特种动物纤维检测技术研究进展

费 静,黄 钰,陈 晓,刘 芳,魏孟媛

(上海海关工业品与原材料检测技术中心,上海 200135)

特种动物纤维指自动物毛囊生长、具有多细胞纤维结构、由角蛋白组成的纤维。市场上常见的特种动物纤维有山羊绒、绵羊毛、牦牛绒、驼绒(毛)、羊驼绒(毛)等。利用动物的毛皮制成的服装即为皮草,但近年来,全球范围内掀起一股反皮草浪潮。2021年,以色列成为首个终止皮草销售的国家[1],美国和其他西方国家也相继颁布皮草禁令。出于道德及动物权益考虑,时尚界各大奢侈品牌也纷纷响应,实施零皮草措施。然而,随着纺织织造技术的发展以及消费者对高品质生活的不断追求,越来越多稀有动物的纤维被添加到纺织面料中,如貂绒、狐狸绒、貉子毛、青根貂绒、毛丝鼠绒等[2]。当纤维脱离了毛皮皮板,原本就复杂的特种动物纤维种属鉴别难度提升。

一般实验室特种动物纤维的检测主要借助显微镜/电镜等光学放大设备,根据纤维的外观形态作出判定。纤维外观形态包括纤维鳞片形态、间距、厚度、色素和髓腔等。物种亲缘关系越近,纤维的外观形态越相似,鉴别难度也越大。比较典型的有山羊绒与绵羊毛、紫羊绒与牦牛绒,再加上色素、染料、人为造假和掺假等因素的干扰,检测人员面临的挑战也就越大[3-6]。

国际山羊绒与驼毛制造商协会(CCMI)每年在全球范围内组织特种动物纤维定性定量的比对试验(Round Trial),旨在提高各检测实验室的分辨和检测能力。从历年的统计数据来看,混合了多产地的山羊绒的定量中,牦牛绒和紫山羊绒混合物的定量最容易出错,而此类纤维混合物也是不良商家以次充好、谋求高利润的原料。由于山羊绒可能存在形态变异,我国现行的标准GB/T 29862—2013《纺织品 纤维含量的标识》中规定,当山羊绒含量达95%以上,疑似羊毛≤5%的产品可标注为100%山羊绒,对于纯山羊绒或全山羊绒,检测机构有时也无法给出准确定量,所以不法分子常利用这一点谋取不当利益,侵害消费者权益。

检测人员通过研究并不断完善原有的外观形态检测方法来识别特种动物纤维,但这类检测方法对检测人员的要求比较高,检测人员的经验和辨别能力决定了检测结果的准确性,结果具有主观性。随着技术的发展,自动图像识别法、皮质细胞分离法、DNA检测、蛋白分析、近红外光谱检测法相继应用于纤维检测识别。近年来随着机器学习的高速发展,结合图像识别的自动智能图像检测法也应运而生,在检测速度和准确度的提升方面有了质的飞跃。本文聚焦近年特种动物纤维检测技术的进展,分析比较各类方法的优缺点,以期为广大检测人员提供参考信息。

1 显微镜法

显微镜法是传统的纤维检测手段,分为光学显微镜法和扫描电镜法,也是大多数实验室最常用的方法。这类方法最直观,但对检测人员的检测技术、检测经验要求很高,所得检测结果具有一定的主观性。

鄂尔多斯羊绒集团技术中心牵头修订ISO 17751《纺织品 羊绒、羊毛、其他物种动物纤维及其混合物定量分析》等系列标准,并参考ISO 17751制定了GB/T 40905.1—2021《纺织品 山羊绒、绵羊毛、其他特种动物纤维及其混合物定量分析 第1部分:光学显微镜法》和GB/T 40905.2—2022《纺织品 山羊绒、绵羊毛、其他特种动物纤维及其混合物定量分析 第2部分:扫描电镜法》。依托鄂尔多斯羊绒集团丰富的资源,在GB/T 40905.1—2021和GB/T 40905.2—2022的附录中增加了大量常见特种动物纤维的高清图片,包括典型和变异的山羊绒以及蒙古、伊朗、阿富汗等国家的山羊绒、绵羊毛与各类改性绵羊毛的高清图片。文字结合图示,对完善检测人员的认知,提高判断力具有重要作用。

