便攜式近紅外光譜儀在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用

劉 鵬，彭云發(fā)（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海　楊浦區(qū)200092）

便攜式近紅外光譜儀在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用

劉 鵬，彭云發(fā)
（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海楊浦區(qū)200092）

文中詳細介紹了便攜式近紅外光譜儀的系統(tǒng)組成，總結(jié)了國內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀的開發(fā)和應用現(xiàn)狀，并對比分析了幾種國內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀，介紹了便攜式近紅外光譜儀在新疆地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。

近紅外光譜儀；便攜式；分析儀器；農(nóng)產(chǎn)品

0　引言

近紅外光是介于可見光與中紅外之間的電磁波，其波長范圍為700～2 500 nm（14 286～4 000 cm-1）。近紅外光譜主要是分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，主要反映含氫基團C-H、O-H、N-H、S-H等振動的合頻和倍頻吸收，不同基團或同一基團不同化學環(huán)境的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，其包含了豐富的樣品結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的信息，所以分析范圍幾乎覆蓋了所有的有機化合物和混合物。近紅外光譜應的用領域非常廣闊，在許多行業(yè)中都能發(fā)揮重要作用，包括石化、煙草、農(nóng)業(yè)、制藥、食品、醫(yī)學、質(zhì)量監(jiān)督等領域。

近紅外光譜技術(shù)被喻為“分析的巨人”，它是近年來發(fā)展最為迅速的一種高新分析技術(shù)［1］。在近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展過程中，近紅外光譜儀的研究起到了很大的推動作用。近紅外光譜分析技術(shù)由近紅外光譜儀、化學計量學軟件、產(chǎn)品模型三者構(gòu)成，其中近紅外光譜儀是其基礎和前提。近年來，科研人員對近紅外光譜儀的研究越來越深入，研究范圍也在不斷拓展，在各個方面的研究都取得了一定成果，尤其是近紅外光譜儀不斷向小型化、固態(tài)化、模塊化和快速實時方向發(fā)展，所以設計和開發(fā)便攜式近紅外光譜儀已經(jīng)成為現(xiàn)代分析儀器中的研制熱點。

1　便攜式近紅外光譜儀系統(tǒng)組成

便攜式近紅外光譜儀由兩部分組成，即硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。儀器性能的穩(wěn)定性由硬件系統(tǒng)決定，預測樣本的準確性由軟件系統(tǒng)保證。

1.1硬件系統(tǒng)

便攜式近紅外光譜儀硬件系統(tǒng)包括光源、分光系統(tǒng)、檢測器、光纖探頭、信號放大系統(tǒng)以和顯示器等。

光源多采用鹵鎢燈和發(fā)光二級管（LED），鹵鎢燈的優(yōu)點是技術(shù)成熟、價格比較低，缺點是發(fā)熱大需要散熱裝置；發(fā)光二級管（LED）的優(yōu)點是可以設定波長范圍、線性度好、節(jié)能、無需散熱裝置，其缺點就是價格昂貴。檢測器用于檢測攜帶被測樣品信息的光信號，是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并通過A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號形式輸出，便攜式近紅外光譜儀大多采用硅基檢測器。光纖探頭一般有兩種，一種是漫反射探頭，用來檢測固體樣品，另一種是透射探頭用來檢測液體樣品，結(jié)合光纖傳導技術(shù)，應用不同類型的光纖探頭可以實現(xiàn)各種采樣方式。

1.2軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是便攜式近紅外光譜儀的重要組成部分，包括化學計量學軟件和儀器控制軟件。

化學計量學軟件的功能主要包括光譜數(shù)據(jù)的預處理、定量（定性）校正模型的建立和預測分析等。定量（定性）校正模型的建立通常包括光譜數(shù)據(jù)的預處理、波長變量和其他參數(shù)的選擇以及模型的驗證。樣品預測分析是的定量（定性）校正模型的基礎上實現(xiàn)的，通過調(diào)用模型文件中的控制參數(shù)和定量（定性）校正模型對未知樣品光譜進行計算分析，得到樣品性質(zhì)的預測結(jié)果。

光譜儀控制軟件主要包括光譜實時采集模塊、光譜儀器性能自我診斷模塊以及數(shù)據(jù)分析等。實時事件主要是處理對定時精度要求不高的定時任務，主要任務包括溫度采集控制、電池檢測、儀器狀態(tài)、定時暗電流采集等。通訊協(xié)議處理模塊實現(xiàn)對接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行解析。數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要實現(xiàn)暗電流采集、參比光譜采集和測量光譜采集，并計算吸光度。

