LICA United Technology Limited
研究背景
牛奶作为一种富含蛋白质、钙和多种维生素的基础性食品，在日常饮食中占据着举足轻重的地位，是儿童成长、老年人骨骼健康以及全民营养均衡的重要保障。然而，在庞大的消费市场需求下，部分不法商家为追逐利润，采取掺水稀释、以低价牛奶冒充高价值山羊奶或绵羊奶等方式牟利。这类掺假行为不仅损害了消费者的知情权和选择权，还可能引发营养成分失衡、食品过敏等健康风险，更破坏了乳制品市场的公平秩序和行业声誉。如何高效、可靠地识别这类掺假行为，成为保障乳品质量安全、提升消费者信任度和推动行业健康发展的关键课题。
一、技术需求与挑战
传统实验室检测方法虽具备较高准确度，但存在样品制备复杂、检测周期长、现场应用受限等不足。鉴于牛奶及不同动物奶品成分相近，快速、灵敏且无损的检测手段迫在眉睫。
二、仪器与方法概述
本研究采用 LabSpec 4 Standard-Res 便携式地物光谱仪，结合主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLSDA）与随机森林等多变量统计方法，对掺水及不同奶种混合的牛奶样本进行定性与定量分析。主要特点如下：
光谱范围：350–2500 nm，VNIR 分辨率 3 nm，SWIR 分辨率 10 nm；
测量模式：Contact Probe® ATR 多次反射采样，减少杂散光干扰，无需破坏样品；
便携性：设备轻便，可现场实时测量。
三、实验是如何开展的？
本研究围绕两种常见掺假行为展开：
1、用水稀释牛奶
2、不同种类奶之间的混合掺假（如奶牛奶混入山羊奶）
表 1.掺假研究
为了全面评估检测能力，研究人员选择了牛奶、山羊奶和绵羊奶三种品种，并设计了三组掺假研究：
绵羊奶 × 牛奶
绵羊奶 × 山羊奶
山羊奶 × 牛奶
图 1. 不同百分比组合获得的光谱数据：a) 羊奶和牛奶 b) 山羊奶和牛奶 c) 绵羊奶和山羊奶。
每组实验分别按照0%、33%、66%、100%的比例混合，模拟真实掺假场景。每种混合比例设置3个重复，每个样品进行4次光谱测量，共完成216次光谱数据采集，为模型分析提供了坚实的数据基础。
此外，研究还扩展了实验范围，纳入了不同热处理方式（如UHT、巴氏杀菌）、脂肪含量和多个品牌的市售牛奶，进一步贴近真实市场环境。
表 2. 模型对于定性研究的准确性。
图2. 针对品牌3个样品的不同类型牛奶分类对应的分析结果。
图3. 可以检测山羊奶是否掺假牛奶的分类模型。
图 4. 针对不同百分比的组合获得的线性回归模型：a) 羊奶和牛奶 b) 山羊奶和牛奶 c) 绵羊奶和山羊奶。
图 5. 线性回归模型的相关性。
检测结果如何？准确又快速！
在定量研究中：
✅ 牛奶掺水5%时，便携式光谱仪依然能精准识别，平均误差仅为0.03；
✅ 不同奶种混合比例的误差控制在0.14～0.05之间，可靠性高；
✅ 分类模型预测准确度和 Cohen’s Kappa 值均在0.80～1之间，表现出色。
这些数据表明，即便是10%的混合比例变化，设备也能稳定识别出来。
光谱仪的优势有哪些？
✨ 便携式检测，现场直测无需制样
✨ 测量快速，几秒出结果
✨ 非破坏性检测，保留样品完整性
✨ 适配乳制品行业多种检测需求
该技术适合在生产车间、市场流通环节进行实时监测和抽检，提升行业对食品欺诈的响应速度与管理效率。
✅ 总结：光谱仪，为牛奶质量保驾护航
通过这项研究，不仅验证了便携式光学传感器在乳品掺假检测中的可靠性与实用性，也展示了现代光谱技术在食品安全领域的巨大潜力。
未来，类似设备可被集成进乳品生产线，实现自动化实时检测，并结合大数据与机器学习构建预测模型，为消费者带来更高标准的食品保障。
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