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1、 年第 期 分 析 仪 器 基金项目 阵列式半导体激光器件的食品原料品质近红外快速检测方法的研究 国家自然基金项目 作者简介 郅建军 男 年出生 硕士研究生 研究方向 近红外光谱技术在食品 农产品中的应用 通讯作者 陈斌 男 江苏大学食品与生物工程学院 教授 博导 微型近红外光谱仪检测水果可溶性固形物 郅建军 陈 通 孙武坚 王春峰 郭 丽 陈 斌 江苏大学食品与生物工程学院 镇江 江苏大学机械工程学院 镇江 摘 要 以滨松公司生产的 微型光谱仪为基础 在自行搭建的两套光谱采集平台上检测水蜜桃 梨 子的可溶性固形物含量 采用了多种光谱预处理方法 结合 和 建立水蜜桃 梨子可溶性固形物模 型 实
2、验结果表明 水蜜桃光谱经过标准化预处理 建立的 模型效果最好 校正相关系数 和均方根 误差 分别为 和 梨子光谱经过 筛选得到 个变量 建立的 模型效果最好 和 分别为 和 验证了该光谱仪在水果可溶性固形物含量检测方面的应用的可行性 为 进一步构建便携式水果可溶性固形物检测设备奠定了基础 关键词 微型近红外光谱仪 水果 可溶性固形物 回归模型 水蜜桃和梨子都是我国主要的水果品种 可溶 性固形物含量是评价水果内部品质的一个重要指 标 方便快捷地检测水果可溶性固形物含量 对于 水果生产 加工和流通环节中把握其质量 保证果 品品质具有重要意义 与传统破坏式检测相比 近 红外光谱检测以其快速 无损等优
3、点 广泛应用于 水果内部品质检测 由于价格昂贵 操作的专业性 仪器稳定性等 因素影响 近红外光谱仪在我国的食品工业 农业 和农产品加工部门并没有得到真正意义上的应用 其中价格成为主要制约因素 没有出现能符合国 情的低成本 使用极为方便的小型化 手提式近红 外水果品质检测仪 本研究尝试以滨松公司生产的 微 型光谱仪为基础 自行搭建两套可溶性固形物光谱 采集系统 以微型光谱仪结合自行设计的光纤探 头检测水蜜桃可溶性固形物含量 以微型光谱仪嵌 式平台检测梨子可溶性固形物含量 并用另一种商 品化的微型光谱仪 公司生产的 做对 比 多 种 预 处 理 方 法 结 合 和 建立水蜜桃可溶性固形物模型 多种
4、波长优选 方法结 建立多品种梨子可溶性固形物模型 优 化水果可溶性固形物的检测模型 提高预测精度 分 析 仪 器 年第 期 试验部分 材料 水蜜桃品种为日川白凤 采自镇江市句容某果 园 梨子有多个品种 包括晚生新水 祝水 喜水 明水 早生新水 采自镇江市农科院试验田 依次 编号标记 每个样品用记号笔圈三点 分别是向阳 面 背面和侧面 每个点代表一个试验样品 仪器与光谱采集 微型光谱仪 微型光谱仪 滨松公司生产 该光 谱仪外形如图 所示 图 是测试用驱动电路板外 形 该光谱仪结构紧凑 尺寸只有拇指大小 重量 为 光谱响应范围为 该光 谱仪探头采用带光接收狭缝的 图像传感器 整合了 和图像传感器技
5、术 内部光学系统 包含了一个凸透镜 光栅通过纳米压印技术制作在 透镜表面 具体结构原理如图 所示 用作对比的 微型光谱 公司 公司 如图 所示 图 微型光谱仪结构原理示意图 图 光谱仪 微型光谱仪结合光纤的检测平台 在微型光谱仪结合自行设计的光纤系统上完 成对水蜜桃光谱的采集 光源发出的光 经出射光 纤照射到样品上 发生漫反射 返回的光经入射光 纤传输到检测器 如图 所示 两台光谱仪采集到 的光谱如图 图 图 微型光谱仪结合光纤的检测平台示意图 年第 期 分 析 仪 器 图 结合光纤的检测平台采集到的水蜜桃光谱图 图 采集到的水蜜桃光谱图 微型光谱仪嵌入式检测平台 微型光谱仪和电路板封装在盒子
6、中 在微型光 谱仪两侧放置两个卤钨灯 上方放置样品支架 维 持样品稳定并防止漏光 将梨子置于样品支架上 卤钨灯发出的光照射到梨子上发生漫反射 返回的 光进入检测器 具体结构如图 两台光谱仪采集 到的光谱如图 和图 图 微型光谱仪嵌入式检测平台示意图 图 嵌入式检测平台采集到的梨子光谱图 图 采集到的梨子光谱图 可溶性固形物测定 样品光谱测量完 成后 按照 标准 用阿贝折射仪测定可溶性固形物含量 可 溶性固形物含量的实际测量结果见表 和表 校 正集和预测集用 法划分 从表中可以看到校正 集的可溶性固形物分布范围大于预测集的分布范 围 这有利于构建更加稳健的预测模型 模型建立及评价 利用 软件完成
