高光譜成像技術(shù)在食品品質(zhì)檢測中的應(yīng)用 ——以辣椒粉為例

紅辣椒營養(yǎng)價值豐富，除了在食品料理中可作為日常調(diào)味品，還有很大的藥用價值。紅辣椒含有豐富的維生素C和類胡蘿卜素(維生素A前體)，但在黃色辣椒和綠色辣椒(未成熟狀態(tài))中這兩種維生素含量則顯著偏低。在自然生長環(huán)境中，紅辣椒中的類胡蘿卜素得到了很好的保護(hù)，但是采摘后的紅辣椒或辣椒粉的儲存條件如光照、溫度、濕度等因素對類胡蘿卜素的含量影響很大。有研究報告指出，在有光照和無光照的情況下，類胡蘿卜素的損失量分別為9.6％到16.7％不等。

通常經(jīng)營者會使用密閉存儲、降低溫度和濕度等手段來減少紅辣椒中類胡蘿卜素含量的損失。但是，一些不法商家為了牟取更多的利益，通常在辣椒粉中添加食用油或者蘇丹紅染料來提亮辣椒粉的顏色，以次充好。蘇丹紅染料為公認(rèn)的致癌物，在全世界范圍內(nèi)被禁止用作食品添加劑，而盡管所用的油大部分是可食用的，但對于對油過敏或面臨特定健康狀況的人仍然有害。

圖1：純辣椒粉與摻油辣椒粉的視覺差異

有幾種傳統(tǒng)方法可用于檢測紅辣椒中的蘇丹紅，例如薄層液相色譜（TLC），高效液相色譜（HPLC）等方法。但這些方法需在實驗室進(jìn)行，且需要專業(yè)的技術(shù)人員操作，往往耗費大量的時間和人力物力。

利用高光譜成像技術(shù)，可以實現(xiàn)快速檢測辣椒粉是否摻假。下面研究實驗中選擇市面上常見的兩種辣椒制作了3類樣品，分別為純凈辣椒粉（class 1）、摻雜了芥末油/橄欖油的辣椒粉（class 2）、和摻雜了蘇丹紅的辣椒粉（class 3）。利用Specim FX10采集每組樣品的高光譜成像數(shù)據(jù)，使用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量轉(zhuǎn)換（SNV）和Savitzky-Golay濾波器依次對原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了散射校正和低通濾波平滑處理，最大限度的消除各種誤差，同時保留了重要的頻譜特征。為了消除基線影響，還在Savitzky-Golay濾波后的基礎(chǔ)上計算了一階導(dǎo)數(shù)，見下圖。

圖2：高光譜成像系統(tǒng)（左），一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線（右）（引自：Khan Muhammad Hussain, et al."Hyperspectral Imaging for Color Adulteration Detection in Red Chili." Applied Sciences 10.17(2020)）

從導(dǎo)數(shù)光譜上可以看出，在500-600nm波段范圍內(nèi)摻油的紅辣椒粉反射光譜類似于純辣椒粉，反射峰均在570nm左右，但其反射率更低一些；摻有蘇丹紅的紅辣椒粉反射曲線則與純辣椒粉有著明顯區(qū)別，反射峰“紅移”，出現(xiàn)在590nm左右。而且在650-700nm之間，兩種辣椒粉光譜特征也出現(xiàn)了明顯差異。

實驗分析中分別對樣品的全部波段和包含95%以上信息量的前4個主成分訓(xùn)練SVM分類器。結(jié)果顯示，基于4個主成分特征的分類器可達(dá)到97％的精度，而使用全部感興趣波段訓(xùn)練的分類器則可以將分類精度提高到100％。這一結(jié)果反映出高光譜成像技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司致力于生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康研究發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用，為食品質(zhì)量檢測鑒定應(yīng)用提供高光譜成像技術(shù)全面解決方案。易科泰生態(tài)健康研究中心依托Ecolab®實驗室，可提供中草藥及食品品質(zhì)檢測等技術(shù)服務(wù)和實驗合作。