便携式近红外水果分析仪研究进展

赵艳茹，余克强，刘志鹏，张淑娟

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

随着近红外光谱技术在各领域的广泛应用，其简单、快捷的特点促使人们逐渐将其应用推广到各种分散型实物的现场分析中，尤其是在果品检测中得到了越来越广泛的应用。例如，在水果生长过程中，及时了解水果内部成分的含量，既可以指导果农科学合理地施用化肥，解决现在普遍存在的滥用、多用化肥问题，又可提高水果质量，增加果农收入。在采摘时，农业部门和质检部门对水果进行抽检，可以在不损坏水果的前提下，增加抽样数量，提高检验速度，既可避免浪费，还可将外表有缺陷但内部品质很好的水果分选出来销售，从而提高水果的附加值[1]。近红外光谱仪特点是：（1）体积小，质量轻；（2）备有专用的检测附件及计算模型，特定的仪器仅应用于同类样品；（3）对环境温度、湿度及抗震性的适用范围较宽；（4）所用的分光系统常采用比较先进的技术。

目前，国内外普遍应用的是实验室近红外检测仪，其精度高、稳定性好，然而，其分析过程需采样、运输、记录，而且价格昂贵，限制了近红外光谱仪在水果采收预测以及作物长势监控等方面的进一步应用和在无力或无需购买大型水果分选设备的水果商中的应用[2]。计算机技术、数字化光谱仪器和化学计量学方法结合，推动了近红外光谱技术的飞跃发展[3]；微机电加工等技术的发展使得检测仪向便携式发展；检测目标由产后管理检测逐步发展为产中管理监测，这为近红外水果内部品质检测仪的发展提供了新的契机。

本文阐述了近红外水果内部品质检测仪的检测流程及其系统组成，总结了国内外近红外便携仪的研究进展，并展望了近红外便携式水果内部品质检测仪的发展趋势。

1 检测流程

获得水果的近红外光谱主要有3 种方式：漫反射、透射和漫透射。便携式近红外检测仪的不同体现在原理、结构设计和零部件等方面，但检测流程类似。选用漫反射或漫透射光纤探头对水果进行检测，带有水果内部品质信息的近红外反射或透射光通过光纤由检测器所接受，检测器将近红外光信号转变为电信号传输给数据处理系统，通过数据处理得出结果并由LCD 显示（图1）。

2 系统组成

便携式近红外光谱仪主要由硬件系统和软件系统构成。硬件系统保证了仪器性能的稳定，软件系统保证了预测样本的准确性。

2.1 硬件系统

便携式近红外光谱仪由光源、分光系统、检测器、信号放大系统以及数据处理部分和显示器所组成。其中，光源多采用卤钨灯和发光二极管（LED）。检测器用于检测携带样品信息的光信号，并将光信号转变为电信号，通过模数转换器以数字信号形式输出。便携式水果内部品质近红外检测仪中多采用硅基检测器，如硅基的电荷耦合器件或二极管阵列检测器。结合光纤传导技术，可使用不同类型的光纤探头进行各种采样。在便携式水果内部品质近红外检测仪中，以应用漫反射探头为主[2]。

2.2 软件系统

便携式近红外水果分析系统的软件从功能方面可以分为2 个主要部分：光谱仪控制模块和化学计量学模块。光谱仪控制模块主要由实时采集、光谱仪器性能自我诊断以及分析数据仪器信息的显示这3 个部分构成。其流程如图2 所示。

定时事件主要处理对定时精度要求不高的定时任务，主要任务有温度采集及控制、电池检测、仪器状态、定时暗电流采集等。通讯处理模块实现对接收到的数据按照通信协议进行解析。数据采集和处理模块主要实现暗电流采集、参比（零点）光谱采集和测量光谱采集，并计算吸光度。

化学计量学模块主要有光谱的预处理、定量（定性）校正模型的建立以及预测分析等功能，其流程如图3 所示。校正模型的建立通常包括光谱数据的预处理、光谱区间和其他参数的选择以及模型的验证。样品的模型是在校正模型的基础上实现的，通过调整模型文件中的控制参数和校正模型对未知样品光谱进行计算，从而获得样品性质预测结果。

