CN100357725C - 近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置 - Google Patents

近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用多光谱分析法确定肉类样品品质的方法和装置，其由近红外光源、近红外检测器、漫反射光纤设备、微处理器、显示和记录装置和可转动载物台组成。采取将近红外光投射所检测的牛肉上，用近红外装置对所测牛肉样品进行多点光谱扫描，获得近红外范围内所含的所有光谱信息；对所得的光谱信息分析，找出几个不同的非重叠的波长窗口，它们与牛肉的嫩度有较高的相关性，对所得的每个窗口信息进行特征提取，并通过多变量分析模型得到所测牛肉的嫩度。操作快速简便，并且避免了人工取样过程中人为因素地干扰，结果更客观、准确。

Description

近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置
所属技术领域
本发明涉及利用多光谱分析法确定肉类样品品质的方法和装置。特指用近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法及装置。
背景技术
随着人们生活水平的提高，优质牛肉的生产在我国正方兴未艾，牛肉的品质评定也越来越受到人们的重视。评价牛肉品质的最主要指标是肉的嫩度，在建立牛肉等级评定标准时首先考虑的也是嫩度，在一定程度上，牛肉的嫩度决定着牛肉的价格。所以对牛肉的嫩度的检测极其重要。但是，目前对牛肉嫩度的评定有主观评定和客观评定两种，主观评定方法主要是请专家感观评定，根据牛肉的柔软性、易碎性和可咽性来判定。这种检测方法由于主官因素影响太大，并且过程复杂，近年来很少有人用主观评定方法，都趋向于用客观评定方法。客观评定是借助于肌肉嫩度仪用力学方法来检测牛肉嫩度，其检测过程为：在第12～13胸肋处截取厚度约为25cm的背最长肌，封口包装后放入80C水浴锅中加热至肉中心温度达到75℃；取出，冷却至室温，用直径为1cm的空心取样器钻取肉柱(尽可能多地取样，同时要注意避开筋腱)，然后用肌肉嫩度仪测定每个肉柱的剪切力值，计算其平均值作为牛肉嫩度值。由上可见，现有客观评定方法检测过程也极为繁琐，受人为因素干扰大，比如取样的时间、取样的部位、加热的方法、测试样品的大小等。这些在刘丽、周光宏在《南京农业大学学报》24卷第2期(2001)发表的“预测黄牛及其改良牛牛肉嫩度的胴体性状筛选”的文章中对牛肉嫩度的检测过程和周光宏主编中国农业科技出版社出版的《肉品学》第264页中都有描述。因此，需要找到一种客观、简单、快速、准确的牛肉嫩度检测方法和装置。
近红外光谱分析技术主要研究含氢基团(OH、SH、CH、NH等)的光谱吸收，有大量文献研究表明，牛肉嫩度的差别这主要与牛肉中蛋白质、纤维素等有机化学成份的含量不同有关，而这些有机成分都含有以上的含氢基团，经检索，国内还没有用近红外检测牛肉嫩度的报道。
发明内容
为克服上述技术的不足，本发明的目的是提供一种用近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法及装置。
所述的近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法，其特征在于：将近红外光投射所检测的牛肉上，用近红外装置对所测牛肉样品进行多点光谱扫描，获得近红外范围内所含的所有光谱信息；对所得的光谱信息分析，找出几个不同的非重叠的波长窗口，它们与牛肉的嫩度有较高的相关性，对所得的每个窗口信息进行特征提取，并通过多变量分析模型得到所测牛肉的嫩度。
所述近红外范围内所含的所有光谱信息是指1100nm～3500nm范围内的吸收光谱，并包括该范围内的一阶、二阶倒数光谱。
所述的光谱信息分析包括对所得的光谱进行小波分析，去除其中的高频噪声信号，并进行归一化处理，去除背景和基线的干扰，同时校正辐射源的起伏以及由于机械扰动造成的变化。
所述的几个非重叠的波长窗口是指通过标准的统计技术，如部分最小平方分析(PLS)或主成份回归分析(PCR)，使所得的牛肉近红外光谱中特定波长上的信息与牛肉的嫩度相关，具体的说，如1200±50nm的窗口、1440±10nm的窗口、1930±10nm的窗口、2250±50nm的窗口等。它们与牛肉的嫩度有较高的相关性是指相关系数超过75％。
所述的每个窗口信息进行特征提取是由于所选定的每个窗口内的光谱信息有很大的相关性，利用统计方法减少这些相关信息，通过统计变换，如主成分分析技术，将原来多个相关的光谱信息变换到少数几个互不相关的变量中，同时这几个互不相关的变量含有原来多个相关的光谱绝大部分信息。这几个互不相关的变量即为所提取的特征值。
