基于光纖光譜儀對(duì)駿棗浸泡梯度的水分定量檢測(cè)研究

張 輝，羅華平※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

駿棗是南疆的特色農(nóng)產(chǎn)品[1]，含有豐富的糖類以及多種維生素、微量元素和氨基酸，是治療失眠、氣血不足的良藥[2]。而糖分和水分是評(píng)價(jià)駿棗品質(zhì)的重要指標(biāo)[3]。目前，對(duì)駿棗的評(píng)價(jià)和檢測(cè)會(huì)對(duì)駿棗造成一定的損傷，因此，需要研究一種快速無損的駿棗品質(zhì)檢測(cè)方法[4]。

光纖光譜技術(shù)對(duì)果品和肉類的檢測(cè)逐漸成為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)獼猴桃、紅棗、蘋果、葡萄酒、羊肉等的品質(zhì)展開檢測(cè)研究[4-8]。梁寧等[4]利用漫反射光纖光譜檢測(cè)系統(tǒng)建立紅棗糖分和水分的校正模型。Hang Nguyen Thu 等[5]使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)紫外線—可見光譜中芹菜種子提取物的黃嘌呤氧化酶抑制活性。孟慶龍等[6]利用光纖光譜技術(shù)采集獼猴桃不同成熟時(shí)期的反射光譜，建立獼猴桃硬度的檢測(cè)模型。刁娟娟等[7]利用近紅外光纖光譜法實(shí)現(xiàn)葡萄酒的酒精度的快速檢測(cè)。馬嬌妍等[8]基于光纖光譜技術(shù)對(duì)冷鮮羊肉新鮮度展開檢測(cè)研究，建立新鮮度預(yù)測(cè)模型。Fupeng Ni 等[9]用光纖光譜無損檢測(cè)蘋果脆度。

本文基于光纖光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)駿棗水分的快速無損檢測(cè)，建立駿棗浸泡梯度水分定量檢測(cè)模型，為南疆駿棗的加工提供一定的參考。

1 材料與儀器

1.1 材料

本文所用灰棗和駿棗樣本來自新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場，隨機(jī)選取表面無破損的駿棗50 個(gè)，標(biāo)好標(biāo)簽后放置冷庫中保存，冷庫溫度為2±1 ℃。

1.2 儀器設(shè)備

檢測(cè)系統(tǒng)采用美國海洋光學(xué)公司的USB-650 紅潮（Red Tide）光譜儀（波長350～1 000 nm、光譜像素值：651）、ISP-REF 反射式積分球（帶光源）、標(biāo)準(zhǔn)白板（STAN-SSH）、電熱鼓風(fēng)機(jī)（GZX-9140MBZ）、電子天平（JA2003）、酒精溫度計(jì)。使用MATLAB-R2018a 軟件進(jìn)行分析，用TQ Analyst 軟件進(jìn)行建模處理。

2 試驗(yàn)方法

2.1 光譜采集

將駿棗從冷庫中取出,在實(shí)驗(yàn)室放置4 h，使紅棗溫度達(dá)到常溫23±1 ℃，相對(duì)濕度25%～30%，之后將駿棗浸泡，分別浸泡20、40、60、120、720 min，使紅棗的水分呈現(xiàn)梯度變化，在每次浸泡前和浸泡后都稱重一次，最后將紅棗放在電熱鼓風(fēng)箱中干燥，在1 個(gè)大氣壓（101.3 kPa）下，溫度設(shè)定為65 ℃，干燥60 h，直至重量的變化小于0.001 g，之后稱重。

采集方式選擇反射測(cè)量，先打開ISP-REF 反射式積分球的光源，預(yù)熱20 min，積分時(shí)間為100 ms，光譜平均采集4 次，平滑度為6，以標(biāo)準(zhǔn)白板（STAN-SSH）為參照，再采集駿棗赤道部位每間隔120°位置的光譜，每個(gè)駿棗采集3 次光譜，取平均光譜，如圖1。

圖1 駿棗可見光光譜

2.2 紅棗水分的測(cè)定

按照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》（GB 5009.3-2016），采用烘干減質(zhì)量法，將整個(gè)紅棗裝入信封袋中放到電熱鼓風(fēng)箱中干燥，在一個(gè)大氣壓（101.3 kPa）下，溫度設(shè)定為65 ℃，烘干60 h，直至質(zhì)量的變化小于0.001 g，以此來確定駿棗樣品的水分[10-13]。

