便携式近红外光谱仪在农产品加工中的应用

刘 鹏，彭云发（上海创和亿电子科技发展有限公司，上海　杨浦区200092）

便携式近红外光谱仪在农产品加工中的应用

刘 鹏，彭云发
（上海创和亿电子科技发展有限公司，上海杨浦区200092）

文中详细介绍了便携式近红外光谱仪的系统组成，总结了国内外便携式近红外光谱仪的开发和应用现状，并对比分析了几种国内外便携式近红外光谱仪，介绍了便携式近红外光谱仪在新疆地区农产品加工中的应用现状和未来的发展趋势。

近红外光谱仪；便携式；分析仪器；农产品

0　引言

近红外光是介于可见光与中红外之间的电磁波，其波长范围为700～2 500 nm（14 286～4 000 cm-1）。近红外光谱主要是分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，主要反映含氢基团C-H、O-H、N-H、S-H等振动的合频和倍频吸收，不同基团或同一基团不同化学环境的近红外吸收波长与强度都有明显差别，其包含了丰富的样品结构、组成和性质的信息，所以分析范围几乎覆盖了所有的有机化合物和混合物。近红外光谱应的用领域非常广阔，在许多行业中都能发挥重要作用，包括石化、烟草、农业、制药、食品、医学、质量监督等领域。

近红外光谱技术被喻为“分析的巨人”，它是近年来发展最为迅速的一种高新分析技术［1］。在近红外光谱技术的发展过程中，近红外光谱仪的研究起到了很大的推动作用。近红外光谱分析技术由近红外光谱仪、化学计量学软件、产品模型三者构成，其中近红外光谱仪是其基础和前提。近年来，科研人员对近红外光谱仪的研究越来越深入，研究范围也在不断拓展，在各个方面的研究都取得了一定成果，尤其是近红外光谱仪不断向小型化、固态化、模块化和快速实时方向发展，所以设计和开发便携式近红外光谱仪已经成为现代分析仪器中的研制热点。

1　便携式近红外光谱仪系统组成

便携式近红外光谱仪由两部分组成，即硬件系统与软件系统。仪器性能的稳定性由硬件系统决定，预测样本的准确性由软件系统保证。

1.1硬件系统

便携式近红外光谱仪硬件系统包括光源、分光系统、检测器、光纤探头、信号放大系统以和显示器等。

光源多采用卤钨灯和发光二级管（LED），卤钨灯的优点是技术成熟、价格比较低，缺点是发热大需要散热装置；发光二级管（LED）的优点是可以设定波长范围、线性度好、节能、无需散热装置，其缺点就是价格昂贵。检测器用于检测携带被测样品信息的光信号，是将光信号转变为电信号，并通过A/D转换器以数字信号形式输出，便携式近红外光谱仪大多采用硅基检测器。光纤探头一般有两种，一种是漫反射探头，用来检测固体样品，另一种是透射探头用来检测液体样品，结合光纤传导技术，应用不同类型的光纤探头可以实现各种采样方式。

1.2软件系统

软件系统是便携式近红外光谱仪的重要组成部分，包括化学计量学软件和仪器控制软件。

化学计量学软件的功能主要包括光谱数据的预处理、定量（定性）校正模型的建立和预测分析等。定量（定性）校正模型的建立通常包括光谱数据的预处理、波长变量和其他参数的选择以及模型的验证。样品预测分析是的定量（定性）校正模型的基础上实现的，通过调用模型文件中的控制参数和定量（定性）校正模型对未知样品光谱进行计算分析，得到样品性质的预测结果。

光谱仪控制软件主要包括光谱实时采集模块、光谱仪器性能自我诊断模块以及数据分析等。实时事件主要是处理对定时精度要求不高的定时任务，主要任务包括温度采集控制、电池检测、仪器状态、定时暗电流采集等。通讯协议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、参比光谱采集和测量光谱采集，并计算吸光度。