采用的多变量分析模型是这样建立起来的，从牛肉屠宰厂获得大量的各种嫩度的牛肉样本，将牛肉样本进行近红外光谱扫描后立即用现有常规的牛肉嫩度检测方法对该牛肉样本进行检测，获得较高准确度的嫩度值作为“定标值”；同时用计算机对所扫描的近红外光谱进行如上所述的去噪处理、归一化处理，并通过“定标值”找出以上所述的特定波长窗口，并从每个窗口内提取特征值；将所有特征值组成的向量作为自变量，“定标值”作为因变量，用神经网络技术建立起它们之间的映射，通过不断的训练和学习，得到一个精练的模型，能够根据输入的特征向量准确的得到牛肉的嫩度值。
本发明提供一种用近红外技术快速检测牛肉嫩度的装置，该装置由近红外光源、近红外检测器、漫反射光纤设备、微处理器、显示和记录装置和可转动载物台组成。漫反射光纤设备偏心安置在可转动载物台下方，它由分别与近红外光源相连的入射光纤和与近红外检测器相连的接收光纤组成，漫反射光纤设备、近红外检测器、微处理器、显示和记录装置顺序连接。
检测时，将牛肉置于可转动载物台上，可转动载物台由步进电机带动，由近红外光源产生的近红外光通过漫反射光纤设备的入射光纤投射到放在载物台上的牛肉，在牛肉上产生的漫反射辐射经漫反射光纤设备的接受光纤传到近红外检测器，该检测器将收集到的近红外信号转换为模拟电压信号，模拟电压信号经微处理器中的模数转换器转变为数字信号，将该数字信号提供给微处理器中的数据处理模块，最后在显示和记录装置可以看到被检测牛肉的嫩度。
该装置中可转动载物台能使牛肉在进行近红外光谱检测时缓慢转动，而光纤不动，这样每次最后所得到的光谱就是牛肉检测面上多点扫描光谱的平均。这样可以极大的减少由于单点检测而带来的误差。因为牛肉表面上有大量的牛肉脂肪镶嵌在牛肉肌肉中构成大理石花纹，如果采用单点扫描，则会出现正好只对牛肉脂肪或牛肉肌肉进行扫描，这样得到的信号会出现很多的奇异点。采用本发明的采样方法可以避免奇异点的产生。
本发明的有益效果是所提供的近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法及装置与现有的仪器检测方法相比，试样不需要繁琐的预处理，不但快速，而且简便地检测出牛肉的嫩度，并且避免了人工取样过程中人为因素地干扰，结果更客观、准确。
附图说明
图1本发明的结构原理框图；
图2牛肉近红外光谱处理过程示意图；
图3小波变换去噪后的光谱与原光谱；
图4本发明所测得的牛肉嫩度与肌肉剪切仪检测得到的牛肉嫩度关系图；
1-近红外光源，2-入射光纤，3-漫反射光纤设备，4-接收光纤，5-近红外检测器，6-模数转换器，7-微处理器，8-数据处理模块，9-显示和记录装置，10-可转动载物台，11-步进电机
具体实施方式
如图1，将所测牛肉置于中心开有圆孔可转动载物台10上，在步进电机11的带动下随可转动载物台10缓慢平稳地转动；漫反射光纤设备3偏心安置在可转动载物台10的下方，它由分别与近红外光源1相连的入射光纤2和与近红外检测器5相连的接收光纤4组成，近红外检测器5将收集到的近红外信号转换为模拟电压信号，模拟电压信号经微处理器7中的模数转换器6转变为数字信号，将该数字信号提供给微处理器7中的数据处理模块8，传到数据处理模块8中，数据处理过程如图2所示，首先对光谱信息进行小波变换，去除其中的噪声，并进行归一化处理，去除背景和基线的干扰，同时校正辐射源的起伏以及由于机械扰动造成的变化；其次通过部分最小平方分析(PLS)或主成份回归分析(PCR)提出特定窗口的光谱信息值，如1200±50nm的窗口、1440±10nm的窗口、1930±10nm的窗口、2250±50nm的窗口等。并用主成分分析技术对所提取的窗口信息进行进一步特征提取。再将所提取的特征值输入到本发明建立的神经网络多变量分析模型中，经神经网络多变量模型处理后得到所测牛肉的嫩度；最后在显示和记录装置9上显示被检测牛肉的嫩度。
所述的神经网络多变量分析模型是这样建立起来的，从牛肉屠宰厂获得大量的各种嫩度的牛肉样本，将牛肉样本进行近红外光谱扫描后立即用现有常规的牛肉嫩度检测方法对该牛肉样本进行检测，获得较高准确度的嫩度值作为“定标值”；同时用计算机对所扫描的近红外光谱进行如上所述的去噪处理、归一化处理，并通过“定标值”找出以上所述的特定波长窗口，并从每个窗口内提取特征值；将所有特征值组成的向量作为自变量，“定标值”作为因变量，用神经网络技术建立起它们之间的映射，通过不断的训练和学习，得到一个精练的模型，能够根据输入的特征向量准确的得到牛肉的嫩度值。

