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基于SIMCA、PLS-DA、WT-ANN模型的椰子油掺混定性识别研究



全 文 :20 16 年 1 月中国粮油学报V〇1 . 3 1 , No . l
第3 1卷第1期 JournaloftheCh ineseCerealsandO ilsAssociationJan.20 1 6
基于SIMCA 、PLS-DA 、WT-ANN模型的
椰子油掺混定性识别研究
曹飞宇 1 >2 王兴 国 1 陈卫军 2 王 挥2
(江南大学食品学院 、无锡 刀射22 )
( 中 国热带农业科学院椰子研究所 2 ,文 昌 57 1339 )
摘 要 根据不 同 油脂的 紫外特征光谱 ,利 用 SIMCA , PLS - DA , WT - ANN 3 种模型对椰子 油 中掺混 大
豆油 、葵花籽油和玉米油的 油脂类别进行判定分析 。 结果显示 ,WT -ANN 对 3 种掺混油脂类 别 的识别 效果最
佳 ,预测集 及2分别 达到 了0 .9989 ( 大豆油 ) 、0 ?98 11 (葵花籽油 ) 、 0.9999 ( 玉米油 ) ,且在不 同 农度下识别 率均
达到 了100% , 而 SIMCA 和 PLS- DA 的识别 准确度相对较低 , 且受掺混浓度的影响较大 。 WT-ANN 结合紫
外光谱是一种有效判定椰子油 中掺混油脂类别 的分析方法 。
关键词 椰子油 定性识别SIMCAPLS - DAWT - ANN
中图分类号 : TS227文献标识码 : A文章编号 : 1003-0 1 74( 20 16 )0 1- 0 1 37-05
天然椰子油 ( VC0 ) 是一种新兴的健康油脂 , 富本研究以紫外光谱分析技术为切人点 ,采用 目
含中链脂肪酸 ( M CT ) , 月 桂酸含量高达 47.36% , 同前植物油市场中售价较低的玉米油 、葵花籽油 、大豆
时还含有 420mg/kg 的植物 甾醇 、 89. 8mg/kg 的维油与 VC0 进行掺混 ,基于不同掺混油脂的紫外光谱
生素 E 以及 18mg/g 的总酚酸等多种功能性微量成差异 [ 9 ] ,采用簇类软独立模式识别 ( S IMCA ) [ 1 ( )] ,偏
分 [ 1 ] ,其营养价值和功能特性已经得到 国 内外消费最小二乘法判别分析 ( PLS - DA ) [ U ] , 小波转换神经
者的普遍认可 [2 ] 。 近年来 , 国 内市场上天然椰子油网络 (WT - ANN ) [ 1 2 ]分别构建识别模型 ,以期得到一
&藤渐增# , f旦 ;i Tt個 种快速 、准确的掺混油脂类别定性分析方法 。齐 ,可能存在着搀兑低价油 、 劣质油 ,甚至非食用油
的安全隐患 。1如"料加古 法近年来 ,有关油脂掺混鉴别分析的模型研究逐
渐增多5( : [ 3 ] 、 1^1^ [4 ] 、 1 1^ 5 ] 、 同位素 腹11 [ 6 ] 、 0脱L 1 原料
分子标记 [ 7 ]等掺混鉴别技术的应用均取得了 阶段 ‘性天然椰子油 ( VC0 ) : 中 国热带农业科学院椰子
成果 , 但是韻存補处繼琐 、卿长 、 、肖鮮 !a酿所巾试工r 。 大雜 、魏賴 、玉米油 :市售 。
等不足之处。 紫外光谱是一种常见的光谱特征分析h 2
技术 ,能够■〔撕懸分子略色陳祕醜L Z 1viG撕样品配制
特性 ,含有 TT 键电子及共辄双键的化合物 , 因在紫外将大豆油 、玉米油 、藥花籽油按质量 比 以 1%  ̄
条件下有强烈的 TT—TT *跃迁 , 易在 220 ̄ 300nm 区30% 的添加量分别掺混于 VC0 中 , 共 90 个掺混样
域产生吸收峰 。 不同类别油脂由 于其不饱和脂肪酸 品 ,分别 为 VC0/大 豆油 ( D ) ,VC0/玉米油 ( Y ) ,
种类及含量的差异 , 其紫外吸收峰位置 、强度及其峰VC0/葵花軒油 ( K ) 。 超声波振荡器振荡 30min 后 ,
型均存在一定的差异 [s ] 。 并且紫外光谱技术检测样置于 ( 28± 2 ) 丈 的避光环境中保存 。
品快捷简单 , 对样品无破坏 、污染 , 将紫外图谱信息1 . 2. 2 紫外光谱采集
结合化学分析模型 , 可达到不同种类油脂定性分析扫描波长为 1 90 ? 500nm ,扫描速度 60mn/m in ,
的 目 的 。
采样间隔 1nm , 狭缝宽 2 削 ,以无水乙醇为对照 。
收稿 日 期 :20 1 .t - 05 - 1 62- 3 数据处理方法
作者简介 : 曹飞宇 ,男 , 19 39 年 出生 ,硕士 ,油脂工程采用 Unscrambler9 .7 、 Neuroshe ll2 、 Matlab 、 Ori-通讯作者 : 王兴国 ,男 , 1W3 年出生 ,教授 ,食用油加工与安全控 _
制及功能性油脂 gin 软件进行数据预处理和模型建立。
1 3 8中国粮油学报20 1 6 年第 1 期
2结果和讨论为训 练集 , 剩 余 3〇 个作 为 预测 集 , 通过 PCA 判
2 . 1 紫外光谱特性分析 别 [ 1 4 ] ,确认 3 种掺混油样定性区分可行性 。 然后采
天然椰子油 、玉米油 、大豆油和葵花籽油 4 种油 用 SNV' Smo o th ing ' No rm al i ze 等预处理方法提高模型
脂的紫外光谱如 图 1 所示 。 图 1 发现 ,在 200 ̄ 300^别能力 [ 1 5 ] 。 图 3  ̄ 图 5 比较 了紫外数据预处理之
nm 范 围 内 , 玉米油 、大豆油 和葵 花籽油 3 种油脂的 前 、预处理之后 、过度 预处理的识别效果 。 结果发
紫外光谱曲线差异较小 。 从 300nm 处开始 , 随着波 现 , SNV 的 预处理效果最佳 , 能够有效提升 3 种混合
长的增加 ,谱线差异逐渐变大 , 而天然椰子油 的整条 油样聚类分析的精确性 ( 图 4 ) , 强化模型的识别度 。
谱带吸光度偏弱 ,与其他 3 种油差别较大 。 Ji angL 图 6 ̄ 图 8 比较了主成分数与剩余残差之间 的关系 ,
等 [9 ]对葵花籽油 、大豆油 、玉米油的紫外光谱分析也 确定了 3 种掺混油样各 自 的最优主成分数如表 1 所
有相似结果 ,这种差异可能是不 同油脂 中共轭双键 示 ,经 SNV &S后油样得到 了 很好的分离 , 然后经
含量的差别而引起 的 [ 1 3 ] 。 玉米油 、大豆油和葵花籽 SIMCA 条件下模 型分析进行 油脂 掺混类别 的鉴
油中含有不同的亚麻酸和亚油酸含量 , 其共轭双键含 定 [ 1 6
_
1 7 ]
。 结果发现 ,预测集识别率 : 1 8 ] 分别为 9 3%
量的差异 ,使不饱和度较高油脂的吸收峰 向长波方 向 ( Y ) ; 95% ( D ) ; 96% ( K ) ( 表 1 ) ,可 以对油脂掺混类
移动至 3 1 0nm 附近 ,而天然椰子油不饱和度低 ,共轭 别进行较好的定性区分 。
双键少 ,导致谱带强度弱且吸收峰位于 300.r

