陳子鵬，馬建博，杜建華

（中南財經(jīng)政法大學(xué) 信息與安全工程學(xué)院，武漢 430000）

0 引 言

食品安全問題，尤其是水果蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥、添加劑以及其他有毒物質(zhì)的污染和殘留情況，是近年來持續(xù)受到廣泛關(guān)注的社會熱點話題[1-5]。歐美、日韓等國家和地區(qū)普遍建立有食品安全監(jiān)管或預(yù)警體系[6]。目前中國對農(nóng)藥殘留問題也十分重視，陸續(xù)出臺和修正了相關(guān)法律，如《中華人民共和國農(nóng)藥殘留法》、《農(nóng)藥管理條例》等相關(guān)法律來保障人民的利益。1

科學(xué)合理的使用農(nóng)藥不但可以減少農(nóng)業(yè)損失，同時為人類身體健康和生態(tài)環(huán)境有著積極作用，但過量，高毒的農(nóng)藥會造成嚴(yán)重后果。因此、農(nóng)藥殘留檢測就成為了食品安全管理中的重要環(huán)節(jié)[7-13]。目前對市場上出售的果蔬農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測的方法中，以色譜法和酶抑制法最為常見。色譜法包括薄層色譜法，氣相色譜法和高效液相色譜法[14-16]。如氣象色譜法是采用氣體作流動相的色譜法，用于揮發(fā)性農(nóng)藥的檢測。色譜法具有高選擇性、高分離效能、高靈敏度和快速的優(yōu)勢，但因其檢測器較為昂貴，操作方法復(fù)雜，目前主要應(yīng)用與實驗室檢測，而無法廣泛推廣應(yīng)用與日常居民對市場果蔬農(nóng)藥殘留的檢測中[17-20]。酶抑制法，是以化學(xué)反應(yīng)為依據(jù)，乙酰膽堿酯酶利用使農(nóng)藥中的有機磷和氨基甲酸酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)為根本，通常酶在催化2,6-二氯乙酰錠酚后會分解出藍(lán)色靛酚，如果存在有機磷農(nóng)藥，酶的活性就會被暫時抑制，反應(yīng)后的溶液將變成淺藍(lán)色或者保持原來的顏色不變，這時可以通過與對照溶液的對比來確定有機磷農(nóng)藥的具體成分。酶抑制法多被應(yīng)用于試紙檢測，檢測方法簡便、價格低廉，可研制多類便攜式農(nóng)藥殘留檢測設(shè)備[21-24]。但以酶抑制法試紙檢測結(jié)果的可靠性與洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項操作環(huán)節(jié)有關(guān)[25]，且其對多項農(nóng)藥殘留的檢出限度高于國家規(guī)定的農(nóng)藥殘留限量[26]，這使得酶抑制法試紙檢測僅適用于定性判斷。

本文選擇以酶抑制法為基礎(chǔ)，通過圖像識別技術(shù)對試紙檢測結(jié)果進行精細(xì)分析及多檔劃分。通過大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合，將檢測試紙檢測結(jié)果的顏色差別細(xì)分為5級，分別代表農(nóng)藥殘留情況的無殘留（1 級）、安全（2級）、弱殘留（3 級）、強殘留（4 級）、危險（5 級）。實現(xiàn)試紙檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)化。將試紙測試結(jié)合自動化技術(shù)和圖像識別技術(shù)構(gòu)建了自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺。該自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺可為普通民眾提供自主自助的果蔬農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測條件，使消費者能夠直接參與檢測過程中并獲得檢測結(jié)果，保證信息的對稱公開透明，為食品安全檢測和監(jiān)管提供新的思路。

1 自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺設(shè)計

本文中所構(gòu)建的自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺，主要包括以酶抑制法為基礎(chǔ)的試紙檢測、圖像識別技術(shù)、自動化技術(shù)。通過此3 種技術(shù)的結(jié)合，使自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺能夠通過機械臂自動完成試紙檢測并拍照儲存、計算機處理照片圖像并最終獲得細(xì)分檢測結(jié)果，顯示農(nóng)藥殘留分級信息的功能。

