近紅外光譜技術(shù)在山葡萄無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

馮文健，孫赫陽(yáng)，于瀟淳，丁國(guó)良，

（1.通化師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 通化 134000；2.通化師范學(xué)院長(zhǎng)白山本土冰葡萄酒釀造與質(zhì)量控制吉林省校企聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，吉林 通化 134000）

山葡萄多生長(zhǎng)在寒冷的林源、疏林及幼林中，生長(zhǎng)在有機(jī)質(zhì)比較豐富、通風(fēng)透水性良好、微酸性或中性土壤上的野生作物，尤其以長(zhǎng)白山分布最廣產(chǎn)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(zhǎng)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(guó)風(fēng)土中國(guó)味道的酒。當(dāng)前，我國(guó)山葡萄的采摘和采前田間管理主要靠人工經(jīng)驗(yàn)，判斷正確率缺乏科學(xué)性和準(zhǔn)確性。容易造成品質(zhì)分級(jí)參差不齊，不利于我國(guó)山葡萄品質(zhì)的分級(jí)要求。含糖量是判別山葡萄成熟的金標(biāo)準(zhǔn)，果農(nóng)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(zhǔn)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(zhì)量和品質(zhì)。實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)辨別優(yōu)質(zhì)山葡萄，對(duì)山葡萄種植和采摘進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)于山葡萄酒產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。

1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品上的應(yīng)用

由于農(nóng)產(chǎn)品成長(zhǎng)期及保鮮需要等原因，一直以來(lái)技術(shù)人員都在提高無(wú)損檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的水平。近年來(lái)，我國(guó)的無(wú)損檢測(cè)水平發(fā)展速度較快，但離發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有核磁共振檢測(cè)技術(shù)、超聲波技術(shù)、振動(dòng)聲學(xué)技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、X 射線技術(shù)、電子鼻檢測(cè)等。

1.1 核磁共振技術(shù)的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)適宜于對(duì)流動(dòng)性強(qiáng)的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，所以在含水量大的農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品應(yīng)用較多。湯舒越等人[4]通過低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)豬肉去除水分，分離脂肪和水分信號(hào)來(lái)檢測(cè)脂肪含量，進(jìn)而確定其品質(zhì)。徐瑞平等人[5]利用低場(chǎng)核磁共振結(jié)合主成分判別，通過對(duì)照的方式對(duì)注水注膠肉進(jìn)行了判別。陳森等人[6]通過研究櫻桃內(nèi)部水分狀態(tài)的變化對(duì)櫻桃的品質(zhì)口感產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。姜潮等人[7]通過核磁共振結(jié)合PCA 法試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能區(qū)分和辨識(shí)純牛奶的品質(zhì)特性及摻假情況等。

1.2 超聲波技術(shù)的應(yīng)用

超聲波是聲源產(chǎn)生超聲波進(jìn)入待測(cè)物質(zhì)，聲波在其中傳播，其中的缺陷會(huì)使聲波傳播方向或特征改變，被改變的聲波經(jīng)處理分析可得知被測(cè)物質(zhì)是否有缺陷[8]。該技術(shù)無(wú)污染且無(wú)害，效率和靈敏度高，但多用于工業(yè)探傷領(lǐng)域。在食品領(lǐng)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(duì)比色譜的方式來(lái)檢測(cè)草甘膦農(nóng)藥殘留。Altunay Nai 等人[10]嘗試了用超聲液液微萃取方法檢測(cè)水中和食品中的硒含量。

1.3 機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)通過對(duì)農(nóng)產(chǎn)品圖像的分析、對(duì)照等方式提取其特征來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)并檢測(cè)[11]。朱旭等人[12]運(yùn)用視覺技術(shù)對(duì)藍(lán)莓果實(shí)成熟和品質(zhì)進(jìn)行分類，但同樣存在著誤識(shí)別的問題。黃彤鑌等人[13]通過建立柑橘的視覺模型來(lái)進(jìn)行檢測(cè)柑橘品質(zhì)，雖然提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率但在遮擋等的情況下有誤識(shí)別的問題。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是速度快簡(jiǎn)單、處理信息能力強(qiáng)，但存在著成本高、準(zhǔn)確性小等不足。

1.4 X 射線技術(shù)的應(yīng)用

X 射線檢測(cè)是利用其穿透作用使其與被測(cè)物體之間發(fā)生一定的物理和化學(xué)作用，可以使化合物產(chǎn)生熒光或光化學(xué)反應(yīng)，也能使原子發(fā)生電離。在農(nóng)產(chǎn)品中，有研究利用X 射線技術(shù)并建立的莖稈圖像進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量煙中煙梗含量來(lái)評(píng)價(jià)煙草質(zhì)量[14-15]。傅穎等人[16]通過X 射線來(lái)觀測(cè)野山參內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以對(duì)細(xì)小裂縫等進(jìn)行直觀觀測(cè)。

1.5 電子鼻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

電子鼻檢測(cè)是運(yùn)用傳感器收集產(chǎn)品的氣味來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。通過模式識(shí)別進(jìn)行定性和定量的分析來(lái)檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)情況。電子鼻是一種無(wú)接觸的綠色檢測(cè)技術(shù)，在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用較多[17]。

