磨盤柿可溶性固形物的可見/近紅外漫反射光譜無損檢測

張 鵬，李江闊，孟憲軍*，張 平，王寶剛，馮曉元

(1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110161；2.國家農產品保鮮工程技術研究中心，天津農產品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室，天津 300384；3.北京市農林科學院林業果樹研究所，北京 100093)

磨盤柿可溶性固形物的可見/近紅外漫反射光譜無損檢測

張 鵬1,2，李江闊2，孟憲軍1,*，張 平2，王寶剛3，馮曉元3

(1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110161；2.國家農產品保鮮工程技術研究中心，天津農產品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室，天津 300384；3.北京市農林科學院林業果樹研究所，北京 100093)

研究可見/近紅外漫反射光譜技術快速檢測磨盤柿可溶性固形物的方法。在可見/近紅外光譜區域(570～1848nm)，對比分析不同數學建模算法、不同導數處理方法和不同散射及標準化處理的果實可溶性固形物定標模型。結果表明：應用改進偏最小二乘回歸算法、一階導處理和去散射處理所建果實可溶性固形物定標模型的預測性能較優，其定標交互驗證相關系數(Rcv)和預測相關系數(Rp2)分別為0.8076和0.8085，定標交互驗證均方根誤差(RMSECV)和預測均方根誤差(RMSEP)分別為0.4546°Brix和0.4482°Brix。這表明，可見/近紅外漫反射技術對磨盤柿可溶性固形物的快速無損檢測具有可行性。

可見/近紅外漫反射光譜；磨盤柿；可溶性固形物(SSC)；改進偏最小二乘法；一階導光譜

柿起源于中國，有2500年以上的歷史，分布廣泛。據統計，2007年中國水果總產量為1.052億t，其中柿子產量為257萬t，占2.45%，排在第8位，而且其種植面積仍不斷上升。磨盤柿是中國主栽品種之一，主產于河北太行山北段及燕山南部，湖南、湖北、山西、陜西、山東等地也有分布。果實極大，平均質量230g，呈磨盤形，橙黃色，果皮厚且韌，肉質松、纖維少，汁特多、味甜、無核[1]。

傳統的水果內部品質檢測方法主要是通過抽樣方式進行破壞性檢測，制樣繁瑣且檢測成本高，已無法滿足水果快速分級分選的現實要求[2]。近年來，利用近紅外光譜(near infrared spectroscopy， NIRS)技術進行果蔬內部品質的檢測，正在形成一個新的熱點研究領域[3]。現在，NIRS技術被廣泛用于水果內部品質的快速、無損檢測，包括蘋果[4-6]、桃[7-8]、柑橘[9-11]、芒果[12-13]、獼猴桃[14-15]、梨[16]等。但到目前為止，關于應用NIRS技術檢測柿子內部品質的報道較少[17-18]。柿子果實的可溶性固形物含量是果實耐貯性、品質優劣的重要判斷依據，直接影響著果實的風味與口感。本實驗應用可見/近紅外漫反射光譜對磨盤柿可溶性固形物的無損檢測進行研究，并比較不同數學建模算法、不同導數處理方法和不同散射及標準化處理對檢測結果的影響，建立磨盤柿可溶性固形物的定標模型，并驗證定標模型的預測能力。

1 材料與方法

1.1 材料及其處理

磨盤柿于2009年10月7日采自天津薊縣，采收時挑選成熟度(約為八成熟)一致、無病蟲害和機械損傷的果實，采收當天將果實運回實驗室(可控溫度為20～25℃)，用0.03mm厚聚氯乙烯(PVC)自發氣調保鮮袋包裝，然后入冷庫(0℃±1℃)貯藏。實驗前，將冷庫中取出的果實置于室溫條件下放置24h，以使果實整體溫度達到與環境溫度一致。共抽取140個磨盤柿隨機分成定標集和驗證集兩組，樣品數分別為100個和40個，然后排序標記。

