基于灰色關(guān)聯(lián)度和Vis-NIR的不同貯藏方式下番茄光譜特性分析

宋海燕，王世芳，諶英敏，蘇勤

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心，北京 100097)

番茄由于其含有豐富的微量元素和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值備受青睞，成為市場(chǎng)上的熱銷果蔬，番茄中可溶性固形物、總糖、總酸等的含量會(huì)對(duì)番茄的風(fēng)味、品質(zhì)和口感等帶來(lái)很大影響?？梢?jiàn)/近紅外光譜(Visible-Near Infrared Reflectance Spectroscopy，簡(jiǎn)稱Vis-NIRS)分析技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)之一，因其具有分析速度快、無(wú)損、可同時(shí)測(cè)定多種元素的特點(diǎn)，所以在果蔬品質(zhì)分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。馬蘭等在研究中指出近紅外光譜法可非破壞性分析番茄中的可溶性固形物含量[1]。張若宇以不同產(chǎn)地的鮮食和加工番茄為研究對(duì)象，采用高光譜成像技術(shù)系統(tǒng)分析了番茄可溶性固形物和硬度定量分析模型[2]。王世芳等采用近紅外光譜分析技術(shù)建立了常溫貯藏期番茄果肉硬度的動(dòng)力學(xué)模型和冷藏期質(zhì)地定量分析模型[3，4]。然而上述研究均集中在對(duì)同一貯藏方式下番茄品質(zhì)的研究，對(duì)不同貯藏方式下番茄光譜特性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

常溫貯藏、冷藏和冷凍是目前番茄最常見(jiàn)的貯藏方式。食品在常溫貯藏過(guò)程中，會(huì)因溫濕度差異而發(fā)生表面水分蒸發(fā)；在冷藏過(guò)程中，果蔬的呼吸作用和后熟作用還在繼續(xù)進(jìn)行，機(jī)體內(nèi)所含的成分也會(huì)因此發(fā)生變化；在冷凍過(guò)程中，食品基質(zhì)中水分的活性、微生物和酶的活性都會(huì)降低。這些貯藏方式均會(huì)引起果蔬內(nèi)部結(jié)構(gòu)或成分的變化。有研究表明，當(dāng)近紅外光進(jìn)入果蔬后與果蔬組織產(chǎn)生吸收作用，這種吸收與材料的化學(xué)成分如固形物和水分等有關(guān)，可用于測(cè)量果蔬的化學(xué)成分[5，6]。吳桂芳等對(duì)不同貨架期番茄的可見(jiàn)/近紅外光譜進(jìn)行了分析，指出基于主成分1和主成分2可達(dá)到較高的分類效果[7]，說(shuō)明光譜信息與不同貨架期番茄的品質(zhì)之間是有關(guān)聯(lián)的，但具體關(guān)系并沒(méi)有指出。本文嘗試引入灰色關(guān)聯(lián)分析，確定不同貯藏方式下番茄中的可溶性固形物、可滴定酸和Vc含量與敏感波段的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而明確不同貯藏方式下影響番茄定性判別的主要品質(zhì)指標(biāo)，為后續(xù)基于光譜技術(shù)的不同貯藏方式下番茄品質(zhì)快速檢測(cè)研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

番茄樣本采摘于農(nóng)戶棚栽區(qū)，為減少個(gè)體大小、形態(tài)等外部特征差異引起的誤差，采摘時(shí)選擇大小均勻、表面光滑、顏色基本一致、無(wú)機(jī)械損傷的成熟番茄樣本45個(gè)。將采回的樣本常溫放置6 h，獲取其光譜特性曲線作為原始樣本特性曲線，然后隨機(jī)選取15個(gè)樣本置于常溫(約18 ℃)貯藏5 d，選取15個(gè)樣本置于冷藏室(約8 ℃)貯藏5 d，選取15個(gè)樣本置于冷凍室(約-18 ℃)貯藏5 d。之后將番茄樣品表面的霜擦去，分別獲取常溫貯藏、冷藏和冷凍樣本的光譜特性曲線。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光譜數(shù)據(jù)采集

番茄光譜特性曲線采集在室溫條件下，自制的暗室內(nèi)進(jìn)行，采用美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的Handheld FieldSpec 3光譜儀(350～2 500 nm)完成。采集時(shí)為了盡可能獲取果實(shí)赤道部位的光譜信息，減少梗部位和臍部位對(duì)檢測(cè)效果的影響，將番茄置于直徑為12.5 cm培養(yǎng)皿中央，其放置方式如圖1所示。采集時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)皿來(lái)多角度獲取其信息，每個(gè)樣本旋轉(zhuǎn)2次，每次旋轉(zhuǎn)120°，采集3次光譜，3次光譜的平均光譜作為每個(gè)樣本的原始光譜進(jìn)行研究。

