高光谱成像技术牛奶蛋白含量的实验室研究

牛奶作为人们日常生活中重要的营养来源，其蛋白质含量是衡量其营养价值的关键指标之一。传统的牛奶蛋白含量检测方法，如凯氏定氮法、高效液相色谱法等，虽然能够得到较为准确的结果，但存在耗时长、成本高、操作复杂等问题，难以满足现代乳业快速、高效、低成本的质量检测需求。高光谱成像技术牛奶蛋白含量实验室研究应运而生，并在牛奶蛋白含量检测领域展现出巨大的应用潜力，为乳业质检带来了革命性的变革。

高光谱成像技术概述

高光谱成像技术是一种结合了光学成像和光谱分析的先进技术，能够在同一时间内获取目标物体的图像信息和光谱信息。其基本原理是利用高光谱成像仪对目标物体进行扫描，获取其在不同波长下的反射光谱图像，然后通过分析这些光谱图像中的特征信息，实现对目标物体成分的定性和定量分析。高光谱成像技术具有光谱分辨率高、成像速度快、非接触无损检测等优点，能够对复杂样品进行快速、准确的成分分析。

本文采用机器学习结合高光谱成像技术对牛奶蛋白含量进行定量评估,为市场上牛奶蛋白质含量检测提供一种可行方案，具体的研究工作和结论如下:

一、实验材料

分别选购了蒙牛、新希望、伊利、光明等7个不同品牌的纯牛奶，将其存放在冰箱中。蛋白质含量如表1所示。

二、实验设备

本文应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用杭州彩谱科技有限公司产品FP130进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

三、实验设置方法

利用高光谱仪采集牛奶样本的高光谱图像,对每一种类别的牛奶分别采集三次样品，然后从 ENVI5.3选择一张比较清晰的图像，采集的光谱图像为 777x1004像素的分辨率。高光谱成像仪曝光时间选10ms,像元混合次数为6次，分辨率4.8nm，平均间隔0.8nm，垂直距离30cm，采集条件:室温(23~25°C)。拍摄时将成像光谱仪和扫描云台安装在一起,最后利用ENVI软件从高光谱像中导出牛奶的平均光谱数据"

四、高光谱数据的提取与预处理

从高光谱图像中提取高光谱反射率数据是传统机器学习建模的基础,一般通过提取感兴趣区域(ROD)中所有像素的光谱反射率平均值得到样本的光谱反射率数据。本文用ENVI软件打开校正后的牛奶样品高光谱图像,用矩形工具选择每张高光谱图像中心附近的像素作为感兴趣区域(ROI)，每张高光谱图像共选取30个ROI7张高光谱图像共选择210个ROI，计算ROI中所有像素的光谱反射率平均值作为该样品的光谱数据，共 210条光谱数据。其中光谱数据以ASCI的格式保存，下图为提取ROI的过程。

高光谱成像技术在牛奶蛋白含量检测中的应用

技术优势

快速高效：传统的牛奶蛋白含量检测方法需要对样品进行复杂的前处理，如溶解、过滤、衍生化等，耗时较长。而高光谱成像技术可以直接对牛奶样品进行检测，无需繁琐的前处理步骤，大大缩短了检测时间，提高了检测效率。例如，采用高光谱成像技术对牛奶样品进行扫描，可以在几分钟内完成一个样品的检测，而传统的检测方法可能需要几十分钟甚至几个小时。

无损检测：高光谱成像技术是一种非接触式的检测方法，不会对牛奶样品造成任何破坏，保证了样品的完整性和安全性。这对于一些珍贵的样品或者需要进一步分析的样品来说，具有重要的意义。

高精度：高光谱成像技术能够获取牛奶样品在不同波长下的光谱信息，通过分析这些光谱信息中的特征波长和特征峰，可以实现对牛奶蛋白含量的高精度检测。研究表明，采用高光谱成像技术结合机器学习算法，对牛奶蛋白含量进行预测，其检测精度可以达到95%以上。

多组分同时检测：除了牛奶蛋白含量，高光谱成像技术还可以同时检测牛奶中的其他成分，如脂肪、乳糖、水分等。这为全面评估牛奶的质量提供了便利，减少了检测成本和时间。

应用案例

牛奶品牌质量检测：在市场上，不同品牌的牛奶质量参差不齐，消费者难以辨别。利用高光谱成像技术，可以对不同品牌的牛奶进行快速检测，获取其蛋白质含量等关键指标，为消费者提供可靠的质量参考。例如，研究人员搭建了高光谱成像系统，采集了市面上7种品牌牛奶的高光谱图像，通过分析光谱数据，准确预测了各品牌牛奶的蛋白质含量。

牛奶生产过程监控：在牛奶的生产过程中，蛋白含量的变化会影响牛奶的品质和口感。通过在生产线上安装高光谱成像设备，可以实时监测牛奶的蛋白含量，及时发现生产过程中的异常情况，从而保证牛奶的稳定质量和产量。

高光谱成像技术对乳业质检的变革影响

提升检测效率和准确性

高光谱成像技术的应用，使得牛奶蛋白含量检测从传统的实验室分析转变为快速、现场的检测模式，大大提高了检测效率。同时，其高精度的检测结果，减少了人为操作误差，提高了检测的准确性，为乳业质量控制提供了更加可靠的依据。

促进生产过程优化

通过对牛奶蛋白含量等关键指标的实时监测，企业可以更好地了解生产过程中的各个环节，及时调整生产工艺和参数，优化生产流程。例如，当发现牛奶蛋白含量低于标准时，可以立即检查原料奶的质量、加工过程中的温度和时间等因素，采取相应的措施进行改进，从而提高产品的质量和产量。

增强市场竞争力

高质量的乳制品是企业赢得市场的重要因素。高光谱成像技术能够为乳制品企业提供准确的质量检测数据，帮助企业生产出符合消费者需求的优质产品。同时，企业还可以利用这些数据进行市场分析和产品定位，制定更加精准的营销策略，增强企业的市场竞争力。

提高消费者信任度

消费者对乳制品的安全和质量越来越关注。高光谱成像技术的应用，使得乳制品企业能够更加透明地向消费者展示产品的质量检测过程和结果。消费者可以通过扫描产品包装上的二维码等方式，查看产品的高光谱检测报告，了解产品的蛋白质含量等关键指标，从而提高消费者对产品的信任度。