杨桂芬等[7]依托国家质检总局中国山羊绒资源和品质调查科技项目,对我国16个主要产绒区和3个国内规模最大的种羊场共计105批有代表性的山羊绒的主要品质指标进行了检测分析,系统总结了中国山羊绒直径与鳞片结构参数的关系、山羊绒外观形态,分析探讨了如何正确鉴别山羊绒与绵羊毛纤维。然而,气候、地域、饮食等因素均会对动物纤维,尤其是山羊绒的外观形态造成较大的影响。辽宁绒山羊以其生长快、产绒量大的特点,在全国得到大力推广并广泛用于育种和改良[8],被育种专家誉为“中国绒山羊之父”。然而,牧民片面追求高产,忽视了对绒山羊品种的保护,经过多代的混养杂交,山羊绒纤维的直径、鳞片的形态均发生了变化。

卢开新等[5]针对光学显微镜下牦牛绒与山羊绒、绵羊毛难分辨的问题,使用黑色牦牛绒、褐色牦牛绒、青色牦牛绒、白色牦牛绒与白色山羊绒、紫山羊绒、绵羊毛进行对比,以图片配合详细描述文字的形式,对检测人员进行各类样品知识的补充,提高其辨别能力。

曾有娣等[9]在2023年7月召开的国际山羊绒检测技术研讨会上通过大量图片和文字的提炼,分享了山羊绒、牦牛绒、骆驼绒经脱色处理后的形态特征,强调可通过纤维的条干均匀性,表面色素的颜色和分布,边缘光滑度,纤维的圆润度、光泽、直径等多方面因素综合考虑判定纤维类型,必要时需要结合使用光学显微镜和电子显微镜,但剥色后鳞片完整度和纤维色素都会遭到不同程度破坏,检测人员仍难以区分。北京和众视野科技有限公司开发了采用CMOS数码摄像头和特殊波段滤波器实现无损剥色的技术,该方法对大部分常见带色素纤维或染有深色染料的纤维均有效[10]。

基于图像的主观判断检测法,可通过提高仪器设备分辨力、扩充样本量来提高检测人员辨别力,通过大量比对、能力验证等手段不断校准目光,进而提高检测能力。

2 分子生物学检测法

2.1 DNA检测

20世纪90年代,DNA检测技术开始用于鉴别特种动物纤维。DNA检测技术用于动物纤维鉴别关键的第1步是要从毛发中抽提到足够多且相对完整的DNA。过去的研究集中在基因组DNA上,而毛干中基因组DNA的拷贝数相对较少,限制了这一技术在经过染整处理的样品中的应用[2]。

2004年,科研人员将目光聚焦到易于获得且在毛干细胞中大量存在的线粒体DNA,并使用聚合酶链式反应(PCR)扩增,联合限制性酶切技术(PCR-RFLP)实现了山羊绒和绵羊毛的定性鉴别[11],但这种方法相对繁琐,酶切后需配合电泳对片段进行确认,未能大面积推广。Kirsten等[12]针对山羊、绵羊、骆驼和牦牛的线粒体DNA片段以及牦牛基因组DNA的物种特性片段设计了特异性引物和探针,实现了这4个物种纤维的鉴别。

灵敏度高的荧光定量PCR技术的发展加速了DNA检测技术在动物纤维鉴别中的商业应用,如Tang等[13]利用山羊和绵羊线粒体12srRNA基因上的差异,建立了基于荧光定量PCR技术的山羊绒和绵羊毛定量检测方法,采用了不同产地的山羊绒和羊毛对该方法的定量准确性进行了验证,且对山羊绒和绵羊毛混合物进行了定量检测,证实了该方法的可行性。根据该研究成果制订的GB/T 36433—2018《纺织品 山羊绒和绵羊毛的混合物DNA定量分析 荧光PCR法》于2019年开始实施。但该方法不适用于回用山羊绒制品的检测,原因是混合组分里的山羊绒经多次脱色、染色处理后会造成DNA链的断裂,山羊绒和绵羊毛经不同的处理后断裂程度不一致会出现定量偏差。

吕蓉等[14]通过设计针对鹅和鸭的物种特异性引物和TaqMan探针,建立了羽绒制品的定量标准曲线,并使用不同产地的鹅绒鸭绒混合物进行验证,均得到较好结果。由于羽绒产品通常只经过除灰、水洗等加工工艺,无需进行染色处理,因而该方法的适用性广,其准确度主要取决于取样是否具有代表性。

微芯片结合定量PCR(Microchip qPCR)技术因其反应时间短、DNA用量少,在检测领域显示出了强大的优势。Gill等[15]利用该技术改进了山羊绒和绵羊毛的定量检测方法。某些经极端条件处理的染色样品由于DNA遭到破坏,抽提得到的完整的DNA片段非常有限,传统real-time PCR技术无法检测,而Microchip qPCR 可以检测到单个拷贝的DNA,大大提高了检测成功率。

