近红外光谱技术在山葡萄无损检测中的应用研究

冯文健，孙赫阳，于潇淳，丁国良，

（1.通化师范学院物理学院，吉林 通化 134000；2.通化师范学院长白山本土冰葡萄酒酿造与质量控制吉林省校企联合技术创新实验室，吉林 通化 134000）

山葡萄多生长在寒冷的林源、疏林及幼林中，生长在有机质比较丰富、通风透水性良好、微酸性或中性土壤上的野生作物，尤其以长白山分布最广产量最大[1-2]。山葡萄果粒圆而小、果皮厚、籽多、汁少、汁呈紫黑色、味酸、口感涩、不宜生食。山葡萄因野生和其成长条件而未受到任何污染，因而山葡萄酒是天然的绿色食品[3]，是中国风土中国味道的酒。当前，我国山葡萄的采摘和采前田间管理主要靠人工经验，判断正确率缺乏科学性和准确性。容易造成品质分级参差不齐，不利于我国山葡萄品质的分级要求。含糖量是判别山葡萄成熟的金标准，果农主要是通过果皮颜色、外部特征等人工判别山葡萄是否成熟，判别准确率较低，而山葡萄含糖量高低直接决定了其所酿造葡萄酒的质量和品质。实现高效精准辨别优质山葡萄，对山葡萄种植和采摘进行精准监测和控制，对于山葡萄酒产业具有十分重要的意义。

1 无损检测技术在农产品上的应用

由于农产品成长期及保鲜需要等原因，一直以来技术人员都在提高无损检测农产品的水平。近年来，我国的无损检测水平发展速度较快，但离发达国家还有一定差距。现有的无损检测技术主要有核磁共振检测技术、超声波技术、振动声学技术、机器视觉技术、X 射线技术、电子鼻检测等。

1.1 核磁共振技术的应用

核磁共振技术适宜于对流动性强的产品进行检测，所以在含水量大的农产品和水产品应用较多。汤舒越等人[4]通过低场核磁共振技术对猪肉去除水分，分离脂肪和水分信号来检测脂肪含量，进而确定其品质。徐瑞平等人[5]利用低场核磁共振结合主成分判别，通过对照的方式对注水注胶肉进行了判别。陈森等人[6]通过研究樱桃内部水分状态的变化对樱桃的品质口感产生的影响进行了研究。姜潮等人[7]通过核磁共振结合PCA 法试验发现能区分和辨识纯牛奶的品质特性及掺假情况等。

1.2 超声波技术的应用

超声波是声源产生超声波进入待测物质，声波在其中传播，其中的缺陷会使声波传播方向或特征改变，被改变的声波经处理分析可得知被测物质是否有缺陷[8]。该技术无污染且无害，效率和灵敏度高，但多用于工业探伤领域。在食品领域也有较好的前景，林秀[9]采用超声波水提草甘膦使用乙酸沉淀蛋白，然后对比色谱的方式来检测草甘膦农药残留。Altunay Nai 等人[10]尝试了用超声液液微萃取方法检测水中和食品中的硒含量。

1.3 机器视觉技术的应用

机器视觉技术通过对农产品图像的分析、对照等方式提取其特征来实现对产品的评价并检测[11]。朱旭等人[12]运用视觉技术对蓝莓果实成熟和品质进行分类，但同样存在着误识别的问题。黄彤镔等人[13]通过建立柑橘的视觉模型来进行检测柑橘品质，虽然提高了识别的准确率但在遮挡等的情况下有误识别的问题。该技术优点是速度快简单、处理信息能力强，但存在着成本高、准确性小等不足。

1.4 X 射线技术的应用

X 射线检测是利用其穿透作用使其与被测物体之间发生一定的物理和化学作用，可以使化合物产生荧光或光化学反应，也能使原子发生电离。在农产品中，有研究利用X 射线技术并建立的茎秆图像进行无损检测，测量烟中烟梗含量来评价烟草质量[14-15]。傅颖等人[16]通过X 射线来观测野山参内部结构，可以对细小裂缝等进行直观观测。

1.5 电子鼻检测技术的应用

电子鼻检测是运用传感器收集产品的气味来实现检测的目的。通过模式识别进行定性和定量的分析来检测农产品的品质情况。电子鼻是一种无接触的绿色检测技术，在食品安全领域的应用较多[17]。

