纯牛奶中常用防腐剂的高光谱快速检测方法研究

• 作 者: 黄钰
• 出 处: 东北农业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 高光谱成像技术 纯牛奶 苯甲酸钠 山梨酸钾 快速检测

目前,我国奶业发展正处于从数量扩张向质量效益转变的关键时期。纯牛奶作为一种常见乳饮品,保障其质量安全不仅有助于维护消费者的健康权益,也有利于推动奶业朝着高质量方向发展。我国规定纯牛奶中不允许添加防腐剂,通常采用超高温瞬时灭菌技术延长保质期,这需要高成本和严工艺。有些不法商贩为降低成本,在加工过程中违规添加防腐剂以替代严格的灭菌过程,严重危害消费者健康。而传统的防腐剂检测方法检测周期长且繁琐,不适用于大量样本检测。针对这一现象和问题,本文以常用的食品防腐剂苯甲酸钠和山梨酸钾为研究对象,利用高光谱成像技术探索纯牛奶中常用防腐剂的快速检测方法。本文主要成果如下:(1)研究影响样本高光谱图像采集的因素,确定适宜实验条件。通过实验对比载物台底色、容器高度、样本装样程度不同时的光谱反射率,结合建模方法确定实验时,样本应装满容器,白底载物台时,容器适宜高度为3cm;黑底载物台时,容器适宜高度为2cm。(2)建立纯牛奶中苯甲酸钠和山梨酸钾检测的二分类模型。首先,采用标准正态变换(SNV)、Savitzky-Golay卷积平滑(SG)、一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、均值中心化(MC)、SNV-FD、SNV-SD、SG-FD和SG-SD等预处理方法对原始光谱降噪。然后,采用竞争性自适应重加权采样(CARS)、稀疏自编码器(SAE)、主成分分析(PCA)和CARSSAE方法提取特征波段。最后,对比支持向量机(SVM)和核极限学习机(KELM)检测效果。为了解决超参数设置对KELM检测效果的影响,本研究提出了鲸鱼算法(WOA)优化KELM。结果表明,纯牛奶中苯甲酸钠的最优组合方法检测模型为SNV-SAE-WOA-KELM,模型训练集和测试集准确率为90.5%和90.12%,Kappa系数为0.86。纯牛奶中山梨酸钾的最优组合方法检测模型为SNV-CARS-SAE-SVM,模型训练集和测试集准确率为99.14%和98.76%,Kappa系数为0.98。(3)研究浓度对模型检测效果的影响,探索多分类模型检测效果。将掺有防腐剂的样本按照添加浓度不同,划分为0.05～1g/L、1.05～2g/L、2.05～3g/L、3.05～4g/L和4.05～5g/L五个区间,分别和纯牛奶样本建立二分类模型。五个区间苯甲酸钠检测模型训练集和测试集准确率均大于85%,Kappa系数大于0.61;山梨酸钾检测模型训练集和测试集准确率均大于90%,Kappa系数均大于0.81。结果表明,两种防腐剂检测中,不同浓度区间上的识别效果均较好,苯甲酸钠和山梨酸钾的高光谱定性分析模型稳定性、可靠性较好。本文在分区间研究的基础上,探索了两种防腐剂多分类模型检测效果,结果显示多分类模型检测效果不佳,不能实现对纯牛奶中苯甲酸钠和山梨酸钾添加程度的判定。