2　国内外便携式近红外光谱仪现状

2.1国外便携式近红外光谱仪现状

国外便携式近红外光谱的研制工作开展的较早，技术也比较成熟。70年代以后，随着高灵敏性的CCD检测系统、体积小且功率大的二极管激光光源、信号过滤整合的光纤探头、微弱信号检测、嵌入式设计应用等技术的出现和提升，极大地推动了小型化、智能化、信息化便携式近红外光谱仪的迅速发展。相比于专用型仪器，便携式近红外光谱仪的体积更小、重量更轻，对环境温度、湿度及抗震的适用范围更宽。目前，国外研制和生产的便携式近红外光谱仪凭借其优良的性能在中国市场上占有垄断性地位。其中典型的有美国的Polychromix公司、美国ASD公司、日本的Kubota等公司。

2.2国内便携式近红外光谱仪现状

我国便携式近红外光谱仪研制起步晚，国土资源部现代地球物理开放实验室研制出了光栅扫描式便携NIR分析系统，中国农业大学研制出以LED为光源的便携式NIR整粒小麦成分测量仪和NIR玉米品质，国内聚光科技经过10多年的研究推出SUP-NIR1000系列便携式水果无损检测仪，该仪器是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术有机结合的近红外光谱分析技术新产品，能够对各种水果进行无损检测，并能过对水果的糖度、酸度进行快速测定。最近四川中浪科技有限公司推出TOP-5000系列便携式水果糖度无损检测分析仪，其波长范围：500～2 500 nm，波长准确性5 nm，波长重复性5 nm，光谱分辨率10 nm，杂散光小于1%，重量4.5 kg。2014年，四川威斯派克科技有限公司牵头的“便携式傅里叶近红外光谱仪开发及应用”入围“国家重大科学仪器设备开发专项”，该专项获得国家的支撑力度非常大，相信此举必会对国产便携式近红外光谱仪器技术与应用的发展产生积极影响。

3　便携式近红外光谱仪在农产品加工中的应用

王加华等采用日本Kubota株式会社的便携式近红外光谱仪（K-B A100R型）测定洋梨硬度，结果表明建立多品种洋梨硬度全局模型是可行的［2～3］，便携式仪器可用于洋梨硬度现场检测，随后又用该仪器对苹果糖度模型温度修正，温度修正模型可以有效提高预测精度；李晓云、韩东海等利用SupNIR-1100型（聚光科技）便携式近红外光谱仪检测牛奶中脂肪、蛋白质及干物质含量（2011年），模型相关系数分别为0.98，0.95和0.98［4］。杨帆、李雅婷等用便携式近红外光谱仪测定苹果酸度和抗坏血酸，酸度相关系数为0.9799，抗坏血酸相关系数为0.9272［5］。

新疆是我国最主要的水果生产基地，如哈密哈密瓜、阿克苏冰糖心苹果、和田玉枣、库尔勒香梨等，现阶段新疆水果品质检测还停留在外部品质的检测，如对其大小、颜色、缺陷和纹理等，对内部品质如水分、糖度、VC和总酸等还没有涉及。水分是水果的一个重要指标，水果的口感有其含水率决定，只有准确测定含水率才能合理评价其口感，优化选择贮藏条件和加工方式，提高水果质量和经济效益。糖度含量是水果成熟度分级检测的重要指标。按照目前国际市场惯例，标识出糖度的水果可以获得更高销售价格，所以对新疆水果内部品质进行检测不仅可以增加水果的出口数量，而且通过对新疆水果进行分级管理，也可以完善对新疆水果资源的综合利用，产生显著的经济效益及社会效益。便携式近红外光谱仪体积小、方便携带、价格低廉在新疆水果市场有着广阔的应用前景。

塔里木大学罗华平教授针对阿克苏、和田地区的红枣运用supNIR1520（聚光科技，杭州）便携式近红外光谱仪来检测总糖［6］、总酸［7］和水分［8］含量，目前已经在新疆南疆地区进行了推广应用。石河子大学马本学教授对哈密瓜的糖度［9］，坚实度［10］、和成熟度［11］进行了近红外无损检测的研究。便携式近红外光谱仪除了在应用的红枣上和哈密瓜上，在苹果、葡萄、香梨等水果上也将会得到进一步的推广应用。

