多资源。因此更迅速有效的分析方法，是帮助高效辨别的必要条件。一但确定可快速分辨的技术手段，对于质检，即时的商品抽测等多方面的测量和检验有很大贡献和意义。要实现快速分辨，首先要识别出特定的牛奶，而牛奶具有特定的光谱，

2、本课题讲述以光谱特征来识别牛奶表面，进而对于牛奶的特定识别与牛奶种类间的区分有重要帮助。关键词：牛奶；光谱；食品安全：o433.4 ：a ：1671-2064（2017）21-0217-031 引言现代检测技术主要为利用具有不同性质的传感器进行测量，用于较为常见的待测参数，而且对于没有适合传感器的参数的测量较为困难。其应用领域主要用于复杂设备或过程等多方面参数的测量，多依赖于传感技术。其较为复杂，需要大量设备，检测周期长，而且需要繁琐的检测技术与方法，还会产生误差较大的现象，而光谱检测技术有着快捷，方便并且对食品样本无损伤的特点，在一定限度内具有有效检查的优势。对于检测食品添加剂和变质过期食品

3、的检测上，此技术可以在更高经济效益的层面上，对食品内有害物质含量进行检测，还有对于不容易看出来的食品掺假现象进行有效检测和打压，是或不可缺的技术并且还拥有很大发展空间，而且近几年来，光谱特征技术被特别用于识别食品，并且在国外已有部分概念产品问世。2 牛奶表面测定本次实验采用 usb2000 光纤光谱仪，光谱量程在 390nm-1100nm 的范围之间，分辨率为 1.5nm。实验光源选取钨灯。本次实验选择从正规渠道购买的新鲜的同一品牌（某品牌牛奶）不同的三个含脂级别的牛奶为实验材料，将部分新鲜牛奶经过特殊处理作为实验中的变质样本进行实验。将不同品质不同含脂量的奶放置于相同大小的塑料碗里，保证液面

4、高度一致，放置于室温状态下的实验室中。连接电脑与 usb2000 光纤光谱仪，取钨灯，将光源投射于白板，将光谱仪的探头固定于升降台上，使探头对准白板，打开 spectrasuite 软件，将所测得的光源光谱保存；将待测的牛奶放置在白板，测量并保存牛奶光谱数据。调整光源辐射度三次，测量不同的辐射度下所对应的新鲜奶的反射光谱，取多组牛奶重复完成多次实验测量。牛奶的好坏品质主要差别在于变质与是否变质。将被测实验对象换成变质的牛奶，在相同条件下测量不同牛奶的反射光谱并保存牛奶光谱数据，取多组牛奶重复完成多次实验测量。牛奶的不同主要表现还在在牛奶里面脂含量差异较大，实验中选取不同含脂量的牛奶（脱脂奶，低

5、脂奶，全脂奶）作为实验条件进行测定。连接电脑与 usb2000 光纤光谱仪，取钨灯，保持其他设备不做改变，在相同条件下换置不同含脂量的牛奶（脱脂奶，低脂奶，全脂奶）测牛奶的反射光谱并保存光谱数据与图像，取多组牛奶重复完成多次实验测量。将实验购买的新鲜不同含脂量的牛奶和制作的变质不同含脂量的牛奶放置于一起，且在实验之前尽量保持有着相同的条件。3 实验结果牛奶光谱是由牛奶内含有物质的特征决定的，而这种特征与牛奶的含脂量，牛奶生产商的制作工艺，添加菌类密切相关。牛奶表面的光反射包括正面光谱反射，还有牛奶对光能吸收，本实验在实验室环境中测量，根据实验环境将其他影响极小因素忽略，只考虑牛奶的正面光谱的反

