便攜式近紅外水果分析儀研究進展

趙艷茹，余克強，劉志鵬，張淑娟

（山西農業大學工學院，山西太谷030801）

隨著近紅外光譜技術在各領域的廣泛應用，其簡單、快捷的特點促使人們逐漸將其應用推廣到各種分散型實物的現場分析中，尤其是在果品檢測中得到了越來越廣泛的應用。例如，在水果生長過程中，及時了解水果內部成分的含量，既可以指導果農科學合理地施用化肥，解決現在普遍存在的濫用、多用化肥問題，又可提高水果質量，增加果農收入。在采摘時，農業部門和質檢部門對水果進行抽檢，可以在不損壞水果的前提下，增加抽樣數量，提高檢驗速度，既可避免浪費，還可將外表有缺陷但內部品質很好的水果分選出來銷售，從而提高水果的附加值[1]。近紅外光譜儀特點是：（1）體積小，質量輕；（2）備有專用的檢測附件及計算模型，特定的儀器僅應用于同類樣品；（3）對環境溫度、濕度及抗震性的適用范圍較寬；（4）所用的分光系統常采用比較先進的技術。

目前，國內外普遍應用的是實驗室近紅外檢測儀，其精度高、穩定性好，然而，其分析過程需采樣、運輸、記錄，而且價格昂貴，限制了近紅外光譜儀在水果采收預測以及作物長勢監控等方面的進一步應用和在無力或無需購買大型水果分選設備的水果商中的應用[2]。計算機技術、數字化光譜儀器和化學計量學方法結合，推動了近紅外光譜技術的飛躍發展[3]；微機電加工等技術的發展使得檢測儀向便攜式發展；檢測目標由產后管理檢測逐步發展為產中管理監測，這為近紅外水果內部品質檢測儀的發展提供了新的契機。

本文闡述了近紅外水果內部品質檢測儀的檢測流程及其系統組成，總結了國內外近紅外便攜儀的研究進展，并展望了近紅外便攜式水果內部品質檢測儀的發展趨勢。

1 檢測流程

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。便攜式近紅外檢測儀的不同體現在原理、結構設計和零部件等方面，但檢測流程類似。選用漫反射或漫透射光纖探頭對水果進行檢測，帶有水果內部品質信息的近紅外反射或透射光通過光纖由檢測器所接受，檢測器將近紅外光信號轉變為電信號傳輸給數據處理系統，通過數據處理得出結果并由LCD 顯示（圖1）。

2 系統組成

便攜式近紅外光譜儀主要由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統保證了儀器性能的穩定，軟件系統保證了預測樣本的準確性。

2.1 硬件系統

便攜式近紅外光譜儀由光源、分光系統、檢測器、信號放大系統以及數據處理部分和顯示器所組成。其中，光源多采用鹵鎢燈和發光二極管（LED）。檢測器用于檢測攜帶樣品信息的光信號，并將光信號轉變為電信號，通過模數轉換器以數字信號形式輸出。便攜式水果內部品質近紅外檢測儀中多采用硅基檢測器，如硅基的電荷耦合器件或二極管陣列檢測器。結合光纖傳導技術，可使用不同類型的光纖探頭進行各種采樣。在便攜式水果內部品質近紅外檢測儀中，以應用漫反射探頭為主[2]。

2.2 軟件系統

便攜式近紅外水果分析系統的軟件從功能方面可以分為2 個主要部分：光譜儀控制模塊和化學計量學模塊。光譜儀控制模塊主要由實時采集、光譜儀器性能自我診斷以及分析數據儀器信息的顯示這3 個部分構成。其流程如圖2 所示。

定時事件主要處理對定時精度要求不高的定時任務，主要任務有溫度采集及控制、電池檢測、儀器狀態、定時暗電流采集等。通訊處理模塊實現對接收到的數據按照通信協議進行解析。數據采集和處理模塊主要實現暗電流采集、參比（零點）光譜采集和測量光譜采集，并計算吸光度。

化學計量學模塊主要有光譜的預處理、定量（定性）校正模型的建立以及預測分析等功能，其流程如圖3 所示。校正模型的建立通常包括光譜數據的預處理、光譜區間和其他參數的選擇以及模型的驗證。樣品的模型是在校正模型的基礎上實現的，通過調整模型文件中的控制參數和校正模型對未知樣品光譜進行計算，從而獲得樣品性質預測結果。