2^ 1 1/zY
4-°
3 V3


:fK,… 葵花籽 —^

-r\ i:;///t
1 . 0 -JV -6 -4-2024
〇:〇 ! , 注 : x , 样 品 - 模型 x 方向得分 ; y , 样品 —翻
200300400500 Y 方向得分 ;Z ,样品 - 模型 Z方向得分
^ / nm ▲ 葵花籽 ( K ) , ?大豆 ( D ) , 鲁玉米 ( Y )
图 1 大豆油 、玉米油 、葵花籽油 、 VC04 种油脂的紫外图谱图 3 3 种掺混油样原始光谱数据 PCA得分三维图
图 2 是 VC0 中掺混 1 0% 、 20% 、30% 的 玉米油 、2
大豆油和葵花籽油共 9 个样品 的光谱信息 。 分析发 1
现 , vco 的紫外图谱因掺混油脂类别的不同 而存在
较大差别 : 在 300nm 之前 , 主要表现为峰高的差异 ; - 1j^\ x (
300run 之后 ,则主要表现为峰型和峰高综合性差异 。  ̄ ??._
同时发现 ,在某些特定区域内 ,不同类别掺混油脂的谱" 5 〇 5^ 5 ^线肉眼难以判别 ,故采用化学分析模型进一步分析 。 W^ ' 2 ‘注 :x , 样品 - 模型 X 方向得分 ; Y , 样 品 - 模型
1Y 方向得分 ;Z ,样品 -模型 Z方向得分 。
5 —
— D3▲ 葵花籽 ( K ) , 參大豆 ( D ) , 蜃玉米 ( Y )
4 - : :Y2 图 4 3 种掺混油样预处理光谱数据 PCA 得分三维图

