滑皮金桔糖度的近紅外光譜無損檢測技術(shù)

黎新榮

摘要：【目的】采用近紅外光譜技術(shù)對滑皮金桔的糖度開展無損檢測技術(shù)研究，為今后實現(xiàn)滑皮金桔在線糖度品質(zhì)分級分選提供參考依據(jù)?！痉椒ā恳訬IR Magic 1100型便攜式果品近紅外光譜分析儀為主要研究設(shè)備，對采集的滑皮金桔光譜分別進行S-G卷積平滑（SG-smooth）、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）和多元散射校正（MSC）處理，結(jié)合偏最小二乘法建立滑皮金桔糖度預(yù)測模型并進行驗證?！窘Y(jié)果】建模的最佳光譜波段為720～920 nm;光譜采用SG-smooth處理后建立模型的校正集相關(guān)系數(shù)為0.9531，校正集均方根誤差為0.6436，相對分析誤差為3.55，均優(yōu)于采用SNV和MSC處理建立的模型效果。對預(yù)測模型進行驗證顯示，糖度預(yù)測值與實際值的相關(guān)系數(shù)為0.9582，均方根誤差為0.5187，相對分析誤差為3.24。【結(jié)論】采用近紅外光譜快速檢測滑皮金桔糖度可行，建立的預(yù)測模型穩(wěn)定性好、精度較高，可為滑皮金桔在線分選及無損檢測設(shè)備的開發(fā)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞： 滑皮金桔;糖度;近紅外光譜;S-G卷積平滑;偏最小二乘法

中圖分類號： S666.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）04-0838-06

Abstract：【Objective】In order to provide reference for quick non-destructive grading of Huapi kumquat after harvest according to sugar quality，the non-destructive measurement for sugar in Huapi kumquat was carried out by using near infrared spectroscopy. 【Method】NIR Magic 1100 portable fruit near infrared spectroscopy analyzer was the main research equipment. Savitzky-Golay smooth（SG-smooth），standard normal variable transformation（SNV） and muliplication scattering correction（MSC） treatments were conducted on the Huapi kumquat spectrum， and the Huapi kumquat sugar forecasting model was established combined with partial least squares. 【Result】720-920 nm was the best model spectral band. After the SG-smooth processing， the correlation coefficient of calibration of the model established was 0.9531，the root mean square error of calibration was 0.6436，the relative percent deviation（RPD） 3.55. The results were all better than the model treated by SNV and MSC. The prediction model was validated. The correlation coefficient between the predicted value and the measured value of sugar was 0.9582，the root mean square error was 0.5187 and the relative percent deviation 3.24. 【Conclusion】In this study，a rapid and non-destructive test for the sugar content of Huapi kumquat is achieved. The good stability and high accuracy of the prediction model can provide reference for the future development of on-line classification and non-destructive testing equipment for Huapi kumquat.

Key words： Huapi kumquat; sugar content; near infrared spectroscopy; Savitzky-Golay smooth; partial least squares