圖1 番茄光譜特性采集示意圖Fig.1 Diagram of tomato spectral characteristics acquisition

1.2.2 可溶性固形物測(cè)定

按照GB12295—90標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試。本研究中番茄樣本可溶性固形物含量的最大值6.02°Brix，最小值3.4°Brix，平均值4.64°Brix。

1.2.3 可滴定酸測(cè)定

按照GB12293—90標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試。本研究中番茄樣本可滴定酸含量最大值0.938%，最小值0.402%，平均值0.57%。

1.2.4 Vc含量測(cè)定

按照GB6195—1986標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試。本研究中番茄樣本Vc含量的最大值25.71 mg·100 g-1，最小值9.43 mg·100 g-1，平均值14.78 mg·100 g-1。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是多因素統(tǒng)計(jì)分析方法之一，它以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，用灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)描述各因素之間的關(guān)系，如強(qiáng)弱、大小和次序。若樣本數(shù)據(jù)反映的方向、大小和速度等基本一致，則它們之間的關(guān)聯(lián)度就較大，反之較小。其基本步驟為：

(1)確定參考序列和比較序列。反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列為參考數(shù)列，Y={y(k)|k=1，2，…n}，影響系統(tǒng)行為的數(shù)據(jù)序列稱為比較數(shù)列，Xi={xi(k)|k=1，2，…n，i=1，2，…m}。

(2)原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理。在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中各因素列中的數(shù)據(jù)量綱不同時(shí)，一般都要進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理。無(wú)量綱化處理一般有初值化、均值化和區(qū)間化等，本文選用均值化。

{k=1,2,n…，i=1，2，…m}

(1)

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

(2)

ρ為分辨系數(shù)，通常ρ=0.5

(4)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。將各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)取平均值作為其關(guān)聯(lián)程度。

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同貯藏方式下的番茄譜圖特性

采用光譜數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpecPro分別對(duì)常溫貯藏、冷藏和冷凍5 d后的15個(gè)番茄樣本和采收時(shí)的45個(gè)番茄樣本(為了便于分析，稱此樣本為原始樣本)的光譜圖取平均值，分析不同貯藏方式下番茄的譜圖特性，如圖2所示。圖中的橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)/nm，縱坐標(biāo)為吸光度值/log(1/R)。

圖2 不同貯藏方式下番茄譜圖特性Fig.2 Spectra of tomato under different storage stage

從圖2中可以看出：在350～620 nm內(nèi)，常溫貯藏、冷藏和冷凍樣本的番茄光譜特性曲線與原始樣本的變化趨勢(shì)差異不明顯；620～1 220 nm內(nèi)冷凍樣本的番茄光譜特性曲線吸光度值明顯低于原始樣本，1 220～1 400 nm范圍內(nèi)呈相互交替狀態(tài)，說(shuō)明貯藏方式不同，引起了番茄內(nèi)部結(jié)構(gòu)或成分變化；原始樣本、常溫貯藏、冷藏、冷凍樣本的番茄光譜特性曲線均在980 nm、1 200 nm、1 450 nm和1 930 nm左右形成明顯的吸收峰，這些吸收峰主要是由C-H、N-H、O-H等基團(tuán)的倍頻和合頻吸收引起的，但與原始樣本、常溫貯藏、冷藏樣本的吸收峰相比，冷凍樣本的吸收峰有向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的傾向，可能是在低溫冷凍貯藏后，番茄果實(shí)內(nèi)部水分子存在方式發(fā)生變化，進(jìn)而引起其它化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化造成的。

2.2 不同貯藏方式對(duì)番茄品質(zhì)影響的分析

為了研究不同貯藏方式對(duì)番茄品質(zhì)的影響，采用主成分分析法對(duì)常溫、冷藏和冷凍的番茄樣本光譜特性進(jìn)行主成分分析。表1中前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到98.92%，幾乎包含了番茄品質(zhì)的所有信息，因此選擇前3個(gè)主成分來(lái)判別不同貯藏方式對(duì)番茄品質(zhì)差異的影響。前3個(gè)主成分聚類得分如圖3所示。