200 300400 ̄' ^
-ifc+|)7nX*?
"j波长7 丨? °
(?.^ 4^^ +〇7_ 2E+ 〇70〇. 2E+07 〇 .4 E+07 〇-6E^07

〇. BE+0 7
注 : Y 为 VCO/玉米油 ; K 为 VCO/葵花籽油 ; D 为 V CO/大豆油 。
图 2VC0鎌祕 的紫外图 i普 样品
- 分 ; Y ’样品 -_
22S IMCA 分类 i□别 Y方 向得分 ; Z , 样品
- 模 型 Z 方 向得分 。
Z I L 方失 V、 s _l ▲雛 W ( K ) , 攀大豆 ( D ) , ?玉米 ( Y )
从 90 个 VCO 掺混样品中随机抽取 60 个样品作图 53 种掺混油样过度懸理光谱数据 PCA 得分三维图
第 3 1 卷第 1 期 曹飞宇等 基于 S IMCA 、 PLS-DA 、WT-ANN 模型的椰子油掺混定性识别研究1 39

表 1s i mca 分析结果
种油 样 的 识别 率分 别 为 D :97% ;K :95 _5% ;Y :
IIitS?mimSm■% ,对油脂类别判别分析的识别效果较 s imca 有
200 - 400nmYSNV40 . 00 15 30 . 0007293所提高 。 同时发现 , 当掺混油脂添加量大于 5% 时 ,
DSNV60 . 00064 0 . 003 9595其掺混识别率均为 1 00% , 表明 PLS-DA 模型在掺
 — ̄ ̄
0000 1 7 000067
_
_
^ 混浓度大于 5% 时具有更佳的识别效果 。
0 .02
^ 
表 2PLS - D A 分析结果

: 2 , 光谱预处理 ## 主成 训练集均 预测集均 识别率

l i 范围方式分数 方根误差 方根误差/%
〇 〇 1J1 D90 . 04 10 0 . 054297

^9K80 .1 42 6 0 . 2 1 3 395 . 5
:I 400nm+SNV
\Y70 . 08 7 6 0 .1 0621 00
〇■^^"" PCs0 .06-
(0)( 2)(4) (6)(8 ) ( 1 0)( 1 2)( 1 4) ( 1 6)( 1 8 ) :
0 .04-
注 : 横轴 为主成分个数 , 纵轴为 自 变量剩余残差 , 1 为训练集 ,2 为 :\^2麵集 。 讀 」 
图 6 玉米 油 PCA 模型主成分数与剩余残差的关系 :  

- PCs
0.06 —  ̄ 丁  ■■|■ ■ ■丨 ?■ ̄ ̄’ ■ ??? _
: 2 (0)(2)(4)(6) (8 )( 10 )( 1 2)( 1 4) ( 1 6)( 1 8)
0 04 :\注 : 横轴为主成分个数 , 纵轴为均方根误差 , 1 为训练集 ,2 为预测集 。
\ 图 9 葵花籽油 RMSECV 、RMSEP 与主成分数规律 图0.02-\
〇 」
■PC s〇 〇61

0)(2) (4)(6)( 8) ( 1 0) ( 1 2 ) ( 1 4)( 1 6) ( 1 8 )0.04\
注 : 横轴 : 主 成分个数 纵轴 : 自 变量 剩余残差 , 1 为训 练集 , 2;、 ■ —4,
为预测集 。 1 ?
图 7 大豆油 PCA模 型主成分数与剩余残 差的关系 pCs
006 -I


)(2 ) (4)(6) (8 )( 1 0) ( 12) ( 1 4)( 16) ( 1 8 )
004 _i \注 : 横轴为主成分个数 , 纵轴为均方根误差 , i 为训练集 ,2 为预测集 。

