高光譜在冬蟲夏草含量及真偽鑒別中的應用

高光譜在冬蟲夏草含量及真偽鑒別中的應用

摘要：目的 以冬蟲夏草粉末為研究對象，利用高光譜成像技術建立對冬蟲夏草粉末的真假鑒別及含量判斷的無損檢測模型。方法 將真偽樣品粉末分別按9：1、8：2
、7：3、6：4
、5：5等不同比例進行混合
，通過光譜範圍為940 nm~2500 nm的高光譜成像儀分別獲取真偽樣品
、不同比例真偽混合樣品的高光譜影像數據
，經過主成分分析（PCA）初步判別真偽樣品的差異性，再結合偏最小二乘法（PLS）對真偽粉末樣品的含量進行分析判斷。結果 不同比例真偽混合物中冬蟲夏草粉末的識別度為97.0%-98.78%，偽冬蟲夏草粉末的識別度為83.10%-99.3%。 結論 基於高光成像技術可以實現對冬蟲夏草粉的真假辨別
，並可準確地判別出冬蟲夏草粉末的有效含量。

關鍵詞： 高光譜成像技術；冬蟲夏草粉末；真假鑒別；含量判斷

冬蟲夏草最初載於《本草從新》[1]，主產於我國四川、雲南

、青海、西藏
、甘肅等省區
，是我國名貴中藥材之一。與人參、鹿茸並稱為補品“三寶”
，具ju有you良liang好hao的de醫yi療liao保bao健jian作zuo用yong。由you於yu冬dong蟲chong夏xia草cao人ren工gong撫fu育yu技ji術shu尚shang未wei突tu破po，其qi來lai源yuan僅jin靠kao野ye生sheng采cai挖wa
，產chan量liang較jiao少shao，價jia格ge昂ang貴gui
，少shao數shu不bu法fa分fen子zi為wei謀mou取qu暴bao利li而er采cai取qu以yi次ci充chong好hao
、摻chan假jia充chong真zhen等deng手shou段duan，導dao致zhi市shi場chang上shang冬dong蟲chong夏xia草cao的de各ge種zhong偽wei品pin層ceng出chu不bu窮qiong，嚴yan重zhong危wei害hai消xiao費fei者zhe和he患huan者zhe的de身shen體ti健jian康kang。因yin此ci，完wan善shan蟲chong草cao的de品pin種zhong鑒jian定ding研yan究jiu
，準zhun確que地di判pan定ding其qi來lai源yuan，對dui藥yao品pin的de監jian督du和he檢jian驗yan顯xian得de尤you為wei必bi要yao。

本文運用近紅外高光譜成像技術對冬蟲夏草粉末的真假鑒別及含量進行無損檢測的判斷。與傳統的中藥檢測技術如色譜法
、質譜法和光譜法[ 2-4] 等(deng)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)

，高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)把(ba)二(er)維(wei)成(cheng)像(xiang)和(he)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)融(rong)為(wei)一(yi)體(ti)
，其(qi)高(gao)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)包(bao)含(han)光(guang)譜(pu)和(he)圖(tu)像(xiang)信(xin)息(xi)，可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)表(biao)征(zheng)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)的(de)外(wai)部(bu)特(te)征(zheng)和(he)內(nei)部(bu)信(xin)息(xi)，優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)圖(tu)像(xiang)信(xin)息(xi)量(liang)豐(feng)富(fu)

，識(shi)別(bie)度(du)較(jiao)高(gao)和(he)數(shu)據(ju)描(miao)述(shu)模(mo)型(xing)多(duo)。由(you)於(yu)物(wu)體(ti)的(de)反(fan)射(she)光(guang)譜(pu)具(ju)有(you)“指紋”效(xiao)應(ying)，不(bu)同(tong)物(wu)不(bu)同(tong)譜(pu)，同(tong)物(wu)一(yi)定(ding)同(tong)譜(pu)的(de)原(yuan)理(li)來(lai)分(fen)辨(bian)不(bu)同(tong)的(de)物(wu)質(zhi)信(xin)息(xi)，它(ta)不(bu)追(zhui)求(qiu)單(dan)一(yi)成(cheng)分(fen)的(de)控(kong)製(zhi)，其(qi)整(zheng)體(ti)性(xing)和(he)模(mo)糊(hu)性(xing)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)豐(feng)富(fu)的(de)中(zhong)藥(yao)信(xin)息(xi)，能(neng)夠(gou)更(geng)加(jia)有(you)效(xiao)地(di)體(ti)現(xian)中(zhong)藥(yao)成(cheng)分(fen)的(de)綜(zong)合(he)作(zuo)用(yong)，從(cong)而(er)更(geng)好(hao)地(di)鑒(jian)別(bie)中(zhong)藥(yao)真(zhen)偽(wei)，評(ping)價(jia)中(zhong)藥(yao)質(zhi)量(liang)。高(gao)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)近(jin)年(nian)來(lai)逐(zhu)漸(jian)受(shou)到(dao)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)、精細農業、食品安全等許多領域的重視。例如
，外在品質檢測如水果、蔬菜表麵損傷


