趙艷茹，余克強(qiáng)，劉志鵬，張淑娟

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

隨著近紅外光譜技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)促使人們逐漸將其應(yīng)用推廣到各種分散型實(shí)物的現(xiàn)場(chǎng)分析中，尤其是在果品檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，在水果生長(zhǎng)過(guò)程中，及時(shí)了解水果內(nèi)部成分的含量，既可以指導(dǎo)果農(nóng)科學(xué)合理地施用化肥，解決現(xiàn)在普遍存在的濫用、多用化肥問(wèn)題，又可提高水果質(zhì)量，增加果農(nóng)收入。在采摘時(shí)，農(nóng)業(yè)部門(mén)和質(zhì)檢部門(mén)對(duì)水果進(jìn)行抽檢，可以在不損壞水果的前提下，增加抽樣數(shù)量，提高檢驗(yàn)速度，既可避免浪費(fèi)，還可將外表有缺陷但內(nèi)部品質(zhì)很好的水果分選出來(lái)銷(xiāo)售，從而提高水果的附加值[1]。近紅外光譜儀特點(diǎn)是：（1）體積小，質(zhì)量輕；（2）備有專用的檢測(cè)附件及計(jì)算模型，特定的儀器僅應(yīng)用于同類樣品；（3）對(duì)環(huán)境溫度、濕度及抗震性的適用范圍較寬；（4）所用的分光系統(tǒng)常采用比較先進(jìn)的技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是實(shí)驗(yàn)室近紅外檢測(cè)儀，其精度高、穩(wěn)定性好，然而，其分析過(guò)程需采樣、運(yùn)輸、記錄，而且價(jià)格昂貴，限制了近紅外光譜儀在水果采收預(yù)測(cè)以及作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)控等方面的進(jìn)一步應(yīng)用和在無(wú)力或無(wú)需購(gòu)買(mǎi)大型水果分選設(shè)備的水果商中的應(yīng)用[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化光譜儀器和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法結(jié)合，推動(dòng)了近紅外光譜技術(shù)的飛躍發(fā)展[3]；微機(jī)電加工等技術(shù)的發(fā)展使得檢測(cè)儀向便攜式發(fā)展；檢測(cè)目標(biāo)由產(chǎn)后管理檢測(cè)逐步發(fā)展為產(chǎn)中管理監(jiān)測(cè)，這為近紅外水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)儀的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

本文闡述了近紅外水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)儀的檢測(cè)流程及其系統(tǒng)組成，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近紅外便攜儀的研究進(jìn)展，并展望了近紅外便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)。

1 檢測(cè)流程

獲得水果的近紅外光譜主要有3 種方式：漫反射、透射和漫透射。便攜式近紅外檢測(cè)儀的不同體現(xiàn)在原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件等方面，但檢測(cè)流程類似。選用漫反射或漫透射光纖探頭對(duì)水果進(jìn)行檢測(cè)，帶有水果內(nèi)部品質(zhì)信息的近紅外反射或透射光通過(guò)光纖由檢測(cè)器所接受，檢測(cè)器將近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出結(jié)果并由LCD 顯示（圖1）。

2 系統(tǒng)組成

便攜式近紅外光譜儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)保證了儀器性能的穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)保證了預(yù)測(cè)樣本的準(zhǔn)確性。

2.1 硬件系統(tǒng)

便攜式近紅外光譜儀由光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)器、信號(hào)放大系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理部分和顯示器所組成。其中，光源多采用鹵鎢燈和發(fā)光二極管（LED）。檢測(cè)器用于檢測(cè)攜帶樣品信息的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)形式輸出。便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測(cè)儀中多采用硅基檢測(cè)器，如硅基的電荷耦合器件或二極管陣列檢測(cè)器。結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，可使用不同類型的光纖探頭進(jìn)行各種采樣。在便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測(cè)儀中，以應(yīng)用漫反射探頭為主[2]。

2.2 軟件系統(tǒng)

便攜式近紅外水果分析系統(tǒng)的軟件從功能方面可以分為2 個(gè)主要部分：光譜儀控制模塊和化學(xué)計(jì)量學(xué)模塊。光譜儀控制模塊主要由實(shí)時(shí)采集、光譜儀器性能自我診斷以及分析數(shù)據(jù)儀器信息的顯示這3 個(gè)部分構(gòu)成。其流程如圖2 所示。

定時(shí)事件主要處理對(duì)定時(shí)精度要求不高的定時(shí)任務(wù)，主要任務(wù)有溫度采集及控制、電池檢測(cè)、儀器狀態(tài)、定時(shí)暗電流采集等。通訊處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行解析。數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要實(shí)現(xiàn)暗電流采集、參比（零點(diǎn)）光譜采集和測(cè)量光譜采集，并計(jì)算吸光度。

化學(xué)計(jì)量學(xué)模塊主要有光譜的預(yù)處理、定量（定性）校正模型的建立以及預(yù)測(cè)分析等功能，其流程如圖3 所示。校正模型的建立通常包括光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、光譜區(qū)間和其他參數(shù)的選擇以及模型的驗(yàn)證。樣品的模型是在校正模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)調(diào)整模型文件中的控制參數(shù)和校正模型對(duì)未知樣品光譜進(jìn)行計(jì)算，從而獲得樣品性質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 國(guó)內(nèi)外便攜式近紅外水果分析儀的發(fā)展?fàn)顩r

