探究光谱数据融合技术在食品检测中的应用

杜华楠 佘铁军 张嘉宝 张蕾

齐齐哈尔疾病预防控制中心 黑龙江齐齐哈尔 161000

食品质量安全问题是关乎国计民生的大事，随着经济的快速增长，物质生活质量的提高，人们对食品安全的要求越来越高。近年来频繁爆发的食品安全事件，使食品的质量安全问题成为社会关注的热点。食品质量安全检测包括掺假食品检测，农药残留检测，添加剂超标检测，以及食品产地来源检测，特殊成分检测等。传统的检测技术主要为色谱法和质谱法，包括高效液相色谱法（HPLC）、液相色谱-质谱法（LC-MS）、气相色谱-质谱法（GC-MS）等，这些技术的样品前处理过程复杂，不利于现场的快速检查。与此同时，光谱检测技术迅速发展，其不仅不需要复杂的样品前处理过程，而且可以进行实时实地检测，被广泛应用于口岸等特定场合的食品质量安全筛查。利用不同光谱的优势进行互补的光谱数据融合技术是近年来新兴的一种无损检测技术，可以对食品进行快速的定性定量分析。如拉曼光谱可以检测原子的非极性键振动，如N-N，C-C，S-S 键等，红外光谱可以检测具有红外活性的分子，即一些极性基团的谱带信号较强，如C-H，N-H 和O-H 键等，两者在分子基团定性检测中是互补的关系。目前常用的光谱数据融合技术有拉曼-红外光谱技术，近红外-中红外光谱技术和紫外-红外光谱技术，由于这些技术获得的信息更准确更全面，成为近年来国内外研究的热点。因此本文介绍了光谱数据融合技术的特点，数据融合常用的化学计量学方法以及在食品检测中的应用，并对该技术的未来发展进行了展望[1]。

1 光谱数据融合技术简述

1.1 系统构成

光谱数据融合技术主要包括硬件设备与软件，硬件部分是传感器，传感装置主要由物镜、光谱仪和CCD 阵列数据单元构成；而软件部分则主要是数据采集和处理软件。通过软件系统与硬件系统的配合，提高了光谱数据融合技术的应用水平。

1.2 检测原理

实践应用中，通过光谱仪器和设备可实现对检测目标的识别与分析。光谱数据融合技术的应用，能够提升检测效率，提升检测系统的抗环境干扰能力。光谱检测仪器主要分为经典光谱仪和新型光谱仪，经典光谱仪以空间色散原理为主要工作方式，根据组件分光原实现检测。光谱仪可实现对数据资源的采集、处理和存储，目前大部分光谱仪较为先进。将光谱数据融合技术应用在食品安全检测中，可有效提升工作效率、节约检测时间[2]。

2 光谱数据融合技术在食品检测中的实践应用

2.1 紫外-红外光谱技术

紫外光谱根据分子在紫外光区的吸收光谱图获取物质信息，目前已经广泛用于生化、药物、环境等领域。这种方法可以对食品的物质构成进行定性、定量、结构分析等。将紫外光谱技术和红外光谱技术结合，可以提高单个光谱的准确率和灵敏度，在食品质量安全检测方面已有广泛应用。利用紫外-红外光谱技术对绒柄牛肝菌种类产地进行判别，对紫外光谱和红外光谱分别进行2D+Savitzky-Golay 平滑和2D+SNV+MSC 优化处理，通过PLSDA 提取VIP 大于1 的波段进行中级数据融合。结果显示中级数据融合建立的PLS-DA 和SVM 判别模型对未知样品产地的预测正确率分别为81.25%、96.88%，鉴别效果优于其他技术，表明中级融合对不同产地牛肝菌区分效果最佳，且SVM 判别模型与PLS-DA模型相比更加稳定、可靠。利用紫外-近红外光谱技术对蔬菜细胞的ATP 含量进行无损检测。结果显示特征层融合的模型能很好的预测细胞原生质体ATP 含量（R2=0.8029 和0.901）。采集特级初榨橄榄油的紫外光谱、近红外光谱和中红外光谱，然后进行数据层融合，再利用偏最小二乘法建立不等分类模型、类相似的软独立模型，结果显示融合光谱建模并没有对橄榄油成分预测进行改善，近红外光谱技术是预测样品中油酸和亚油酸含量的最有力的光谱技术，说明近红外-中红外光谱技术在橄榄油成分鉴定方面的应用还有待进一步改善[3]。

2.2 乳粉营养物质检测

针对乳制品营养物质的检测，需要注重利用先进技术手段，通过对光谱数据结合技术的应用，促使牛奶制品质量获得显著提升。实践工作中，利用CDD 模型和AOTF 模型，结合光谱仪器设备对牛奶制品进行漫反射和透光反射，可实现对乳粉营养物质的全面系统检测。此外，光谱检测技术与数据进行有机结合，不仅可以检测牛奶的质量与新鲜度，也可对挤奶过程和奶牛的身体状况进行分析，在源头上，提升食品的安全控制水平和质量检测力度。通过构建近红外热感系统，可实现对牛奶质量的在线监测与控制，通过控制奶牛的生长周期，对牛奶质量进行管理。而挤奶的时间可借助红外光谱进行分析，以实现对乳粉和奶制品营养物质的科学合理检测[4]。

奶粉的质量直接关系婴幼儿的成长与发育，利用光谱数据融合技术对其进行检验具有重要价值。实践工作中，通过对奶粉中三氯氰胺含量的检测，发现其光谱波长在1400nm 以上，而品质较好的奶粉的波长一般在1100nm 左右，由此可知，利用光谱数据融合技术对奶粉质量进行检测具有明显效果，相关人员应推广和应用该项技术，提升乳制品行业奶粉检测水平，保证食品安全。

3 结语

综上所述，在食品安全检测方面，应充分应用光谱检测技术，对食品新鲜程度进行检测，并且将相关技术应用在酒精成分检测和乳粉营养物质分析中，使食品安全性与质量符合行业控制要求。同时，在食品安全检测中，也应认识到技术应用不足，措施落实不到位的问题，并对其进行改正。