近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)與食品分析中的應(yīng)用

王 清

（貴州省黔西南州農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 黔西南 562400）

相關(guān)部門和科研人員應(yīng)該要集中現(xiàn)有的優(yōu)勢資源，大力開展人力資源和設(shè)備資源管理工作。充分發(fā)揮現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用，建立終端用戶和中心數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的共享。近紅外光譜檢測技術(shù)可以簡單地看作是一種電磁波，波長的范圍在700~2 500 nm。一些有機(jī)物的主體結(jié)構(gòu)和組成都可以在近紅外光譜檢測技術(shù)中找到一定的信號，而且整體的信號幅度變化是比較穩(wěn)定的。由于近紅外光譜檢測技術(shù)自身的特點(diǎn)，所以在當(dāng)下的科研發(fā)展和各行業(yè)發(fā)展過程中，近紅外光譜檢測技術(shù)在分析研究方面的應(yīng)用非常廣泛。

1 近紅外光譜檢測技術(shù)的發(fā)展過程

研究近紅外光譜檢測技術(shù)的過程中，首先相關(guān)人員應(yīng)該分析近紅外光譜檢測技術(shù)的具體發(fā)展過程。現(xiàn)在近紅外光譜檢測技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛了，但是最開始的應(yīng)用應(yīng)該是在20 世紀(jì)的30 年代左右。從最開始應(yīng)用到后續(xù)的20 年期間，雖然該技術(shù)得到了一定的應(yīng)用，但是整體的應(yīng)用效果不夠理想，因?yàn)楸旧砣狈σ欢ǖ膬x器作為基礎(chǔ)，所以在應(yīng)用的過程中整體的范圍和模式受到了很大的限制。20 世紀(jì)60 年代，NIR 分析技術(shù)被提出。這一技術(shù)的提出讓物質(zhì)的含量和近紅外區(qū)內(nèi)的不同波點(diǎn)呈現(xiàn)了線性關(guān)系，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整之后，同時還可對農(nóng)產(chǎn)品中的水分蛋白質(zhì)以及脂肪進(jìn)行系統(tǒng)的測定，在測定的過程中，所應(yīng)用的也正是NIR 的慢反射技術(shù)。1980年計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展一定程度上帶動了分析儀器數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。同時對于分析儀器的數(shù)字化和化學(xué)計(jì)量學(xué)科進(jìn)行了一定的融合，將兩者融合之后可以帶動相關(guān)檢測技術(shù)整體的發(fā)展。在對近紅外光譜測量技術(shù)進(jìn)行研究的過程中，要保護(hù)原有樣品的特點(diǎn)，在不損壞原有樣品特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對各項(xiàng)應(yīng)用進(jìn)行迅速的開展。到了20 世紀(jì)90 年代之后，近紅外光在光纖中的傳輸效果是非常理想的，而且受到了很多行業(yè)和企業(yè)的青睞，在對線性分析的過程中，其也被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。

2 近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品分析上的應(yīng)用特點(diǎn)

在當(dāng)下的社會發(fā)展中，現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展規(guī)模越來越大。從當(dāng)前的社會發(fā)展情況來看，近紅外光譜檢測技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，相對于其他技術(shù)而言，近紅外光譜檢測技術(shù)在使用的過程中，整體的使用步驟和操作原理是比較簡單的。工作人員只需仔細(xì)觀察化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際情況即可，無須進(jìn)行徹底處理，所以整體操作是非常便利的。

而且近紅外光譜檢測技術(shù)在實(shí)際測試的過程中，相對于其他的技術(shù)而言，測試的速度非常快，能夠有效縮短測試周期。對于各行業(yè)企業(yè)發(fā)展中的物體檢測而言，檢測速度和檢測時間是非常重要的，縮短檢測周期就能夠提高整體的工作效率，從而為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。近紅外光譜檢測技術(shù)整體的專業(yè)性和現(xiàn)代化程度較強(qiáng)，但操作起來相對簡單，對相關(guān)測試人員并沒有太過嚴(yán)格的專業(yè)化要求，只要了解基本的使用原理和使用方法，就可以單人完成多個化學(xué)指標(biāo)的大量測試。這種測試模式和測試方法能夠有效地提高整體的測試效率，也可以在這一行業(yè)中獲得更理想的效果，推動整個企業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

在進(jìn)行模型檢測的過程中，可以利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)將現(xiàn)代化信息技術(shù)和近紅外光譜檢測技術(shù)融合在一起，對現(xiàn)有的模型不斷進(jìn)行優(yōu)化，全面提高整體的測試精度和測試強(qiáng)度，同時還可以不斷拓寬整體的測試范圍。對于近紅外光譜檢測技術(shù)的使用而言，拓寬測試范圍是非常重要的，能夠在檢測的過程中了解到產(chǎn)品的更多信息。