、淤痕[5-6]
；內部品質檢測如水果的可溶性固體含量、水分含量、堅硬程度[7-8]，豬肉的嫩度[9-10]
，鱈魚的新鮮程度[11]，菠菜葉片硝酸鹽含量等[12]；食品安全檢測主要指食品中是否含有可能損害或威脅人體健康的物質，如蘋果、哈密瓜表麵排泄物汙染檢測[13-15]，雞肉排泄物汙染檢測[16]，玉米、辣椒等黃曲黴毒素檢測等。

本研究利用高光譜成像儀“圖譜合一”的特點，分析冬蟲夏草粉末、蛹蟲草粉末、地蠶粉末的光譜差異，以期準確地判別出混合粉末中冬蟲夏草粉末的有效含量。

1  儀器與試劑

高光譜成像數據采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的GaiaSorter高光譜分選儀係統。該係統主要由高光譜成像儀，CCD相機、光源、暗箱、平移台、計算機組成。

蟲草粉樣品是由青海唐古拉藥業公司提供
，其中包括3個標準樣品，2個偽品（分別為地蠶
、蛹蟲草）。

2  實驗方法

2.1 樣品的采集與處理

  將青海唐古拉藥業公司提供的樣品粉末各取5g放置於培養皿上，標號，用於高光譜相機的光譜采集。其中偽品2個標號為9號、10號（分別為地蠶
、蛹蟲草）
，3個標準樣品6號
、7號

、8號，同時將8號與10號樣品粉末分別以9：1、8：2

、7：3、6：4、5：5等不同比例進行混合
，得到1~5號樣品。

 2.2 高光譜數據的采集

樣品的采集高光譜成像係統，掃描方式為推掃式成像技術，該儀器的光譜掃描範圍為940 nm ~2500 nm，每個樣品的采樣間隔為2.5 nm，每個樣品的測定速度一般小於 1分鍾。在獲取樣品的高光譜影像後，需要對采集的光譜圖像進行圖像校正才能得到樣品的反射率
，圖像校正公式如下：

式中


，R_ref 是校正過的圖像，DN_raw是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark是黑板校正圖像。

樣品的典型高光譜如圖1所示。紅色為8號樣品、藍色和綠色分別為9號
、10號樣品。

圖1  8號、9號
、10號樣品典型光譜

Fig.1  Reflectance spectra of the 8號、9號
、10號 samples

3結果與分析

3.1 主成份分析

由於主成分圖像都是由原始數據中的各個波段下的圖像經過線性組合而成
，根據 （其中，為第m個主成分，為該主成分的權重係數，為單個波段的原始圖像）。比較該線性組合的權重係數，ruguoquanzhongxishujueduizhiyueda，duizhuchengfentuxianggongxianjiuyueda。zuidaquanzhongxishusuoduiyingdebochangxiadetuxiangweizuijiatezhengbochangtuxiang。weilexuanquzuijiadebochangzuhe
，bixubaozhengtamendequanzhongxishujueduizhijinkenengda

，tongshihaiyaobaozhengtamenzhijianyouyidingdebochangjiange。jiangceshiyuanshishujujinxingjiangzaochulihou，tongguozhuchengfenfenxibianhuan（PCA）進行背景扣除後，再次進行主成分分析變換（PCA）後結果如圖2所示。

