趙芷嵐，董怡青，蘇光林，鄭 郁，范 偉，楊清華，李 跑*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410128；3.湖南師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南長沙 410013；4.中國檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)湖南有限公司，湖南長沙 410021）

茯苓是一種常見的食藥同源物質(zhì)，具有健脾寧心、利水滲濕等功效[1-2]。茯苓塊的外觀整體偏灰白、質(zhì)地較硬，與其它物質(zhì)如涼薯等在外觀上較為相似，難以準(zhǔn)確鑒別。因此，一些黑心商販常使用涼薯、冬瓜、白蘿卜塊等冒充茯苓塊，以謀取不當(dāng)利益。目前常采用液相色譜法等對(duì)茯苓成分進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)茯苓的鑒別，但此類方法需要較為貴重的儀器，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對(duì)樣品具有破壞性，影響產(chǎn)品的二次銷售[3]。

近紅外光（780～2 500 nm）是一種介于可見光與中紅外的電磁波，反映了樣品中含氫基團(tuán)的伸縮振動(dòng)倍頻和合頻信息，利用近紅外光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)樣品中有機(jī)物組分的檢測。然而信號(hào)中常存在譜峰重疊、背景、基線漂移以及噪聲干擾，直接用光譜較難實(shí)現(xiàn)組分的定性定量分析?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)方法的引入可以解決這些問題，通常需要兩個(gè)步驟，一是光譜預(yù)處理方法可以消除光譜中多種干擾；二是模式識(shí)別法可以用于鑒別以及定量模型的建立[4-5]。近紅外漫反射光譜（near-infrareddiffusereflectance spectroscopy，NIRDRS）技術(shù)具有快速、無損等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于石油、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域樣品的快速無損檢測[6-10]。

NIRDRS 中光譜采集方式主要有兩種：光纖探頭和積分球。積分球所采集的光譜信噪比高、重復(fù)性好；光纖探頭采集方式更為簡單和便攜，但是信噪比不如積分球模式。近年來，NIRDRS 向著便攜、低成本化的方向發(fā)展，便攜式儀器得到了廣泛應(yīng)用。余梅等[11]利用便攜式NIRDRS 和積分球漫反射模式采集了不同陳化年份陳皮內(nèi)囊和外壁的近紅外光譜，利用光譜預(yù)處理方法結(jié)合不同模式識(shí)別方法構(gòu)建不同年份陳皮的鑒別模型。鄭郁等[12]利用便攜式NIRDRS 和積分球漫反射模式結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)法開發(fā)了一種不同比例摻假茯苓粉無損檢測方法。然而現(xiàn)階段尚缺乏對(duì)假冒茯苓塊的無損鑒別研究。本研究旨在基于便攜式近紅外漫反射光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法構(gòu)建一種假冒茯苓塊無損鑒別分析方法，并對(duì)不同漫反射光譜采集方式獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 材料與方法

1.1 儀器與樣品

由本地藥店購買的靖州白茯苓塊。于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東之源超市購買冬瓜、白蘿卜、涼薯，并切至同茯苓塊一樣大小，作為假冒茯苓塊。每組樣品30 個(gè)，共有120 個(gè)樣品。

i-Spec Plus 光柵型便攜式近紅外光譜儀，帶有積分球漫反射附件與光纖探頭，必達(dá)泰克光電科技（上海）有限公司，波數(shù)范圍為11 100～5 900 cm-1。

1.2 光譜采集

積分球漫反射采集方式：在室溫下，將茯苓塊或假冒樣品放入石英瓶中，置于光斑中心位置，直接采集光譜。光纖探頭漫反射采集方式：在室溫下，通過光纖探頭距樣品2 mm 處直接采集光譜。利用上述兩種光譜采集的方式分別對(duì)茯苓塊與假冒茯苓塊進(jìn)行單次光譜采集，作為原始光譜。

1.3 光譜預(yù)處理與聚類分析

光譜預(yù)處理與聚類分析由MATLAB R2010b（The Mathworks，Natick，USA）軟件實(shí)現(xiàn)。采用了連續(xù)小波變換（continuous wavelet transform，CWT）方法消除光譜中的基線漂移以及譜峰重疊等干擾。此外，為了消除光譜兩端的噪聲干擾，手動(dòng)扣除兩端的光譜，去噪后的光譜波數(shù)范圍為10 985～5 923 cm-1。采用主成分分析（principal component analysis，PCA）方法建立假冒茯苓塊鑒別模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采集方式下茯苓塊與假冒茯苓塊原始光譜