在其他农产品方面，新疆地区近红外技术主要应用于实验室检测。如新疆农科院核生所王成利用傅里叶变换近红外光谱仪测定了40个大麦样品，并建立了粗蛋白模型，并利用未知样本验证发现近红外法能简便、有效的测定大麦籽粒中的粗蛋白［12］。新疆大学廖享等人利用傅里叶变换近红外光谱仪建立了薰衣草精油主要成分预测模型，结果发现经OSC 和FiPLS预处理建立的PLS-NIR定量模型对精油中linalool和linalyl ccetate含量具有良好的预测能力［13］。与其他应用成熟地区相比，新疆地区便携式近红外光谱仪在粮食品质及育种、中药材原料真假鉴别、饲料原料品质分析等方面还有较大的提升空间。

4　便携式近红外光谱仪的发展趋势

便携式近红外光谱仪的发展趋势主要包括这几个方面：

（1）体积小，重量轻，使用短焦距的光学器件以减小便携式光谱仪体积；

（2）功耗小，低成本，便携式近红外光谱仪大多进行野外作业，故功耗要低；

（3）抗干扰性好，信噪比高，不断完善软件中的数理统计方法，提高从复杂、重叠的近红外光谱中提取有效信息的效率，提高信噪比；

（4）模型的标准化合通用化，可以实现模型传递，使在一台仪器上建立的定量（定性）较正模型能够可靠的传递到其他相同或类似的仪器上使用。

5　小结

便携式近红外光谱仪不仅具有传统光谱仪的检测简单、快捷、无损和可同时测定多项指标等优点，而且其价格便宜、携带方便，可以进行农业作业现场的快速分析。对于农产品资源丰富的新疆地区，便携式近红外光谱仪具有较好的应用前景，对于农产品的内部质量检测，分级管理方面具有很好的应用价值。目前便携式近红外光谱仪的概念产品很多，但是实际投入生产应用的还不是很多，所以企业和科研院所间更加应该加强产学研合作，以开发出更加优秀的产品服务于市场。

［1］陆婉珍，袁洪福，徐广通等.现代近红外光谱分析技术.中国石化出版社［M］，2000.

［2］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.

［3］王加华，戚淑叶，汤智辉等.便携式近红外光谱仪的苹果糖度模型温度修正［J］.光谱学与光谱分析，2012，（05）：1431～1434.

［4］李晓云，王加华，黄亚伟等.便携式近红外仪检测牛奶中脂肪、蛋白质及干物质含量［J］.光谱学与光谱分析，2011（03）：665～668.

［5］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（09）：2386-2389.

［6］詹映，彭云发，彭海根等.近红外光谱在南疆红枣糖度无损检测中的应用［J］.农机化研究，2014（06）：179～183.

［7］胡晓男，彭云发，罗华平等.无信息变量消除法在筛选南疆红枣总酸近红外特征波长中的应用［J］.食品工业，2015 （05）：232～235.

［8］彭云发，彭海根，詹映等.近红外光谱对南疆红枣水分无损检测的研究［J］.食品科技，2013（11）：260～263.

［9］马本学，肖文东，祁想想等.基于漫反射高光谱成像技术的哈密瓜糖度无损检测研究［J］.光谱学与光谱分析，2012 （11）：3093～3097.

［10］李锋霞，马本学，何青海等.哈密瓜坚实度的高光谱无损检测技术［J］.光子学报，2013（05）：592～595.

［11］吕琛，李锋霞，马本学等.瓜成熟度检测技术研究进展［J］.江苏农业科学，2014（1）：244～246.

［12］王成.傅里叶变换近红外漫反射光谱法测定大麦粗蛋白含量［J］.新疆农业科学，2000（2）：68～69.

［13］廖享，王青，符继红等.近红外光谱法快速测定新疆薰衣草精油主要组分［J］.光谱学与光谱分析，2015，35（9）：2526～2529.

Application of Portable Near Infrared Spectrometer in Agro-product Processing

LIU Peng，PENG Yun-fa
（Shanghai Microvision Technology Ltd，Yangpu，Shanghai，200092，China）

System composition of portable near infrared spectrometer was introduced detailed，the current situation of development and application was summarized.Several domestic and foreign portable near infrared spectrometers was compared and analyzed.Application in Agro-product processing of portable near infrared spectrometer in Xinjiang was introduced，and the expectation wasput forward.

Portable；Near infrared spectrometer；Analytical instrument；Agro-product

1007-7782（2015）06-0021-03

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.008

TN362

A

2016-01-06