一种基于高光谱成像的小麦面粉微量元素快速检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高光谱成像的小麦面粉微量元素快速无损检测的方法及系统，具体涉及小麦面粉品质无损检测技术领域。所述方法包括以下步骤：采集试验样本、数据获取、数据处理和构建模型。高光谱成像技术克服了传统测定方法费时、费力的缺点，实现了小麦面粉微量元素含量的快速检测。本发明专利技术提供的方法可用于小麦面粉营养品质的快速分级筛选，为小麦面粉生产在线检测提供了新的选择。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高光谱成像的小麦面粉微量元素快速检测方法
本专利技术涉及小麦面粉品质检测
，尤其涉及一种基于高光谱成像的小麦面粉微量元素快速检测方法。
技术介绍
人体维持正常新陈代谢需要营养物质的参与，这些营养物质包括水分、碳水化合物、9种必需氨基酸、2种脂肪酸、7种大量元素、16种微量元素和13种维生素等，缺乏其中任何一种营养物质，都会导致新陈代谢紊乱，从而影响人体的健康。我国居民膳食中主要缺乏的营养物质是微量元素，其中，钙是缺乏最明显的营养素。微量营养素的缺乏，会导致肥胖、高血压、糖尿病、心血管疾病、骨质疏松等各种慢性疾病高发。同时，随着生活水平的提高，我国消费者对更营养健康食品的需求正在增加。因此，进一步提高主食的营养品质、为消费者提供更高营养品质的食物非常重要。我国北方人以小麦面粉为主食，南方人则以大米为主食。小麦面粉是由小麦籽粒经过加工粉碎制成的粉状物，提高小麦面粉的微量元素含量这一目标存在很多限制因素，其中一项就是微量元素含量的测定。长期以来，传统的微量元素含量测定都是通过化学方法高温消煮、电感耦合等离子体质谱法或火焰原子吸收法检测而实现的，需要投入大量时间、精力，同时操作过程复杂，分析成本高，还会产生化学废气污染环境。因此，非常有必要寻找一种能够快速检测小麦面粉微量元素的方法。近几年，近红外光谱法被广泛应用到小麦面粉品质检测领域，该技术已被成功应用于检测小麦面粉不溶性谷蛋白大聚体含量(张平平等，2017)、石灰类物质(王纪华等，2011)、增白剂和滑石粉含量(李光煌等，2017)、水分含量(张斌等，2019)。随着科学技术的发展，一种利用可见光-近红外光谱在实验室条件下进行研究的新技术：高光谱成像技术被开发，该技术融合了光谱技术和成像技术的优点，可以快速获得图像中每个像素的光谱(化学或物理)信息；同时，该技术具有分辨率高、速度快、经济、环保等特点。该技术已应用于检测小麦面粉呕吐毒素污染水平(沈飞等，2019)。然而目前还没有将高光谱成像技术用于小麦面粉微量元素预测的先例。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于高光谱成像技术，提供一种简单、快速检测小麦面粉微量元素含量的方法与系统。本专利技术所提供的检测小麦面粉微量元素含量的方法，包括如下步骤：1)收集小麦面粉样本；2)构建高光谱成像系统，利用高光谱成像系统采集小麦面粉的高光谱图像；3)获取小麦面粉光谱反射率对步骤2)获得的样本原始高光谱图像进行校正，将原始光谱辐射率图像转换为光谱反射率图像，然后从光谱反射率图像中提取样本的平均光谱反射率数据；4)测定小麦面粉各微量元素的含量；5)使用偏最小二乘回归PLSR方法建立反映平均光谱反射率数据与小麦面粉各微量元素的含量之间关系的模型；(1)筛选和删除微量元素含量数据集和高光谱数据的异常值；(2)建立模型；6)利用高光谱成像系统采集待测小麦面粉的高光谱图像，提取小麦面粉光谱反射率，将小麦面粉光谱反射率输入建立好的模型，预测出待测小麦面粉中各微量元素的含量。上述方法步骤1)中，所述小麦面粉样本可为来自不同年份、不同品种的小麦面粉样本；所述小麦面粉样本为多份，具体可为＞600份；上述方法步骤2)中，所述高光谱成像系统包括高光谱成像仪(SOC710-VP，USA)、一个暗箱、4个60W的卤素灯组成的照明系统、放置样本的升降台和电脑；所述高光谱成像的光谱范围为350-1050nm；SOC710-VP(便携式可见光-近红外高光谱成像仪)覆盖的光谱范围从350到1050nm，共128个波段；上述方法步骤3)中，根据高光谱成像仪用户手册对步骤2)获取的样本原始高光谱图像进行校正，将原始光谱辐射率图像转换为光谱反射率图像，然后从光谱反射率图像中提取样本的平均光谱反射率数据；上述方法步骤4)中，采用化学方法测定小麦面粉各微量元素的含量；所述测定小麦面粉各微量元素的含量的方法，包括：采用化学方法高温消煮制备待测液；使用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析待测液中的各微量元素的含量；其中，所述微量元素包括：硼(B)、钙(Ca)、铜(Cu)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)。