數(shù)字色度學(xué)法檢測食品中的色度值

數(shù)字色度學(xué)法檢測食品中的色度值

在儀器分析領(lǐng)域檢測顏色素濃度的經(jīng)典方法是基于朗伯茨吸收法的分光光度法。該方法檢測靈敏度高,結(jié)果相對誤差為2%～10%;但檢測步驟多、速度慢,且逐個測定樣品吸光度易引入偶然誤差。21世紀(jì)以來,機器視覺技術(shù)在物質(zhì)內(nèi)部特性分析方面的研究發(fā)展較快,如運用多參數(shù)圖像分析和回歸方法從顏色圖像中提取物質(zhì)特征參數(shù)對快餐食品表面著色劑含量與分布的預(yù)測及HSD(色調(diào)-飽和度-光密度)模型對顯微鏡下血細(xì)胞的識別和分析等。機器視覺技術(shù)在物料組分微量分析中的研究有根據(jù)Nayar理論提出的圖像中像素亮度的表示方法,研究認(rèn)為有色溶液的亮度曲線反映其濃度變化;利用溶液色度值與濃度的線性關(guān)系進行的稻米直鏈淀粉含量檢測的實驗研究等。這些檢測方法中待測量與實測量之間的相關(guān)性較小,檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度不夠理想。為此,筆者擬運用朗伯-比爾吸收定律和RGB顏色模型推導(dǎo)溶液色度值與濃度的定量關(guān)系,確定基于數(shù)字色度學(xué)檢測有色透明溶液濃度的理論依據(jù),開發(fā)配套檢測系統(tǒng),并通過可行性實驗和檢測性實驗驗證本方法的理論正確性、檢測系統(tǒng)的精密度和準(zhǔn)確度。1檢測原理1.1光催化作用測定一定溫度下波長為λ的單色光通過均勻的某稀溶液時滿足It(λ)=I0(λ)e-K(λ)bc(1)式中:It(λ)和I0(λ)分別為波長λ的光透過樣品后和入射樣品的光強度;b為液層厚度;c為溶液濃度;K(λ)依賴于λ,反映該物質(zhì)對的光的吸收特性。定義A為溶液的吸光度,則式(1)可表示為A=lg[I0(λ)/It(λ)]=E(λ)bc(2)式中E為吸光系數(shù)。1.2透射長透射光的表征彩色圖像的R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)值分別對應(yīng)于經(jīng)過色分離后的單色紅、綠、藍(lán)光在點(i,j)的光強,透明溶液圖像的RGB值即相應(yīng)波長透射光的光強表征。據(jù)此式(1)和(2)寫為Ci=C0(λi)e-K(λi)bc(3)lg[C0(λi)/Ci]=E(λi)bc(4)式中:i分別表示不同基色R、G、B;C0(λi)、Ci分別表征入射光光強I0(λi)和透射光光強It(λi)。定義max[K(λi)]對應(yīng)的顏色i為掃描溶液的特征顏色,從溶液圖像中獲取溶液色度信息,提取特征顏色,建立特征顏色變換lg(C0(λi)/Ci)與濃度c的回歸方程,則可以對未知濃度溶液進行測定。2檢測溶液濃度為零的情況系統(tǒng)由Pentium4清華同方計算機、方正T35掃描儀、721比色皿(為比色皿設(shè)計了專用蓋子,其上有2個進出液體的導(dǎo)管,并使其處于圖1所示工作方式)和比色皿工作平臺組成。從圖1可以看到:一部分入射光被比色皿中的溶液吸收,一部分經(jīng)有機板反射后再次通過溶液透射。光2次通過溶液,實際檢測厚度是比色皿厚度的2倍,因此試驗中溶液濃度不宜過大,否則則偏離式(3)和(4)。將比色皿充滿溶液后嵌入比色皿工作平臺,掃描儀采集溶液色度信息,圖像以BMP格式保存。啟動檢測軟件完成圖像分析處理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算,給出檢測結(jié)果,軟件流程見圖2。3ii的用量為驗證檢測方法的理論正確性及檢測系統(tǒng)的精密度,進行了可行性驗證實驗。用參比溶液的色度值代替C0(λi),以消除因比色皿、溶液中其他成分以及溶劑對入射光的吸收和反射所帶來的誤差。在可行性驗證實驗的基礎(chǔ)上,對稻米直鏈淀粉含量進行檢測性實驗,并分析檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。3.1可行性實驗3.1.1不同容量瓶中酸鈉的濃度在200mL容量瓶中加入約100mL純凈水,用電子天平(感量0.0001g)準(zhǔn)確稱量0.03g高錳酸鉀粉末至容量瓶中,完全溶解后用純凈水定容至刻度線;取6個100mL容量瓶,分別加入約50mL純凈水,然后從200mL定容液中依次移取5、10、12、15、20、25mL至6個容量瓶中,搖勻后用水定容,各容量瓶高錳酸鉀溶液的質(zhì)量濃度ρ(高錳酸鉀)分別為0.75、1.50、1.80、2.25、3.00、3.75mg/100mL。純凈水作為參比液。取參比液和不同質(zhì)量濃度的高錳酸鉀溶液,每種并行取2份,分別裝滿比色皿,采集溶液色度信息并保存,等時間間隔(1min)掃描8次,按照圖2處理圖像,從8組處理結(jié)果中任取一組,溶液色度值與ρ(高錳酸鉀)關(guān)系見圖3。