表1主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率/%

Table1 Contribution rate and the cumulative contribution rate

主成分Principal component貢獻(xiàn)率Contribution 累積貢獻(xiàn)率Accumulative contribution ratePC189.21089.210PC28.73597.945PC30.97698.921PC40.58399.504PC50.26099.764

圖3 不同貯藏方式主成分分析得分圖Fig.3 Principal component analysis scores for different storage methods

從圖3中可以看出，不同貯藏方式下的番茄樣本聚類效果較好，說(shuō)明采用近紅外光譜檢測(cè)結(jié)合主成分分析可以判別不同貯藏方式下的番茄樣本。根據(jù)主成分分析載荷矩陣[8]，可以得出，PC1中，1 927 nm波段附近的載荷最大；PC2中，1 401 nm波段附近的載荷最大；PC3中，1 222 nm波段附近的載荷最大。

2.3 敏感波段與番茄品質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)分析

將提出的3個(gè)敏感波段的吸光度值依次作為因變量(參考數(shù)列)，測(cè)得的可溶性固形物、可滴定酸和Vc作為自變量(比較數(shù)列)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，確定上述3個(gè)品質(zhì)指標(biāo)與敏感波段的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而明確敏感波段的貢獻(xiàn)指標(biāo)(表2)。

表2敏感波段與品質(zhì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

Table2 Correlation between sensitive bands and quality index

敏感波段/nmSensitive band可溶性固形物/°BrixSoluble solids可滴定酸/%Titratable acidVc/mg·100 g-1Vitamin C1 927 nm0.671 10.687 10.642 01 401 nm0.701 30.668 30.641 81 222 nm0.686 10.706 10.651 7

從表2可以看出：對(duì)于第一主成分1 927 nm，可滴定酸與其關(guān)聯(lián)度較大，與N.Sreedhar Reddy等提取的可滴定酸最佳波段范圍6 464.6～6 024.9 cm-1稍有不同[9]，其次是可溶性固形物；對(duì)于第二主成分1 401 nm，可溶性固形物與其關(guān)聯(lián)度較高，與郭志明等在研究過(guò)程中提取的可溶性敏感波段1 391.03 nm較接近[10]，其次是可滴定酸；對(duì)于第三主成分1 222 nm，可滴定酸與其關(guān)聯(lián)度較大，與N.Sreedhar Reddy等提取的可滴定酸最佳波段范圍9 002.6～8 223.4 cm-1較接近[9]，其次是可溶性固形物。說(shuō)明可滴定酸和可溶性固形物是影響其主成分分析的主要品質(zhì)指標(biāo)，即是影響上述不同貯藏方式下番茄樣本分類的主要品質(zhì)指標(biāo)。

3 結(jié)論

采用可見(jiàn)-近紅外光譜技術(shù)分析了番茄樣本在常溫、冷藏和冷凍貯藏方式下的光譜特性，并與采收時(shí)樣本的光譜特性曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：

(1)不同貯藏方式下番茄的譜圖在980 nm、1 200 nm、1 450 nm和1 930 nm波段附近有明顯的吸收峰。

(2)冷凍貯藏后的特征峰會(huì)向長(zhǎng)波方向發(fā)生偏移，說(shuō)明常溫和冷藏對(duì)番茄貯藏是一種微擾，冷凍對(duì)番茄貯藏?cái)_動(dòng)大。

(3)主成分分析提取的3個(gè)敏感波段1 927 nm、1 401 nm和1 222 nm(累積貢獻(xiàn)率為98.92%)可用于區(qū)分不同貯藏方式下的番茄樣本。

(4)與1 927 nm的吸光度值關(guān)聯(lián)的品質(zhì)指標(biāo)由大到小分別為：可滴定酸、可溶性固形物和Vc；與1 401 nm的吸光度值關(guān)聯(lián)的品質(zhì)指標(biāo)由大到小分別為：可溶性固形物、可滴定酸和Vc；與1 222 nm的吸光度值關(guān)聯(lián)的品質(zhì)指標(biāo)由大到小分別為：可滴定酸、可溶性固形物和Vc。說(shuō)明可滴定酸和可溶性固形物是影響其主成分分析的主要品質(zhì)指標(biāo)，也是影響上述不同貯藏方式下番茄樣本品質(zhì)的主要指標(biāo)。

該研究可為后續(xù)基于光譜技術(shù)的不同貯藏方式下番茄品質(zhì)快速檢測(cè)研究提供依據(jù)。