基于高光谱技术的水蜜桃柠檬酸检测

基于高光谱技术的水蜜桃柠檬酸检测

周康楷

（广州市第五中学广东广州510000）

摘要：近些年，许多不良商家在水蜜桃中加入工业柠檬酸的情况时有曝出，因为工业柠檬酸长期食用会导致钙质流失，癌症。如何才能正确判断水蜜桃是否掺加工业柠檬酸成为广大民众和有关部门的首要难题。目前，市场上检测柠檬酸的手段普遍存在成本高、仪器复杂、操作繁琐等问题。而高光谱技术有着仪器轻便，分辨率高，操作简便速度快，实验成本低，无损检测等诸多优点。本次实验是以水蜜桃、工业柠檬酸为实验材料，通过光谱技术的检测，以此来探索以高光谱技术检测果蔬食品中掺加工业柠檬酸的可行性。

关键词：高光谱；食品安全与质量检测；果蔬农产品；可见--近红外

工业柠檬酸浸泡水蜜桃可达到使水蜜桃保持亮红色，且保鲜时间增长，不易腐烂等特点[1]，因此不少商家将水蜜桃经过工业柠檬酸浸泡后，再进行出售，这便严重影响民众的生理健康。因此，如何有效地判断水蜜桃是否掺加工业柠檬酸便成为一个重要研究课题。

近些年来检验食品中柠檬酸的方法有很多，国内在检测食品柠檬酸含量多少时使用离子色谱法利用电导检测，陈发兴等人研究了用离子交换色谱法测定枇杷果实和叶片中的柠檬酸[2]，罗奇志等人研究了用高效毛细管电泳法测定尿液中柠檬酸盐的含量[3]。分光光度法又称可见吸收光谱法，它是基于郎伯8比耳定律，即被测物质的浓度与吸光度呈线性关系来进行定量分析的方法[4]。但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水蜜桃是否经过工业柠檬酸浸泡，成为一大科研难题。

高光谱技术利用光谱分散原理，在经过光栅后，对分散后的光的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水蜜桃间的差别，且该方法效率高，成本低，可以有效区分经过工业柠檬酸浸泡过的水蜜桃。

1.实验与方法

1.1实验材料

本次实验将水蜜桃通过工业柠檬酸浸泡后与未进行浸泡进行对比。首先，采购新鲜程度相似的水蜜桃10只，并购买工业柠檬酸粉末1斤。

实验样品处理所用器材：水槽，电子秤，玻璃棒。

试验样品处理所用药品：工业柠檬酸，蒸馏水。

实验检测仪器：USB2000光纤光谱仪。

1.2实验样本制备

在水槽中加入1L蒸馏水，并倒入相应质量的工业柠檬酸粉末以分别配置成浓度为75%，25%的工业柠檬酸溶液，用玻璃棒搅拌并使之充分溶解。拍照按顺序编号。

将水蜜桃取出并用蒸馏水清洗表皮后，轻轻放入工业柠檬酸溶液中，同时浸泡12小时。并给其75%浓度溶液中的水蜜桃进行编号A，将其25%浓度溶液的水蜜桃进行编号B，将未泡过水的水蜜桃进行编号E（如图所示）。

图1泡过12小时后的水蜜桃

1.3光谱数据采集

先测量白板在钨灯照射下的的光谱，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。在SpectraSuite中，保存参考光谱和暗光谱，选择反射率测量模式。

选取编号为A的桃子上的粉色果皮两处，先后放置在光纤探头下2cm处，保持静止，测量其光谱并分别标号AP，testAP。（平均次数：1平滑度：0积分时间：1秒，探头距离：2cm）。

选取编号为B的水蜜桃上的粉色果皮两处，先后放置在光纤探头下2cm处，保持静止，测量其光谱并分别标号BP,testBP。（平均次数：1平滑度：0积分时间：1秒，探头距离：2cm）。

选取编号为E的水蜜桃上的粉色果皮两处，先后放置在光纤探头2cm处，保持静止，测量其光谱并分别标号EP,testEP。（平均次数：1平滑度：0积分时间：1秒，探头距离：2cm）。

