تكنولوجيا التصوير الفائق الطيفية تمكن من اختبار الطازجة السريع وغير المدمرة لحم الخنزير

أثناء معالجة وتوزيع وتداول لحم الخنزير ومنتجاته، تعتبر النضارة مؤشرا حيويا لقياس جودتها وسلامتها. على الرغم من أن طرق الكشف التقليدية، مثل تحديد إجمالي النيتروجين الأساسي المتطاير (TVB-N) والعدد الإجمالي القابل للحياة (TVC)، تقدم نتائج موثوقة، إلا أنها مرهقة وتستغرق وقتًا طويلاً ومدمرة للعينات. وبالتالي، يصعب عليهم تلبية متطلبات صناعة الأغذية الحديثة لإجراء اختبارات سريعة وغير مدمرة عبر الإنترنت.

في السنوات الأخيرة، أظهرت تكنولوجيا التصوير فوق الطيفي إمكانات تطبيقية كبيرة في مجال تقييم جودة الأغذية نظرًا لمعلوماتها الغنية وطبيعة عدم الاتصال وقدرات التحليل السريع. قدمت الكاميرا الفائقة الطيفية FS-IQ-VISNIR (400-1000 نانومتر) من CHNSpec دعمًا للحصول على البيانات لهذا النوع من الأبحاث.

التصميم التجريبي والحصول على البيانات

في دراسة نشرت في مجلة تركيب وتحليل الأغذية، استخدم فريق بحث من جامعة تشنغتشو للصناعات الخفيفة كاميرا CHNSpec فائقة الطيف FS-IQ-VISNIR لجمع البيانات الطيفية المرئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء للحوم لحم الخنزير المخزنة تحت التبريد البارد عند درجة حرارة 4 درجات مئوية خلال 14 يومًا. تم إشراك ما مجموعه 112 عينة، تغطي 7 نقاط زمنية بواقع 16 عينة لكل نقطة. تستخدم الكاميرا طريقة التصوير بالمكنسة الدفعية، والتي تتميز بمدى طول موجي يتراوح بين 400-1000 نانومتر، وتحتوي على 1200 نطاق، وفاصل أخذ العينات الطيفي يبلغ حوالي 0.5 نانومتر، ودقة مكانية تبلغ 1920 × 1920 بكسل.

لتعزيز جودة الإشارة، صمم فريق البحث طريقة معالجة مسبقة للصور غير خاضعة للرقابة بناءً على الاختلافات الطيفية. بالاشتراك مع تجزئة عتبة التكيف Otsu والعمليات المورفولوجية، استخرجت هذه الطريقة بشكل فعال المنطقة محل الاهتمام (ROI) وقللت من تداخل الخلفية.

شبكة استخراج الميزات ذات الفرع المزدوج ونمذجة دمج التعلم الآلي

اقترحت الدراسة شبكة لاستخراج الميزات الفائقة الطيفية ثنائية الفرع تسمى HFE (مستخرج الميزات الهجينة). تتكون هذه الشبكة من قناتين متوازيتين لاستخراج الميزات:

• الفرع الطيفي: يقدم آلية انتباه الضغط والإثارة (SE) للتعرف بشكل تكيفي على أوزان كل نطاق، ويجمع بين الإدراك الحسي متعدد الطبقات (MLP) لاستخراج الميزات الطيفية الرئيسية.
• الفرع المكاني: يعتمد شبكة عصبية تلافيفية ثنائية الأبعاد (CNN) مدمجة مع الوحدات المتبقية (BasicBlock) ووحدات Atrous Spatial Pyramid Pooling (ASPP) لاستخراج الميزات المكانية متعددة النطاق.

يتم دمج هذين النوعين من الميزات من خلال آلية دمج مسورة ومن ثم يتم إدخالها في نماذج انحدار المربعات الصغرى الجزئية (PLSR) وانحدار ناقلات الدعم (SVR)، على التوالي، لاستكمال التنبؤ الكمي لمحتوى TVB-N وTVC.

أداء التنبؤ والتحليل

تشير النتائج التجريبية إلى أنه عند دمج وحدة HFE مع PLSR وSVR، فإنها تظهر دقة عالية في التنبؤ بمحتوى TVB-N وTVC:

• HFE + PLSR: قيمة R² للتنبؤ بـ TVB-N هي 0.9786 مع قيمة RMSE تبلغ 2.4685؛ إن R² للتنبؤ TVC هو 0.9529 مع RMSE قدره 0.3223.
• HFE + SVR: TheR² للتنبؤ TVC هو 0.9597 مع RMSE قدره 0.3066.
• بالمقارنة مع طرق القياس الكيميائي التقليدية (مثل SG+SPA، SNV+CARS)، تم تحسين دقة التنبؤ واستقرار النموذج لهذه الطريقة. ومن حيث انحراف التنبؤ المتبقي (RPD)، وصل TVB-N وTVC إلى 7.1204 و5.1831 على التوالي، مما يشير إلى أن النموذج يمتلك قدرات تنبؤية قوية.

إمكانية تفسير النموذج وتحديد النطاق الرئيسي

ومن خلال آلية الانتباه SE، أجرى فريق البحث تحليلًا تصوريًا لأوزان النطاقات المختلفة في الفرع الطيفي. أظهرت النتائج أن النموذج خصص أوزانًا أعلى ضمن نطاق 600-920 نانومتر، وهي منطقة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالاستجابة البصرية لأكسدة البروتين والأيضات الميكروبية (مثل الأمينات والألدهيدات والكيتونات وما إلى ذلك). مع تمديد وقت التخزين، زاد محتوى TVB-N وTVC، كما اتسع نطاق هذه النطاقات المميزة، مما يشير إلى أن النموذج يمكنه التقاط التغييرات الطيفية الدقيقة المتعلقة بتغيرات النضارة.

آفاق التطبيق

توضح هذه الدراسة أن الكاميرا فائقة الطيف FS-IQ-VISNIR، جنبًا إلى جنب مع شبكة استخراج الميزات ثنائية الفرع ونماذج انحدار التعلم الآلي، يمكنها تحقيق تنبؤ فعال بمؤشرات نضارة لحم الخنزير دون التسبب في تلف العينات. تحمل هذه الطريقة قيمة مرجعية عملية للاختبارات غير المدمرة عبر الإنترنت في مجال تجهيز الأغذية ونقل سلسلة التبريد وروابط البيع بالتجزئة.

ستواصل CHNSpec توفير معدات التصوير فائق الطيف والدعم الفني في مجال جودة الأغذية وسلامتها، مما يساعد الصناعة على الانتقال إلى طرق اختبار أكثر كفاءة وذكاء.

توصية المنتج: كاميرا فائقة الطيف المحمولة FS-IQ-VISNIR

• النطاق الطيفي: 400-1000 نانومتر
• الدقة الطيفية: 2.5 نانومتر
• دقة الصورة: 1920*1920
• عدد القنوات الطيفية: 1200