冷鲜羊肉表面微生物活细胞的透-反射高光谱特性机理与检测方法研究

At present, the conventional detection methods of chilled meat surface microbial viable cells is complex and time-consuming, it is already cannot satisfy the industry development needs. The project use chilled mutton as the research object, to develop hyperspectral characteristics mechanism and detection method of chilled mutton surface ATP and microbial viable cells which based on the trans-flection hyperspectral image technology. Firstly, research the influence law of various parameters of detection system (light source type, light intensity, incident angle, etc) on the hyperspectral imaging system. And determine the response mechanism of the detection system that influenced by the geometric characteristics, the histological characteristics and the physical features of chilled mutton. Discuss and develop the hyperspectral spectrum characteristic mechanism of microbial viable cells. Secondly, aim to develop a new dimension reduction method of the chilled mutton trans-flection hyperspectral data, and confirm the suitable feature extraction method and expression parameters. Finally, research on coupling mechanism of trans-flection hyperspectral images, and use the trans-flection hyperspectral images information fusion method, to establish the prediction model for detection the microbial viable cell number of chilled mutton surface, through a large number of samples repeated test to improve the adaptability, accuracy and robustness of the model. Then forming a new method of rapid detection for chilled mutton surface microbial viable cells based on hyperspectral. The result of research on the project provides new theoretical basis and technical support, it is not only for chilled mutton health safety and quality detection but also for Ningxia Muslim beef and mutton industry development.

目前，冷鲜肉表面微生物活细胞的常规检测方法复杂、费时，已不能满足产业发展需求。本项目以冷鲜羊肉为研究对象，对基于透-反射高光谱图像技术的冷鲜羊肉表面ATP与微生物活细胞的光谱特性机理和检测方法进行研究。首先，研究检测系统多种参数（光源类型、光照强度、光入射角等）对高光谱成像系统的影响规律，明确冷鲜羊肉的几何特征、组织结构特征和物理特征与检测系统间的响应机制，探讨微生物活细胞的高光谱图谱特性机理；其次，研究冷鲜羊肉透-反射高光谱数据的降维方法，并确定合适的特征提取方法和表达参数；最后，研究透-反射高光谱图像的耦合机理，采用信息融合方法建立冷鲜羊肉表面微生物活细胞数量检测的预测模型，通过大量样品反复试验提高模型的适应性、精确性和鲁棒性。形成基于高光谱的冷鲜羊肉表面微生物活细胞快速检测的新方法。研究成果为冷鲜羊肉卫生安全质量检测和宁夏清真牛羊肉产业发展提供新的理论依据和技术支持。

本课题利用高光谱技术，在400～1100 nm和900～1700 nm波长范围内，对冷鲜羊肉表面主要腐败菌活细胞数量进行无损检测方法研究。采用多种算法对冷鲜羊肉表面主要腐败菌数量建立定量预测模型，通过比较分析不同预处理方法、不同特征波长提取方法、不同建模方法和不同波长范围，选择出冷鲜羊肉表面主要腐败菌数量检测的最优方法。并且，利用高光谱技术对宁夏银川、固原、盐池三个产地羊肉建立产地鉴别模型，并且结合理化指标建立预测模型，预测其理化值含量，为羊肉产地鉴别提供理论支撑。最后，利用MATLAB软件的图形用户界面设计了冷鲜羊肉主要腐败菌检测平台，为实现冷鲜肉在线快速、无损检测提供理论支持。主要研究成果如下：.（1）检测冷鲜羊肉样本表面细菌总数（TVC）和主要腐败菌（假单胞菌、肠杆菌、乳酸菌），采集不同波长范围下的冷鲜羊肉样本高光谱数据。确定了在400～1100 nm波长范围下，细菌总数的最优预处理方法是SNV+VN。.（2）通过主成分分析法（PCA）、连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权算法（CARS）三种方法对冷鲜羊肉高光谱提取特征波长能力的比较。确定优选冷鲜羊肉高光谱特征波长结果最优的方法为CARS算法。.（3）利用PLSR、RBF和LSSVM方法对冷鲜羊肉表面主要腐败菌建立预测模型，为提高模型精度，利用差分进化算法（DE）对LSSVM模型进行优化。经过比较分析，在400～1100 nm波长范围内对冷却羊肉表面主要腐败菌建模预测效果更优。.（4）建立宁夏不同产地羊肉蛋白质修正模型。不同产地羊肉蛋白质含量的光谱检测模型存在模型适用性差的问题，当模型无法预测其他产地羊肉样本的时候，需要对模型进行修正，以提高模型的适用性。采用模型更新算法及斜率/截距算法对固原羊肉样本的蛋白质含量偏最小二乘回归（PLSR）模型进行修正。.（5）利用MATLAB软件的图形用户界面（GUI）设计了冷却羊肉表面主要腐败菌检测平台，该平台可实现对冷鲜羊肉主要腐败菌快速检测分析，包括TVC检测、主要腐败菌检测、数据预处理、特征波长提取四个模块。