0 引言

【研究意義】廣西融安縣是我國滑皮金桔主產(chǎn)地，滑皮金桔的可溶性固形物含量16.0～22.0 g/100 g、總酸含量0.1～0.2 g/100 g、可食率平均達98.2%，食用后可潤肺開胃，深受消費者喜愛（潘雪燕，2012）。在采后處理中按糖度對滑皮金桔進行分級有利于其按品質(zhì)銷售，但使用傳統(tǒng)的折光儀既會對果實造成損壞又費時，而無損檢測技術(shù)能很好地解決此問題。水果無損品質(zhì)檢測技術(shù)具有無需樣品預(yù)處理、分析時間短、非破壞性檢測等優(yōu)點，使用較廣泛的有紅外光譜檢測技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)等（李志霞和聶繼云，2013）。研究滑皮金桔的無損檢測技術(shù)，對其在線分選分級設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】由于近紅外光具有一定的穿透力，對樣品自身不具有破壞性，因此用近紅外光譜技術(shù)做定量分析，可實現(xiàn)對含有C-H、N-H和O-H等有機官能團的樣品進行快速、無損定性/定量分析（宗莉等，2010;白倩和周金池，2014;孫亞強等，2015）。袁雷等（2006）利用近紅外光譜技術(shù)對柑橘品質(zhì)進行無損檢測，對總酸、總糖和維生素3種組分建立了數(shù)學(xué)預(yù)測模型并進行優(yōu)化;馬廣等（2007）利用近紅外漫反射光譜定量分析技術(shù)對大白桃不同部位進行建模，分析光譜微分和校正預(yù)處理對建模結(jié)果的影響，得出近紅外光譜檢測技術(shù)可用于大白桃糖度定量分析的結(jié)論;徐惠榮和李青青（2017）對皇冠梨糖度近紅外光譜在線檢測模型傳遞進行研究，探討了不同光譜儀之間模型傳遞的可行性。上述研究表明近紅外光譜技術(shù)可將表征水果品質(zhì)的可溶性固形物、糖度、酸度和硬度等信息通過光譜反映出來，并通過建模分析得到成分含量。董一威等（2007）研究了預(yù)處理采用導(dǎo)數(shù)和S-G平滑，結(jié)合偏最小二乘法（PLS）構(gòu)建蘋果酸度與糖度的預(yù)測模型，其中兩種品質(zhì)參數(shù)的判定系數(shù)分別為0.8151和0.9240，標(biāo)準(zhǔn)校正誤差分別為0.0120和0.0204;王加華和韓東海（2009）利用組合移動窗口PLS選擇信息變量建立PLS模型，利用遺傳PLS選擇信息變量建立MLR模型，結(jié)果表明模型預(yù)測精度均能滿足現(xiàn)場檢測應(yīng)用要求;郅建軍等（2016）結(jié)合PLS和LS-SVM建立了水蜜桃和梨的可溶性固形物模型，試驗證明經(jīng)CARS篩選得到的變量建立PLS模型效果最佳;宮元娟等（2017）設(shè)計基于近紅外漫透射原理的便攜式蘋果內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置，實現(xiàn)了對蘋果可溶性固形物含量等內(nèi)部品質(zhì)的快速檢測，絕大多數(shù)樣本的預(yù)測值與測量值的絕對偏差均在0.15以內(nèi)。說明近紅外光譜檢測技術(shù)預(yù)測的精度及穩(wěn)定性可滿足實時評價品質(zhì)需求，而不同的光譜數(shù)據(jù)處理方式對建模有顯著影響?！颈狙芯壳腥朦c】雖然近紅外光譜檢測技術(shù)在水果上的應(yīng)用研究很多，但尚未見針對滑皮金桔開展近紅外光譜檢測的研究報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用近紅外光譜檢測技術(shù)，通過光譜信息與糖度的關(guān)聯(lián)分析，建立滑皮金桔糖度快速檢測模型，為今后實現(xiàn)滑皮金桔在線糖度品質(zhì)分級分選提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

滑皮金桔于2018年1—2月采摘自廣西融安縣板欖鎮(zhèn)官昔村，分別從5個種植園內(nèi)隨機采摘不同成熟度的金桔共150 kg，采收后進行大小分級，挑選大小相近、無損傷霉變、果體堅實的果實，單果質(zhì)量23.3～26.7 g，直徑31.98～34.07 mm，共得到樣品192個。硫酸銅、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞甲基藍、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀均為分析純，購自南寧藍天實驗設(shè)備有限公司。

主要儀器設(shè)備： NIR Magic 1100型便攜式果品近紅外光譜分析儀（北京偉創(chuàng)英圖科技有限公司），含分析儀主機、光纖探頭、探頭固定架和樣品支架，設(shè)備檢測波長范圍600～1100 nm，波長準(zhǔn)確性0.2 nm，工作溫度5～40 ℃，相對濕度范圍5%～95%;DS-1高速組織破碎機（上海左樂儀器有限公司）;HH-S6數(shù)顯恒溫水浴鍋（金壇市醫(yī)療儀器廠）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 樣品處理 采摘當(dāng)天用水清洗果實并擦拭干凈，避免果實表面的異物殘留對光譜采集造成影響。將樣品依次編號后置于室溫條件下24 h進行等溫處理，然后開始光譜采集和糖度檢測。

1. 2. 2 光譜采集 由于光譜采集容易受到外界光照、溫度及環(huán)境水分的影響，為保證采集環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性，將光譜檢測儀放置在暗室內(nèi)的黑面水平工作臺上，保持室內(nèi)溫度16 ℃、相對濕度80%。打開光源預(yù)熱3 min，設(shè)置光譜采集參比時間5 ms，樣品時間50 ms。將金桔果實赤道部位垂直放于支架上，每個金桔樣品采集光譜數(shù)據(jù)3次，每次采集后將金桔果實垂直旋轉(zhuǎn)120°，測3個不同部位的光譜數(shù)據(jù)。

1. 2. 3 糖度檢測 每個金桔樣品光譜測量完成后，糖度采用GB/T 6194—1986《水果、蔬菜可溶性糖測定法》進行測定。

1. 2. 4 光譜數(shù)據(jù)處理 對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理可消除因測量條件和雜散光等因素引起的基線平移及旋轉(zhuǎn)等噪聲，提高光譜數(shù)據(jù)的信噪比，因此，在Chemo Studio 2016中選擇S-G卷積平滑（Savitzky-Golay smooth，SG-smooth）、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（Standard normal variable transformation，SNV）和多元散射校正（Muliplication scattering correction，MSC）對原始光譜曲線進行處理（尼珍等，2008）。