1.2 光譜采集

使用InfraXactTM近紅外光譜儀(丹麥Foss公司)，配置硅銦鎵砷檢測器(分辨率7nm，光譜數據間隔2nm，波長準確度小于0.5nm)，掃描次數為8。本實驗選擇的掃描光譜范圍是570～1848nm，測量時避開表面缺陷部位(如傷疤、污點等)，在果實赤道線上陰陽面各取一點放在Slurry Cup上進行光譜掃描，ISIscan分析軟件存儲數據。

1.3 可溶性固形物(SSC)測量

掃描后測量果實掃描點上的可溶性固形物含量，測定采用PAL-1數字手持折光儀(日本Atago公司)。首先用蒸餾水校正零點，將水果檢測部位果肉擠壓出汁于折光棱鏡的鏡面上直接測量(單位為°Brix)。

1.4 數據處理方法

利用WinISIⅢ軟件，對光譜進行濾波和平滑處理，以去除噪聲并提取有效信息，同時運用不同數學建模算法、不同導數處理方法、不同散射及標準化處理確定磨盤柿可溶性固形物無損預測模型，然后再用未參與定標的樣品對模型進行驗證，評價模型的可行性。本研究中，預測模型的質量通過內部交互驗證均方根誤差(RMSECV)、交互驗證相關系數(Rcv)、預測均方根誤差(RMSEP)和預測參數值相關系數(Rp2)定量評價。一個好的模型應該是具有低的RMSECV和RMSEP值，以及較高的R2值，此外RMSECV和RMSEP值的差異也應該相對較小。

2 結果與分析

2.1 果實可溶性固形物標準值分布情況

建立模型的質量好壞很大程度上取決于果實真實值的檢測精度和樣品檢測參數的覆蓋范圍。從表1可以看出，本實驗定標集和驗證集可溶性固形物含量基本覆蓋了高、中、低水平，基本以平均值為中心呈正態分布，說明樣品具有一定的代表性，并且樣品驗證集的含量范圍都在定標集范圍內，所以可準確地評價模型的質量。

表1 定標集和驗證集樣品的分布特征Table 1 Distribution characteristics of calibration and validation

2.2 數學建模算法的選擇

表2 不同數學建模算法定標結果的比較Table 2 Statistical results of models established by different regression techniques

表2顯示了改進偏最小二乘回歸(MPLS)、偏最小二乘回歸(PLS)和主成分回歸(PCR)的模型定標結果。通過比較，改進偏最小二乘回歸算法的交互驗證相關系數明顯高于其他兩種算法，而且內部交互驗證均方根誤差也最小，表明應用改進偏最小二乘回歸算法建模最佳。

2.3 導數處理方法的選擇

應用改進偏最小二乘回歸算法對比分析不同導數處理方法的磨盤柿可溶性固形物定標建模結果，表3顯示了吸光度原始光譜log(1/R)、一階導光譜D1log(1/R)、二階導光譜D2log(1/R)、三階導光譜D3log(1/R)和四階導光譜D4log(1/R)的MPLS定標結果。通過比較，吸光度一階導光譜的定標模型較好。主要原因是磨盤柿光譜采集時存在同波長無關的漂移，一階導處理方法可以消除基線漂移、強化譜帶特征和克服譜帶重疊(圖1、2)。

表3 不同導數處理方法定標結果的比較Table 3 Statistical results of models established by different derivative treatments

圖1 磨盤柿原始光譜圖Fig.1 Original absorption spectrum ofMopan persimmon

圖2 磨盤柿一階導光譜圖Fig.2 The first derivative absorption spectrum ofMopan persimmon

2.4 散射及標準化處理的選擇

表4 不同散射及標準化處理定標結果比較Table 4 Statistical results of models established by different scattering and standard treatments