3 近紅外光譜檢測技術(shù)的發(fā)展

近紅外光譜檢測技術(shù)經(jīng)過多年的使用之后各種使用模式都發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變。很早之前的近紅外光譜檢測技術(shù)是不能直接進(jìn)行連續(xù)掃描的，而且不能直接掃描在相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備上。在當(dāng)時主要的作用是被看作測定儀器，后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在實(shí)際進(jìn)行使用過程中，也逐漸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的發(fā)展模式[1]。不僅檢測的準(zhǔn)確度有所提升，計(jì)算的速度也得到了大大的提升，而且在檢測的過程中具備了糾錯和自檢的功能，出現(xiàn)問題之后能夠及時發(fā)現(xiàn)，也可以利用系統(tǒng)自帶的一些功能對問題進(jìn)行解決。隨著社會的不斷發(fā)展，光柵式近紅外光譜檢測技術(shù)出現(xiàn)了，這種檢測技術(shù)有效地提高了檢測儀器的精準(zhǔn)度，同時也能夠在研究的過程中獲得更多的信息，在實(shí)際發(fā)展的過程中能夠不斷對標(biāo)準(zhǔn)化的矯正模式進(jìn)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，也能夠不斷了解儀器使用過程中的矯正模型，而且矯正模型的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠互相進(jìn)行傳輸[2]。但是從當(dāng)前檢測儀器使用的實(shí)際情況和可移動部件的實(shí)際情況來看，在連續(xù)高強(qiáng)度運(yùn)作的過程中可能會出現(xiàn)一些磨損的情況，如果這些問題不能及時得到解決，就會直接影響光譜采集的穩(wěn)定性，同時也會影響直接對光譜進(jìn)行在線分析。目前有很多學(xué)者都針對近紅外光譜檢測儀器的具體使用方法進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，認(rèn)為近紅外光譜檢測儀器是當(dāng)前發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)品，能夠不斷提高檢測的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確的效率，在對各種物體進(jìn)行掃描檢測的過程中，整體的速度是比較快的，而且光譜的分辨率非常高。自然雜散光不會直接影響測試結(jié)果，也能夠保留結(jié)果原先的準(zhǔn)確度。伴隨各種現(xiàn)代化檢測儀器的出現(xiàn)，很多樣品的在線分析方式更加方便，而且分析的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

4 國外關(guān)于近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品分析中的研究現(xiàn)狀

隨著當(dāng)前社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，各個國家之間存在著一些隱形的競爭，除了經(jīng)濟(jì)方面的競爭之外還涉及到科學(xué)技術(shù)方面的競爭[3]。目前很多國家和地區(qū)在發(fā)展的過程中都開展了NIR 的研究和應(yīng)用工作，在此過程中整體的效果是比較理想的，尤其是一些發(fā)達(dá)國家，例如美國、日本、加拿大、英國和德國等在這方面的表現(xiàn)是比較突出的，并具有一定的經(jīng)驗(yàn)，加之資金和各種技術(shù)的支持，目前已經(jīng)將NIRS 系儀器應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)中。從目前的實(shí)際應(yīng)用情況和發(fā)展情況來看，既包含研究型的應(yīng)用，也包含專用型和巡回檢測型的應(yīng)用。一些設(shè)備和技術(shù)會直接被安裝在生產(chǎn)線的某一個環(huán)節(jié)中，在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中能夠?qū)|(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)地檢驗(yàn)，也可以對產(chǎn)品進(jìn)行分揀處理。

日本在發(fā)展的過程中，目前已經(jīng)有超過幾千臺的相關(guān)近紅外光譜檢測儀器和設(shè)備。日本在這方面的發(fā)展頗有造詣，而且很多儀器和設(shè)備在生產(chǎn)之后都已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，應(yīng)用之后也確實(shí)對產(chǎn)品的檢測和企業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動作用。尤其是將近紅外光譜檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)牧產(chǎn)品和各種食品成分的檢測工作中，不僅能夠檢測出食品中所包含的蛋白質(zhì)、水分，也能夠檢測出纖維素和淀粉等各種營養(yǎng)成分。近紅外光譜檢測技術(shù)在國外的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，可以將其廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)品種的育種和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)評價中[4]。現(xiàn)在社會中，人們在經(jīng)濟(jì)水平提高的同時，對于生活質(zhì)量和食品質(zhì)量的要求越來越高，各國在發(fā)展的過程中應(yīng)該充分發(fā)揮近紅外光譜檢測技術(shù)的作用，將近紅外光譜檢測技術(shù)應(yīng)用于食品檢測和農(nóng)牧產(chǎn)品檢測之中，能夠讓人們更加放心地采購一些食品。而且要將其應(yīng)用于食品品質(zhì)加工的過程中，對加工過程的各種質(zhì)量問題進(jìn)行嚴(yán)格把控。從當(dāng)前的應(yīng)用情況來看，很多食品加工質(zhì)量管控方法已經(jīng)成為美國分析化學(xué)家協(xié)會（AOAC）、國際商會（ICC）的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法[5]。