2 近紅外光譜（NIRS） 無(wú)損檢測(cè)在農(nóng)產(chǎn)品中的研究現(xiàn)狀

2.1 NIRS 分析技術(shù)

從1800 年物理學(xué)家赫歇耳發(fā)現(xiàn)紅外光開始，人們對(duì)如何利用紅外光不斷進(jìn)行著探索并在不斷進(jìn)步。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)近紅外是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的；中紅外屬于分子的基頻振動(dòng)光譜；遠(yuǎn)紅外屬于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜和某些基團(tuán)的振動(dòng)光譜。由此將紅外光分為近紅外區(qū)（0.75～2.50 μm）、中紅外區(qū)（2.5～25.0 μm） 和遠(yuǎn)紅外區(qū)（25～1 000 μm）。1968 年有研究利用近紅外光譜方法對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的水分、蛋白質(zhì)和油脂含量等進(jìn)行分析，促使近紅外光譜分析技術(shù)快速發(fā)展。20 世紀(jì)以來(lái)，儀器行業(yè)持續(xù)重視研究光譜分析技術(shù)，使得光譜分析儀得到了極大的發(fā)展。因?yàn)橹屑t外區(qū)的圖譜非常復(fù)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(qū)有吸收，光譜簡(jiǎn)單，同時(shí)因?yàn)榻t外是倍頻和組頻組成，重疊少。近紅外光譜分析技術(shù)主要是通過漫反射和透射的方式來(lái)識(shí)別物體的光譜信息來(lái)確定其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，并對(duì)其成分、參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而確定其定性或定量[18]。現(xiàn)在NIR 光譜分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域進(jìn)行了充分應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)中，對(duì)NIR 儀器的生產(chǎn)逐漸向小型化和便攜化方向發(fā)展。

2.2 NIRS 分析技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 NIRS 分析技術(shù)在糖度檢測(cè)上的應(yīng)用

利用近紅外光譜檢測(cè)糖度是目前研究應(yīng)用最為廣泛和成熟的。普遍通過漫反射的方式對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行糖度檢測(cè)，一般采用的技術(shù)路線是先采集理想標(biāo)品進(jìn)行光譜信息采集分析尋找基本特征，然后通過數(shù)學(xué)分析方法來(lái)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)模型。張娟等人[19]使用偏最小二乘法在草莓糖度檢測(cè)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(duì)鮮棗進(jìn)行了糖度模型檢測(cè)和分析。

2.2.2 NIRS 分析技術(shù)在氫基團(tuán)檢測(cè)上的應(yīng)用

利用近紅外光譜區(qū)和有機(jī)分子中含氫基團(tuán)（O-H、N-H、C-H） 振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致性，通過掃描農(nóng)產(chǎn)品得到其含氫基團(tuán)的特征信息。通過分析脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸和脂肪酸等的氫基團(tuán)特征信息，可以對(duì)糧食和經(jīng)濟(jì)作物等進(jìn)行質(zhì)量鑒定和分級(jí)[21-22]。

2.2.3 NIRS 分析技術(shù)在可溶性固形物和果實(shí)硬度上的應(yīng)用

硬度是某些果品的重要特征，是果品品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)近紅外光對(duì)硬度的不同漫反射和吸光度來(lái)對(duì)果品進(jìn)行硬度的無(wú)損檢測(cè)分析[23]。

2.2.4 NIRS 分析技術(shù)在有機(jī)物質(zhì)檢測(cè)上的應(yīng)用

利用紅外光照射有機(jī)物分子，使得有機(jī)物分子中的化學(xué)鍵發(fā)生振動(dòng)吸收，由于不同的化學(xué)鍵吸收頻率不同，據(jù)此可獲得其中的化學(xué)鍵特征的方式進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)檢測(cè)。環(huán)境中有機(jī)物含量的大小影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，土壤的變化特征對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)成熟有重要的意義。該檢測(cè)研究的主要方向是農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境，如土壤、水質(zhì)等[24-25]。

3 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)產(chǎn)品方面近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用較廣，特別是在水果品類上能做到無(wú)損的條件下鑒定其品質(zhì)。在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的成熟采摘上也有較好的應(yīng)用效果，能幫助果農(nóng)在最適宜的條件下進(jìn)行采摘，實(shí)現(xiàn)果品最大的經(jīng)濟(jì)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(qū)別。近年來(lái)，隨著生活品質(zhì)的提高，人們對(duì)葡萄酒有了較大的需求量。為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)葡萄酒的高水平要求，同時(shí)保證葡萄酒品質(zhì)的一致性，葡萄品質(zhì)自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)越來(lái)越重要，葡萄品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重要的研究方向之一。

核磁共振技術(shù)無(wú)法對(duì)生長(zhǎng)期的山葡萄進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，超聲波技術(shù)一般用于探傷檢測(cè)，機(jī)器視覺不能對(duì)應(yīng)分析其內(nèi)部成分。特別是山葡萄作為葡萄酒原料，糖度是最重要指標(biāo)， X 射線技術(shù)有一定優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)近紅外光其分析難度要大。

與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，近紅外光譜的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)方便、無(wú)需預(yù)處理、能無(wú)損檢測(cè)、重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。特別是在糖度檢測(cè)上應(yīng)用比較廣泛，算法路徑相對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。