近紅外在線分析技術(shù)在糧食領(lǐng)域的應(yīng)用

韓 赟，季蘇丹，李 成，陳俊強(qiáng)，高志航，張 淑

無(wú)錫中糧工程科技有限公司 (無(wú)錫 214035)

隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，糧食安全問(wèn)題早已成為全球性的問(wèn)題。我國(guó)更是一個(gè)人口大國(guó)，糧食安全問(wèn)題直接關(guān)乎人們的生活質(zhì)量和國(guó)家的穩(wěn)定發(fā)展。隨著生活水平的提高與消費(fèi)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，人們對(duì)于糧食安全的重視程度日益提高，正在從吃飽、吃好向吃的更健康、更安全轉(zhuǎn)變。因而在糧食的種植、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)成分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制就顯得越來(lái)越必要。

早在19世紀(jì)國(guó)外就開始對(duì)糧食成分進(jìn)行分析。傳統(tǒng)檢測(cè)方法包括體積分析法、重量分析法、化學(xué)方法等。重量分析法、體積分析法不能對(duì)成分含量進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確的分析，化學(xué)方法存在隨意性大、耗時(shí)、費(fèi)用昂貴、污染、占用試驗(yàn)室空間、檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，均無(wú)法滿足高速增長(zhǎng)的快速、低成本、自動(dòng)化、智能化的分析要求。

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，樣品檢測(cè)要求做到無(wú)損在線分析。近紅外光譜測(cè)試技術(shù)顯示了它無(wú)可爭(zhēng)議的快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)越性，并且將這些特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，為糧食與食品工業(yè)的物料成分分析開辟了新的天地，為成分分析、在線控制、過(guò)程控制、質(zhì)量控制提供了可能。

目前國(guó)內(nèi)糧油行業(yè)近紅外分析技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但主要是在化驗(yàn)室內(nèi)使用，一些大型面粉加工企業(yè)、油脂加工企業(yè)、港口散糧公司已經(jīng)開始使用近紅外在線分析技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)物料特性并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。目前大型糧油加工企業(yè)與糧食收儲(chǔ)系統(tǒng)尚未大規(guī)模及系統(tǒng)使用在線分析儀器來(lái)對(duì)收儲(chǔ)糧食進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和分類管理，技術(shù)升級(jí)與改進(jìn)空間巨大。

1 基本原理

近紅外光譜的原理是當(dāng)分子受到近紅外區(qū)域的電磁輻射后，吸收一部分近紅外光，使分子中原子的振動(dòng)能級(jí)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的分子吸收光譜。近紅外譜區(qū)的波長(zhǎng)范圍是770～2 500 nm，該譜區(qū)兼?zhèn)淞酥屑t外譜區(qū)信息量豐富與可見譜區(qū)使用方便的優(yōu)點(diǎn)。與中紅外譜區(qū)一樣，近紅外光譜分析利用分子振動(dòng)的信息，但本譜區(qū)的主要信息是振動(dòng)的倍頻與合頻信息，通過(guò)該譜區(qū)的光譜分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含氫基團(tuán)的樣品的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)的分析，可同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)目分析。該譜區(qū)可以射透樣品內(nèi)部，取得樣品內(nèi)部的有關(guān)物理、化學(xué)信息。因此用近紅外光譜，只需要少量的樣品，即可進(jìn)行各種快速分析，特別適用于各種復(fù)雜樣品的無(wú)損分析。

2 近紅外在線技術(shù)在分析糧食內(nèi)含物中的優(yōu)勢(shì)

2.1 水分近紅外在線分析價(jià)值

糧食、油料水分含量是指糧食、油料試樣中水分的質(zhì)量占樣品質(zhì)量的百分比。水分含量是評(píng)價(jià)糧食、油料品質(zhì)基本指標(biāo)之一。糧食、油料的水分含量對(duì)加工生產(chǎn)和安全存儲(chǔ)以及購(gòu)買、銷售和調(diào)撥分配等方面都有重要的意義。

檢測(cè)糧食、油料水分含量的方法有：加熱干燥法、電測(cè)法、蒸餾法、核磁共振法、微波法、和近紅外分析吸收光譜法等。其中，加熱干燥法我國(guó)糧食、油料質(zhì)量指標(biāo)中水分含量的標(biāo)準(zhǔn)方法。近年來(lái)出現(xiàn)了一些電阻式、電容式水分測(cè)定儀，由于適用場(chǎng)景環(huán)境的干擾與標(biāo)定數(shù)據(jù)的時(shí)效性等因素，測(cè)量結(jié)果并不理想。核磁共振法也有一定的使用,但儀器價(jià)格昂貴，不適宜現(xiàn)場(chǎng)在線使用。

近紅外吸收光譜法隨著其測(cè)定系統(tǒng)的研究和開發(fā)，該方法作為糧食水分、蛋白質(zhì)、脂肪等其它成份的快速測(cè)定方法，已被用于糧食、油料的品質(zhì)分析中，美國(guó)、加拿大已將近紅外吸收光譜法作為檢查谷物品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法。近些年我國(guó)近紅外光譜測(cè)試裝置、測(cè)試方法的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，近紅外在線分析技術(shù)在糧食分析領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，使糧食的水分在線實(shí)時(shí)檢測(cè)已經(jīng)不再是技術(shù)障礙，實(shí)時(shí)檢測(cè)條件下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)糧食水分的全檢效果。

2.2 粗脂肪近紅外分析價(jià)值

脂肪是油料中的主要化學(xué)成分，同時(shí)也是人體的七大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，也作為工業(yè)的重要原料。油料的主要用途是制油，含油量是油料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的定等項(xiàng)目，是確定其等級(jí)、價(jià)格的重要依據(jù)。對(duì)油脂加工企業(yè)而言，油料含油量的測(cè)定指標(biāo)，可以作為加工出油率和考慮加工工藝參數(shù)的依據(jù)。另外，油料餅粕的殘油率的高低也是油廠加工工藝、生產(chǎn)技術(shù)水平的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，是加工工藝技術(shù)提升與改進(jìn)的重要依據(jù)。