5 國內(nèi)關(guān)于近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品分析中的研究狀況

我國從20 世紀(jì)80 年代開始，就對近紅外光譜檢測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，首先是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)針對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行了分析和研究。后來社會和國家逐漸意識到近紅外定標(biāo)軟件研制工作的重要性，遂將軟件的研制真正列入到了國家的攻關(guān)計(jì)劃中。隨著近紅外光譜檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)研究所和研究學(xué)者聯(lián)合對飼料和農(nóng)產(chǎn)品等300個項(xiàng)目進(jìn)行研究，又研發(fā)了綠片式的NIR分析儀。相關(guān)科研工作者不懈的努力和研究，為我國NIR 的研究發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，也為后續(xù)的研究工作提供了一定的推動力。但是在后續(xù)研究的過程中，由于自身一些問題的限制，例如硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)不夠完善，所以導(dǎo)致所建成的模型并沒有真正得到廣泛的推廣和應(yīng)用。在后續(xù)的一段時間中，NIR 的發(fā)展也一直處于停滯的狀態(tài)。雖然當(dāng)時生產(chǎn)了很多的光譜儀器，但是這些儀器并沒有真正投入使用，大多數(shù)都被閑置。儀器遭到閑置之后，就會造成很大的資金浪費(fèi)和材料浪費(fèi)，直到20 世紀(jì)90 年代中期在對蔬菜和水果品質(zhì)進(jìn)行研究的過程中又建設(shè)了大量的數(shù)字模型，這些數(shù)字模型對這些蔬菜品質(zhì)育種的檢測工作發(fā)揮了很大的作用。還有相關(guān)研究學(xué)者利用近紅外光譜檢測技術(shù)進(jìn)行陣型模式的識別，在識別的過程中辨別出了蠶繭的性別。

在后續(xù)的發(fā)展過程中，不斷將近紅外光譜檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等各行業(yè)的檢測工作中[6]。在當(dāng)下，相關(guān)科研工作者會不斷對現(xiàn)有的光譜儀器進(jìn)行充分地調(diào)研，在調(diào)研的基礎(chǔ)上還采用固定的光路，利用電荷耦合（CCD）器件進(jìn)行系統(tǒng)檢測，充分發(fā)揮出了檢測技術(shù)和檢測路線的作用，研發(fā)出真正屬于我國的專利技術(shù)。隨著后來社會的不斷發(fā)展，NIR 技術(shù)的研究越來越受重視，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等各方面的食品檢測工作中確實(shí)取得了理想的檢測效果。

6 近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品分析上的應(yīng)用分析

NIR 技術(shù)不僅可以作為一種常規(guī)的方法對食品的品質(zhì)進(jìn)行檢測，還可以真正將其應(yīng)用于食品加工的過程中，組成相對完整的監(jiān)控模式和動力學(xué)行為，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的研究。例如可以研究NIR 平價微型磨面機(jī)在磨面過程中一些化學(xué)成分所發(fā)生的變化；在對奶酪進(jìn)行加工的過程中，還可以不斷對采樣的時間進(jìn)行優(yōu)化，不斷研究奶酪的來源以及奶酪中所包含的各種成分；對各種顏色進(jìn)行系統(tǒng)的測定，分析農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度和成熟度，對食品中的水分含量進(jìn)行系統(tǒng)地檢測，還可以對烤制食品的質(zhì)量進(jìn)行檢測和控制；可以檢測一些水果加工過程中可溶性和總固物的含量變化；研究在啤酒生產(chǎn)過程中利用NIR 檢測發(fā)酵酒精和糖分的含量變化情況。

我國近紅外光譜檢測技術(shù)大多數(shù)應(yīng)用在飼料和煙草行業(yè)中，在近現(xiàn)代的發(fā)展中，近紅外光譜檢測技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品良種選育和品質(zhì)分析中也發(fā)揮了很大的作用。除了運(yùn)用NIR 技術(shù)對肥料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的氮磷鉀等各種化學(xué)元素的組合成分進(jìn)行系統(tǒng)地定性分析，還對蔬菜中微量農(nóng)藥殘留的定性和定量這些內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究，之后建立了相對完善的蔬菜硝酸鹽快速測定法。

7 結(jié)束語

總之，在當(dāng)前發(fā)展的進(jìn)程中，近紅外光譜檢測技術(shù)發(fā)展速度非常快，在檢測的時候不會對樣品造成破壞而且操作非常簡單，穩(wěn)定性較好，使用的過程中效率比較高，對環(huán)境不會造成污染，成本投入較低。由于以上優(yōu)點(diǎn)，目前近紅外光譜檢測技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各行業(yè)中，在使用的過程中不僅能夠?qū)τ袡C(jī)物進(jìn)行分析，在無機(jī)物檢測方面也獲得了一定的成功。