2 近红外光谱（NIRS） 无损检测在农产品中的研究现状

2.1 NIRS 分析技术

从1800 年物理学家赫歇耳发现红外光开始，人们对如何利用红外光不断进行着探索并在不断进步。科学家研究发现近红外是由分子的倍频、合频产生的；中红外属于分子的基频振动光谱；远红外属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。由此将红外光分为近红外区（0.75～2.50 μm）、中红外区（2.5～25.0 μm） 和远红外区（25～1 000 μm）。1968 年有研究利用近红外光谱方法对农产品的水分、蛋白质和油脂含量等进行分析，促使近红外光谱分析技术快速发展。20 世纪以来，仪器行业持续重视研究光谱分析技术，使得光谱分析仪得到了极大的发展。因为中红外区的图谱非常复杂，相邻峰之间重叠多，分析鉴定难度大。而近红外光在红外区有吸收，光谱简单，同时因为近红外是倍频和组频组成，重叠少。近红外光谱分析技术主要是通过漫反射和透射的方式来识别物体的光谱信息来确定其内部的结构信息，并对其成分、参数进行关联，从而确定其定性或定量[18]。现在NIR 光谱分析技术在农业、食品、医药、化工等领域进行了充分应用，在农业中，对NIR 仪器的生产逐渐向小型化和便携化方向发展。

2.2 NIRS 分析技术的应用

2.2.1 NIRS 分析技术在糖度检测上的应用

利用近红外光谱检测糖度是目前研究应用最为广泛和成熟的。普遍通过漫反射的方式对农产品进行糖度检测，一般采用的技术路线是先采集理想标品进行光谱信息采集分析寻找基本特征，然后通过数学分析方法来建立评价指标模型。张娟等人[19]使用偏最小二乘法在草莓糖度检测上建立了模型。赵文涛等人[20]采用回归分析方法和偏最小二乘法对鲜枣进行了糖度模型检测和分析。

2.2.2 NIRS 分析技术在氢基团检测上的应用

利用近红外光谱区和有机分子中含氢基团（O-H、N-H、C-H） 振动的合频和各级倍频的吸收区一致性，通过扫描农产品得到其含氢基团的特征信息。通过分析脂肪、蛋白质、氨基酸和脂肪酸等的氢基团特征信息，可以对粮食和经济作物等进行质量鉴定和分级[21-22]。

2.2.3 NIRS 分析技术在可溶性固形物和果实硬度上的应用

硬度是某些果品的重要特征，是果品品质的重要标准，根据近红外光对硬度的不同漫反射和吸光度来对果品进行硬度的无损检测分析[23]。

2.2.4 NIRS 分析技术在有机物质检测上的应用

利用红外光照射有机物分子，使得有机物分子中的化学键发生振动吸收，由于不同的化学键吸收频率不同，据此可获得其中的化学键特征的方式进行有机物质检测。环境中有机物含量的大小影响作物的生长和产量，土壤的变化特征对农产品的生长成熟有重要的意义。该检测研究的主要方向是农产品的生长环境，如土壤、水质等[24-25]。

3 结语

在农产品方面近红外光谱技术应用较广，特别是在水果品类上能做到无损的条件下鉴定其品质。在对农产品的成熟采摘上也有较好的应用效果，能帮助果农在最适宜的条件下进行采摘，实现果品最大的经济效益[26]。

山葡萄虽然与葡萄有一定的相似性，但还是有较大的区别。近年来，随着生活品质的提高，人们对葡萄酒有了较大的需求量。为了适应市场对葡萄酒的高水平要求，同时保证葡萄酒品质的一致性，葡萄品质自动无损检测越来越重要，葡萄品质的无损检测技术成为国内外学者重要的研究方向之一。

核磁共振技术无法对生长期的山葡萄进行无损检测，超声波技术一般用于探伤检测，机器视觉不能对应分析其内部成分。特别是山葡萄作为葡萄酒原料，糖度是最重要指标， X 射线技术有一定优势，但相对近红外光其分析难度要大。

与其他无损检测技术相比，近红外光谱的无损检测技术具有检测方便、无需预处理、能无损检测、重复性好、操作简单、绿色无污染等优点。特别是在糖度检测上应用比较广泛，算法路径相对成熟可靠，可以做到采摘期的控制，特别是在山葡萄被雪覆盖的情况下，最佳采摘期可用近红外可以做到实时监测。