目前，國(guó)際上有多種商品化的便攜式近紅外專用水果分析儀，僅在日本就有3 家儀器公司生產(chǎn)這種類型的分析儀，如Kubota 公司的K-BA-100R，F(xiàn)ANTEC 公司的FQA-NIR Gun 以及Astem公司的ANC-77。據(jù)報(bào)道，日本K-BA-100R 分析儀的市場(chǎng)保有量最大，達(dá)800 余臺(tái)[1]。表1 為國(guó)內(nèi)外部分便攜式近紅外光譜儀性能對(duì)比。

國(guó)外對(duì)近紅外光譜儀的研究起步較早，現(xiàn)已經(jīng)取得了不少成績(jī)。Camps 等[4]應(yīng)用可見(jiàn)近紅外光譜儀（Ocean optics S-2000，USA）在650～1 200 nm波長(zhǎng)內(nèi)研究了杏的糖度、酸度和硬度，結(jié)果表明，應(yīng)用便攜式近紅外光譜儀可以在果品生長(zhǎng)期進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，有利地保證了產(chǎn)后水果的品質(zhì)。José等[5]應(yīng)用2 種便攜式光譜儀對(duì)橘子的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行了研究，得出較為理想的效果。

表1 國(guó)內(nèi)外部分便攜式近紅外光譜儀性能對(duì)比

20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始對(duì)水蜜桃、柑橘、蘋(píng)果、番茄、梨等果蔬的糖度、酸度和硬度的近紅外無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行一定的研究。王加華等[6]采用日本Kubota 株式會(huì)社的便攜式近紅外光譜儀（K-BA-100R 型）檢測(cè)香梨硬度，相關(guān)系數(shù)法和遺傳算法用于選擇偏最小二乘建模變量，預(yù)測(cè)均方差分別為7.740，8.080 N，相對(duì)預(yù)測(cè)誤差分別為26.24%和29.71%，結(jié)果表明，采用便攜儀可用于梨硬度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。楊帆等[7]應(yīng)用SupNIR-1 000（聚光科技，中國(guó)）近紅外光譜分析儀對(duì)蘋(píng)果酸度和抗壞血酸進(jìn)行定量分析，蘋(píng)果酸度預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)為0.979 9，蘋(píng)果抗壞血酸預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)為0.927 2，結(jié)果表明，使用便攜式近紅外光譜儀可以用于蘋(píng)果樣本的酸度和抗壞血酸含量的測(cè)定。盧寶紅等[8]利用近紅外光譜分析儀對(duì)玉米HS-1 群體的淀粉含量進(jìn)行了2 輪混合選擇。張燕等[9]利用近紅外光譜分析技術(shù)在煙草行業(yè)中進(jìn)行定性分析。孟兆芳等[10]利用近紅外光譜分析技術(shù)建立豆粕粗蛋白快速分析檢測(cè)模型，結(jié)果表明，近紅外光譜分析方法的預(yù)測(cè)值與化學(xué)分析值有顯著的相關(guān)性。

4 便攜式近紅外水果檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)

便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)儀的發(fā)展方向主要有幾個(gè)方面：（1）低成本，低功耗。相對(duì)而言，近紅外光譜檢測(cè)儀的價(jià)格還是比較高，在越來(lái)越多的市場(chǎng)需求下以及在經(jīng)濟(jì)方面的要求下，價(jià)格成為衡量?jī)x器的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。（2）模型通用化。一般的特定儀器僅限于使用于同類產(chǎn)品，在多元化生產(chǎn)及管理的要求下，一臺(tái)儀器上建立的定性或定量校正模型能夠可靠地移植到其他相同或類似的儀器上，也成為了便攜式近紅外檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)之一。（3）高信噪比、高穩(wěn)定性。進(jìn)一步完善軟件的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，提高從復(fù)雜、重疊的近紅外光譜中提取有效信息的效率以及信噪比。

5 小結(jié)

便攜式近紅外水果分析儀不僅可以滿足產(chǎn)后品質(zhì)的檢測(cè)需求，還可以在生長(zhǎng)期監(jiān)控果實(shí)動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)果園的產(chǎn)中管理，使產(chǎn)品質(zhì)量管理延伸到了源頭，有力地保證了采后產(chǎn)品的質(zhì)量，填補(bǔ)了這一技術(shù)空白，對(duì)指導(dǎo)果樹(shù)生產(chǎn)有著及其重要的意義。

［1］陸婉珍.近紅外光譜儀器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］劉燕德，高榮杰，孫旭東.便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測(cè)儀研究進(jìn)展[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（10）：2874-2878.

［3］葉華俊，劉立鵬，張學(xué)峰，等.便攜式近紅外光譜分析儀的研制及應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù)，2008，34（增刊）：66-68.

［4］Camps C，Christen D.Non-destructive assessment of apricot fruit quality by portable visible-near infrared spectroscopy [J].LWT-Food Science and Technology，2009，42：1125-1131.

［5］José A Cayuela，Carlos Weiland.Intact orange quality prediction with two portable NIR spectrometers [J].Postharvest Biology and Technology，2010，58：113-120.

［6］王加華，陳卓，李振茹，等.洋梨硬度的便攜式可見(jiàn)/近紅外漫透射檢測(cè)技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（11）：129-133.

［7］楊帆，李雅婷，顧軒，等.便攜式近紅外光譜儀測(cè)定蘋(píng)果酸度和抗壞血酸的研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2011，31（9）：2386-2389.

［8］盧寶紅，張義榮，魏良明，等.近紅外分析方法在玉米輪回選擇中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（2）：28-31.

［9］張燕，彭黔榮，周靜，等.近紅外光譜定性分析方法在煙草行業(yè)中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，13（6）：150-152.

［10］孟兆芳，張璽，陳崢，等.近紅外光譜分析技術(shù)在豆粕豆質(zhì)分析中的應(yīng)用[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，8（4）：30-32.