2　國內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

2.1國外便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

國外便攜式近紅外光譜的研制工作開展的較早，技術(shù)也比較成熟。70年代以后，隨著高靈敏性的CCD檢測系統(tǒng)、體積小且功率大的二極管激光光源、信號過濾整合的光纖探頭、微弱信號檢測、嵌入式設計應用等技術(shù)的出現(xiàn)和提升，極大地推動了小型化、智能化、信息化便攜式近紅外光譜儀的迅速發(fā)展。相比于專用型儀器，便攜式近紅外光譜儀的體積更小、重量更輕，對環(huán)境溫度、濕度及抗震的適用范圍更寬。目前，國外研制和生產(chǎn)的便攜式近紅外光譜儀憑借其優(yōu)良的性能在中國市場上占有壟斷性地位。其中典型的有美國的Polychromix公司、美國ASD公司、日本的Kubota等公司。

2.2國內(nèi)便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

我國便攜式近紅外光譜儀研制起步晚，國土資源部現(xiàn)代地球物理開放實驗室研制出了光柵掃描式便攜NIR分析系統(tǒng)，中國農(nóng)業(yè)大學研制出以LED為光源的便攜式NIR整粒小麥成分測量儀和NIR玉米品質(zhì)，國內(nèi)聚光科技經(jīng)過10多年的研究推出SUP-NIR1000系列便攜式水果無損檢測儀，該儀器是光譜測量技術(shù)、計算機技術(shù)、化學計量學技術(shù)與基礎測量技術(shù)有機結(jié)合的近紅外光譜分析技術(shù)新產(chǎn)品，能夠?qū)Ω鞣N水果進行無損檢測，并能過對水果的糖度、酸度進行快速測定。最近四川中浪科技有限公司推出TOP-5000系列便攜式水果糖度無損檢測分析儀，其波長范圍：500～2 500 nm，波長準確性5 nm，波長重復性5 nm，光譜分辨率10 nm，雜散光小于1%，重量4.5 kg。2014年，四川威斯派克科技有限公司牽頭的“便攜式傅里葉近紅外光譜儀開發(fā)及應用”入圍“國家重大科學儀器設備開發(fā)專項”，該專項獲得國家的支撐力度非常大，相信此舉必會對國產(chǎn)便攜式近紅外光譜儀器技術(shù)與應用的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

3　便攜式近紅外光譜儀在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用

王加華等采用日本Kubota株式會社的便攜式近紅外光譜儀（K-B A100R型）測定洋梨硬度，結(jié)果表明建立多品種洋梨硬度全局模型是可行的［2～3］，便攜式儀器可用于洋梨硬度現(xiàn)場檢測，隨后又用該儀器對蘋果糖度模型溫度修正，溫度修正模型可以有效提高預測精度；李曉云、韓東海等利用SupNIR-1100型（聚光科技）便攜式近紅外光譜儀檢測牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)及干物質(zhì)含量（2011年），模型相關系數(shù)分別為0.98，0.95和0.98［4］。楊帆、李雅婷等用便攜式近紅外光譜儀測定蘋果酸度和抗壞血酸，酸度相關系數(shù)為0.9799，抗壞血酸相關系數(shù)為0.9272［5］。

新疆是我國最主要的水果生產(chǎn)基地，如哈密哈密瓜、阿克蘇冰糖心蘋果、和田玉棗、庫爾勒香梨等，現(xiàn)階段新疆水果品質(zhì)檢測還停留在外部品質(zhì)的檢測，如對其大小、顏色、缺陷和紋理等，對內(nèi)部品質(zhì)如水分、糖度、VC和總酸等還沒有涉及。水分是水果的一個重要指標，水果的口感有其含水率決定，只有準確測定含水率才能合理評價其口感，優(yōu)化選擇貯藏條件和加工方式，提高水果質(zhì)量和經(jīng)濟效益。糖度含量是水果成熟度分級檢測的重要指標。按照目前國際市場慣例，標識出糖度的水果可以獲得更高銷售價格，所以對新疆水果內(nèi)部品質(zhì)進行檢測不僅可以增加水果的出口數(shù)量，而且通過對新疆水果進行分級管理，也可以完善對新疆水果資源的綜合利用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。便攜式近紅外光譜儀體積小、方便攜帶、價格低廉在新疆水果市場有著廣闊的應用前景。

塔里木大學羅華平教授針對阿克蘇、和田地區(qū)的紅棗運用supNIR1520（聚光科技，杭州）便攜式近紅外光譜儀來檢測總糖［6］、總酸［7］和水分［8］含量，目前已經(jīng)在新疆南疆地區(qū)進行了推廣應用。石河子大學馬本學教授對哈密瓜的糖度［9］，堅實度［10］、和成熟度［11］進行了近紅外無損檢測的研究。便攜式近紅外光譜儀除了在應用的紅棗上和哈密瓜上，在蘋果、葡萄、香梨等水果上也將會得到進一步的推廣應用。