式中m1—干燥前樣品質(zhì)量；m2—干燥后樣品質(zhì)量。

2.3 濃度殘差法對(duì)異常樣本剔除

第i個(gè)樣本的常規(guī)方法測(cè)定值yi與校正模型預(yù)測(cè)值y^i之間的誤差叫做樣品理化值的絕對(duì)誤差[14]。

式中yi—第i樣品參考方法的測(cè)定值；—用所建模型對(duì)校正集中第i樣品的預(yù)測(cè)值。

濃度殘差法通常是用被檢驗(yàn)樣品的理化值絕對(duì)誤差的方差與整個(gè)標(biāo)樣集各樣本的絕對(duì)誤差方差的平均值的F檢驗(yàn)來判別[15]。

臨界值概率為Fa（1，n-1），F(xiàn)的閾值范圍可設(shè)置為0.90～0.99，大于該閾值的可判斷為異常理化值樣本。

2.4 光譜數(shù)據(jù)處理

用MATLAB 軟件進(jìn)行平均光譜的提取處理后用濃度殘差法對(duì)異常樣本進(jìn)行剔除，將保留數(shù)據(jù)用TQAnalyst軟件進(jìn)行建模。建模方法使用偏最小二乘法（Partial least squares，PLS），在分析數(shù)據(jù)之前對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法選用卷積平滑（Savitzky-Golay filter）、光程恒定（Constant）、多元散射校正（Muitiplicative signal c orrection，MSC）和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換（Standard normal variate，SNV）。使用相關(guān)系數(shù)（R）、校正標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSEC）、預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSEP）對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。在濃度范圍相同的前提下，R 越接近1，表明模型的預(yù)測(cè)能力越好，校正標(biāo)準(zhǔn)偏差和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明所建模型的回歸越好，預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)[16]。

3 結(jié)果分析

在采用S-G 平滑處理后，從表1 中采用不同的預(yù)處理方法建立的南疆駿棗浸泡梯度水分定量模型的結(jié)果可以看出，駿棗在浸泡過程中含水率檢測(cè)精度隨時(shí)間的變化先降低在升高，直至平穩(wěn)。

表1 南疆駿棗浸泡梯度水分PLS 模型參數(shù)

從采取預(yù)處理方法為Con 時(shí)所建立的南疆駿棗可見光水分模型可以看出，駿棗在浸泡40 min 時(shí)的含水率檢測(cè)精度最低，相關(guān)系數(shù)為0.86253；在浸泡120 min 時(shí)含水率檢測(cè)精度最高，相關(guān)系數(shù)為0.99384；在采取預(yù)處理方法為MSC 或SNV 時(shí)所建的水分模型的相關(guān)系數(shù)近似相等，以MSC 分析，駿棗在浸泡20 min 時(shí)的含水率檢測(cè)精度最低，相關(guān)系數(shù)為0.85151，在浸泡120 min 時(shí)含水率檢測(cè)精度最高，相關(guān)系數(shù)為0.9941。

4 結(jié)論與展望

對(duì)50 個(gè)駿棗進(jìn)行浸泡時(shí)間梯度的水分樣本分析，通過選用偏最小二乘法（PLS）建立駿棗浸泡梯度水分定量模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，在駿棗浸泡20～60 min 內(nèi)，含水率檢測(cè)精度較低，無法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)駿棗的品質(zhì)信息；在駿棗浸泡120 min 后，駿棗吸水率達(dá)到飽和狀態(tài)。

通過選擇不同預(yù)處理方法建立的PLS 水分定量模型可以看出駿棗在浸泡不同梯度下水分的相關(guān)系數(shù)在0.85097～0.99462 之間，這說明利用可見光光譜技術(shù)對(duì)駿棗浸泡梯度水分定量模型的預(yù)測(cè)是可行的。

利用可見光光譜技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地對(duì)南疆駿棗水分進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而定量化描述駿棗浸泡的狀態(tài)，極大縮短人工檢測(cè)時(shí)間，降低人工精力消耗，為南疆駿棗的加工提供一定的參考。