\ 图 丨 〇 玉米油 RMSECV 、 R MS EP 与主成分数规律图
002
:\ 0 . 04
^ ,
(0)(2)(4 )(6)(8 ) ( 1 0) ( 1 2 )( 14 )( 1 6)( 1 8 )〇 . 〇2 -\
注 : 横轴 : 主成分个数 纵 轴 : 自 变量剩 余残差 , 1 为训练集 , 2;
2
为预酿 。 '^PC s图 8 葵花籽油 PCA 模型主成分数与剩余残差 的关系 ( ) 1 , , , , ,  ,
2 .3PLS- DA分类识别 (0)(2 ) (4)(6)(8 ) ( 1 0) ( 1 2) ( 1 4)( 1 6)( 1 8 )
PLS- DA 模型是基于 PLS 而行f生 出的一种类另 ij注 : 横轴 为主成分个数 .纵轴 为均方根误差 , 1 为训练集 , 2 为预测 集 。
判定分析方法 ,它将定性判别转化为量化分析 , 继而 a n 大豆油 RMSECV 、 RMSEP 与主成分数规律 图
进行类别判定 [ 19 - 2 1 ] 。 本研究选取 60 个样品作为训2 . 4WT - ANN 紫外数据处理
练集 , 30 个作为预测集 ,数据采用 9 点平滑 + 标准归ANN ( 神经网 络 ) 数学分析模型 自学 习 能力强 ,
一化 ( SNV ) 进行预处理 ,考察了训 练集均方根误差精度高 ,在多个行业的非线性预测 中均具有广泛 的
( RMSECV ) 、预测集均方根误差 ( RMSEP ) 同 主成分应用 。 本研究首先采用 db2 小波 函数 ,对 60 个训练
数之间 的变化规律如 图 9 ̄ 图 1 1 所示 , 选择 RM -集和 30 预测集进行分解和压缩 [ 23 _ 24 ] ,样品集从原有
SECV 和 RMSEP趋近最小值且两者差最小时 的主成的 90x 2 〇0 维降低到 90x9 维 。 然后经数据分析确
分数作为最优参数如表 2 所示 。 预测集结果表明 , 3定最佳网络结构的各层节点为输入层 ( 9 个 )一隐含
14〇

中国粮油学报

20 16 年第 1 期
层 ( 13 个 )一输出 层 ( 4 个 ) , 学习 方法为学 习速率类别定性分析 。 结果表明 , 3 种模型在一定程度上均
0.3
, 动量 0 .1 ,初始权重 0 .2 ,训练精度 0 .0000 1 。 预能够对掺混油脂的类别进行定性分析 , SIMCA 对于 3
测结果如表 3 所示 , 3 种油样的预测集护分别达到了种掺混油样的识别率分别为 93%( D ) , 95%( K ) 和
0?9989 ( D ) 、0 .9 881( K ) 、0 ?9999( Y ) ,识别率显示96%( Y ) ;PLS-DA 对 3 种掺混油样的识别率分别
WT-ANN 模型不受掺混浓度高低的影响 ,识别率均为 97%(D ) ,95 .5%(K ) 和 100% (Y ) ; 而在 WT-
为 1〇〇% 。ANN 条件下 , 3 种掺混油 样的识别率则均达到 了
表 3WT -ANN 分析结果100%〇 由此可见 , WT _ANN 结合紫外光谱技术能
12 够对椰子油 中娜_旨的类臟行快速 、准确 的定
200 -D