3 国内外便携式近红外水果分析仪的发展状况

目前，国际上有多种商品化的便携式近红外专用水果分析仪，仅在日本就有3 家仪器公司生产这种类型的分析仪，如Kubota 公司的K-BA-100R，FANTEC 公司的FQA-NIR Gun 以及Astem公司的ANC-77。据报道，日本K-BA-100R 分析仪的市场保有量最大，达800 余台[1]。表1 为国内外部分便携式近红外光谱仪性能对比。

国外对近红外光谱仪的研究起步较早，现已经取得了不少成绩。Camps 等[4]应用可见近红外光谱仪（Ocean optics S-2000，USA）在650～1 200 nm波长内研究了杏的糖度、酸度和硬度，结果表明，应用便携式近红外光谱仪可以在果品生长期进行有效监测，有利地保证了产后水果的品质。José等[5]应用2 种便携式光谱仪对橘子的内部品质进行了研究，得出较为理想的效果。

表1 国内外部分便携式近红外光谱仪性能对比

20 世纪90 年代以来，我国开始对水蜜桃、柑橘、苹果、番茄、梨等果蔬的糖度、酸度和硬度的近红外无损检测进行一定的研究。王加华等[6]采用日本Kubota 株式会社的便携式近红外光谱仪（K-BA-100R 型）检测香梨硬度，相关系数法和遗传算法用于选择偏最小二乘建模变量，预测均方差分别为7.740，8.080 N，相对预测误差分别为26.24%和29.71%，结果表明，采用便携仪可用于梨硬度的现场检测。杨帆等[7]应用SupNIR-1 000（聚光科技，中国）近红外光谱分析仪对苹果酸度和抗坏血酸进行定量分析，苹果酸度预测集相关系数为0.979 9，苹果抗坏血酸预测集相关系数为0.927 2，结果表明，使用便携式近红外光谱仪可以用于苹果样本的酸度和抗坏血酸含量的测定。卢宝红等[8]利用近红外光谱分析仪对玉米HS-1 群体的淀粉含量进行了2 轮混合选择。张燕等[9]利用近红外光谱分析技术在烟草行业中进行定性分析。孟兆芳等[10]利用近红外光谱分析技术建立豆粕粗蛋白快速分析检测模型，结果表明，近红外光谱分析方法的预测值与化学分析值有显著的相关性。

4 便携式近红外水果检测仪的发展趋势

便携式水果内部品质检测仪的发展方向主要有几个方面：（1）低成本，低功耗。相对而言，近红外光谱检测仪的价格还是比较高，在越来越多的市场需求下以及在经济方面的要求下，价格成为衡量仪器的主要标准之一。（2）模型通用化。一般的特定仪器仅限于使用于同类产品，在多元化生产及管理的要求下，一台仪器上建立的定性或定量校正模型能够可靠地移植到其他相同或类似的仪器上，也成为了便携式近红外检测仪的发展趋势之一。（3）高信噪比、高稳定性。进一步完善软件的数理统计方法，提高从复杂、重叠的近红外光谱中提取有效信息的效率以及信噪比。

5 小结

便携式近红外水果分析仪不仅可以满足产后品质的检测需求，还可以在生长期监控果实动态变化，实现果园的产中管理，使产品质量管理延伸到了源头，有力地保证了采后产品的质量，填补了这一技术空白，对指导果树生产有着及其重要的意义。

［1］陆婉珍.近红外光谱仪器[M].北京：化学工业出版社，2009.

［2］刘燕德，高荣杰，孙旭东.便携式水果内部品质近红外检测仪研究进展[J]. 光谱学与光谱分析，2010，30（10）：2874-2878.

［3］叶华俊，刘立鹏，张学峰，等.便携式近红外光谱分析仪的研制及应用[J].光学技术，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］王加华，陈卓，李振茹，等.洋梨硬度的便携式可见/近红外漫透射检测技术[J].农业机械学报，2010，41（11）：129-133.

［7］杨帆，李雅婷，顾轩，等.便携式近红外光谱仪测定苹果酸度和抗坏血酸的研究[J]. 光谱学与光谱分析，2011，31（9）：2386-2389.

［8］卢宝红，张义荣，魏良明，等.近红外分析方法在玉米轮回选择中的应用[J].山西农业科学，2005，33（2）：28-31.

［9］张燕，彭黔荣，周静，等.近红外光谱定性分析方法在烟草行业中的应用[J].河北农业科学，2009，13（6）：150-152.

［10］孟兆芳，张玺，陈峥，等.近红外光谱分析技术在豆粕豆质分析中的应用[J].天津农业科学，2002，8（4）：30-32.