1. 2. 5 模型建立和驗證 在192個樣品中隨機選擇162個樣品用于建立模型，按3∶1分為校正集和預(yù)測集，剩余30個樣品作為模型驗證檢測。用儀器配置的Chemo Studio 2016對采集到的樣品光譜數(shù)據(jù)進行處理，選定波長后分別建立PLS模型。模型質(zhì)量用校正集相關(guān)系數(shù)（RC）、預(yù)測集相關(guān)系數(shù)（RP）、校正集均方根誤差（RMSEC）、預(yù)測集均方根誤差（RMSEP）和相對分析誤差（RPD）評定。相關(guān)系數(shù)（R）較高，均方根誤差（RMSE）較低，同時RMSEC與RMSEP較接近，則所建立的預(yù)測模型越穩(wěn)定。若R=1.0，說明完全吻合;若R為負數(shù)，表示負相關(guān)，擬合效果非常差。Malley等（2005）提出用標(biāo)準(zhǔn)偏差除以預(yù)測均方根誤差可得到相對分析誤差，高精度模型的相對分析誤差在4.00以上，成功模型在3.00～4.00范圍內(nèi)，比較成功模型在2.25～3.00范圍內(nèi)，比較有用模型在1.75～2.25范圍內(nèi)（王凡等，2017）。模型建立后調(diào)整離散區(qū)間，剔除離群值，獲得最佳因子數(shù)后建立精簡模型，篩選出最佳模型后對未知樣品進行驗證。

2 結(jié)果與分析

2. 1 糖度測定結(jié)果

建模樣本的檢測精度和范圍在一定程度上影響模型的性能和適用程度，樣品的指標(biāo)覆蓋范圍越大，建立的模型預(yù)測范圍越廣?；そ鸾厶嵌葯z測結(jié)果如表1所示，其校正集的糖度最小值為13.5%，最大值為24.0%，平均值為19.8%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1;預(yù)測集的糖度最小值為14.7%，最大值為23.4%，平均值為20.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3。為提高模型的準(zhǔn)確性，建模時將與平均值偏差較大的糖度值作為離群值剔除，按照標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置偏差離群閾值為2.1。

2. 2 光譜采集結(jié)果

圖1是光譜儀采集到的162個滑皮金桔樣品原始譜圖，圖中的最高吸光值峰值達3.0以上、波谷值為1.0，最低吸光值峰值為0.5、波谷值為0.2。由于吸光值與吸光物質(zhì)濃度成正比，因此糖濃度升高時，接收到的光強變低，其對應(yīng)的吸光值增加，金桔樣品糖濃度存在的差異可通過譜圖反映出來。

在波長680和980 nm附近出現(xiàn)明顯波峰，在750 nm處有較平緩波峰。680和980 nm的吸收峰與O-H鍵伸縮振動倍頻有關(guān)，可能是果實中水分的吸收峰;750 nm區(qū)域的吸收峰與O-H和C-H的近紅外吸收倍頻有關(guān)，為果實中糖分的吸收峰（陸婉珍，2010）。說明在720～920 nm波長區(qū)域能夠反映金桔的糖度信息，可在此區(qū)域內(nèi)選擇合適的波段構(gòu)建模型。

從圖1可看出，兩端噪聲較多，波峰明顯起伏變化大，故將兩端剔除。在720～920 nm波長區(qū)域，分別用720～920、720～820和820～920 nm 3個不同波段的光譜進行分析建模。將圖1光譜進行不同處理后分別得到圖2的3種光譜曲線圖。從圖2中可看出，3種處理的結(jié)果存在差異：SG-smooth處理主要是提高光譜的平滑性，降低噪音干擾;SNV主要是消除固體顆粒大小、表面散射及光程變化對漫反射光譜的影響;MSC只是用來修正各近紅外光譜間的相對基線平移和偏移現(xiàn)象，最終取所有光譜的平均光譜。

2. 3 糖度預(yù)測模型的建立

如圖3所示，以720～920 nm波段用SG-smooth處理結(jié)合PLS建模為例，建模結(jié)果顯示預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)為0.6523，均方根誤差為2.1436。由于該模型未剔除離群值，因此相關(guān)系數(shù)較低（以1.0為吻合標(biāo)準(zhǔn)）;均方根誤差（2.1436）與標(biāo)準(zhǔn)差（2.1）進行相對分析誤差計算，結(jié)果僅為0.98，模型穩(wěn)定性差、精度低。只有將奇異樣本和無信息變量剔除，才能有效提高模型性能。

