基于光谱分析的牛肉干鉴别方法研究报告

摘要：本项目首先以不同品牌的牛肉干为实验材料，通过高光谱测量技术对其光谱数据进行采集，并对不同品牌的牛肉干进行光谱分析和对比，设计了一种能以高光谱分析技术检测牛肉干是否掺入牛肉膏、苏丹红等添加剂的方案;接着在实验中采用光谱角匹配Spectral angle map（SAM）方法，光谱特征匹配方法Spectral Feature Fitting和二进制编码（Binary coding）综合投票的方式来鉴别牛肉干的品牌。实验结果表明，所提出的方法是一种能简便鉴别不同品牌牛肉干的方案，具有较好的实用性和创新性。

关键词：高光谱;食品安全与质量检测;牛肉干;添加剂

一、我国牛肉干市场存在的问题

牛肉干是四川特产之一，不仅以独特的风味让人回味无穷，还具有很高的营养价值，受到消费者的喜爱。但近几年来，部分牛肉干在生产过程中过量使用添加剂甚至使用国家禁止的添加剂、选用次等或劣质牛肉原料等情况时有曝光，严重影响了牛肉干的整体质量形象。已有报道的抽检显示：品牌牛肉干也出现了问题。

问题一：滥用添加剂。近日国家质检总局公布的抽查数据显示，目前市场上的肉干肉脯食品主要存在细菌总数严重超标、大肠菌群超标、山梨酸及苯甲酸含量不符合标准规定、违规添加人工合成色素四种质量问题，部分小型企业、特别是小作坊式企业产品质量低劣。以山梨酸和苯甲酸为例，山梨酸、苯甲酸均为化学合成防腐剂，在一定条件下对霉菌和酵母菌的繁殖起到抑制作用。一些食品企业出于成本考虑，会选用成本较低的防腐剂。山梨酸的成本为苯甲酸的两三倍，不少企业为了节省成本，选择并超量使用苯甲酸。

问题二：卫生状况堪忧。牛肉干作为国人主要休閑食品之一，近年来，我国牛肉干市场规模成高速增长态势，但牛肉干的食品安全问题日益凸显，一根绳子、一把刀再加上两口锅就可以生产牛肉干了。好坏不一、真真假假，这就是当今的牛肉干市场。菌落总数是重要的微生物学卫生指标，属于生物性污染指标，是影响食品安全性的重要因素。国家强制性标准GB27262005《熟肉制品卫生标准》规定，肉制品中大肠菌群不得超过30MPN/100g。但是近年来相关部门对肉干食品的抽查表明，大肠杆菌、细菌总数超标现象仍然非常严重。

问题三：使用劣质材料。除了违规使用添加剂和卫生指数不达标外，部分企业使用劣质牛肉材料制作牛肉干也是行业的一大问题。印度牛肉质量较差，但价格便宜，几块钱一斤便可以出口到中国。央视经济半小时2013年调查也显示，来自印度、巴西、澳大利亚等地的牛肉，经中印边境走私到广西，通过蚂蚁搬家的方式进入中国，走私牛肉冻品未经检疫，存在严重的食品卫生安全隐患。近些年来检验牛肉掺假的方法，如电子鼻数据分析方法[1]，基于近红外光谱分析的方法[2]已有研究。但是这些方法普遍存在成本高，步骤复杂，检验时间久等问题，这便给民众检测带来不便，所以，如何快速有效地检测牛肉干是否添加了某些有害添加剂，并判断牛肉干的品牌真假，成为一大科研难题。

二、实验与方法

高光谱技术，就是利用光谱分散原理，在经过光栅后，对分散后的光进行反射吸收率进行精密测量，这样就可以分辨肉眼无法区别的牛肉干间的光谱特征差别，并且该方法的效率较快，实验成本较低，是一个有效区分哪个添加了有害食品添加剂的牛肉干，对保护民众生命健康设置了一道防线，也可以打击不良商家的“黑加工”市场。本项目提出了一种能利用光谱分析技术鉴别不同品牌牛肉干，并设计了通过分析牛肉干光谱特性，进行添加剂情况分析的方法。

（一）实验仪器

本次实验，采用便携式地物光谱仪ASD开展光谱测量，波谱范围为350—2500nm，光谱分辨率为3nm，适合本次实验。在实验中，用太阳光为光源，在下午两点开展了牛肉干的光谱数据采集工作。