1.1 農(nóng)藥殘留的試紙檢測

傳統(tǒng)的農(nóng)藥速測法是利用對有機磷和氨基甲酸脂類農(nóng)藥高敏感的膽堿酯酶和顯色劑做成的試紙。具體檢測過程如圖1 所示。

圖1 酶抑制法試紙的殘留農(nóng)藥檢測過程 Fig.1 Process of pesticide residues detection with enzymatic inhibition test paper

大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，試紙顏色變化與農(nóng)藥含量存在近似負(fù)線性關(guān)系[27-30]。可根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥含量不同引起試紙顏色的深淺程度變化和檢測過程中試紙變色情況，對被測樣品農(nóng)藥殘留量范圍進行更加精細(xì)的劃分。

1.2 圖像識別技術(shù)

在酶抑制法試紙監(jiān)測對農(nóng)藥殘留含量的判定中，最大的局限在于人眼對色彩變化識別的精確程度較低。針對此問題，自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺中借助圖像識別技術(shù)來完成對圖像的處理、分析和理解。在一般工業(yè)使用中，圖像識別技術(shù)是采用工業(yè)相機拍攝圖片，再利用后臺軟件根據(jù)圖片灰階差做進一步識別處理。

在此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺中，通過內(nèi)置自主編寫基于labview 的image.vi 軟件來完成圖像識別處理，軟件后臺界面如圖2 所示。該軟件可主動控制攝像頭獲取檢測艙實時視頻，當(dāng)實時畫面中出現(xiàn)測試試紙后自動抓拍并顯示于截取畫面中。軟件具有自動定位選取圓形測試結(jié)果區(qū)域圖像的功能，根據(jù)試紙左側(cè)為測試用藥片、右側(cè)為測試結(jié)果顯色圖像的設(shè)定，將取色區(qū)域控制在右側(cè)圓環(huán)中，如采樣分割圖所示。局部放大界面則通過放大測試結(jié)果顯色圖像，并利用顏色取樣器，對顏色進行取樣分析純色色調(diào)、飽和度、亮度、RGB 值，最終得到不同農(nóng)藥含量下的顏色差別細(xì)化指標(biāo)。采樣參數(shù)和識別結(jié)果將自動顯示與軟件界面最上方的控制界面中。

如圖3 所示為image.vi 軟件界面中識別結(jié)果區(qū)域，在對某校外大型超商農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測的圖像識別處理結(jié)果。根據(jù)試紙檢測對照標(biāo)準(zhǔn)為其飽和度S 的區(qū)別來判定農(nóng)藥殘留的多少。飽和度S 越小，表明農(nóng)藥殘留越多。即圖3 中空心菜農(nóng)藥殘留大于蘋果表面農(nóng)藥殘留。通過image.vi 軟件中圖像識別技術(shù)的應(yīng)用，在Lab 顏色空間下對圖像進行分割，細(xì)分明度指數(shù)和色品指數(shù)的級差，利用圖像增強技術(shù)通過像素合并和子成像模式2 種方法讀出圖像。以此克服傳統(tǒng)試紙檢測時肉眼識別造成的色值分辨精確度不足，判定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，實現(xiàn)對檢測試紙結(jié)果的精細(xì)分析。

圖2 自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺中內(nèi)置image.vi 軟件界面 Fig.2 Image.vi software interface builted in self-service detection platform of pesticide residue

圖3 大型超商農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測 Fig.3 Pesticide residue detection of produces from supermarket

1.3 自動化技術(shù)

試紙檢測中的洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項參數(shù)在人工測試時很難保證完全一致，使酶抑制試紙法測試結(jié)果的統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn)很難標(biāo)定。