  圖2 主成分分析的結果

  Fig. 2  The results of principal component analysis

通過主成分分析
，可以明顯將9號、10號兩個偽樣品與其它樣品進行區分，由此可以判斷9號與10號樣品為偽樣品。

3.2 偏最小二乘法

偏最小二乘法（PLS）shiyizhongshuxueyouhuadejishu，tazhuyaoshitongguozuixiaohuawuchadepingfanghelaizhaodaoyizushujudezuijiahanshupipei
，ranhouyongzuijiandefangfaqiudeyixiejueduibukezhidezhenzhi，erlingwuchapingfangzhiheweizuixiao。pianzuixiaoerchengfa（PLS）就相當於將多元線性回歸分析
、典型的相關分析以及主成分分析方法融合在一起的數學方法。偏最小二乘法（PLS）主zhu要yao是shi通tong過guo主zhu成cheng分fen分fen析xi法fa將jiang多duo為wei空kong間jian數shu據ju的de曲qu線xian壓ya縮suo到dao較jiao低di維wei的de空kong間jian數shu據ju上shang，使shi其qi原yuan曲qu線xian分fen解jie為wei多duo種zhong主zhu成cheng分fen分fen析xi曲qu線xian
，而er不bu同tong的de曲qu線xian的de主zhu成cheng分fen分fen別bie代dai表biao不bu同tong的de主zhu分fen和he因yin素su間jian對dui曲qu線xian的de貢gong獻xian率lv，選xuan取qu貢gong獻xian率lv較jiao大da的de主zhu成cheng分fen

，去qu除chu有you幹gan擾rao組zu分fen和he幹gan擾rao因yin素su的de主zhu成cheng分fen
，僅jin僅jin將jiang貢gong獻xian率lv較jiao高gao的de主zhu成cheng分fen與yu質zhi量liang參can數shu進jin行xing回hui歸gui。

本研究將8號樣品與10號樣品的粉末分別按9：1、8：2、7：3
、6：4
、5：5等不同比例進行混合，得到1~5號樣品。將1～5號樣品作為未知樣品進行偏最小二乘法變換（PLS）實現分類判別，判斷8號與10號樣品的混合比例
，結果如下表1-表5所示。

從表1到表5可知，1號到5號樣品中8號樣品冬蟲夏草粉末的成分識別度在97.0%到98.78%之間；蛹蟲草粉末的成分識別度在83.10%到99.3%之間；未識別成分所占比例在0.57%到0.84%之間。

從總體上看
，基於PCA變換後的高光譜影像，利用偏最小二乘法可準確地識別出肉眼無法分辨的冬蟲夏草和蛹蟲草粉末。其中當冬蟲夏草和蛹蟲草粉末進行9：1混合時，91.1%識別為冬蟲夏草粉末，8.31%識別為蛹蟲草粉末
，未識別成分占0.59%；當冬蟲夏草和蛹蟲草粉末按8：2混合時
，78.26%識別為冬蟲夏草粉末，20.14%識別為蛹蟲草粉末
，未識別成分占0.60%
；當冬蟲夏草和蛹蟲草粉末按7：3混合時，71.47%識別為冬蟲夏草粉末，28.80%識別為蛹蟲草粉末，未識別成分占0.73%；當冬蟲夏草和蛹蟲草粉末按6：4混合時
，59.04%識別為冬蟲夏草粉末
，40.36%識別為蛹蟲草粉末，未識別成分占0.57%
；當冬蟲夏草和蛹蟲草粉末按5：5混合時，51.50%識別為冬蟲夏草粉末，47.66%識別為蛹蟲草粉末，未識別成分占0.84%。

表1 1號分類判別結果

Tab.1 The result of No.1 Classification

表2 2號分類判別結果

Tab.2 The result of No.2 Classification

表3 3號分類判別結果

Tab.3 The result of No.3 Classification

表4 4號分類判別結果

Tab.4 The result of No.4 Classification

表5 5號分類判別結果

Tab.5 The result of No.5 Classification

4 討論

通tong過guo以yi上shang對dui冬dong蟲chong夏xia草cao粉fen末mo樣yang品pin在zai近jin紅hong外wai波bo段duan的de反fan射she高gao光guang譜pu圖tu像xiang采cai集ji，經jing過guo主zhu成cheng分fen分fen析xi，可ke有you效xiao的de對dui冬dong蟲chong夏xia草cao粉fen末mo的de真zhen偽wei進jin行xing初chu步bu的de鑒jian別bie。進jin一yi步bu通tong過guo偏pian最zui小xiao二er乘cheng法fa分fen析xi對dui樣yang品pin區qu域yu進jin行xing分fen析xi判pan斷duan
，可ke對dui樣yang品pin的de有you效xiao成cheng分fen含han量liang進jin行xing鑒jian別bie，其qi中zhong冬dong蟲chong夏xia草cao粉fen末mo的de成cheng分fen識shi別bie度du在zai97.0%到98.78%之間
；蛹蟲草粉末的成分識別度在83.10%到99.3%之間。但由於目前樣品采樣數量較小，對於成分含量判斷的準確性還需進一步實驗驗證。

