高光譜成像技術在食品品質檢測中的應用 ——以辣椒粉為例

紅辣椒營養價值豐富，除了在食品料理中可作為日常調味品，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)中這兩種維生素含量則顯著偏低。在自然生長環境中，紅辣椒中的類胡蘿卜素得到了很好的保護，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sudanhong染料來提亮辣椒粉的顏色，以次充好。sudanhong染料為*的致癌物，在*范圍內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

有幾種傳統方法可用于檢測紅辣椒中的sudanhong，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行，且需要專業的技術人員操作，往往耗費大量的時間和人力物力。

利用高光譜成像技術，可以實現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sudanhong的辣椒粉（class 3）。利用Specim FX10采集每組樣品的高光譜成像數據，使用標準正態變量轉換（SNV）和Savitzky-Golay濾波器依次對原始光譜數據進行了散射校正和低通濾波平滑處理，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濾波后的基礎上計算了一階導數，見下圖。

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

從導數光譜上可以看出，在500-600nm波段范圍內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sudanhong的紅辣椒粉反射曲線則與純辣椒粉有著明顯區別，反射峰“紅移”，出現在590nm左右。而且在650-700nm之間，兩種辣椒粉光譜特征也出現了明顯差異。

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個主成分訓練SVM分類器。結果顯示，基于4個主成分特征的分類器可達到97％的精度，而使用全部感興趣波段訓練的分類器則可以將分類精度提高到100％。這一結果反映出高光譜成像技術在食品檢測領域具有巨大的應用潛力。

易科泰生態技術公司致力于生態-農業-健康研究發展與創新應用，為食品質量檢測鑒定應用提供高光譜成像技術全面解決方案。易科泰生態健康研究中心依托Ecolab®實驗室，可提供中草藥及食品品質檢測等技術服務和實驗合作。