近红外漫反射聚类法无损快速测定淀粉品质.pdf

第28卷第6期
北京工商大学学报(自然科学版
Vol 28 No6
2010年11月
Joumal of Beijing Technology and Business University( Natural Science Edition)
文章编号:1671-1513(2010)06-0053-04
近红外漫反射聚类法无损怏速测定淀粉品质
孙晓荣,刘翠玲,吴静珠,方平,李慧
(北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048
摘要:提出一种基于近红外光谱技术和聚类分析法对不同种类的淀粉进行无损快遠鉴别的方
法,研究了近红外光语結合聚类分析法快速鉴别淀粉种类的可行性,采集样品在12500~4000
cm'范圖内的近红外漫反射光语,利用光语模式识别法中的聚美分析法对图诸进行定性分美鉴
别.光谱经一阶导数预处理后,采用聚美分析法可准确无误地将样品分为2类,分类准确率达到
100%.同时采用预测集的样品验证所建模型的准确性,经实验得出预测准确率也是100%,实验
结果表明,近红外漫反射光谱结合聚夷分析法可以为快无损别淀粉种类提供一种准确可靠的
方法
关键词:近红外光谱;聚类分析;淀粉;一阶导数法
中图分类号:TS207.3
文献标志码;A
淀粉是以谷类、薯类、豆类为原料,不经过任何技术,它以其快速、高效、取样简单以及无污染等独
化学方法处理,也不改变淀粉内在的物理和化学特特的分析优点,已广泛应用于农业、食品、医药、石
性加工而成的.它是日常生活中必不可少的作料之油、化工、烟草、化妆品等行业.在定性分析方面,近
一,如煎炸烹炒,做汤勾芡都少不了要用到淀粉.随红外光谱技术已被应用于苹果、水稻、酸奶和黄酒等
着食用淀粉在现代食品加工业中的广泛应用,淀粉的品种鉴别,而对于淀粉品种的鉴别方面还少见报
生产和加工贸易取得了较大的发展.常见的产品主导.本文通过对2种淀粉种类共计28个样品的近
要有玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和绿豆淀粉红外漫反射光谱结合聚类分析法进行分析,旨在寻
等,不同种类的淀粉价格差别较大,有的相差高达找一种快速有效鉴别淀粉种类的方法
10倍以上,但是不同种类淀粉颗粒的宏观外观和普
通物化指标差别不明显,无法辦认.由于缺乏相应1方法原理
的食用淀粉鉴别检验技术标准,国内淀粉市场严格
1.1聚类分析
监管很难执行.一些不法商家为追求利润,常把廉
聚类分析是无监督模式识别,它通过样品间的
价的、大量的玉米淀粉包装成土豆淀粉或绿豆淀粉
相似性对样品进行分类,最终以光谱图形式来表达
来销售,从而提高销售价格,从中牟取暴利.为保护
聚类过程以及结果.样品相似度由样品光谱之间的
合法生产经营者和消费者的利益有必要进行淀粉距离决定,两张光谱图之间的距离越大,表明两样品
种类的鉴别.传统的感官评定方法一方面需要经之间的差别越大,反之亦然.聚类分析的算法步骤
验,另一方面其检测结果受主观因素影响较大,准确
为:1)各样品的光谱图自成一类,计算各类之间的
度难以保证:而常规的理化分析方法不仅费时费距离:2)将距离最近的两类合并成一个新类;3)计
力,还破坏样品,因此有必要研究一种简单、快速、算新类与其他类之间的距离;4)重复步骤2)、3),
无损的淀粉种类鉴别技术-2
直至所有样品最后归为一个大类,此时完成聚类过
近红外光谱( near infrared,N-R)分析技术是20程,得到谱系图
世纪90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析
收稿日期;2010-08-21
基金项目:北京市自然科学基金资助项目(4073031),
作者简介:孙晓荣(1976-),女,山西长治人,讲师,士,主要从事智能检测技术与数据处理、系统建模与仿真方法方画的研究
万方数据
北京工商大学学报(自然科学版
2010年11月
1.2聚类算法
聚类分析过程包括两种距离的计算,一种是光2实验方法设计
谱图与光谱图之间距离的计算,另一种是新建类与
其他光谱图或类之间距离的计算.计算光谱图与光
2.1实验仪器
谱图之间的距离常用的方法是欧氏距离法,其计算
本文采用德国布鲁克光学仪器公司傅立叶变换
公式为:
近红外光谱仪,漫反射样品杯附件,OPUS6.5光谱
采集及分析软件
(1)2.2实验样品
实验用玉米淀粉和土豆淀粉均是从市场购买不
式中D,一光谱和j光谱之间的距离
同品牌或同一品牌不同批次的淀粉,将其编号.1
死,和一一氵光谱和j光谱在ん波长点处的2,5,6,7,8,15,17,18,19,20,21,22号为土豆淀粉
吸光度值
在系统聚类法中,类与类之间的距离定义有样品;3,4,9,10,1,11,14,16,23,24,25,26,21
28号为玉米淀粉样品.
多种,因此也使系统聚类法按类间距离的定义分为
多种不同类型的方法,常用的方法有:最短距离法
2.3光谱采集
将上述淀粉样品放置在旋转样品台的样品杯
最长距离法、中问距离法、重心法、类平均法、可变类
中,然后进行近红外光谱采集.波数范12500
平均法、可变法和方差平方和法等8种.常用的54000m',波长间隔8cm~',扫描64次后取平均
种距离公式如下.
环境温度23~25℃
1)最短距离法:类与类之间的距离等于两类间
2)最长距离法:类与类之间的距离等于两类向3结果与讨论
最近两个样本之间的距离
最远两个样本之间的距离
3.1淀粉近红外光谱
3)中间距离法:类与类之间的距离既不采用两
13个土豆淀粉样品和15个玉米淀粉样品的近
类之间最近的距离,也不采用最远的距离
红外漫反射光谱图如图1.由图可以看出,在12500
4)重心法:重心法是从物理意义出发,以类的~4000cm'范围内较为相似,具有许多淀粉之间的
重心代表此类,使用两类重心之间的距离来描述类相似信息,峰形、峰位差别很小,无法直接鉴别.利
间相似性.
用化学计量学方法将原光谱进行数学处理,采用聚
5)方差平方和法:采用不均匀的判断规则,从类算法进行鉴别,能突出样品之间化学成分的细小
方差分析的观点出发,认为正确的分类应当使得类差异,从而达到鉴别的目的
内方差尽量小,而类间方差尽量地大
3.2聚类分析模型的建立
采用不同类间距离计算方法,其结果不完全
运用聚类分析软件,从土豆淀粉中选择11个样
样,有时会得到截然不同的聚类结果,在初次进行品的原始光谱用作建模,土豆淀粉中的5号和17号
聚类分析处理时,不妨多试探选择几个距离,进行聚用作预测,从玉米淀粉中选择13个样品的原始光
类,作对比分析,以确定合适的距离表达形式-?.谱用作建模,玉米淀粉中的11号和23号用作预测,
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波数fm
图128个样品的近红外漫反射光谱图
Fig. I 28 samples of near-infrared diffuse reflectance spectra
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