Claims (2)

1.近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法，其特征在于：将近红外光投射到所检测的牛肉上，用近红外装置对所测牛肉样品进行多点光谱扫描，获得近红外范围内所含的所有光谱信息；对所得的光谱信息分析，找出几个不同的非重叠的波长窗口，它们与牛肉的嫩度有较高的相关性，对所得的每个窗口信息进行特征提取，并通过多变量分析模型得到所测牛肉的嫩度；
其中近红外范围内所含的所有光谱信息是指1100nm～3500nm范围内的吸收光谱，并包括该范围内的一阶、二阶倒数光谱；所述的光谱信息分析包括对所得的光谱进行小波分析，去除其中的高频噪声信号，并进行归一化处理，去除背景和基线的干扰，同时校正辐射源的起伏以及由于机械扰动造成的变化；所述的几个非重叠的波长窗口是指通过标准的统计技术：部分最小平方分析或主成份回归分析，使所得的牛肉近红外光谱中特定波长上的信息与牛肉的嫩度相关，其中所述波长窗口为：1200±50nm的窗口、1440±10nm的窗口、1930±10nm的窗口、2250±50nm的窗口；所述的每个窗口信息进行特征提取是采取统计变换方法即主成分分析技术，将原来多个相关的光谱信息变换到少数几个互不相关的变量中，同时这儿个互不相关的变量含有原来多个相关的光谱绝大部分信息；所述的采用的多变量分析模型是通过从牛肉屠宰厂获得大量的各种嫩度的牛肉样本，将牛肉样本进行近红外光谱扫描后立即用现有常规的牛肉嫩度检测方法对该牛肉样本进行检测，获得较高准确度的嫩度值作为“定标值”；同时用计算机对所扫描的近红外光谱进行如上所述的去噪处理、归一化处理，并通过“定标值”找出以上所述的特定波长窗口，并从每个窗口内提取特征值；将所有特征值组成的向量作为自变量，“定标值”作为因变量，用神经网络技术建立起它们之间的映射，通过不断的训练和学习，得到一个精练的模型，能够根据输入的特征向量准确的得到牛肉的嫩度值，从而建立起来的。
2.实现权利要求1所述的用近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法的装置，其特征是由近红外光源(1)、近红外检测器(5)、漫反射光纤设备(3)、微处理器(7)、显示和记录装置(9)、可转动载物台(10)和步进电机(11)组成；漫反射光纤设备(3)、近红外检测器(5)、微处理器(7)、显示和记录装置(9)顺序连接，其中漫反射光纤设备(3)偏心安置在可转动载物台(10)下方，由分别与近红外光源(1)相连的入射光纤(2)和与近红外检测器(5)相连的接收光纤(4)组成。
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