近紅外光譜技術在山葡萄無損檢測中的應用研究

馮文健，孫赫陽，于瀟淳，丁國良，

（1.通化師范學院物理學院，吉林 通化 134000；2.通化師范學院長白山本土冰葡萄酒釀造與質量控制吉林省校企聯合技術創新實驗室，吉林 通化 134000）

山葡萄多生長在寒冷的林源、疏林及幼林中，生長在有機質比較豐富、通風透水性良好、微酸性或中性土壤上的野生作物，尤其以長白山分布最廣產量最大[1-2]。山葡萄果粒圓而小、果皮厚、籽多、汁少、汁呈紫黑色、味酸、口感澀、不宜生食。山葡萄因野生和其成長條件而未受到任何污染，因而山葡萄酒是天然的綠色食品[3]，是中國風土中國味道的酒。當前，我國山葡萄的采摘和采前田間管理主要靠人工經驗，判斷正確率缺乏科學性和準確性。容易造成品質分級參差不齊，不利于我國山葡萄品質的分級要求。含糖量是判別山葡萄成熟的金標準，果農主要是通過果皮顏色、外部特征等人工判別山葡萄是否成熟，判別準確率較低，而山葡萄含糖量高低直接決定了其所釀造葡萄酒的質量和品質。實現高效精準辨別優質山葡萄，對山葡萄種植和采摘進行精準監測和控制，對于山葡萄酒產業具有十分重要的意義。

1 無損檢測技術在農產品上的應用

由于農產品成長期及保鮮需要等原因，一直以來技術人員都在提高無損檢測農產品的水平。近年來，我國的無損檢測水平發展速度較快，但離發達國家還有一定差距。現有的無損檢測技術主要有核磁共振檢測技術、超聲波技術、振動聲學技術、機器視覺技術、X 射線技術、電子鼻檢測等。

1.1 核磁共振技術的應用

核磁共振技術適宜于對流動性強的產品進行檢測，所以在含水量大的農產品和水產品應用較多。湯舒越等人[4]通過低場核磁共振技術對豬肉去除水分，分離脂肪和水分信號來檢測脂肪含量，進而確定其品質。徐瑞平等人[5]利用低場核磁共振結合主成分判別，通過對照的方式對注水注膠肉進行了判別。陳森等人[6]通過研究櫻桃內部水分狀態的變化對櫻桃的品質口感產生的影響進行了研究。姜潮等人[7]通過核磁共振結合PCA 法試驗發現能區分和辨識純牛奶的品質特性及摻假情況等。

1.2 超聲波技術的應用

超聲波是聲源產生超聲波進入待測物質，聲波在其中傳播，其中的缺陷會使聲波傳播方向或特征改變，被改變的聲波經處理分析可得知被測物質是否有缺陷[8]。該技術無污染且無害，效率和靈敏度高，但多用于工業探傷領域。在食品領域也有較好的前景，林秀[9]采用超聲波水提草甘膦使用乙酸沉淀蛋白，然后對比色譜的方式來檢測草甘膦農藥殘留。Altunay Nai 等人[10]嘗試了用超聲液液微萃取方法檢測水中和食品中的硒含量。

1.3 機器視覺技術的應用

機器視覺技術通過對農產品圖像的分析、對照等方式提取其特征來實現對產品的評價并檢測[11]。朱旭等人[12]運用視覺技術對藍莓果實成熟和品質進行分類，但同樣存在著誤識別的問題。黃彤鑌等人[13]通過建立柑橘的視覺模型來進行檢測柑橘品質，雖然提高了識別的準確率但在遮擋等的情況下有誤識別的問題。該技術優點是速度快簡單、處理信息能力強，但存在著成本高、準確性小等不足。

1.4 X 射線技術的應用

X 射線檢測是利用其穿透作用使其與被測物體之間發生一定的物理和化學作用，可以使化合物產生熒光或光化學反應，也能使原子發生電離。在農產品中，有研究利用X 射線技術并建立的莖稈圖像進行無損檢測，測量煙中煙梗含量來評價煙草質量[14-15]。傅穎等人[16]通過X 射線來觀測野山參內部結構，可以對細小裂縫等進行直觀觀測。

1.5 電子鼻檢測技術的應用

電子鼻檢測是運用傳感器收集產品的氣味來實現檢測的目的。通過模式識別進行定性和定量的分析來檢測農產品的品質情況。電子鼻是一種無接觸的綠色檢測技術，在食品安全領域的應用較多[17]。

