高光谱成像技术在甘薯品质无损检测中的应用

甘薯又称红薯或番薯，营养丰富，是我们日常生活中非常好的营养食品。对甘薯的品质进行检测，不仅可以提升甘薯的商品价值，还可以为甘薯产品的品质指标提供依据。本文介绍了高光谱成像技术在甘薯品质无损检测中的应用，感兴趣的朋友可以了解一下！

甘薯品质传统检测方法：

甘薯又称红薯或番薯，属旋花科一年生或多年生植物，在热带和亚热带地区很常见，是一种高产稳产、抗旱性强、适应性强、易种植的粮食作物。甘薯不仅含有糖类、维生素、蛋白质和矿物质等多种功能性成分，同时也是加工淀粉、面粉和乙醇等工业产品的良好原料来源。研究表明，甘薯对健康有巨大的益处，可以起到抗氧化、抗肿瘤、保护肝脏、保护心脏、提高免疫力等保健作用，其品质的优劣，对于进一步开发和利用甘薯产品具有重要意义。

目前，甘薯品质常用检测方法主要是感官评定法、理化检测法和仪器检测法，可能存在操作方法繁琐、成本较高、检测速度慢、试剂污染、主观因素大等缺陷，不能满足甘薯大批量快速检测的需求。因此，寻找一种适宜大批量、简便、快速、破坏性小、无污染、精确可靠且实时的检测方法，对甘薯的品质控制意义重大。近红外光谱（NIR）是一种多组分质量分析工具，已被应用于肉类、粮食、食用油、乳制品、水果和蔬菜中成分（如水分、脂肪、蛋白质、低聚果糖等）的检测。然而，NIR波长分辨率低，无法获得食品视觉检测的空间信息。机器视觉法可以在一个场景中提供大量关于待测物质性质和属性的信息，在食品的表面缺陷检测和分类中应用广泛。视觉系统通常基于彩色摄像机，使用红、绿、蓝波长为中心的三个滤光片来捕捉图像，在获取物品外部或内部成分的光谱信息方面受到限制。

高光谱成像技术（HSI）则整合了两种技术的优点，既可以获取空间信息，又可以收集图像每个像素的光谱信息。HSI是一种振动光谱技术，通过电磁辐射与共价键分子振动模式的相互作用来反映食品的理化性质，基于光源对不同种类食品波长反射率、离散度不同，同时反映其内部和外部特征，实现定量和定性检测。HSI具有分辨率高、检测速度快、重现性好、非破坏性、及时性、连续多波段、操作简便的特点，可以有效补足传统检测方法的技术限制，是各类食品品质检测的潜在有效手段之一。

高光谱成像技术在甘薯品质无损检测中的应用：

高光谱成像技术在甘薯品质无损检测中的应用主要体现在以下几个方法面：

1.甘薯质构特性的检测

质构特性是一种以力学特性为主的综合物理属性，通过食品与人体口腔等部位的接触感知来反映食品组织结构和口感，与食品破碎过程中的变形、分解、流动等性质有关。质构特性在甘薯品质评估中占据重要地位，直接影响生鲜甘薯的食用品质和采后加工品质。目前质构特性的检测方法常采用仪器测定法，主要包括质地多面分析（TPA）法、剪切法、穿刺法、单轴压缩法等。这些方法耗时长、检测速度慢，且对样品的破坏性较大。高光谱成像（HSI）技术因其高效、准确性高、不破坏样品、分辨率高等特点，在果蔬、肉类的质构特性检测方面应用广泛。利用高光谱成像技术采集甘薯的光谱信息，并利用主成份分析（PCA）等方法实现了甘薯样品感兴趣区域的提取，建立相应的预测模型，就可以对甘薯质构特性进行定量评价。

2.甘薯水分的检测

水分是食品的基本成分，既可以作为某些物质的溶剂和载体参与生理生化反应，又可以作为维持食品感官质量和食品品质的重要评估指标。水分在食品中的含量极大的影响食品的外观、风味、新鲜度，含量高的食品呼吸强度高、生理生化反应迅速、附着的微生物繁殖速度快、食品品质劣变的速度也随之加快，及时高效地测定其含量是评价食品的营养、食用和加工品质的一项不容忽视的工作。水分含量的测定方法分为直接法和间接法。直接测定法是指基于食品中水分自身的理化性质进行水分含量测定，如重量法、蒸馏法、卡尔费休法；间接测定法是指利用食品的密度、折射率、电导率等物理性质实现水分测定的一种方法，如电阻法、电容法、核磁共振法。目前实验室常用的方法为直接干燥法，存在耗时长、操作繁琐、需多次反复称重方能准确测量的缺点，无法满足快速检测的需求。采用高光谱成像技术可以建立光谱信息和甘薯水分含量之间的线性关系，通过提取对应的特征波长，建立预测模型，从而可以实现甘薯水分含量的快速检测。

3.甘薯淀粉等营养成分的检测

甘薯淀粉含量丰富，是生产食用淀粉的主要原料作物，同时含有碳水化合物、维生素、矿物质、膳食纤维等多种营养成分。淀粉作为食品原料或食品添加剂在开发食品中起着至关重要的作用，如增稠剂、稳定剂、甜味剂等。淀粉通过提高食品的保湿性，控制食品中的水分流动，进而维持储存过程中食品的品质。此外淀粉还可以用作食品和制药行业感兴趣物质的传递载体，如抗氧化剂、着色剂、香料以及药物活性蛋白质等。因此，检测甘薯淀粉含量对改进甘薯加工工艺具有重要意义。用于淀粉含量测定的传统方法主要包括碘显色法、酶消化法、费林试剂直接滴定法和液相色谱法，不仅操作繁琐、耗时、费力，难以实现对大量甘薯中淀粉含量的快速监测且有化学试剂污染的可能性。利用高光谱成像技术采集甘薯的高光谱图像，然后筛取感兴趣的区域，建立相应的预测模型，就可以对甘薯淀粉进行分析。