6、射。根据图 1 实验得到，在可见光谱范围内，600nm 附近有一个不较为明显的波峰，左侧 430nm 有吸收带，并且伴随着牛奶光谱吸收度的减少再增加。随着牛奶脂肪含量的增加，光谱的反射率会逐渐增加，而到一定程度后基本不变。实验测得正常的低脂，全脂某品牌牛奶在近红外波段（760-1000）的光谱特征几乎不受含脂量变化的影响，而脱脂牛奶会光谱反射率会稍微较低。根据图 2 实验得到，在可见光谱范围内，在 600nm 处有一个波峰，左侧 420nm处有一个吸收带，并且伴随着牛奶光谱的吸收度的减少再增加。随着牛奶脂含量的增加，光谱反射率有轻微增加，但至一定程度便无太大变化。实验得出变质的某品牌牛奶在可见

7、光和近红外波段（760-1000）的光谱特征受脂含量的影响有轻微变化，随着脂含量的增加牛奶光谱反射也增加。过期与不过期的某品牌脱脂和低脂据图 3、4、5 实验得到，在各图在约 600nm处有一个波峰，左侧 430nm 处有一个吸收带，而且各图中两个光谱反射率有巨大差异，伴随着牛奶光谱的吸收度增加再减小，而且随着牛奶脂含量的增加，差异逐渐增大，到一定程度趋于不变。實验得出，变质与未变质的低脂和全脂牛奶在近红外波段（760-1000）的光谱特征差异较小，而脱脂牛奶所受影响较大。4 实验误差分析实验中使用光纤光谱仪于可以进行密闭遮光的实验室进行实验，可以人为排除各种光源的干扰，且温度与湿度得到控制。

8、如图 6 所示。在实验过程中，将过期牛奶搅拌均匀，防止其影响表面反射率，减小实验误差。另外实验样品可能会遭到污染，所以在实验过程中，除了拿光谱仪检测的过程中，所有样品均为密封状态。5 结论和讨论实验得到正常牛奶不同含脂量对牛奶表面反射率的影响表现为：随着脂含量的增加，反射率成线性减小关系，而且三种牛奶对于光的吸收度近乎相同，均在430nm 出有一个吸收带，600nm 处有一不较为明显突出的个波峰，总体吸收度由增大到减小再稍微增大。但在于低脂和全脂牛奶之间并无任何太大差异。endprint实验得到变质牛奶不同含脂量对牛奶表面反射率的影响表现为：随着脂含量的增加，反射率成线性减小关系，而且三种牛奶

9、对于光的吸收度近乎相同，均在420nm 出有一个吸收带，600nm 处有一不较为明显突出的个波峰，总体吸收度由增大到减小再稍微增大，趋势无太大差异，只是随着含脂量的增加，牛奶表面的反射率也随之增加。实验得到牛奶品质不同对牛奶表面的反射率的影响表现为：未变质的牛奶普遍所得到的牛奶表面光谱反射率要高于变质的牛奶许多，且随着含脂量的增加，其变化差异就越小。在近红外（760-1000）段差异明显逐渐减小。根据实验得到，某品牌牛奶的牛奶表面光谱，在 600nm 附近有一个波峰，左侧430 纳米处有一个吸收带，右侧吸收度度逐渐增加。在近红外波段可以发现正常的牛奶低脂与全脂并无太大分别，而且低脂则有较明显区

10、分。变质牛奶与正常牛奶的牛奶表面的反射率有极大不同，表现为正常牛奶在对应吸收带以及波峰上的吸收度和反射率远远大于变质牛奶，因此可以有效区分。综上得出结论：通过可见光波段反射光谱的研究，可以根据 600nm 的波峰与430nm 的特征吸收带作为光谱特征研究牛奶的变质情况。通过对近红外波段反射光谱的研究，对于分别牛奶的含脂量有帮助。参考文献1金小俊，陈勇，孙艳霞.农田杂草识别方法研究进展j.农机化研究，2011，（07）：23-27+33.2付兴虎.苹果含糖量近红外检测系统的研究d.燕山大学，2007.3金同铭宋芳.黄瓜维生素 c 含量的非破坏分析法近红外光谱法j.食品科学，1993（06）：68-70.4周全，朱大洲，王成，郑耀，王秋平，马智宏.成像光谱技术在农产品_食品检测中的研究进展j.食品科学，2010，（23）：423-428.5张宁，陈蓁蓁，唐波.荧光成像在生物分析中的应用j.分析化学，2006.（07）：1030-