牛奶作為人們日常生活中重要的營養(yǎng)來源，其蛋白質含量是衡量其營養(yǎng)價值的關鍵指標之一。傳統(tǒng)的牛奶蛋白含量檢測方法，如凱氏定氮法、高效液相色譜法等，雖然能夠得到較為準確的結果，但存在耗時長、成本高、操作復雜等問題，難以滿足現(xiàn)代乳業(yè)快速、高效、低成本的質量檢測需求。高光譜成像技術牛奶蛋白含量實驗室研究應運而生，并在牛奶蛋白含量檢測領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，為乳業(yè)質檢帶來了革命性的變革。

高光譜成像技術概述

高光譜成像技術是一種結合了光學成像和光譜分析的先進技術，能夠在同一時間內獲取目標物體的圖像信息和光譜信息。其基本原理是利用高光譜成像儀對目標物體進行掃描，獲取其在不同波長下的反射光譜圖像，然后通過分析這些光譜圖像中的特征信息，實現(xiàn)對目標物體成分的定性和定量分析。高光譜成像技術具有光譜分辨率高、成像速度快、非接觸無損檢測等優(yōu)點，能夠對復雜樣品進行快速、準確的成分分析。

本文采用機器學習結合高光譜成像技術對牛奶蛋白含量進行定量評估,為市場上牛奶蛋白質含量檢測提供一種可行方案，具體的研究工作和結論如下:

一、實驗材料

分別選購了蒙牛、新希望、伊利、光明等7個不同品牌的純牛奶，將其存放在冰箱中。蛋白質含量如表1所示。

二、實驗設備

本文應用了400-1000nm的高光譜相機，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FP130進行相關研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

三、實驗設置方法

利用高光譜儀采集牛奶樣本的高光譜圖像,對每一種類別的牛奶分別采集三次樣品，然后從 ENVI5.3選擇一張比較清晰的圖像，采集的光譜圖像為 777x1004像素的分辨率。高光譜成像儀曝光時間選10ms,像元混合次數(shù)為6次，分辨率4.8nm，平均間隔0.8nm，垂直距離30cm，采集條件:室溫(23~25°C)。拍攝時將成像光譜儀和掃描云臺安裝在一起,最后利用ENVI軟件從高光譜像中導出牛奶的平均光譜數(shù)據(jù)"

四、高光譜數(shù)據(jù)的提取與預處理

從高光譜圖像中提取高光譜反射率數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)機器學習建模的基礎,一般通過提取感興趣區(qū)域(ROD)中所有像素的光譜反射率平均值得到樣本的光譜反射率數(shù)據(jù)。本文用ENVI軟件打開校正后的牛奶樣品高光譜圖像,用矩形工具選擇每張高光譜圖像中心附近的像素作為感興趣區(qū)域(ROI)，每張高光譜圖像共選取30個ROI7張高光譜圖像共選擇210個ROI，計算ROI中所有像素的光譜反射率平均值作為該樣品的光譜數(shù)據(jù)，共 210條光譜數(shù)據(jù)。其中光譜數(shù)據(jù)以ASCI的格式保存，下圖為提取ROI的過程。

高光譜成像技術在牛奶蛋白含量檢測中的應用

技術優(yōu)勢

快速高效：傳統(tǒng)的牛奶蛋白含量檢測方法需要對樣品進行復雜的前處理，如溶解、過濾、衍生化等，耗時較長。而高光譜成像技術可以直接對牛奶樣品進行檢測，無需繁瑣的前處理步驟，大大縮短了檢測時間，提高了檢測效率。例如，采用高光譜成像技術對牛奶樣品進行掃描，可以在幾分鐘內完成一個樣品的檢測，而傳統(tǒng)的檢測方法可能需要幾十分鐘甚至幾個小時。

無損檢測：高光譜成像技術是一種非接觸式的檢測方法，不會對牛奶樣品造成任何破壞，保證了樣品的完整性和安全性。這對于一些珍貴的樣品或者需要進一步分析的樣品來說，具有重要的意義。

高精度：高光譜成像技術能夠獲取牛奶樣品在不同波長下的光譜信息，通過分析這些光譜信息中的特征波長和特征峰，可以實現(xiàn)對牛奶蛋白含量的高精度檢測。研究表明，采用高光譜成像技術結合機器學習算法，對牛奶蛋白含量進行預測，其檢測精度可以達到95%以上。

多組分同時檢測：除了牛奶蛋白含量，高光譜成像技術還可以同時檢測牛奶中的其他成分，如脂肪、乳糖、水分等。這為全面評估牛奶的質量提供了便利，減少了檢測成本和時間。

應用案例

牛奶品牌質量檢測：在市場上，不同品牌的牛奶質量參差不齊，消費者難以辨別。利用高光譜成像技術，可以對不同品牌的牛奶進行快速檢測，獲取其蛋白質含量等關鍵指標，為消費者提供可靠的質量參考。例如，研究人員搭建了高光譜成像系統(tǒng)，采集了市面上7種品牌牛奶的高光譜圖像，通過分析光譜數(shù)據(jù)，準確預測了各品牌牛奶的蛋白質含量。

牛奶生產(chǎn)過程監(jiān)控：在牛奶的生產(chǎn)過程中，蛋白含量的變化會影響牛奶的品質和口感。通過在生產(chǎn)線上安裝高光譜成像設備，可以實時監(jiān)測牛奶的蛋白含量，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況，從而保證牛奶的穩(wěn)定質量和產(chǎn)量。

高光譜成像技術對乳業(yè)質檢的變革影響

提升檢測效率和準確性

高光譜成像技術的應用，使得牛奶蛋白含量檢測從傳統(tǒng)的實驗室分析轉變?yōu)榭焖?、現(xiàn)場的檢測模式，大大提高了檢測效率。同時，其高精度的檢測結果，減少了人為操作誤差，提高了檢測的準確性，為乳業(yè)質量控制提供了更加可靠的依據(jù)。

促進生產(chǎn)過程優(yōu)化

通過對牛奶蛋白含量等關鍵指標的實時監(jiān)測，企業(yè)可以更好地了解生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)，及時調整生產(chǎn)工藝和參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程。例如，當發(fā)現(xiàn)牛奶蛋白含量低于標準時，可以立即檢查原料奶的質量、加工過程中的溫度和時間等因素，采取相應的措施進行改進，從而提高產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。

增強市場競爭力

高質量的乳制品是企業(yè)贏得市場的重要因素。高光譜成像技術能夠為乳制品企業(yè)提供準確的質量檢測數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)生產(chǎn)出符合消費者需求的優(yōu)質產(chǎn)品。同時，企業(yè)還可以利用這些數(shù)據(jù)進行市場分析和產(chǎn)品定位，制定更加精準的營銷策略，增強企業(yè)的市場競爭力。

提高消費者信任度

消費者對乳制品的安全和質量越來越關注。高光譜成像技術的應用，使得乳制品企業(yè)能夠更加透明地向消費者展示產(chǎn)品的質量檢測過程和結果。消費者可以通過掃描產(chǎn)品包裝上的二維碼等方式，查看產(chǎn)品的高光譜檢測報告，了解產(chǎn)品的蛋白質含量等關鍵指標，從而提高消費者對產(chǎn)品的信任度。