基于近紅外光譜對冬棗水分糖分的無損檢測研究

陳沖 羅華平 索玉婷

摘要：

利用近紅外光譜技術(shù)對120冬棗水分/ 糖分進行研究，建立不同光譜特征的糖分/水分的偏最小二乘法（PLS）與主成分回歸（PCR）分析模型。將近紅外光譜異常樣本與光譜正常樣本分別建模，顯著提高了分析模型的預(yù)測精度、擴寬了模型的適用范圍。以冬棗主要吸收峰區(qū)間為基本建模波段。得到冬棗水分相關(guān)系數(shù)（R）為099745、校正均方差（RMSEC）為00445、預(yù)測均方差（RMSEP）為0367、因子數(shù)為7，糖分相關(guān)系數(shù)（R）為096078、校正均方差（RMSEC）為0853、預(yù)測均方差（RMSEP）為164、因子數(shù)為6。

關(guān)鍵詞：

近紅外光譜；冬棗；冬棗水分/糖分；PLS；PCA

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20190315001

引言

冬棗是我國獨有的，目前被公認品質(zhì)最好的鮮食棗品種[1]，甘甜可口，富含維生素C、氨基酸、環(huán)腺苷酸、碳水化合物和礦物質(zhì)（如鐵、鉀）等，深受消費者的青睞[2]。冬棗作為新疆南疆主要的經(jīng)濟作物在采收環(huán)節(jié)冬棗水分和糖分的測量是紅棗企業(yè)衡量冬棗品質(zhì)的重要指標。目前，國內(nèi)冬棗基本以人工分揀為主，速度慢，識別率低，大大阻礙了冬棗分揀智能化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此建立一個無損、快速的定量分析方法對于建立冬棗無損檢測方至關(guān)重要。

近紅外光譜（Near Infrared Spectroscopy，NIR）技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測中越來越受歡迎。并且近紅外光譜技術(shù)對水果品質(zhì)進行無損檢測成為近年來的研究熱點，國外許多學(xué)者相繼開展了對柑橘、蘋果、梨、桃等品質(zhì)進行無損檢測的研究工作并卓有成效[3-8]，國外Jaya Sundaram等人用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測含殼花生的含水率[9]，Renfu等通過采集 Hedelfinger 和 Sam 2 種甜櫻桃在 800～1700nm 處的近紅外光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合偏最小二乘法（PLS）建立了甜櫻桃的糖度預(yù)測統(tǒng)計模型[10]。國內(nèi)孫旭東等利用近紅外技術(shù)建立了南豐蜜桔的糖度校正模型[11]。趙杰文等利用近紅外漫反射光譜技術(shù)實現(xiàn)蘋果糖度無損檢測[12]。陳晨、張淑娟等利用近紅外漫反射光譜技術(shù)，建立葡萄和柿子可溶性固形物含量檢測模型[13-14] 。彭云發(fā)等利用近紅外利用豐富的光譜信息可實現(xiàn)對水果和食品中的水分的快速無損檢測[15-18]。近紅外光譜技術(shù)在果蔬品質(zhì)安全檢測中取得了一定的研究進展[19-20]。

為此，本研究以采摘的新鮮冬棗為研究樣本，利用便攜式近紅外光譜儀采集冬棗樣品的漫反射光譜信息，利用手持糖量計測量冬棗含糖量，使用熱風(fēng)干燥箱對冬棗進行烘干采用烘干減重法計算送灶水分含量。使用TQ-Analyst軟件建立冬棗基于近紅外光譜技術(shù)的水分與糖分模型，找到一種利于近紅外光譜技術(shù)檢測南疆冬棗的水分與糖分快速檢測方法，為冬棗加工分揀提供理論依據(jù)。

1材料與方法

11材料與試劑

本研究所用冬棗由新疆阿拉爾市十一團十七連巴山棗業(yè)公司提供，分別采購冬棗（一級、特級、棗王）各5kg。采用冷庫保鮮處理。用蓄冷箱運送至塔里木大學(xué)農(nóng)業(yè)工程重點實驗室。挑選色澤與無機械損傷（一級、特級、棗王）冬棗各40個共計120個樣本。

12儀器與設(shè)備

實驗所用聚光科技便攜式光山掃描光譜儀型號為supNIR 1500（聚光科技杭州股份有限公司）采集光譜，采用鹵鎢燈為光源，檢測器規(guī)格INGaAs，平面漫反射，波長范圍1000～1800nm，光譜平均次數(shù)為10次，光譜分辨率≤12nm，波長準確性±02nm，波長重復(fù)性≤005nm。建模軟件為TQ-Analyst軟件。冬棗干燥設(shè)備為（GZX-9140MBE）電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊事業(yè)有限醫(yī)療設(shè)備廠）。用JA2003型電子天平稱取冬棗質(zhì)量。使用PAL-1手持糖量計（北京陽光億事達貿(mào)易有限公司）對冬棗進行糖分測量。

13方法

131近紅外光譜采集

試驗開始前，將樣品從冰箱取出并在室內(nèi)靜置8h，并對冬棗進行表面清洗，光譜采集前對近紅外光譜儀進行30min預(yù)熱。實驗首先進行白板參比。預(yù)熱完成后進行光譜測定（測量距離為2cm），依次采集光譜在冬棗赤道部位分別采集5次，去光譜平均值作為該樣品的最終光光譜如圖1。

132烘干減質(zhì)量法

將冬棗樣本其初始質(zhì)量為M0，稱取的質(zhì)量精確到001g記為M0。然后將冬棗放入60°的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，每隔2h稱質(zhì)量1次，至質(zhì)量變化小于001g時從干燥箱中取出，并放入干燥箱內(nèi)冷卻至室溫。稱取的質(zhì)量為M1。計算冬棗樣本含水率（%）。

含水率（%）=m0-m1m0×100%

133糖分測定方法

糖分采用PLA-1手持糖度計對冬棗進行測量，儀器精度00%。糖度值（按國際GB12295-90執(zhí)行），測量過程中室內(nèi)溫度為21℃。測量前為保證測量精度每次測量前校準儀器。

14光譜數(shù)據(jù)分析

用于建模冬棗光譜采用TQ-Analyst軟件處理，分析數(shù)據(jù)之前對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，預(yù)處理方法選用多（Multiple scatter correction，MSC），S-G（Savitzky-Golay）平滑、S-G（Savitzky-Golay）導(dǎo)數(shù)、均值中心化，選用（PLS）回歸分析對紅棗的校正建立驗證模型。基于校正集標準差（SEC）和相關(guān)系數(shù)（RC）的值。不同預(yù)處理方法的模型參數(shù)比較。

2分析

由表1可知：采用PLS進行建模預(yù)處理方法方法采用MSC-SG、SNV-SG、MSC、SNV分別得到PLS與MSC-SG處理方法R（099745）、SNV-SG處理方法R（099746）、MSC處理方法R（099184）SNV處理方法R（099183）。對應(yīng)的校正均方差（RMSEC）分別為00445、00444、00798、00798，預(yù)測均方差（RMSEP）為0367，主因子數(shù)為7、6。