具体操作如下：将步骤1)中收集的样本分别称取0.2～0.3g(精确至0.0001g)样品置于微波消解管中，然后加入2:1HNO3:H2O2溶液，静置12h，用微波消解仪(CEMMars6，USA)消煮样品，样品消煮后被转移到一个25ml的容量瓶中，加去离子水稀释至刻度线，摇匀，然后过0.45μm滤膜，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Thermo-ICAP6300，USA)对滤液中硼(B)、钙(Ca)、铜(Cu)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)进行分析。上述方法步骤5)(1)中，使用Tukey方法筛选和删除微量元素数据中的异常值，使用基于蒙特卡罗交叉验证的方法检筛选和删除光谱反射率异常值；上述方法步骤5)(2)中，随机选取80％的数据组成训练数据集用于建立模型，剩余20％的数据组成测试数据集用于验证模型；其中，所述数据均为步骤5)(1)中获得的经过异常值筛选的微量元素数据和光谱反射率数据；上述方法步骤5)(2)中，在建模过程中，主成分的个数最大设为50；为防止模型过拟合，训练模型时进行5次10折交叉验证；同时，对模型输入的光谱反射率数据进行中心化和归一化的预处理；上述方法步骤5)还可进一步包括(3)：在R开源软件环境下，利用PLSR建模方法结合“pls”软件包对小麦面粉微量元素进行预测，使用预测值和真实值线性回归的决定系数R2和均方根误差RMSE来评价模型的准确度和精度。高光谱成像技术在小麦面粉微量元素检测中的应用也属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供了一种基于高光谱成像技术的小麦面粉微量元素含量测定的方法，与现有的测定方法相比，具有以下明显的优点：1)本专利技术具有操作简单、快速、成本低、效率高等优点；2)本专利技术在操作过程中不使用有毒化学试剂，对环境无污染。附图说明图1为本专利技术所提供的高光谱成像系统的示意图(a)和小麦面粉样本(b)。图2为小麦面粉的平均光谱。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行说明，但本专利技术并不局限于此。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、基于高光谱成像的小麦面粉微量元素快速无损检测方法1、采集样本小麦面粉样本采集自2017-2019年中国农业大学吴桥实验站。本试验包括13个小麦品种，分别是北京8号、丰抗8号、藁优2018、藁优5766、邯麦15、京411、济麦22、农大139、农大399、石麦22、中麦1062、中麦175和中麦578。小麦成熟后，本试验共采集了631份小麦籽粒样品；脱粒，用去离子水清洗5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测小麦面粉微量元素含量的方法，包括如下步骤：/n1)收集小麦面粉样本；/n2)构建高光谱成像系统，利用高光谱成像系统采集小麦面粉的高光谱图像；/n3)获取小麦面粉光谱反射率/n对步骤2)获得的样本原始高光谱图像进行校正，将原始光谱辐射率图像转换为光谱反射率图像，然后从光谱反射率图像中提取样本的平均光谱反射率数据；/n4)测定小麦面粉各微量元素的含量；/n5)使用偏最小二乘回归PLSR方法建立反映平均光谱反射率数据与小麦面粉各微量元素的含量之间关系的模型；/n(1)筛选和删除微量元素含量数据集和高光谱数据的异常值；/n(2)建立模型；/n6)利用高光谱成像系统采集待测小麦面粉的高光谱图像，提取小麦面粉光谱反射率，将小麦面粉光谱反射率输入建立好的模型中，预测出待测小麦面粉中各微量元素的含量。/n

【技术特征摘要】
1.一种检测小麦面粉微量元素含量的方法，包括如下步骤：
1)收集小麦面粉样本；
2)构建高光谱成像系统，利用高光谱成像系统采集小麦面粉的高光谱图像；
3)获取小麦面粉光谱反射率
对步骤2)获得的样本原始高光谱图像进行校正，将原始光谱辐射率图像转换为光谱反射率图像，然后从光谱反射率图像中提取样本的平均光谱反射率数据；
4)测定小麦面粉各微量元素的含量；
5)使用偏最小二乘回归PLSR方法建立反映平均光谱反射率数据与小麦面粉各微量元素的含量之间关系的模型；
(1)筛选和删除微量元素含量数据集和高光谱数据的异常值；
(2)建立模型；
6)利用高光谱成像系统采集待测小麦面粉的高光谱图像，提取小麦面粉光谱反射率，将小麦面粉光谱反射率输入建立好的模型中，预测出待测小麦面粉中各微量元素的含量。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述小麦面粉样本为来自不同年份、不同品种的小麦面粉样本。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述高光谱成像的光谱范围为350-1050nm。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中，根据高光谱成像仪用户手册对步骤2)获取的样本原始高光谱图像进行校正。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志敏，胡乃月，张英华，李伟，于康，孙振才，杜承航，张震，高艳梅，刘影，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11