（二）实验材料

在超市随机购买各种牛肉干各三袋，在光谱数据采集实验中，三种品牌牛肉干的光谱数据被依次测量。实验样品处理所用器材：白纸、笔。

（三）研究方法

本次实验选用牛肉干为实验材料，通过不同牛肉干的光谱数据进行采集，并对比分析，分析其光谱曲线差异，以自动化判别牛肉干各种调料含量等为目标。

1.实验样本制备

从各种的三袋牛肉干随机选取样本，按类别顺序编号拍照，并选取一组训练组，一组测试组。

1.棒棒娃、2.老四川金角、3.牛浪汉、4.老四川三鼎

图1 牛肉干图片

2.光谱数据采集

先测量白板在太阳光照射下的光谱，并设置为标准光谱。再将探头用黑板遮住，测量此时暗电流光谱，保存，待用。保存参考光谱和暗光谱，选择反射率测量模式，分别测量四种牛肉干的光谱数据。测得的光谱特征曲线如图2所示。

图2 四种牛肉的光谱测量结果（beaf14分别对应样本的四种品牌牛肉）

由图2可见，beaf1（棒棒娃五香牛肉）有明显的红边效应，在红色波谱范围的数值明显高于蓝绿波段，因此，其看来就偏暗红色。beaf3（牛浪汉五香牛肉干）、beaf2（老四川金角五香牛肉干）、beaf4（老四川三鼎五香牛肉干）具有相似的光谱曲线，分别在561nm、580nm、618nm，685nm、713nm，751nm，777nm、840nm具有波峰，分别在590nm、656nm、720nm、820nm、939nm具有波谷。在黄色波段和红色波段beaf3>beaf2>beaf4，可见牛浪汉五香牛肉干偏黄偏红、偏亮，这可能是由于添加了牛肉膏所致。而三鼎老四川和金角老四川两种牛肉，从口感上，金角（beaf2）更硬，三鼎（beaf4）更软，可见含水量不同，三鼎含水量更高，因水对蓝绿波段有较强的吸收作用，在蓝绿波段三鼎（beaf4）比金角（beaf2）更暗一些。在红色波段，beaf2比beaf4亮度高，因此金角比三鼎牛肉干偏黄偏红一些。而利用金角和三鼎牛肉干在水分上的含量差异导致的光谱差异可以鉴别两者。由图可见，可见光波段中，黄色波段、蓝绿色波段和红色波段是几个关键的可用于区分不同品牌牛肉干的成分组成。而且三鼎老四川牛肉的红色波段最暗，可见在苏丹红事件后，三鼎老四川牛肉可能降低了对红色鲜艳度的要求，其添加苏丹红等偏红色的添加剂含量降低了。可见，红色波段可以被用于区分三鼎老四川牛肉干和金角老四川牛肉干，黄色波段（550nm）可被用于区分牛浪汉牛肉干和其他几种牛肉干，红色波段612nm一阶导数可被用于区分棒棒娃和其他种类牛肉。还有857nm近红外波段反映了不同牛肉干的含水量差异，含水量越高，光谱亮度越低。总之，通过分析不同牛肉干的光谱特性，可以发现，利用光谱差异是可以鉴别不同牛肉品牌的。

3.牛肉干品牌鉴别方法

本研究中，将利用光谱角匹配（Spectral Angle Match，SAM）、光谱特征匹配Spectral feature fitting（SFF）和二进制编码Binary Coding（BC）三种方法综合实现牛肉干品牌鉴别的工作。首先，为了突出某个波长范围的光谱吸收特征，对像元光谱和参考光谱进行包络线消除处理，去包络线后的像元光谱和参考光谱在光谱曲线曲率角度、特征吸收深度上存在差异，可分别基于SAM算法和SFF算法实现光谱特征匹配，以鉴别牛肉干的种类。而二进制编码可以快速实现分类识别。下面以SFF为例，解释其方法原理，其他两个方法因较为常用，笔者暂不赘述。

SFF方法可以通过增加一个常量k来调整参考光谱的曲线形状，以最好地和像元光谱进行拟合匹配，计算公式如下：

ρ′=（ρ+k）/（1.0+k）

其中ρ′为经过变换的参考光谱特征曲线，ρ为参考光谱的原光谱特征曲线（在这里ρ′和ρ都经过包络线去除处理），k为一常数且k不等于-1。

上式可以变换为ρ′=aρ+b，其中a=1.0/（1.0+k），b=k/（1.0+k）。现在已知一组光谱吸收特征范围内的参考光谱反射率ρi和像元光谱反射率Pi（i为波段号），为获得它们的最佳拟合，即经过变换的ρ′i=aρi+b和Pi最佳拟合，利用最小二乘原理，需要∑（Pi-（aρi+b））2=min。