1.4数据处理手段

本研究的光谱特征提取工作拟采用SpectralFeatureFitting的数据处理方法。可以通过训练样本设置检测标准，再用测试样本与标准进行对比。

2.结果与讨论

2.1数据预处理

因光谱在小于450nm和大于950nm波段噪声过大，光谱取450.32-950.73共1484个波段。

图3经过预处理的测试样本光谱

2.2光谱特征对比

经过对得出的数据光谱分析，发现在490nm～550nmAP与BP与EP,testAP与testBP与testEP有较明显的差别，可以用光纤光谱仪在这段波长中良好的区分。

图6编号为testAP,testBP，testEP的粉皮光谱数据

通过对比分析，在490nm～550nm波谱范围，浸泡后的水蜜桃粉红色皮的光谱有明显变化，因此可依据此绿色波段的光谱特征差异鉴别工业柠檬酸浸泡后的水蜜桃与未经浸泡的水蜜桃。

对比数据如下

图8经过25%浓度浸泡的水蜜桃BP与未浸泡的水蜜桃EP对比

可见，在490nm～550nm波谱范围，经过75%浓度工业柠檬酸浸泡后的水蜜桃的波段与经过25%浓度工业柠檬酸浸泡后的水蜜桃与未泡过工业柠檬酸的水蜜桃波型大致相同，但是在该波段中，用越浓的工业柠檬酸浸泡后的水蜜桃，其该波段的反射率便会下降越低，未泡过工业柠檬酸的水蜜桃的反射率一般要比用高浓度工业柠檬酸浸泡后的水蜜桃要高出6%～7%，而未泡过工业柠檬酸的水蜜桃与用低浓度工业柠檬酸泡过的水蜜桃反射率会高出3%到4%。

通过对比testAP,testBP，testEP，也会发现相似规律。

2.3光谱相似度对比分析

将之前存在SpectraSuite中的水蜜桃光谱数据以tab分隔的形式输出，并导入ENVI中，将数据AP,EP,BP叠加放置在同一图表中，并存入envispectrallibrary名为traindata，保存作为训练样本。再将testAP,testBP，testEP以tab分隔的形式输出，并导入ENVI中，将数据存入ENVIspectrallibrary作为测试样本，这样便可以通过SpectralFeatureFitting的数据处理方法对比分析出水蜜桃是否掺加工业柠檬酸。其测试样本与训练样本数据对比如图所示：

图9测试样本与训练样本数据对比

通过对比分析，发现在testAP与训练样本对比时，testAP与AP的分数是0.733，testAP与EP的分数是0.729，这与testAP差异较大，可以很好判断用浓工业柠檬酸泡过的水蜜桃与没泡过工业柠檬酸的水蜜桃之间的差别。

通过对比分析，发现在testBP与训练样本对比时，testBP与BP的分数是0,766与EP的分数为0.745，可以很好的区别经过25%浓度的工业柠檬酸泡过的桃子和未泡过工业柠檬酸的水蜜桃。

3结论

通过利用高光谱技术对水蜜桃的柠檬酸进行检测，得出以下结论：

（1）在490nm～550nm波段中，浓度越高的工业柠檬酸含量，其折射率下降越多。

（2）通过SFF数据处理方法在490nm～550nm波段中可以有效判断出泡过工业柠檬酸与未泡过工业柠檬酸的水蜜桃的差别。

综上，用高光谱技术鉴别有毒水蜜桃与无毒水蜜桃之间的差别基本可行，但需要更高精度的的数据处理方法。

参考文献

[1]刘锴栋,袁长春,敬国兴.外源柠檬酸处理对杨桃采后后熟及衰老的影响[J].食品与发酵工业,2013,39(06):220-224.

[2]陈发兴，刘星辉，林华影，等-离子交换色谱法测定枇杷果实和叶片中的有机酸［J］-福建农林大学学报：自然科学版，2004,33(2)195-199

[3]罗奇志，戴开金，马安德，等-高效毛细管电泳法测定尿液中柠檬酸盐、草酸盐的含量［C］-第一军医大学学报，2004,24(4）：458-460

[4]张素娟.食品中柠檬酸的检测方法研究进展[J].食品工业科技,2011,32(01):352-354

作者简介

周康楷（2001-）男，广东省广州市第五中学学生。