2.2 蛋白多肽分析

特种动物纤维主要由角蛋白组成,由外胚层细胞分化而来。DNA中存在的物种差异,也会表现到翻译的蛋白质中,有研究表明角蛋白相关基因的多核苷酸多态性性质影响了纤维的性状[16]。大量二硫键的存在使得角蛋白比DNA更稳定耐受,来源也更为丰富,为特种动物纤维的种属鉴别提供了合适的新靶标。

角蛋白分子量大,不易消化溶解,需经处理形成分子量较小的多肽后再使用质谱识别差异,进而区分不同的物种。Paolella等[17]利用山羊绒、绵羊毛、牦牛绒特异的多肽片段,使用超高效液相色谱-电喷雾质谱(UPLC/ESI-MS)建立了定性定量检测方法,该方法可实现定量检测,但相对而言角蛋白的溶解消化时间偏长,整个检测流程需5 d。Yukari等[18]利用基质辅助激光飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)技术对动物纤维进行鉴别,除山羊绒、绵羊毛、牦牛绒3种纤维外,还实现了马海毛、骆驼绒、安哥拉兔毛、羊驼毛的定性鉴别,并使用染色和氯漂的样品进行了验证。该实验室还开发了利用液相色谱质谱(LC-MS)定性鉴别牛皮、马皮、猪皮、山羊皮、绵羊皮和鹿皮的方法[19]。Kim等[20]利用MALDI-TOF-MS技术进行山羊绒和牦牛绒物种特性的多肽指纹图谱的研究,开发了二者的定量检测方法。

ISO 20418《纺织品 某些动物毛纤维的定性和定量蛋白质组学分析》系列标准是借助蛋白质组分析,使用仪器分析实现特种动物纤维定性定量的系列标准。该系列共有3个方法标准,分别使用LC-ESI-MS、MALDI-TOF-MS、LC-MS进行检测[21-23]。LC-ESI-MS、MALDI-TOF-MS使用还原剂溶解角蛋白,LC-MS采用胰酶处理直接溶解角蛋白的方法,简化了提取过程,降低了处理成本,且LC-MS方法在纺织品有毒有害物的检测中也会使用,无须购买专门的检测设备。LC-ESI-MS、MALDI-TOF-MS方法对应的GB/T 42699.1—2023《纺织品 某些动物毛纤维蛋白质组定性和定量分析 第1部分 还原蛋白质多肽分析液相色谱:质谱(LC-ESI-MS)法》和GB/T 42699.2—2023《纺织品 某些动物毛纤维蛋白质组定性和定量分析 第2部分:还原蛋白质多肽分析基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)法》均已发布待实施。GB/T 42699.2—2023制订过程中,利用MALDI-TOF-MS技术找到了藏羚羊绒的多肽特征标记,建立了藏羚羊绒的多肽检测法[24],为打击走私,保护珍稀物种提供了技术支撑。

3 光谱法

光谱分析具有快速简便、重复性佳、无污染的特点,目前已广泛应用于畜牧业、化工、食品药品分析等领域。吴桂芳等[25]研究了山羊绒与细支绵羊毛的可见/近红外光谱的特点,提出了应用主成分分析(PCA)结合人工神经网络(ANN)进行种属鉴别的方法,并建立了山羊绒、绵羊毛分析模型。但该研究建模样品数仅为30,且其验证全部准确的16个样品是未经染色的纯种动物纤维,缺乏实际商业产品的验证数据。刘心如等[26]利用可见/近红外漫反射光谱对动物纤维的主成分进行马氏距离判别分析,成功实现了对山羊绒/绵羊毛2组分、山羊绒/绵羊毛/驼绒3组分的定性定量检测,但该研究所用的样品均来自甘肃地区,品种也相对单一,模型的广谱性有一定的局限性。Zoccola等[27]使用软独立分类模型(Soft Independent Modelling by Class Analogy)建立了山羊绒和绵羊毛的定量检测方法,该方法可用于山羊绒原料的质量把控和粗略定量。Zhou等[28]在特征谱上找到了6个针对山羊绒和绵羊毛差异比较大的特征波段,建立了定量检测方法,并建议可通过多次测量不同点取平均值来减小误差。