由极值原理，解式（2）得：

a=（n∑Piρi∑Pi·ρi）/n∑ρi2（∑ρi）2

b=∑Pi/n（a∑ρi）/n

得到系数a和b为参考光谱和像元光谱的最小二乘拟合系数，现通过计算ρ和P的相关系数f来表示两种光谱的拟合度。

三、结果与讨论

（一）数据预处理

因光谱在1000nm以上波段范围属于近红外、短波红外等区域，其噪声过大，本研究仅仅取光谱取3501000nm谱段进行光谱分析。如图3为包络线去除后的光谱曲线图。

图3 经包络线去除后的牛肉干光谱曲线图

（二）光谱特征对比

分析图3发现，老四川金角和老四川三鼎牛肉干在光谱曲线的趋势山近似一致，而棒棒娃和牛浪汉的光谱曲线有较大的差异。在500nm580nm范围黄色波段beaf3>beaf2>beaf4>beaf1，在677nm756nm红色波段范围，beaf3>beaf2>beaf1>beaf4。

（三）牛肉干品牌识别

将之前训练样本集合中的光谱数据以tab分隔的形式输出，并导入ENVI中，并存入envi spectral library名为traindata，保存作为训练样本。再将测试样本集合的光谱数据以tab分隔的形式输出，并导入ENVI中，将数据存入ENVI spectral library作为测试样本，这样便可以通过光谱角制图法（Spectral Angel Map，SAM）、光谱特征匹配（Spectral Feature Fitting，SFF）以及二进制编码（Binary Code，BE）的数据处理方法对比分析出每一个测试样本属于某一个品牌的概率。通过SAM，SFF，BE三种方法可以鉴定牛肉干的种类。每一个类别的牛肉干选取5个测试样本进行测试。测试结果表明，利用三种分类算法相结合去综合分析获得的评分能很好地区分不同类别的光谱曲线，精度达到了100%。假如能建立不同品牌牛肉干的光谱数据库，那么通过智能机器学习、深度学习算法，还有可能能进一步提升该方法的智能水平、自动化水平。

四、结论

本项目提出了一种基于光谱分析技术的牛肉干快速鉴别方法，通过实验分析，可以得出以下结论：

（1）测量得到的不同品牌的牛肉干在黄色、红色波段的数值具有不同的数值。亚硝酸盐添加会导致红色波段的灰度升高，牛肉膏的添加会导致黄色波段的灰度升高;苏丹红的添加会导致红色波段的亮度值高。利用高光谱测量手段，可以无损检测牛肉干，确认牛肉是否增加了过量添加剂，保护消费者的合法权益。

（2）通过光谱分析技术，如光谱角制图法、光谱匹配方法、二进制分类方法，能快速确定牛肉干所属的品牌和类别。

综上所述，用高光谱技术鉴别添加各种添加剂的牛肉干是可行的，本项目提出一套基于光谱分析技术的牛肉干鉴别方案，实验结果验证了其可行性。假如能在打假和质量检测中能采用本项目所提出的牛肉干光谱分析技术，不仅能实现无损品牌鉴别，而且将提高其检验效率。另外，随着便携式高光谱成像仪技术的发展，传感器设备从大变小，从笨重到轻便，光谱分析技术不仅能用于点对点的测量，还可以实现面对面的监测，通过遥感技术还能实现牛肉干定量反演，进而控制牛肉干中各类添加剂含量，这将为牛肉干批量化生产的监控提供一种有效手段，进而促进我国牛肉产业向更好更快的方向發展[3]。

参考文献：

[1]张申.电子鼻基于数据处理方法对掺假牛肉检测研究[D].西北农林科技大学，2016.

[2]陈伟.基于近红外光谱与生物散斑融合的牛肉掺假检测方法[D].华中农业大学，2018.

[3]王国泽，何燕，李慧，杨晓玉，杨绍斌，刘达玉，唐仁勇.浅谈四川牛肉产业现状[J].肉类工业，2018（01）：5356.

作者简介：张周（2004—），女，汉族，四川成都人，在读高中。