圖4是720～920 nm波段在SG-smooth處理結(jié)合PLS建模后，調(diào)整離散區(qū)間剔除離群值過程中，內(nèi)部交互驗證模型的標(biāo)準(zhǔn)差隨主因子數(shù)的變化趨勢圖。在圖中，初始的標(biāo)準(zhǔn)差較高，隨著將無用信息淘汰后，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變小，當(dāng)主因子數(shù)為9時，標(biāo)準(zhǔn)差最小，建模效果最佳。

不同波段的光譜曲線經(jīng)不同處理后建立的糖度模型結(jié)果如表2所示。表中SG-smooth處理的校正集和預(yù)測集相關(guān)系數(shù)在720～920 nm波段分別為0.9531和0.9462，在720～820 nm波段分別為0.8111和0.7938，在820～920 nm波段分別為0.9027和0.8961，均比同波段的其他處理相關(guān)系數(shù)高;SG-smooth處理的校正集和預(yù)測集均方根誤差在720～920 nm波段分別為0.6436和0.6471，在720～820 nm波段分別為0.7545和0.7563，在820～920 nm波段分別為0.8112和0.7962，與同波段的其他處理相比均方根誤差最小。因此使用SG-smooth處理的波段在建模上能夠獲得更佳的穩(wěn)定性。

相對分析誤差結(jié)果（表2）顯示，720～920 nm波段用SG-smooth處理結(jié)合PLS建模的相對分析誤差獲得3.55的最高值，在720～820 nm波段為3.04，820～920 nm波段為2.89。與其他處理方法相比，選擇720～920 nm波段處理建模的精確度比其他波段更高。

2. 4 糖度預(yù)測模型的驗證結(jié)果

將建立的糖度預(yù)測模型設(shè)置為精簡評價項目，用30個滑皮金桔對預(yù)測模型進行驗證，滑皮金桔糖度預(yù)測值與實際測量值的分析結(jié)果如表3所示，預(yù)測值與實測值間最大絕對誤差為0.7，最小為0。通過計算可知預(yù)測的糖度平均值為19.8%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.68。從圖5可知，糖度預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)為0.9582，均方根誤差為0.5187，計算得出相對分析誤差為3.24。表明該預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)較高，相對分析誤差達到成功模型標(biāo)準(zhǔn)，糖度預(yù)測結(jié)果合理有效，該模型可實現(xiàn)滑皮金桔糖度的快速無損檢測。

3 討論

本研究中采集的滑皮金桔果實糖度最小值為13.5%，最大值為24.0%，由于金桔果實在生長期容易受環(huán)境、光照強度等影響，相同成熟期的果實存在表面色澤和糖度的差異，因此在無損檢測中必須控制這些因素，可通過在原料分級時用色選機對金桔果實進行色澤區(qū)分，或在建立模式時剔除與標(biāo)準(zhǔn)差值偏差較大的離群值來提高模型準(zhǔn)確性。

從原始光譜圖可知，在構(gòu)建模型選取波長變量時，若選取全光譜作為變量，可能會包含很多無關(guān)變量，甚至為噪聲，對模型精度有嚴(yán)重影響;若是選取部分波長的變量也可能會漏掉一些相關(guān)變量，所以波長的選取顯得尤為重要。這與褚小立等（2004）提出的用全波段光譜建模通常不能得到較好的結(jié)果相符。因此，要獲得穩(wěn)定性好、精確度高的模型，需將不同預(yù)處理和波長選取方法結(jié)合使用。

從不同預(yù)處理方法對模型性能的影響來看，不同波段經(jīng)過SG-smooth處理后的相關(guān)系數(shù)均比采用標(biāo)準(zhǔn)SNV或MSC處理的相關(guān)系數(shù)更接近1.0，均方根誤差最小，相對分析誤差最高，說明不同的處理方法對模型建立有明顯影響，與董一威等（2007）采用SG-smooth結(jié)合PLS構(gòu)建的糖酸度預(yù)測模型精度高于采用導(dǎo)數(shù)處理的精度結(jié)果相似。SG-smooth主要用于消除光譜信號中的噪聲方面，SNV和MSC主要在消除固體顆粒大小、表面散射及光程變化對NIR漫反射光譜的影響上起作用，而滑皮金桔果肉細膩無核、光譜采集在暗室環(huán)境內(nèi)進行，這是SG-smooth處理效果優(yōu)于SNV和MSC處理的原因。

4 結(jié)論

采用近紅外光譜快速檢測滑皮金桔糖度可行，建立的預(yù)測模型穩(wěn)定性好、精度較高，可為滑皮金桔在線分選及無損檢測設(shè)備的開發(fā)提供技術(shù)參考。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）