在此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺中，使用單片機模塊控制機械臂，代替手工操作。以步進電機作為驅(qū)動實現(xiàn)洗脫自動化，可設(shè)置出統(tǒng)一的洗脫液量和抑制時長。由溫度變送器、加熱電阻絲和簡單機械部件構(gòu)成處理模塊，在控制變量的條件下處理試紙。由定時裝置控制測試時長和拍照時間。由GSM 模塊和藍(lán)牙模塊為通信模塊，連接單片機與后臺主機，便于結(jié)果輸出。通過自動化技術(shù)的應(yīng)用，極大程度上排除掉人工操作中產(chǎn)生的影響因素，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為后期數(shù)據(jù)分析處理提供保障。

1.4 自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺實際裝置雛形

圖4a 所示為自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺實物圖。裝置設(shè)計為可手持的裝置以提高設(shè)備便攜性。選取立體矩形作為裝置外觀，以單片機為主體，將工業(yè)攝像頭、GSM 模塊等小型器件作為附屬元件構(gòu)建檢測裝置最終設(shè)計的裝置雛形長達150 mm、寬度125 mm、高度100 mm，整個裝置不超過2 dm3，可作為手持式檢測設(shè)備，實現(xiàn)了檢測儀器的便攜化，方便用戶實時的對食品進行檢測。

圖4b 為設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。其基本結(jié)構(gòu)包括單片機、測試艙、蓄電磁、工業(yè)攝像機、碳加熱片、LED 燈、定時器、顯示屏等核心部件。其基本工作原理是通過自動化技術(shù)，對投入測試艙的檢材完成自動洗脫；由led 燈和工業(yè)攝像機自動完成現(xiàn)場拍攝并將數(shù)據(jù)傳輸入后臺；通過image.vi 軟件對拍攝圖像做圖像識別和處理，獲取檢測結(jié)果中的飽和度S數(shù)值；最后根據(jù)預(yù)設(shè)的分級參數(shù)設(shè)置，將檢測結(jié)果在顯示屏上呈現(xiàn)給用戶，同時上傳數(shù)據(jù)至后臺數(shù)據(jù)庫。

此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺實現(xiàn)了檢測過程自動化，通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)對檢測見過的統(tǒng)一度量和準(zhǔn)確細(xì)分，通過可視化顯示窗口使使用者能夠直觀讀取檢測結(jié)果。該自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺具有設(shè)備造價合理、應(yīng)用范圍廣泛、操作流程簡單、檢測耗材成本低廉、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等特點。

圖4 自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺 Fig.4 Self-service detection platform

2 自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺檢測試驗及結(jié)果分析

選取某高校周邊共4 處果蔬售賣點，分別為校內(nèi)蔬果市場（編號1）、校內(nèi)超市（編號2）、校外農(nóng)貿(mào)市場（編號3）、校外大型超商（編號4）。對四個售賣點選取5 種果蔬，包括：空心菜（A），黃瓜（B），番茄（C）、茄子（D）、蘋果（E），分5 d 對每種果蔬共取樣5 份，共計100 份樣品。將此100 份樣品使用自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺完成快速檢測。

由于此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺是基于酶抑制法試紙檢測為基礎(chǔ)，其檢測結(jié)果輸出為測試卡藍(lán)色飽和度。通過自動化技術(shù)，設(shè)定檢測過程中所獲取的洗脫液量、抑制時長、抑制溫度、拍照背景光源等參數(shù)具有一致性，保證了多次檢測結(jié)果的統(tǒng)一。試驗中設(shè)定抑制時間15 min、抑制溫度35℃、洗脫液量100 μL[25]。對樣品B3 的重復(fù)性試驗結(jié)果如圖5 所示，其飽和度S 值較為穩(wěn)定，波動范圍在3 以內(nèi)，表明此檢測平臺通過自動化技術(shù)的應(yīng)用，可基本排除檢測過程中的其他試驗因素對檢測結(jié)果的影響。

圖5 樣品B3 的10 次重復(fù)性試驗 Fig.5 Ten times repetitive experiment of sample B3

通過對比自助平臺檢測結(jié)果與氣相色譜法檢測結(jié)果，并依照文件GB 2763-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中農(nóng)藥最大殘留限量》中對應(yīng)農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)限定，對檢測結(jié)果做出分級劃分，如表1 所示。