2 近紅外光譜（NIRS） 無損檢測在農產品中的研究現狀

2.1 NIRS 分析技術

從1800 年物理學家赫歇耳發現紅外光開始，人們對如何利用紅外光不斷進行著探索并在不斷進步。科學家研究發現近紅外是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。由此將紅外光分為近紅外區（0.75～2.50 μm）、中紅外區（2.5～25.0 μm） 和遠紅外區（25～1 000 μm）。1968 年有研究利用近紅外光譜方法對農產品的水分、蛋白質和油脂含量等進行分析，促使近紅外光譜分析技術快速發展。20 世紀以來，儀器行業持續重視研究光譜分析技術，使得光譜分析儀得到了極大的發展。因為中紅外區的圖譜非常復雜，相鄰峰之間重疊多，分析鑒定難度大。而近紅外光在紅外區有吸收，光譜簡單，同時因為近紅外是倍頻和組頻組成，重疊少。近紅外光譜分析技術主要是通過漫反射和透射的方式來識別物體的光譜信息來確定其內部的結構信息，并對其成分、參數進行關聯，從而確定其定性或定量[18]。現在NIR 光譜分析技術在農業、食品、醫藥、化工等領域進行了充分應用，在農業中，對NIR 儀器的生產逐漸向小型化和便攜化方向發展。

2.2 NIRS 分析技術的應用

2.2.1 NIRS 分析技術在糖度檢測上的應用

利用近紅外光譜檢測糖度是目前研究應用最為廣泛和成熟的。普遍通過漫反射的方式對農產品進行糖度檢測，一般采用的技術路線是先采集理想標品進行光譜信息采集分析尋找基本特征，然后通過數學分析方法來建立評價指標模型。張娟等人[19]使用偏最小二乘法在草莓糖度檢測上建立了模型。趙文濤等人[20]采用回歸分析方法和偏最小二乘法對鮮棗進行了糖度模型檢測和分析。

2.2.2 NIRS 分析技術在氫基團檢測上的應用

利用近紅外光譜區和有機分子中含氫基團（O-H、N-H、C-H） 振動的合頻和各級倍頻的吸收區一致性，通過掃描農產品得到其含氫基團的特征信息。通過分析脂肪、蛋白質、氨基酸和脂肪酸等的氫基團特征信息，可以對糧食和經濟作物等進行質量鑒定和分級[21-22]。

2.2.3 NIRS 分析技術在可溶性固形物和果實硬度上的應用

硬度是某些果品的重要特征，是果品品質的重要標準，根據近紅外光對硬度的不同漫反射和吸光度來對果品進行硬度的無損檢測分析[23]。

2.2.4 NIRS 分析技術在有機物質檢測上的應用

利用紅外光照射有機物分子，使得有機物分子中的化學鍵發生振動吸收，由于不同的化學鍵吸收頻率不同，據此可獲得其中的化學鍵特征的方式進行有機物質檢測。環境中有機物含量的大小影響作物的生長和產量，土壤的變化特征對農產品的生長成熟有重要的意義。該檢測研究的主要方向是農產品的生長環境，如土壤、水質等[24-25]。

3 結語

在農產品方面近紅外光譜技術應用較廣，特別是在水果品類上能做到無損的條件下鑒定其品質。在對農產品的成熟采摘上也有較好的應用效果，能幫助果農在最適宜的條件下進行采摘，實現果品最大的經濟效益[26]。

山葡萄雖然與葡萄有一定的相似性，但還是有較大的區別。近年來，隨著生活品質的提高，人們對葡萄酒有了較大的需求量。為了適應市場對葡萄酒的高水平要求，同時保證葡萄酒品質的一致性，葡萄品質自動無損檢測越來越重要，葡萄品質的無損檢測技術成為國內外學者重要的研究方向之一。

核磁共振技術無法對生長期的山葡萄進行無損檢測，超聲波技術一般用于探傷檢測，機器視覺不能對應分析其內部成分。特別是山葡萄作為葡萄酒原料，糖度是最重要指標， X 射線技術有一定優勢，但相對近紅外光其分析難度要大。

與其他無損檢測技術相比，近紅外光譜的無損檢測技術具有檢測方便、無需預處理、能無損檢測、重復性好、操作簡單、綠色無污染等優點。特別是在糖度檢測上應用比較廣泛，算法路徑相對成熟可靠，可以做到采摘期的控制，特別是在山葡萄被雪覆蓋的情況下，最佳采摘期可用近紅外可以做到實時監測。