3 國內外便攜式近紅外水果分析儀的發展狀況

目前，國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 家儀器公司生產這種類型的分析儀，如Kubota 公司的K-BA-100R，FANTEC 公司的FQA-NIR Gun 以及Astem公司的ANC-77。據報道，日本K-BA-100R 分析儀的市場保有量最大，達800 余臺[1]。表1 為國內外部分便攜式近紅外光譜儀性能對比。

國外對近紅外光譜儀的研究起步較早，現已經取得了不少成績。Camps 等[4]應用可見近紅外光譜儀（Ocean optics S-2000，USA）在650～1 200 nm波長內研究了杏的糖度、酸度和硬度，結果表明，應用便攜式近紅外光譜儀可以在果品生長期進行有效監測，有利地保證了產后水果的品質。José等[5]應用2 種便攜式光譜儀對橘子的內部品質進行了研究，得出較為理想的效果。

表1 國內外部分便攜式近紅外光譜儀性能對比

20 世紀90 年代以來，我國開始對水蜜桃、柑橘、蘋果、番茄、梨等果蔬的糖度、酸度和硬度的近紅外無損檢測進行一定的研究。王加華等[6]采用日本Kubota 株式會社的便攜式近紅外光譜儀（K-BA-100R 型）檢測香梨硬度，相關系數法和遺傳算法用于選擇偏最小二乘建模變量，預測均方差分別為7.740，8.080 N，相對預測誤差分別為26.24%和29.71%，結果表明，采用便攜儀可用于梨硬度的現場檢測。楊帆等[7]應用SupNIR-1 000（聚光科技，中國）近紅外光譜分析儀對蘋果酸度和抗壞血酸進行定量分析，蘋果酸度預測集相關系數為0.979 9，蘋果抗壞血酸預測集相關系數為0.927 2，結果表明，使用便攜式近紅外光譜儀可以用于蘋果樣本的酸度和抗壞血酸含量的測定。盧寶紅等[8]利用近紅外光譜分析儀對玉米HS-1 群體的淀粉含量進行了2 輪混合選擇。張燕等[9]利用近紅外光譜分析技術在煙草行業中進行定性分析。孟兆芳等[10]利用近紅外光譜分析技術建立豆粕粗蛋白快速分析檢測模型，結果表明，近紅外光譜分析方法的預測值與化學分析值有顯著的相關性。

4 便攜式近紅外水果檢測儀的發展趨勢

便攜式水果內部品質檢測儀的發展方向主要有幾個方面：（1）低成本，低功耗。相對而言，近紅外光譜檢測儀的價格還是比較高，在越來越多的市場需求下以及在經濟方面的要求下，價格成為衡量儀器的主要標準之一。（2）模型通用化。一般的特定儀器僅限于使用于同類產品，在多元化生產及管理的要求下，一臺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儀的發展趨勢之一。（3）高信噪比、高穩定性。進一步完善軟件的數理統計方法，提高從復雜、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

便攜式近紅外水果分析儀不僅可以滿足產后品質的檢測需求，還可以在生長期監控果實動態變化，實現果園的產中管理，使產品質量管理延伸到了源頭，有力地保證了采后產品的質量，填補了這一技術空白，對指導果樹生產有著及其重要的意義。

［1］陸婉珍.近紅外光譜儀器[M].北京：化學工業出版社，2009.

［2］劉燕德，高榮杰，孫旭東.便攜式水果內部品質近紅外檢測儀研究進展[J]. 光譜學與光譜分析，2010，30（10）：2874-2878.

［3］葉華俊，劉立鵬，張學峰，等.便攜式近紅外光譜分析儀的研制及應用[J].光學技術，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/近紅外漫透射檢測技術[J].農業機械學報，2010，41（11）：129-133.

［7］楊帆，李雅婷，顧軒，等.便攜式近紅外光譜儀測定蘋果酸度和抗壞血酸的研究[J]. 光譜學與光譜分析，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用[J].山西農業科學，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中的應用[J].河北農業科學，2009，13（6）：150-152.

［10］孟兆芳，張璽，陳崢，等.近紅外光譜分析技術在豆粕豆質分析中的應用[J].天津農業科學，2002，8（4）：30-32.