高光谱成像技术在食品品质检测中的应用 ——以辣椒粉为例

红辣椒营养价值丰富，除了在食品料理中可作为日常调味品，还有很大的药用价值。红辣椒含有丰富的维生素C和类胡萝卜素(维生素A前体)，但在黄色辣椒和绿色辣椒(未成熟状态)中这两种维生素含量则显著偏低。在自然生长环境中，红辣椒中的类胡萝卜素得到了很好的保护，但是采摘后的红辣椒或辣椒粉的储存条件如光照、温度、湿度等因素对类胡萝卜素的含量影响很大。有研究报告指出，在有光照和无光照的情况下，类胡萝卜素的损失量分别为9.6％到16.7％不等。

通常经营者会使用密闭存储、降低温度和湿度等手段来减少红辣椒中类胡萝卜素含量的损失。但是，一些不法商家为了牟取更多的利益，通常在辣椒粉中添加食用油或者苏丹红染料来提亮辣椒粉的颜色，以次充好。苏丹红染料为公认的致癌物，在全世界范围内被禁止用作食品添加剂，而尽管所用的油大部分是可食用的，但对于对油过敏或面临特定健康状况的人仍然有害。

图1：纯辣椒粉与掺油辣椒粉的视觉差异

有几种传统方法可用于检测红辣椒中的苏丹红，例如薄层液相色谱（TLC），高效液相色谱（HPLC）等方法。但这些方法需在实验室进行，且需要专业的技术人员操作，往往耗费大量的时间和人力物力。

利用高光谱成像技术，可以实现快速检测辣椒粉是否掺假。下面研究实验中选择市面上常见的两种辣椒制作了3类样品，分别为纯净辣椒粉（class 1）、掺杂了芥末油/橄榄油的辣椒粉（class 2）、和掺杂了苏丹红的辣椒粉（class 3）。利用Specim FX10采集每组样品的高光谱成像数据，使用标准正态变量转换（SNV）和Savitzky-Golay滤波器依次对原始光谱数据进行了散射校正和低通滤波平滑处理，最大限度的消除各种误差，同时保留了重要的频谱特征。为了消除基线影响，还在Savitzky-Golay滤波后的基础上计算了一阶导数，见下图。

图2：高光谱成像系统（左），一阶导数光谱曲线（右）（引自：Khan Muhammad Hussain, et al."Hyperspectral Imaging for Color Adulteration Detection in Red Chili." Applied Sciences 10.17(2020)）

从导数光谱上可以看出，在500-600nm波段范围内掺油的红辣椒粉反射光谱类似于纯辣椒粉，反射峰均在570nm左右，但其反射率更低一些；掺有苏丹红的红辣椒粉反射曲线则与纯辣椒粉有着明显区别，反射峰“红移”，出现在590nm左右。而且在650-700nm之间，两种辣椒粉光谱特征也出现了明显差异。

实验分析中分别对样品的全部波段和包含95%以上信息量的前4个主成分训练SVM分类器。结果显示，基于4个主成分特征的分类器可达到97％的精度，而使用全部感兴趣波段训练的分类器则可以将分类精度提高到100％。这一结果反映出高光谱成像技术在食品检测领域具有巨大的应用潜力。

易科泰生态技术公司致力于生态-农业-健康研究发展与创新应用，为食品质量检测鉴定应用提供高光谱成像技术全面解决方案。易科泰生态健康研究中心依托Ecolab®实验室，可提供中草药及食品品质检测等技术服务和实验合作。