甄欢等[29]采用变温傅里叶变换衰减全反射红外光谱技术(ATR-FTIR) ,在293～393 K 的温度范围内分别研究了山羊绒和绵羊毛的变温红外光谱,得出了绵羊毛热稳定性较差的结论[27],拓展了变温红外光谱技术在天然毛纺材料分析方面的研究范围。Sharma等[30]使用了近红外光谱结合化学计量学(PLS-DA模型),实现了藏羚羊绒和其相近毛绒制品的鉴别,与光学显微镜法和DNA检测法相比,该方法具有无损、快速的特点,为野生动物司法鉴定提供了新的思路。

4 自动图像识别

显微镜法和扫描电镜法进行特种动物纤维的鉴别本质上是依赖于检测人员经验的图像识别方法。每位检测员熟知的样本量是有限的,检测结果会不可避免地存在主观性。彭伟良等[31]利用山羊绒和细支绵羊毛的SEM照片进行数字化处理,根据2种纤维的形态特点构建分类识别方法。谈峰等[32]利用电镜照片对纤维图像特征参数信息进行了细化研究,根据羊绒鳞片形态结构的不同构建了鉴别模型,建立了不同产区羊绒图谱数据库和毛绒纤维鉴别模型,以上研究实现了对具有明显特征纤维的自动识别,但对于商业应用还有较远的距离。

随着图像技术和人工智能技术的高速发展,运用图像处理技术和机器学习结合实现自动识别已成为山羊绒纤维鉴别技术研究的发展趋势。从明芳等[33]基于深度卷积神经网络技术建立了羊绒羊毛纤维识别模型,通过大量山羊绒及绵羊毛纤维显微图片样本的训练,提高了鉴别的准确度,为实现自动识别奠定了基础。Linden等[34]采用视频的方式采集数据进行纤维图像处理,以纤维颜色、纤维边界、鳞片沟槽、鳞片方向、鳞片边界等作为特征集并尝试了启发式纤维识别和深度学习纤维识别(CNN卷积神经网络)2个分类器,结合2个分类器输出最终结果,对于2个分类器给出的不一致判断,采取人工干预,通过大量样品的训练,进一步提高检测精度。钟跃崎等[35]对六大类、60 000余张纤维样本图片进行神经卷积网络的筛选和验证,设计了1个训练时间相对少、召回率高的模型,鉴别准确率在95%以上。

图像处理技术和机器学习结合的识别方法需要收集海量的纤维样本进行机器训练学习,样本是否有代表性关系到判定结果的准确性。这类方法本质上依旧是利用纤维外观形态对其种属进行判别,对于某些天然或者人为处理造成的外观形态极其相似无法辨别的纤维的识别能力仍需提高。但纤维检测的自动化,排除了人为影响因素,大大提高了检测的效率,在推动检验检测数字化转型方面具有积极作用。目前已有商业化出售的基于人工智能的纤维自动识别设备和配套服务,在各类能力验证中表现良好。

5 其他检测方法

白娟等[36]研究了山羊绒和绵羊毛经碱和酸溶液处理破壁后皮质细胞形态的差异,归纳总结了二者长度和细度的差异,这些差异与纤维的性能特性紧密相关,这一发现可用于山羊绒和绵羊毛的鉴别。正确认识这些差异,也可以更好地发挥纤维的经济价值,但该方法不宜作为定量检测方法推广,因为前处理的酸煮时间不易控制,对皮质细胞的形态有很大影响,另外皮质细胞的长度和宽度的测量比较费时。

从原理、检测依据、可重复性、成分、优缺点方面对本文提及的实际应用的特种动物纤维检测方法进行比较,见表1。

表1 特种动物纤维检测方法的比较Tab.1 Comparison of detection methods forspecialty animal fibers

6 结束语

特种动物纤维的检测技术目前呈现百花齐放、百家争鸣的局面。大部分实验室仍采用显微镜法进行检测,训练有素的检测员也可以在1～2 h内获得较为准确的检测结果。分子生物学检测方法和光谱分析均属于客观的检测方法,对仪器设备的要求比较高,其中DNA检测法灵敏度高,用于定量检测有一定的使用范围;蛋白检测适用范围广,特异性好,且一次可以鉴别多个物种,但混合物的灵敏度有限;而光谱法对染整后的同质化混合物区分能力有限;近年人工智能自动纤维识别研究的兴起,解放了人力,大大提高了检测的速度和结果的一致性,随着数据库的不断扩充和人工智能算法的优化,智能化纤维识别也会越来越完善。

目前单纯凭借一种技术或方法无法彻底解决特种动物纤维中部分纤维的定性、定量鉴别,因此,检测实验室在许可条件下一方面应培养检测人才,另一方面也要综合利用多种技术方法,采取主、客观方法检测相互补充对照,以便得到相对更加准确可靠的检测结果。