近红外光谱与颜色特征的可解释多模态融合用于蜂蜜精炼过程在线监测

《Food Chemistry》：Interpretable multimodal fusion of near-infrared spectroscopy and color features for online monitoring of honey refining process

　　

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  近红外光谱与Lab色彩特征的可解释性融合。
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  多模态建模提升了5-HMF的预测效果（R²最高可达0.98）。
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  低维融合优于非线性模型。
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  VIP和SHAP验证了理化一致性。
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  为在线热加工过程监控提供了实用框架。

引言

热处理在塑造食品体系的质量和安全特性方面发挥着关键作用（Wang等，2024）。在蜂蜜精制过程中，持续脱水、黏度增加和溶质浓度变化同时发生，驱动复杂的糖类互变以及热反应产物如5-羟甲基糠醛（5-HMF）的积累（Bhure等，2025；Hu等，2025；Rababah等，2024）。由于多条反应途径并行演化，且工艺变量强耦合，关键质量指标的可信在线监控在技术上仍具挑战性（Ojha等，2025）。传统的离线分析，包括高效液相色谱（HPLC），虽能提供准确的定量结果，但反馈滞后，在高频工业监控中的可扩展性有限（Liu等，2025；Mazivila & Santos，2022）。

近红外（NIR）光谱已被广泛用于快速成分分析和过程监控（Espa?a-Fari?as等，2026；Grassi & Alamprese，2018）。然而，在精制蜂蜜这类黏稠且具有光学异质性的体系中，光谱测量易受散射变异和基线漂移的影响（Brudzynski & Sjaarda，2021）。更重要的是，蜂蜜精制不仅涉及分子层面的成分演化，还伴随明显的宏观外观变化，尤其是与累积热反应相关的渐进性褐变（Li等，2017）。此类累积热信息无法仅通过光谱特征完全表征，可能限制了单模态模型的鲁棒性（Bi等，2022；Ling等，2015）。

基于图像的色彩描述符可提供互补信息（Wang等，2022）。精制过程中褐变强度直接反映热反应的进程，而5-HMF是反应严重程度的经典标志物（Boonchiangma等，2011；Karabagias等，2018；Vaikousi等，2009）。因此，将光谱分子信息与宏观色彩演化相结合，有望增强过程表征能力（Barone等，2021；Ji等，2025）。然而，现有食品体系中的多模态研究往往依赖高维视觉特征或端到端深度模型，需要大量数据集和严格的采集标准化（Wang等，2025）。在批量化数据结构有限且存在工艺扰动的实际工业环境中，此类方法可能增加过拟合风险并降低可解释性（Liu & Gillies，2016）。

据我们所知，此前尚无研究系统评估面向蜂蜜精制的低维、物理可解释的光谱-色彩融合框架，也未在强共线性与连续反应演化条件下比较线性与非线性模型。弥补这一空白对于开发实用的在线监控方案至关重要。

因此，本研究的目标是通过融合近红外光谱与图像提取的Lab色彩特征，提出并验证一种可解释且具有工业可部署性的多模态监控范式。在真实生产条件下建立了一个包含七批精制中157个样本的数据集。开发了基于偏最小二乘回归（PLS）和极端梯度提升（XGBoost）的定量模型并进行比较。采用投影中变量重要性（VIP）和SHapley加性解释（SHAP）分析，阐明各模态的贡献并验证理化一致性，特别是针对5-HMF等累积热标志物。本研究旨在为复杂热加工体系的智能监控提供一种鲁棒、可解释且具有实际可扩展性的策略。

章节摘要

材料与样本制备

本研究使用的蜂蜜样本为山东宏济堂制药集团有限公司提供的多花蜜。全部七个精制批次均使用相同的精制设备和相同的工艺方案生产。原料蜂蜜来源于同一供应商的同一生产批次，从而最大限度地减少了批次间的原料差异。多花蜜在蜂蜜精制过程中被广泛用作原料，其特征为

蜂蜜精制过程中理化性质的演化

蜂蜜精制过程中GLU、FRU、5-HMF、H₂O和pH的动态变化如图3所示。由于5-HMF的初始浓度相对较低，其绘制于左侧纵轴，而GLU、FRU和H₂O以百分比含量表示于右侧纵轴。所有批次的pH值汇总在单独的子图中。

在所有批次中，5-HMF均随精制进程呈显著上升趋势。其浓度范围为4.82至601.13 mg/kg，平均

结论

本研究通过整合近红外光谱与低维Lab色彩特征，在真实工业条件下建立并验证了一种面向蜂蜜精制的可解释多模态监控框架。在包含七个精制批次共157个样本中，系统表征了5-HMF、糖类、水分含量和pH的动态演化，并将其与光谱变化及视觉色彩变化相关联。

多模态融合显著提升了预测性能

CRediT作者贡献声明

刘道龙：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法学，调查，形式化分析，概念构思。徐国宁：数据管理。乔贝宁：软件，调查。唐优怡：软件，调查。周军：撰写——审阅与编辑，可视化，监督。臧恒昌：资源。黄潘玲：撰写——审阅与编辑，监督，资源，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究部分得到山东省重大科技攻关计划资助（项目编号：2024CXGC010213）。同时感谢山东宏济堂制药集团有限公司（中国济南）提供的材料支持。

刘道龙|徐国宁|乔贝宁|唐优怡|周军|臧恒昌|黄潘玲