7、数据整理及波 长优选 用江苏大学近红外课题组自行编写的 进行光谱预处理和模型建立 建立水果的 校正模型 选择校正均方根误差 预测均方 根误差 和校正相关系数 预测相关系数 作为模型的评价标准 一个好的模型应该有较 高的较低 和 越高且 越小 模型的预测能力越强 和 越 接近模型的稳定性越好 分 析 仪 器 年第 期 表 水蜜桃可溶性固形物含量分布情况 数据集样品数最小值最大值平均值标准差 校正集 预测集 表 梨子可溶性固形物含量分布情况 数据集样品数最小值最大值平均值标准差 校正集 预测集 结果与讨论 水蜜桃可溶性固形物 对光谱数据进行预处理可以消除因样品状态 测量条件和杂散光等因素引起的基线
8、平移及旋转 等噪声 提高光谱数据的信噪比 在建立模型前对 原始光谱信息进行适当的预处理是必要的 表 表 分别是 采集到的水蜜 桃近红外光谱 经过不同方法预处理之后采用 和 建模及预测结果 表 不同预处理方法 水蜜桃所建模型校正和预测结果 建模方法预处理方法 校正集预测集 预测相关系数 校正均方根误差 校正相关系数 预测均方根误差 去趋势 标准化 归一化 年第 期 分 析 仪 器 表 不同预处理方法 水蜜桃所建模型校正和预测结果 建模方法预处理方法 校正集预测集 预测相关系数 校正均方根误差 校正相关系数 预测均方根误差 去趋势 标准化 中心化 多品种梨子可溶性固形物 应用特定的方法筛选波段可以
9、得到更好的模 型 波长优选一方面可以简化模型 更主要的是可 以剔除无关或非线性变量 从而得到预测能力强 稳健性好的校正模型 不同方法筛选前后的建模结 果如表 表 表 不同波长优选方法 梨子所建 模型校正和预测结果 筛选方法变量数主成分数 校正集预测集 预测相关系数 校正均方根误差 校正相关系数 预测均方根误差 无 表 不同波长优选方法 梨子所建 模型校正和预测结果 筛选方法变量数主成分数 校正集预测集 预测相关系数 校正均方根误差 校正相关系数 预测均方根误差 无 结 论 以滨松公司生产的微型光谱仪为基础 搭建了 两套水果可溶性固形物检测系统 分别采取不同 的预处理方法 建立 和 模型 比较了
10、 两套系统与 公司 微型光谱 分 析 仪 器 年第 期 仪的建模和预测结果 水蜜桃的建模结果 光谱经过 平滑预处理建立的 模型结果最佳 其 与 分 别 为 和 光谱经过标准化预处理的 模 型结 果 最 佳 其 与 分 别 为 和 对梨子的光谱进行波长优选 光谱经 优选 个变量建模结果最佳 其 模型 与 分别为 和 梨子光谱经 优选 个变量结果 最佳 其 模型 与 分别为 和 综合来看 滨松 微型光谱仪的建模 效果略差于 究其原因 可能是其 波段主要集中在短波区 范围窄 但完全可以满足 农产品检测需求 前者造价低 更适合用于农业上 的推广 以后的工作中 对检测平台稍加改进 模 型效果会更好 本实
11、验验证了滨松 微 型近红外光谱仪可以实现水果可溶性固形物的快 速检测 搭建的两套检测平台为进一步构建水果可 溶性固形物便携式检测设备奠定基础 参考文献 陆婉珍 袁洪福 褚小立 近红外光谱仪器 北京 化学工业出版社 冯帮 陈斌 颜辉 便携式近红外光谱检测系统的开发 研制开发 毕卫红 许峰 吕超 水果含糖量近红外检测系统及实 验 红外技术 秦善知 陈 斌 陆道礼 基于便携式近红外光谱仪检测 梨可溶 性 固 形 物 江 苏 农 业 科 学 樊书祥 黄文倩 李江波 郭志明 赵春江 特征变量优 选在苹果可溶性固形物近红外便携式检测中的应用 光谱学与光谱分析 傅霞萍 应义斌 刘燕德 近红外光谱技术在水果内部 品质无损检测中的应用 农机化研究 刘燕德 陈兴苗 欧阳爱国 可见近红外光谱法无损检 测赣南脐橙 可 溶 性 固 形 物 光 学 学 报 收稿日期
