近紅外在線分析技術在糧食領域的應用

韓 赟，季蘇丹，李 成，陳俊強，高志航，張 淑

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

隨著世界人口的不斷增長，糧食安全問題早已成為全球性的問題。我國更是一個人口大國，糧食安全問題直接關乎人們的生活質量和國家的穩定發展。隨著生活水平的提高與消費結構的升級，人們對于糧食安全的重視程度日益提高，正在從吃飽、吃好向吃的更健康、更安全轉變。因而在糧食的種植、儲藏、運輸、加工等各個環節對成分含量進行監測和控制就顯得越來越必要。

早在19世紀國外就開始對糧食成分進行分析。傳統檢測方法包括體積分析法、重量分析法、化學方法等。重量分析法、體積分析法不能對成分含量進行系統準確的分析，化學方法存在隨意性大、耗時、費用昂貴、污染、占用試驗室空間、檢測人員勞動強度大等問題，均無法滿足高速增長的快速、低成本、自動化、智能化的分析要求。

為了滿足現代工業需求，樣品檢測要求做到無損在線分析。近紅外光譜測試技術顯示了它無可爭議的快速、準確、操作簡單等優越性，并且將這些特點有機的結合起來，為糧食與食品工業的物料成分分析開辟了新的天地，為成分分析、在線控制、過程控制、質量控制提供了可能。

目前國內糧油行業近紅外分析技術已經得到廣泛應用，但主要是在化驗室內使用，一些大型面粉加工企業、油脂加工企業、港口散糧公司已經開始使用近紅外在線分析技術來監測物料特性并用于指導生產。目前大型糧油加工企業與糧食收儲系統尚未大規模及系統使用在線分析儀器來對收儲糧食進行實時分析和分類管理，技術升級與改進空間巨大。

1 基本原理

近紅外光譜的原理是當分子受到近紅外區域的電磁輻射后，吸收一部分近紅外光，使分子中原子的振動能級與轉動能級躍遷所產生的分子吸收光譜。近紅外譜區的波長范圍是770～2 500 nm，該譜區兼備了中紅外譜區信息量豐富與可見譜區使用方便的優點。與中紅外譜區一樣，近紅外光譜分析利用分子振動的信息，但本譜區的主要信息是振動的倍頻與合頻信息，通過該譜區的光譜分析，可以實現對含氫基團的樣品的化學性質、物理性質的分析，可同時進行多項目分析。該譜區可以射透樣品內部，取得樣品內部的有關物理、化學信息。因此用近紅外光譜，只需要少量的樣品，即可進行各種快速分析，特別適用于各種復雜樣品的無損分析。

2 近紅外在線技術在分析糧食內含物中的優勢

2.1 水分近紅外在線分析價值

糧食、油料水分含量是指糧食、油料試樣中水分的質量占樣品質量的百分比。水分含量是評價糧食、油料品質基本指標之一。糧食、油料的水分含量對加工生產和安全存儲以及購買、銷售和調撥分配等方面都有重要的意義。

檢測糧食、油料水分含量的方法有：加熱干燥法、電測法、蒸餾法、核磁共振法、微波法、和近紅外分析吸收光譜法等。其中，加熱干燥法我國糧食、油料質量指標中水分含量的標準方法。近年來出現了一些電阻式、電容式水分測定儀，由于適用場景環境的干擾與標定數據的時效性等因素，測量結果并不理想。核磁共振法也有一定的使用,但儀器價格昂貴，不適宜現場在線使用。

近紅外吸收光譜法隨著其測定系統的研究和開發，該方法作為糧食水分、蛋白質、脂肪等其它成份的快速測定方法，已被用于糧食、油料的品質分析中，美國、加拿大已將近紅外吸收光譜法作為檢查谷物品質的標準方法。近些年我國近紅外光譜測試裝置、測試方法的進一步改進和完善，近紅外在線分析技術在糧食分析領域的應用得到了長足的發展，使糧食的水分在線實時檢測已經不再是技術障礙，實時檢測條件下已經可以實現糧食水分的全檢效果。

2.2 粗脂肪近紅外分析價值

脂肪是油料中的主要化學成分，同時也是人體的七大營養物質之一，也作為工業的重要原料。油料的主要用途是制油，含油量是油料質量標準中的定等項目，是確定其等級、價格的重要依據。對油脂加工企業而言，油料含油量的測定指標，可以作為加工出油率和考慮加工工藝參數的依據。另外，油料餅粕的殘油率的高低也是油廠加工工藝、生產技術水平的重要經濟技術指標，是加工工藝技術提升與改進的重要依據。