應用改進偏最小二乘回歸算法和一階導處理對比分析散射及標準化處理的磨盤柿可溶性固形物定標建模結果，表4顯示了無(None)、標準正常化處理(SNV)、去散射處理(DET)、多元離散校正(MSC)、標準正常化和散射處理(SNVD)、反相多元離散校正(IMSC)、加權多元離散校正(WMSC)的模型定標結果。通過比較，去散射處理的交互驗證相關系數高于其他處理方法法，對應的內部交互驗證均方根誤差也最小，表明去散射處理模型質量最佳。應用改進偏最小二乘回歸算法、一階導處理和去散射處理建立定標模型的Rcv為0.8 0 7 6、RMSECV 為0.4546°Brix。

2.5 可溶性固形物分析模型預測評價

為了預測定標模型的可靠性和準確性，用上述定標模型對未參與定標的40個果實的可溶性固形物進行預測分析，結果如圖3所示。預測結果表明試驗結果比較滿意，預測均方根誤差(RMSEP)為0.4482°Brix，預測相關系數(Rp2)為 0.8085。

圖3 建立模型預測值與實測值的相關性Fig.3 Correlation between predicted values using the optimal model and actual values of the SSC inMopan persimmon

3 結 論

采用全波長(570～1848nm)對磨盤柿進行可見/近紅外漫反射光譜掃描分析，研究表明可見/近紅外光譜可以作為快速無損的檢測技術來測量磨盤柿內部指標可溶性固形物。采用改進偏最小二乘回歸算法、一階導處理和去散射處理建立的定標模型最好，其定標交互驗證相關系數(Rcv)為0.8076，定標交互驗證均方根誤差(RMSECV)為 0.4546°Brix；預測相關系數(Rp2)為 0.8085，預測均方根誤差(RMSEP)為0.4482°Brix。但本研究所用磨盤柿為貯后果實，在貯藏和運輸過程中有少數果實出現了果實內部局部軟化而表面完好的現象，這對建模可能有一定的影響，需要進一步研究貯運條件對磨盤柿可溶性固形物近紅外預測模型的影響；同時也應該深入探討不同波長范圍、貯藏期、成熟度對磨盤柿建模的影響，提高模型的預測能力及適用范圍。

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Nondestructive Determination of Soluble Solid Content inMopan persimmonby Visible and Near-infrared Diffuse Reflection Spectroscopy

ZHANG Peng1,2，LI Jiang-kuo2，MENG Xian-jun1,*，ZHANG Ping2，WANG Bao-gang3，FENG Xiao-yuan3
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China；2. National Engineering and Technology Research Center for Preservation of Agricultural Products, Tianjin Key Laboratory of Post-harvest Physiology and Storage of Agricultural Products, Tianjin 300384, China；3. Institute of Forestry and Pomology, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China)

The method of visible and near-infrared diffuse reflection (VIS/NIR) spectroscopy was used to rapidly determine soluble solid content (SSC) of intactMopan persimmonfruits. In spectral region between 570 nm and 1848 nm, calibration results for the SSC of fruits were compared with different regression techniques, different derivative treatments and different scatter and standard treatments. The results indicated that the modified partial least squares (MPLS) model with the first derivative D1 log(1/R) processing and disscattering treatment provided better prediction performance for the SSC in fruits. The correlation coefficient of cross validation (Rcv), correlation coefficient of prediction (Rp2), root-mean-square error of cross-validation(RMSECV) and root-mean-square error of prediction (RMSEP) were 0.8076, 0.8085, 0.4546 °Brix and 0.4482 °Brix, respectively.These results confirmed that it is feasible to use the established VIS/NIR spectroscopy model for the nondestructive determination of the SSC inMopan persimmonfruits.

visible and near infrared diffuse reflection spectroscopy；Mopan persimmon；soluble solid content (SSC)；modified partial least squares；first derivative absorption spectrum

S665.2

A

1002-6630(2011)06-0191-04

2010-04-17

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD30B01)

張鵬(1981—)，女，博士研究生，主要從事農產品安全與貯運保鮮研究。E-mail：zhangpeng811202@163.com

*通信作者：孟憲軍(1960—)，男，教授，博士，主要從事果蔬保鮮及深加工研究。E-mail：mengxjsy@126.com