糧食、油料中粗脂肪含量的測(cè)定，目前常用的是以乙醚為溶劑的索氏抽提法，該方法仍為測(cè)定脂肪含量的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 5512—1985)。但是，索氏抽提法操作繁雜、費(fèi)時(shí)難以滿足收購(gòu)和加工生產(chǎn)的效率要求，無(wú)法從根本上解決測(cè)量速度和時(shí)效的問(wèn)題。

近紅外在線測(cè)量脂肪含量基于原始的索氏提取方法，在原有實(shí)驗(yàn)室分析基礎(chǔ)上可以將數(shù)據(jù)通過(guò)建模與近紅外光譜關(guān)聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)分析，在實(shí)驗(yàn)室精細(xì)結(jié)果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了在線快速全檢的功能，使數(shù)據(jù)的時(shí)效性和多樣性得以實(shí)現(xiàn)，有利于判斷糧食油料收儲(chǔ)過(guò)程中的品質(zhì)狀況。

2.3 粗蛋白近紅外分析價(jià)值

糧食、油料中蛋白質(zhì)含量是糧油營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、食品品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)測(cè)定糧食、油料中蛋白質(zhì)的含量，可以充分利用糧油資源，指導(dǎo)企業(yè)具體的加工生產(chǎn)，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，并減少資源浪費(fèi)。

糧食、油料中測(cè)定蛋白質(zhì)含量的方法很多，一般的測(cè)定原理是基于蛋白質(zhì)的理化特性來(lái)進(jìn)行定量分析的方法，大致可分為：利用蛋白質(zhì)中含有特定氨基酸殘基的方法，例如紫外光譜吸收法、酚試劑法、色素結(jié)合法等；利用蛋白質(zhì)含氮量方法，在糧食、油料中應(yīng)用最普遍的是凱氏定氮法，也一直被作為蛋白質(zhì)定量的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 5511—1985)。

近些年，利用近紅外檢測(cè)糧食作物蛋白的方法逐漸成熟起來(lái)，尤其是在糧食收儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，我國(guó)東北地區(qū)大豆收購(gòu)環(huán)節(jié)使用近紅外分析儀器快速檢測(cè)大豆蛋白含量已經(jīng)持續(xù)有4年，為收儲(chǔ)帶來(lái)十分可觀的利益。

2.4 其他

除了水分、脂肪和蛋白外，淀粉、纖維素和灰分等指標(biāo)在糧食油料作物品質(zhì)判斷上也具有重要的意義，例如在面粉加工生產(chǎn)場(chǎng)景中，水分和灰分的在線分析是面粉生產(chǎn)過(guò)程中的重要的指標(biāo)之一；小麥或大豆收儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的在線分析可以實(shí)時(shí)反應(yīng)小麥和大豆的蛋白質(zhì)含量及水分含量，對(duì)分類存儲(chǔ)和管理具有重要意義；在食用油制造過(guò)程中對(duì)食用油的出油率實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)壓榨工藝穩(wěn)定性的監(jiān)控具有重要意義。

3 近紅外在線分析的應(yīng)用

3.1 港口散糧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用

港口散糧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)糧食接收現(xiàn)狀是在生產(chǎn)線上進(jìn)行抽樣至化驗(yàn)室化驗(yàn)，無(wú)法及時(shí)將糧食特性與倉(cāng)容管理系統(tǒng)進(jìn)行鏈接，也無(wú)法及時(shí)反饋異常數(shù)據(jù)至生產(chǎn)線上進(jìn)行工藝調(diào)整，而引入近紅外在線分析系統(tǒng)能解決生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的功能，了解每個(gè)倉(cāng)內(nèi)糧食情況，霉變或高水分糧食可在線及時(shí)處理不入倉(cāng)進(jìn)行倉(cāng)外暫存，確保倉(cāng)儲(chǔ)管理安全。

可將近紅外固體在線檢測(cè)系統(tǒng)采用管道式下照采樣方式進(jìn)行安裝測(cè)量，系統(tǒng)光斑大小30 mm，采用漫反射采樣方式，使用藍(lán)寶石窗口作為采樣窗口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間隔30 s輸出1次結(jié)果，提供測(cè)量結(jié)果給生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)管道式安裝方式

3.2 油脂加工企業(yè)豆粕蛋白在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

生產(chǎn)部門無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)貨粕料的質(zhì)量指標(biāo)，工廠內(nèi)的檢化驗(yàn)有一定的延遲性，不利于生產(chǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)控，引用在線近紅外檢測(cè)裝置可實(shí)時(shí)檢測(cè)物料品質(zhì)，方便生產(chǎn)及時(shí)操作調(diào)整。安裝位置要求料流穩(wěn)定，有足夠的光斑照射面積。在線打包的粕料和出倉(cāng)打包的粕料均需設(shè)置在線近紅外檢測(cè)裝置，并與生產(chǎn)線連鎖，實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便生產(chǎn)操作調(diào)控確保產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

圖2 豆粕蛋白在線分析系統(tǒng)

4 總結(jié)

隨著數(shù)據(jù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心概念與近紅外節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用是未來(lái)近紅外技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，糧食行業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)與加工企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)的自動(dòng)化程度及數(shù)據(jù)管理的客觀需求正在逐步提升，近紅外在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以減少檢化驗(yàn)人員的崗位設(shè)置與勞動(dòng)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的處理量與準(zhǔn)確性并能實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)操作，能為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有非常良好的應(yīng)用前景。