糧食、油料中粗脂肪含量的測定，目前常用的是以乙醚為溶劑的索氏抽提法，該方法仍為測定脂肪含量的標準方法(GB/T 5512—1985)。但是，索氏抽提法操作繁雜、費時難以滿足收購和加工生產的效率要求，無法從根本上解決測量速度和時效的問題。

近紅外在線測量脂肪含量基于原始的索氏提取方法，在原有實驗室分析基礎上可以將數據通過建模與近紅外光譜關聯起來實現在線實時分析，在實驗室精細結果的基礎上實現了在線快速全檢的功能，使數據的時效性和多樣性得以實現，有利于判斷糧食油料收儲過程中的品質狀況。

2.3 粗蛋白近紅外分析價值

糧食、油料中蛋白質含量是糧油營養價值、食品品質的重要評價指標。通過測定糧食、油料中蛋白質的含量，可以充分利用糧油資源，指導企業具體的加工生產，以提高企業經濟效益，并減少資源浪費。

糧食、油料中測定蛋白質含量的方法很多，一般的測定原理是基于蛋白質的理化特性來進行定量分析的方法，大致可分為：利用蛋白質中含有特定氨基酸殘基的方法，例如紫外光譜吸收法、酚試劑法、色素結合法等；利用蛋白質含氮量方法，在糧食、油料中應用最普遍的是凱氏定氮法，也一直被作為蛋白質定量的標準方法(GB/T 5511—1985)。

近些年，利用近紅外檢測糧食作物蛋白的方法逐漸成熟起來，尤其是在糧食收儲環節中的應用已經非常普遍，我國東北地區大豆收購環節使用近紅外分析儀器快速檢測大豆蛋白含量已經持續有4年，為收儲帶來十分可觀的利益。

2.4 其他

除了水分、脂肪和蛋白外，淀粉、纖維素和灰分等指標在糧食油料作物品質判斷上也具有重要的意義，例如在面粉加工生產場景中，水分和灰分的在線分析是面粉生產過程中的重要的指標之一；小麥或大豆收儲環節中的在線分析可以實時反應小麥和大豆的蛋白質含量及水分含量，對分類存儲和管理具有重要意義；在食用油制造過程中對食用油的出油率實時檢測對壓榨工藝穩定性的監控具有重要意義。

3 近紅外在線分析的應用

3.1 港口散糧倉儲系統的應用

港口散糧倉儲系統糧食接收現狀是在生產線上進行抽樣至化驗室化驗，無法及時將糧食特性與倉容管理系統進行鏈接，也無法及時反饋異常數據至生產線上進行工藝調整，而引入近紅外在線分析系統能解決生產線上實時數據分析的功能，了解每個倉內糧食情況，霉變或高水分糧食可在線及時處理不入倉進行倉外暫存，確保倉儲管理安全。

可將近紅外固體在線檢測系統采用管道式下照采樣方式進行安裝測量，系統光斑大小30 mm，采用漫反射采樣方式，使用藍寶石窗口作為采樣窗口，通過網絡協議間隔30 s輸出1次結果，提供測量結果給生產系統進行反饋控制，現場安裝如圖1所示。

圖1 現場管道式安裝方式

3.2 油脂加工企業豆粕蛋白在線檢測系統的應用

生產部門無法實時監測發貨粕料的質量指標，工廠內的檢化驗有一定的延遲性，不利于生產的實時調控，引用在線近紅外檢測裝置可實時檢測物料品質，方便生產及時操作調整。安裝位置要求料流穩定，有足夠的光斑照射面積。在線打包的粕料和出倉打包的粕料均需設置在線近紅外檢測裝置，并與生產線連鎖，實時檢測，以便生產操作調控確保產品質量?，F場安裝如圖2所示。

圖2 豆粕蛋白在線分析系統

4 總結

隨著數據技術和網絡技術的發展，數據中心概念與近紅外節點進行聯合應用是未來近紅外技術發展的重要方向之一，糧食行業倉儲系統與加工企業對于生產的自動化程度及數據管理的客觀需求正在逐步提升，近紅外在線檢測技術的應用可以減少檢化驗人員的崗位設置與勞動強度，提高數據的處理量與準確性并能實時指導生產操作，能為企業帶來良好的經濟效益，具有非常良好的應用前景。