3.1.2方法的理論分析從圖3可以看出,溶液色度值R、G、B隨ρ(高錳酸鉀)的增大而遞減,其中G值變化最快。根據(jù)特征顏色的定義,高錳酸鉀溶液的特征顏色為G。作G與ρ(高錳酸鉀)的擬合曲線,其線性擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為-0.9786,指數(shù)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為-0.9995,R、B值與ρ(高錳酸鉀)的指數(shù)關(guān)系也均優(yōu)于線性關(guān)系,這一結(jié)果與式(3)吻合,說明方法的理論正確性;當(dāng)特征色度值大于160時,其與ρ(高錳酸鉀)的線性相關(guān)關(guān)系明顯,相關(guān)系數(shù)大于0.9800。根據(jù)式(4)對特征顏色G作lg(G0/G)變換后與ρ(高錳酸鉀)的關(guān)系曲線(圖4),其中6個檢測點8次數(shù)據(jù)采集的變異系數(shù)為2.03%～3.58%,說明系統(tǒng)采集的溶液色度值相對穩(wěn)定,系統(tǒng)操作具有可重復(fù)性。從每個檢測點8組數(shù)據(jù)lg(G0/G)均值與ρ(高錳酸鉀)的相關(guān)系數(shù)和回歸曲線方程可以看出,二者相關(guān)性很好,說明利用該方程進行未知樣品檢測的可信度較高。3.2檢測試驗3.2.1材料和方法1馬鈴薯淀粉和水稻支鏈淀粉采用黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷物品質(zhì)研究中心提供的質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%的馬鈴薯直鏈淀粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)87%的水稻支鏈淀粉樣品。按照GB15683—1995《稻米直鏈淀粉含量的測定》對樣品進行前處理(采用不脫脂處理),并配置直鏈淀粉和支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)分散液。2標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的制備在100mL的容量瓶中加入約50mL純凈水,按照表1將不同體積V的直、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)分散液和0.09mol/L的氫氧化鈉溶液在100mL容量瓶中混合均勻,作為標(biāo)準(zhǔn)系列溶液;取5mL0.09mol/L的氫氧化鈉溶液至100mL容量瓶中,加純凈水定容至刻度線,作為空白液。3碘試劑的制備在上述標(biāo)準(zhǔn)系列溶液中分別加入1mL1mol/L的乙酸溶液,混合均勻后再加入2mL碘試劑,加純凈水定容至刻度線,搖勻,靜置20min。4特征顏色的提取等時間間隔(1min)掃描7次,按照圖2處理圖像,提取直鏈淀粉特征顏色,對特征顏色R作lg(R0/R)變換,并作lg(R0/R)與ρ(直鏈淀粉)的關(guān)系曲線(圖5)。3.2.2測量精度檢驗lg(R0/R)均值與ρ(直鏈淀粉)的關(guān)系曲線及標(biāo)準(zhǔn)曲線方程見圖5,其相關(guān)系數(shù)0.9983大于文獻的0.9890,說明本檢測方法待測量與實測量的相關(guān)性較好,測量精度較高,并再次證明了本方法的理論正確性。各檢測點7次數(shù)據(jù)采集的變異系數(shù)為0.84%～1.77%,表明數(shù)據(jù)具有可重復(fù)性。表2示出采用lg(R0/R)與ρ(直鏈淀粉)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程對2個待測樣品的檢測結(jié)果,最大相對誤差4.4%,平均相對誤差分別為3.43%和2.46%,滿足微量組分檢測的準(zhǔn)確度要求。4檢測結(jié)果回收率及方法的適用性1)溶液色度值與質(zhì)量濃度之間存在負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系;溶液特征顏色變換lg(C0(λi)/Ci)與質(zhì)量濃度的線性相關(guān)系數(shù)>0.9980,回歸方程可用于樣品濃度的準(zhǔn)確檢測;當(dāng)溶液特征色度值>160時,不作對數(shù)變換,其與質(zhì)量濃度的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9800,可用于樣品濃度預(yù)測或粗測。2)相同實驗條件下多組測量值變異系數(shù)小于4%,系統(tǒng)操作具有可重復(fù)性;樣品檢測結(jié)果最大相對誤差為4.4%,滿足微量組分檢測的準(zhǔn)確度要