shiyanchubuyanzhenglegaoguangpuchengxiangjishuzaichongcaofenmojianbiedekexingxing。jinyibuhaixutongguoshiyanhefenxipanduanchulixiangdetezhengboduan，yijiangdishujucaijiliang
，bingjinyibuyouhuashujufenximoxingyushujuchulisudu，congerdadaozaixianjiancedesuduyuzhunquexingyaoqiu。

REFERENCES

1. 張白翟,愛華.中藥冬蟲夏草的真偽鑒別[J]. 學員天地,2005,12(3):58.
2. 聶黎行,王鋼力,李誌猛等. 近紅外光譜法在中藥生產過程分析中的應用[J]. 光學學報, 2009, 29( 2): 541-547.
3. 毛佩芝,楊凱,金葉,劉雪鬆,王龍虎.近紅外光譜法快速測定野菊花藥材中水分及蒙花苷含量[J]. 中國現代應用藥學. 2015，32(12)：1428-1432
4. 白雁,劉建營,雷敬衛,謝彩俠,陳誌紅,龔海燕. 近紅外光譜技術快速測定杞菊地黃丸的水分含量[J]. 中國現代應用藥學. 2013，30(01):52-54
5. NICOLA B,LTZE E,PEIRS A. Non-destructive measurement of bitter pit in apple fruit using NIR hyperspectral imaging[J]. Postharvest Biology and Technology, 2006, 40: 1-6.
6. XING J,BRAVO C,JANCSÓK P T,et al. Detecting bruises on “golden delicious”apples using hyperspectral imaging with multiple wavebands[J].Biosystems Engineering, 2005, 90: 27-36.
7. RAJKUMAR P, WANG N, EIMASRY G. Studies on banana fruit quality and maturity stages using hyperspectral imaging[J]. Journal of Food Engineering, 2012,108: 194-200.
8. 吳建虎,彭彥昆,陳菁菁,等. 基於高光譜散射特征的牛肉品質參數的預測研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2010, 30( 7) :1815-1 819．
9. WU J H,PENG Y K,LI Y Y,et al. Prediction of beef quality attributes using vis/nir hyperspectral scattering imaging technique[J]．Journal of Food Engineering,2012,109( 2):267- 273．
10. SIVERTSEN A H,KIMIYA T,HEIA K. Automatic freshness assessment of cod(gadus morhua) fillets byvis/nir spectroscopy [J]. Journal of Food Engineering, 2011, 103: 317-323.
11. 薛利紅,楊林章. 基於可見近紅外高光譜的菠菜硝酸鹽快速無損測定研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2009, 29(4):926-930.
12. VARGAS A M,KIM M S,TAO Y,et al. Detection of fecal contamination on cantaloupes using hyperspectral fluorescence imagery[J]. Journal of Food Science, 2005,70: E471-E476.
13. Lefcout A M, Kim M S. Technique for normalizing intensity histograms of images when approximate size of the target is known: detection of feces on apples using fluorescence imaging[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2006, 50:135-147.
14. LEFCOUT A M, KIM M S. Technique for normalizing intensity histograms of images when approximate size of the target is known: detection of feces on apples using fluorescence imaging [J]. Computers and Electronics in Agriculture,2006,50:135-147.
15. PARK B,WINDHAM W R,LAWRENCE K C, et al. Contaminant classification of poultry hyperspectral imagery using a spectral angle mapper algorithm[J]. Biosystems Engineering, 2007, 96:323-333.
16. YAO H, HRUSKA Z,BROWN R L,et al. Hyperspectral bright greenish - yellow fluorescence(bgyf) imaging of aflatoxin contaminated corn kernels[J].  Proceedings of the SPIE, 2006, 6381: 63810B1-63810B8.