在其他農(nóng)產(chǎn)品方面，新疆地區(qū)近紅外技術(shù)主要應用于實驗室檢測。如新疆農(nóng)科院核生所王成利用傅里葉變換近紅外光譜儀測定了40個大麥樣品，并建立了粗蛋白模型，并利用未知樣本驗證發(fā)現(xiàn)近紅外法能簡便、有效的測定大麥籽粒中的粗蛋白［12］。新疆大學廖享等人利用傅里葉變換近紅外光譜儀建立了薰衣草精油主要成分預測模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)OSC 和FiPLS預處理建立的PLS-NIR定量模型對精油中l(wèi)inalool和linalyl ccetate含量具有良好的預測能力［13］。與其他應用成熟地區(qū)相比，新疆地區(qū)便攜式近紅外光譜儀在糧食品質(zhì)及育種、中藥材原料真假鑒別、飼料原料品質(zhì)分析等方面還有較大的提升空間。

4　便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展趨勢

便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展趨勢主要包括這幾個方面：

（1）體積小，重量輕，使用短焦距的光學器件以減小便攜式光譜儀體積；

（2）功耗小，低成本，便攜式近紅外光譜儀大多進行野外作業(yè)，故功耗要低；

（3）抗干擾性好，信噪比高，不斷完善軟件中的數(shù)理統(tǒng)計方法，提高從復雜、重疊的近紅外光譜中提取有效信息的效率，提高信噪比；

（4）模型的標準化合通用化，可以實現(xiàn)模型傳遞，使在一臺儀器上建立的定量（定性）較正模型能夠可靠的傳遞到其他相同或類似的儀器上使用。

5　小結(jié)

便攜式近紅外光譜儀不僅具有傳統(tǒng)光譜儀的檢測簡單、快捷、無損和可同時測定多項指標等優(yōu)點，而且其價格便宜、攜帶方便，可以進行農(nóng)業(yè)作業(yè)現(xiàn)場的快速分析。對于農(nóng)產(chǎn)品資源豐富的新疆地區(qū)，便攜式近紅外光譜儀具有較好的應用前景，對于農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量檢測，分級管理方面具有很好的應用價值。目前便攜式近紅外光譜儀的概念產(chǎn)品很多，但是實際投入生產(chǎn)應用的還不是很多，所以企業(yè)和科研院所間更加應該加強產(chǎn)學研合作，以開發(fā)出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品服務于市場。

［1］陸婉珍，袁洪福，徐廣通等.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù).中國石化出版社［M］，2000.

［2］王加華，陳卓，李振茹等.洋梨硬度的便攜式可見/近紅外漫透射檢測技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（11）：129～133.

［3］王加華，戚淑葉，湯智輝等.便攜式近紅外光譜儀的蘋果糖度模型溫度修正［J］.光譜學與光譜分析，2012，（05）：1431～1434.

［4］李曉云，王加華，黃亞偉等.便攜式近紅外儀檢測牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)及干物質(zhì)含量［J］.光譜學與光譜分析，2011（03）：665～668.

［5］楊帆，李雅婷，顧軒等.便攜式近紅外光譜儀測定蘋果酸度和抗壞血酸的研究［J］.光譜學與光譜分析，2011（09）：2386-2389.

［6］詹映，彭云發(fā)，彭海根等.近紅外光譜在南疆紅棗糖度無損檢測中的應用［J］.農(nóng)機化研究，2014（06）：179～183.

［7］胡曉男，彭云發(fā)，羅華平等.無信息變量消除法在篩選南疆紅棗總酸近紅外特征波長中的應用［J］.食品工業(yè)，2015 （05）：232～235.

［8］彭云發(fā)，彭海根，詹映等.近紅外光譜對南疆紅棗水分無損檢測的研究［J］.食品科技，2013（11）：260～263.

［9］馬本學，肖文東，祁想想等.基于漫反射高光譜成像技術(shù)的哈密瓜糖度無損檢測研究［J］.光譜學與光譜分析，2012 （11）：3093～3097.

［10］李鋒霞，馬本學，何青海等.哈密瓜堅實度的高光譜無損檢測技術(shù)［J］.光子學報，2013（05）：592～595.

［11］呂琛，李鋒霞，馬本學等.瓜成熟度檢測技術(shù)研究進展［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014（1）：244～246.

［12］王成.傅里葉變換近紅外漫反射光譜法測定大麥粗蛋白含量［J］.新疆農(nóng)業(yè)科學，2000（2）：68～69.

［13］廖享，王青，符繼紅等.近紅外光譜法快速測定新疆薰衣草精油主要組分［J］.光譜學與光譜分析，2015，35（9）：2526～2529.

Application of Portable Near Infrared Spectrometer in Agro-product Processing

LIU Peng，PENG Yun-fa
（Shanghai Microvision Technology Ltd，Yangpu，Shanghai，200092，China）

System composition of portable near infrared spectrometer was introduced detailed，the current situation of development and application was summarized.Several domestic and foreign portable near infrared spectrometers was compared and analyzed.Application in Agro-product processing of portable near infrared spectrometer in Xinjiang was introduced，and the expectation wasput forward.

Portable；Near infrared spectrometer；Analytical instrument；Agro-product

1007-7782（2015）06-0021-03

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.008

TN362

A

2016-01-06