金银花贮藏过程中绿原酸含量的高光谱无损检测(6)

高光谱成像（hyperspectral imaging，HSI）技术将光谱学和计算机视觉相结合，可以同时获得样本的光谱信息和空间信息[11-12]。从而实现食品和农产品成分及品质的快速、无损检测与鉴定，且无需对检测对象进行前处理。Liu等[13]采用HSI技术成功实现了紫薯干燥过程中花青素含量的快速预测，为干燥过程中农产品品质检测提供了有效手段。李靖等[14]利用HSI技术结合BP神经网络模型预测燕麦β－葡聚糖含量，预测值与测定值之间的决定系数R2为0.75，预测均方根误差为0.009 8。Shi等[15]利用HSI结合RBF神经网络对不同贮藏温度下罗非鱼片新鲜度指标(总挥发性盐基氮、总需氧量和K值)进行了无损测定。上述文献研究证实了HSI技术可以实现物料品质及成分的快速无损检测，但目前，有关金银花贮藏过程中CGA含量变化的高光谱检测研究未见报道。

本研究以金银花贮藏过程中CGA含量为研究对象，进行HSI检测模型构建方法研究。首先使用6种不同的预处理方法对原始光谱进行降噪并建立偏最小二乘回归（partial least squares regression，PLSR）模型，以期确定最优的预处理方法；接着采用5种变量（波长）筛选方法提取特征波长；最后分别建立线性PLSR和非线性BP神经网络的CGA高光谱检测模型，通过对比模型的预测精度以获得最佳的特征波长筛选方法和预测模型，以期为实现金银花贮藏过程中CGA含量的无损检测提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品制备

本试验所用金银花购买于河南省洛阳市同仁堂药房，试验所用金银花中CGA的质量分数为4.864 2%。选择无损伤的、完整的金银花作为实验对象进行后续研究与分析。将金银花平铺在15个培养皿中，并置于恒温恒湿箱内进行模拟贮藏，本研究采用温度30 ℃，相对湿度85%的贮藏条件[16]，以实现在较短时间内获得必要信息来评估金银花的品质指标。每5 d取出3个培养皿的金银花进行试验。首先，用HSI系统分别扫描每组样品（100个金银花），然后利用HPLC法测量相应的CGA含量。由于在贮藏20 d后，金银花已发生明显霉变，且表面有大量的菌丝，说明此时的金银花已不具备商业价值，因此，本研究只对贮藏前20 d金银花的CGA含量变化进行研究。

1.2 HSI系统与图像采集

本研究所用HSI系统[17]的光谱范围为371～1024 nm。该系统主要由CCD相机、光谱仪（Inno-Spec IST50-3810，德国），光源，高精度电机控制的传送带，计算机以及暗箱组成，光谱分辨率为2.8 nm，光源为4个对称放置的150 W的可调节光纤卤素灯（9型，德国ESYLUX公司）。

在采集金银花样品的高光谱图像前，先将仪器开启预热0.5 h，使光源和采集系统达到稳定。经过反复调试，设定镜头与平台之间的高度为250 mm，传送带移动速度为1.2 mm/s，CCD相机的曝光时间为90 ms。在图像采集过程中，每次将一个金银花放置在传送平台上，使用SICap-STVR（Inno-Spec GmbH Ltd，德国）软件共采集500个金银花高光谱图像。为了减少暗电流噪声和不均匀照明的影响，使用式（1）对所获取的原始高光谱图像进行黑白校正[10, 18]。

（1）

式中R是黑白校正后的图像数据，I是原始高光谱图像数据，D是全黑标定数据，W是全白标定数据。

用HSI系统采集的金银花高光谱图像为三维的立方体数据块，其包括二维的图像信息和一维的波长信息，图像中的每一个像素点包含全波长的光谱信息，提高了光谱数据的可靠性和稳定性[12]。使用ENVI 5.1软件（Research Systems Inc.，Boulder，CO，USA）将金银花样品与背景分离，并根据样品和背景之间的光谱差异（样品与背景光谱值差异最大的波长位置分割图像）确定感兴趣区域（region of interest，ROI）。金银花的形状和品质分布具有不规则性和不均匀性。若感兴趣区域选择局部，提取的光谱信息不能表征整个金银花样本。虽选择整个金银花作为ROI，因其形体尺寸不大，所以对整个样品ROI提取数据后，经过对光谱数据去除噪声比较大的信息，以及对全波长提取特征波长，用于建模分析是可行的。因此，该研究选择整个金银花样品作为ROI，提取的光谱信息更为全面，将ROI内所有光谱信息的平均值作为对应反射光谱值。在Matlab 2014a中计算分割出的每张图像内ROI的平均光谱值，并绘制所有样品对应ROI内平均值的光谱曲线图。

1.3 CGA含量测定

在采集完不同贮藏时间的金银花的高光谱图像后，利用HPLC法测量金银花中CGA含量[19]。首先，将金银花样品用研钵粉碎后精确称量0.1 g到锥形瓶中，并向锥形瓶中加入10 mL 50%甲醇，随后将锥形瓶放在50 W的超声清洗仪中，在20 ℃下水浴30 min提取CGA。然后，在10 000 r/min速度下离心20 min，并用0.22μm Millipore膜过滤上清液。最后，将过滤得到的溶液密封并储存在深色玻璃瓶中，用HPLC Agilent Technologies 1260 Infinity系统作进一步分析。采用C18色谱柱（250 mm × 4.6 mm，5μm）进行CGA分离，柱温25 ℃，流动相由乙腈-0.4%磷酸溶液以15∶85的比例混合而成，进样量为10μL，流速为1.0 mL/min，检测波长为327 nm。每组试验重复3次。

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