多光谱成像无损识别冻融猪肉中危害级碎骨

张华锋, 王武, 白玉荣, 刘仪茹, 金涛, 余霞, 马飞 

摘要

冻融猪肉作为肉制品加工原料, 被广泛应用于无骨肉制品加工。该原料中的危害级碎骨(1~2.5 cm)对后期加工及食用安全均有较大风险。因此,开展多光谱成像技术(405~970 nm)快速无损识别冻融猪肉中碎骨的可行性研究十分必要。将195块肉片制备成65个无骨肉样、65个碎骨表面嵌入式肉样和65个碎骨内部嵌入式肉样,经冻融处理后采集其多光谱图像;再利用经典判别分析(CDA)进行图像分割,获得两类感兴趣区域(ROIs-1和ROIs-2), 并提取相应光谱和图像信息;最后运用支持向量机(SVM)和神经网络(NN)建立冻融猪肉危害级碎骨识别模型。结果显示: ROIs-2全光谱比ROIs-1全光谱有更好的识别能力,SVM和NN模型的精度均为100%, 表明区域分割与模型精度密切相关。基于连续投影算法(SPA)筛选出六个关键波长(505,590,700,850,890和970nm), 所提取的ROIs-2特征光谱可实现样品碎骨高精度识别,准确率为100%,进一步提升了识别效率。利用图像信息既能建立优越的SVM和NN碎骨识别模型,准确率分别为93.8%和93.33%,又能实现结果可视化,体现出优良的技术优势,但精度低于光谱识别模型。 综上所述, 多光谱成像技术可实现冻融猪肉危害级碎骨的高精度识别,为工业在线检测提供理论基础。

基于图像信息的SVM模型分析图

引言

冻融猪肉作为重要原料,被广泛加工成肉饼、肉排、肉丸等无骨肉制品。在肉类工业中,宰后猪胴体大多采用斩骨式分割,极易在分割后的原料肉中残留碎骨,形成安全隐患。研究表明,1~2.5 cm碎骨对人体有较大危害,已被多数国家或地区列为危害级物理因子。在无骨肉制品加工中,危害级碎骨也会造成一定的设备损伤,致使设备维护成本增加。可见,冻融猪肉危害级碎骨的快速精准识别具有重要意义。

截至目前,一些如X射线、超声波成像和高光谱成像等技术相继被用于肉和肉制品中碎骨的识别研究与应用。然而,该类方法均存在较多缺陷,主要表现为X射线技术的装备昂贵和检测员被辐射风险、超声成像技术的触压信号传输和单点扫描、高光谱成像技术的数据结构复杂和分析耗时性等,难以满足实际工业需求。因此,开发一种低成本的快速无损碎骨检测技术对无骨肉制品加工工业极为关键。

多光谱成像(multispectral imaging, MSI)技术结合了空间成像系统和光谱探测系统是由若干个非连续的窄带波长组成,可同时捕获样品的光谱与空间信息。三维多光谱数据由若干个二维图像构成,其中每个像素为一个光谱信息,全部光谱与空间信息基本包含了样品的理化特性,为理化成分快速无损检测提供理论支撑。近年来,MSI技术已广泛用于理化特征分析、掺假造假识别等,表现出较强的技术优势和广阔的应用前景。然而,基于MSI技术快速无损识别肉及肉制品中碎骨的研究与应用仍未见文献报道。因此,以冻融猪肉为研究对象,开展危害级碎骨MSI识别技术具有十分重要的科学意义。

材料与设备

原料:猪后腿肉及腿骨均购于合肥市家乐福超市,并将原料置于温度为(8±1) ℃的冰盒中,充分保障临时运输期间的肉品质量。

设备:VideometerLab A/S多光谱成像仪由丹麦Videometer公司提供,所含波段有:405,435,450,470,505,525,570,590,630,645,660,700,780,850,870,890,910,940和970nm。