0 . 9999
 ̄ ̄
0. 9989

0. 007 100性分析 ,且该模型的识别效果不受掺混浓度高低的
4〇〇 nm 小 {^数 K0 - 99990 . 98 110. 0 1 3 100影响 ,具有较广的适用度 。
Y 0 . 99990. 99990 . 00 1100
参考文献
2. 5WT - ANN 模型的验证 [ 1 ]夏秋瑜 ? 天然椰子油 的组分及其对花生油氧化稳定性的
为进一步确认 WT -ANN 模型的优越性 ,另采用 - 66
福临门大豆油 、玉米油 和葵花籽油作为掺混油 ,分别M MarinaAIeheMan ’ IAm in ’V i#_mnoil : em?ging
配制5% 、 10% 、 15% 、 20% 、 20% 、 25% 、 30%浓度样—alhdoi l [ JL T—fMdscience& te— ’
2009 ,20 ( 1 0 ) : 48 1- 487品 ,对類进行验证 。 紫夕卜捕测定后对数据进行最
[ 3 ]Cserh^UT .C^aphy inauthent ici ty.ace^优化预处理 ,基于已建立的WT -ANN最优模型进行 tes ts 。£ vegetab leWa?ddai rypraduets : a rcview [ J ] _B i()_定性识别 。 设定大豆油擦混油样为 (〇 , 〇 , 1 ) ,葵花籽油medi calChromatography , 2005 , 1 9 ( 3 ): 1 83 -190
渗混油样为 (〇 , 1 , 〇 ) ,玉术油渗混油样为 ( 1 , 〇 , 〇 ) ,并 [ 4 ] Lee ,D , - S , et al .Reversedphase liquid ch romatograph icde-
规定预测值中 多 〇_ 5判定为1 , < 0. 5判定为零 。 预测 termi nati onof triacylglycerol composit ioninsesame oilsand
结果如表 4 所示 。 结果表明模型对 18 个验证油样都thechemometri cdetectionofad ulterat ion[J ] .Analyt ica
完成了准确判定 ,识别率均达到 l〇〇% 。Chimi ca Ac ta , 200 1 ,429W :3 2 1- 330
表4WT -ANN模型验证结果 [ 5] Ro hmanA ,  et al .Appl icati onof FTIRspectroscopyforthede-
光谱预处理讲 口古―汝筑咖故termi natio nofvi rgi n coconutoi li nbinarymixtureswithol ive
h±-? -ij . -p .样 具头值 琐测值很围刀瓦 oilandpalmoi l [ J ] ?Journalof theAmericanO ilChemi sts’
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D( 0 , 0 , 1 ) ( 0 . 000 0 ,0 . 002 5 ,0 . 998 7 )[ 6 ] Gonzalvez , ASAimenta , MDeUGuardia. Trace-element
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D ( 0 , 0 , 1 ) (0. 0000 ,0. 021 0 , 1 . 0000 )foodsw ithProtec tedDes ignat ionofOrigin [ J ] .TrACTrends
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200 -db2K(0 , 1 ,0 )(0 . 000 4 ,0. 9871 , 0 . 0 149 )b ili tyofoli veoil [ J ] . T rendsi nFoodScienceandTechnolo-
400 nra小波函数k (0 , 1 ,0 )( 0. 00 1 5 ,0. 9949 , 0 . 005 6 ) gy , 20 1 1 , 22 ( 5 ) :237- 244
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Y( 1 ,0 ,0 )( 1 . 0000 ,0 . 0045 ,0 . 0000 )ogy , 20 1 3 : l- 7
Y ( 1,〇 , 〇 ) ( 1 .0000 ,0 .0000 ,0 .0000 )[ 10 ] MezaMdrquez .App licat ionofmid- infraredspec troscopy

Y( 1 ,0 ,0 ) ( 0.967 0 ,0 .005 6 ,0 .0764 ) wi th mul tivariateanalys isandsoftindependentmodel ingof
注 : D 表 tk掺混油 为大 油 的样 nn ; K 表 掺混油为藥花好油 的e lassanalogieW SIMGA 丨 fo r*thedeteeti anof adul terant sin样品 ; Y表示掺混油为玉米油 的样品 。 ^,mincedbeef [ J ] ,Meatc ience , 20 1 0 , 86 ( 2 ): 5 1 1- 5 1 9
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椰子油中大豆油 、玉米油 、葵花籽油 3 种掺混油脂的1 36 - 1 44
第 3 1 卷第 1 期 曹飞宇等 基于 51 1价2 、?15 - 0人 、阶 - 人顺模型的椰子油掺混定性识别研究14 1
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TheStudyofSIMCA ,PLS-DA ,WT-ANNModelsfor
CoconutOi lBlenderQualitativeIdentification
C aoFeiyu
1 ' 2WangXingguo1ChenWeijun2WangHui2
( S choolofFoodSc ienceandTechno logy ,JiangnanUniversity 1 ,Wuxi2 14 122 )
( Coconu tResearchInstituteGATAS2 ,Wenchang57 1 339 )
AbstractAccording tothe experimen talresultofUVspectraofdiferento i ls , thestudyhasuti lizedSIMCA ,
PLS- DAandWT - ANNmodelstodiscriminatethecoc onuto ilmix ingsoybeano il ,sunflowero i landcomoi lcate ?
gories .Theresul tsshowedthatrecogn i tioneffec tofWT-ANNonm ixedo ilcategorieswas thebestamong the three;
predic tionsetRzreached0 . 99 89( soybean ),0 . 98 11( sunflower ) ,0 .9999( com)respectively.Therecogn ition
rateof wi derangeofdifferentconcentration sreached100%,wh ileSIMCAandPLS-DArecogni tionaccuracywas
relativelylower ,strongly influenced bythemixingconcentration .Asaconclusion ,WT-ANNcombined withultravi?
ole tspec trumshouldbean effec tive judgmentofcoconuto ilm ixturecategoriesforquali tativeidentifi cation .
Keywordscoconuto i l ,quali tativeidentification ,SIMCA ,PLS-DA ,WT-ANN