圖1a、b 分別為光纖探頭、積分球漫反射采集的茯苓塊與假冒茯苓塊原始光譜圖。由圖可知，利用光纖探頭采集的茯苓塊與假冒茯苓塊（冬瓜塊、涼薯塊、白蘿卜塊）的原始光譜存在明顯差別（圖1a），表明光纖探頭采集的原始光譜可以實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊的準(zhǔn)確鑒別。積分球漫反射采集方式結(jié)果如圖1b 所示，在11 000～7 000 cm-1范圍內(nèi)茯苓塊與假冒茯苓塊（冬瓜、蘿卜、涼薯）的譜線趨勢相似，較難從原始光譜區(qū)分茯苓塊與假冒茯苓塊。此外，光纖、積分球采集的茯苓塊在6 890 cm-1處有較強(qiáng)吸收峰，可能與茯苓多糖中的O—H 鍵伸縮振動(dòng)一級(jí)倍頻相關(guān)。由圖1 可知，光纖探頭、積分球漫反射采集方式的原始光譜中均有較嚴(yán)重的基線漂移和譜峰重疊干擾，其中積分球采集的光譜信噪比優(yōu)于光纖探頭采集的光譜，后者兩端有強(qiáng)噪聲干擾。

2.2 基于原始光譜和CWT 預(yù)處理的PCA 分析

采用PCA 方法建立假冒茯苓塊鑒別模型。圖2a 為光纖探頭采集方式原始光譜的PCA 結(jié)果，可以看出茯苓塊與其它三種假冒茯苓塊置信橢圓有著明顯區(qū)分，說明光纖探頭采集方式下的原始光譜結(jié)合PCA 可以實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊100%鑒別。圖2b 為積分球采集方式原始光譜的PCA 結(jié)果，其中茯苓塊與假冒茯苓塊（冬瓜和蘿卜）置信橢圓有著明顯區(qū)分，但茯苓塊與假冒茯苓塊（涼薯）置信橢圓有所重疊，表明光纖探頭采集方式下的原始光譜結(jié)合PCA 無法實(shí)現(xiàn)茯苓塊與涼薯塊的準(zhǔn)確鑒別。

圖2c、2d 分別為光纖和積分球采集方式獲得光譜經(jīng)CWT 預(yù)處理后的PCA 結(jié)果。光纖采集方式下CWT 預(yù)處理后的結(jié)果反而更差。可能是CWT 方法不僅消除了噪聲干擾，還消除了光譜中有關(guān)茯苓塊與假冒茯苓塊的部分差異信息。由圖2d 所示，積分球采集方式下CWT 預(yù)處理結(jié)合PCA 可以實(shí)現(xiàn)茯苓塊與假冒茯苓塊100%鑒別?；诒銛y式近紅外漫反射光譜技術(shù)，結(jié)合合適的光譜采集方式以及預(yù)處理方法，可以實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊準(zhǔn)確無損鑒別，而不恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法會(huì)導(dǎo)致模型準(zhǔn)確性下降。

2.3 基于去噪光譜的PCA 分析

由于便攜式近紅外光譜儀的穩(wěn)定性較差，采集的光譜兩端常出現(xiàn)噪聲干擾。因此，手動(dòng)去除了具有強(qiáng)烈噪聲的兩端光譜數(shù)據(jù)。去噪后的光譜波數(shù)范圍為10 985～5 923 cm-1。圖3a 為光纖探頭采集方式下去噪光譜的PCA 結(jié)果，圖3c 為光纖探頭采集方式下去噪光譜結(jié)合CWT 的PCA 結(jié)果。由于去除了較大噪聲的干擾，去噪后的光譜與結(jié)合了CWT 后所建立的模型均可實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊100%鑒別。圖3b 為積分球采集方式去噪光譜的PCA 結(jié)果，該模型依舊無法實(shí)現(xiàn)茯苓塊與涼薯塊的準(zhǔn)確鑒別。圖3d 為積分球采集方式下去噪光譜結(jié)合CWT 的PCA 結(jié)果，與圖2d 結(jié)果類似，該模型可以實(shí)現(xiàn)茯苓塊與假冒茯苓塊100%鑒別。上述結(jié)果均表明了消除噪聲可以提高模型的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本研究基于便攜式近紅外漫反射光譜技術(shù)構(gòu)建了一種假冒茯苓塊無損鑒別分析方法。光纖探頭模式下，利用原始光譜、去噪后的光譜以及去噪＋CWT 預(yù)處理后的光譜建立的鑒別模型均可實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊100%鑒別；積分球模式下，利用CWT 預(yù)處理后的光譜建立的鑒別模型可實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊100%鑒別。綜上所述，基于便攜式近紅外漫反射光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可有效實(shí)現(xiàn)假冒茯苓塊的準(zhǔn)確無損鑒別。