表1 4 處樣品采集點5 種樣品的農(nóng)藥殘留檢測平均結(jié)果 Table 1 Testing results of pesticide residues in 4 different sample collection sites and 5 different samples classes

根據(jù)文件GB 2763-2016 對無公害果蔬安全要求，設(shè)定自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺的檢測數(shù)據(jù)分級劃分。設(shè)定飽和度S 參數(shù)處于S≥122 為1 級無殘留，99≤S≤121為2 級安全，85≤S≤99 為3 級弱殘留，43≤S≤84 為4級強殘留，S≤42 為5 級危險。使用氣相色譜法對同一樣品的農(nóng)藥殘留量進行驗證。

在此次檢測中，共有42 份樣品通過自助檢測結(jié)果可劃分為1~2 級的樣品。對1~2 級樣品，使用氣相色譜法檢測樣品中的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量值，其中40 份均小于國標(biāo)中對無公害果蔬安全要求中的農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)，僅2 份樣品中的百菌清達到2.08 mg/kg，略超過國標(biāo)中對百菌清≤2 mg/kg 的要求。 即在對符合國標(biāo)安全要求的農(nóng)藥殘留量的檢測上，此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺的正確率可達到95.23%。

自助檢測結(jié)果等級劃分為3~5 級的樣品共有58 份。使用氣相色譜法對此類樣品做對比檢測，結(jié)果顯示其中僅有5 份樣品符合國標(biāo)要求，其余53 份樣品的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量均遠(yuǎn)大于國標(biāo)要求。即在對不符合國標(biāo)安全要求的農(nóng)藥殘留量的檢測上，此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺的正確率可達到91.37%。同時樣品自助檢測飽和度S 值變化也與氣相色譜法檢測結(jié)果較為吻合，飽和度越小的樣品，其氣相色譜法檢測的農(nóng)藥殘留情況也越嚴(yán)重。

綜上所述，此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺能夠?qū)Χ喾N果蔬的農(nóng)藥殘留情況作出快速、準(zhǔn)確的檢測。在對100份樣品檢測結(jié)果的5 級安全劃分中，1~2 級樣品符合國標(biāo)安全要求的準(zhǔn)確率達95.23%，3~5 級樣品不符合國標(biāo)安全要求的準(zhǔn)確率達91.37%，表明此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺檢測結(jié)果真實可靠。

3 結(jié) 論

本文針對目前農(nóng)作物農(nóng)藥殘留檢測方法的弊端，通過結(jié)合自動化技術(shù)和圖像識別處理技術(shù)，設(shè)計制作了基于酶抑制法的自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺。

1）自主研制到了便攜式自助農(nóng)藥殘留檢測平臺，通過自動化技術(shù)，實現(xiàn)了自助式農(nóng)藥殘留試紙檢測過程的標(biāo)準(zhǔn)化。此設(shè)備中可設(shè)定洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項參數(shù)，使試紙檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2）通過圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)自助式農(nóng)藥殘留試紙檢測過程的精細(xì)劃分。并通過對照氣相色譜法檢測結(jié)果和國標(biāo)，建立了自助式農(nóng)藥殘留檢測結(jié)果的5 級安全評分機制。

3）通過100 份樣品的檢測試驗，將自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺檢測結(jié)果與實驗室色譜法檢測結(jié)果對比國標(biāo)顯示，此安全等級劃分對符合安全要求的檢測準(zhǔn)確率為95.23%，對不符合安全要求的檢測準(zhǔn)確率為91.37%。

此自助式農(nóng)藥殘留檢測平臺具有體積小質(zhì)量輕、設(shè)備造價合理、操作流程簡單、檢測耗材成本低廉、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等特點，可供普通民眾自助完成對果蔬等農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留情況的檢測。5 級農(nóng)藥殘留安全評分機制輸出結(jié)果簡潔易懂，準(zhǔn)確率高，能夠有效保障民眾對于食品安全問題的了解和監(jiān)督，從而為食品安全問題尤其是農(nóng)作物農(nóng)藥殘留問題的進一步規(guī)范提供思路。