果品品质的近红外光谱无损检测建模分析关键技术研究

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1、一、选题的目的与意义随着国家经济的快速发展和国民生活水平的显著提高，新鲜果品及各种水果制品以其独特的口感和丰富的营养价值逐渐成为人们继主食之后的最主要休闲食品之一。我国是世界第一大水果生产和消费国，除粮食、蔬菜之外，水果在国内已成为第三大种植产品，在农业和农村经济发展中更是占据着十分重要的地位。据国家统计局2008年发布的信息显示：我国苹果、梨、桃、李和柿子的产量均居于世界前5位；尤其是柿子和梨，中国的产量分别占世界总产量的71.5%和52.9%；苹果和梨的产量也占世界产量的40%左右；另外，猕猴桃、柑桔、葡萄、香蕉等产量也呈急剧上升趋势。虽然这些年我国

2、水果产量在世界始终处于前列，但原果品质以及水果加工制品质量却与世界发达国家相比存在很大的差距，这也是限制我国水果产业健康发展并走向世界的巨大瓶颈（李辰2010）。导致这种差距的主要原因归结于果实田间生长期间、采摘后储藏过程中以及后续加工环节里未能及时、全面掌握果品品质变化，准确、客观了解果实品质特性。果品的品质特性通常根据其糖度、硬度、酸度、颜色、形状和产地等多种指标来综合评价。在国家标准及进出口检验中，常通过检测糖度、硬度和酸度来评价果品的品质特性，但因各种水果的品质差异较大，实际检测中可根据具体情况选取合适的测定指标。目前，国内仍多采用传统破坏式检测

3、方法对果品品质进行评价，即选取一定实验样本，经复杂的预处理后、通过破坏样品组织结构的方法来检测所需物化指标的方法，该方法不仅费时费力、浪费样品，而且难以实现大批量样品的分析和生产、加工环节中的实时在线检测。因此，利用先进的现代无损检测技术代替传统检测方法对于实现果品的生产、储藏、加工及流通各环节的质量控制与品质保证，从而突破我们果品产业发展瓶颈具有非常重要的实际意义。所谓无损检测技术是在不破坏检测样品的前提下，利用对象内部结构特异性及组分含量多少所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种农产品内部指标。根据检测方法不同大致可以分为光学特性分析法

4、、声学特性分析法、机器视觉技术分析法、电学特性分析法、核磁共振检测技术与X射线检测技术等(徐惠荣2010)。以上各种无损检测技术在研究和实际生产中得到了不同程度的应用，其中，近红外光谱技术因其高效率、低成本、易操作和方便多组分同时检测等诸多优点，被分析化学界誉为“分析巨人”，尤其随着近年来计算机技术和化学计量学的高速发展，更被广泛应用于农业、石油、化工、医药和生物等各个方面。近年来，国内外在利用近红外光谱技术进行各类果品品质检测以及开发在线实时果品品质检测装置和便携式果品检测仪器方面的报道很多。但在国内外诸多研究中近红外分析模型普遍存在着“欠拟合”与“过

5、拟合”第14页共13页问题，而高质量的模型应该具有建模样本少、速度快、精度高和适应性强等特点，这也是决定近红外光谱技术能否在果品品质检测中被更广泛应用的关键所在。近红外光谱分析关键技术主要包括三方面：建模样本的优选、有效光谱信息的提取以及建模方法的选择。其中，任何一个环节方法选择的不合理或操作的不科学，将直接对分析模型造成重要的影响，甚至关乎整个建模分析的可行与否。因此，系统研究近红外光谱分析中各关键技术，通过综合比较选取各单元操作最佳方法，对于优化模型、提高预测精度、增强模型适应性以及改善模型稳健性等都具有非常重要的意义。为此，本文旨在对成熟期及采收储

6、藏期的果品品质的近红外光谱分析过程中，通过对建模样品的优选（相似与异常样品的剔除、校正集与验证机的划分）、有效光谱信息的提取（特征波长与特征区域的选取）和建模方法的选取（线性回归与非线性拟合）各关键环节进行系统研究，综合分析选取各环节处理方法，建立高效、准确、适用和稳健的最优品质分析模型，也为便携式近红外果品品质检测仪的开发提供技术支撑。二、选题的依据1.理论依据近红外光谱（NIRs）是介于可见光谱区和中红外光谱区之间波长780~2526nm（波数12820~3959cm-1）的电磁波（陆婉珍2006）。近红外光谱的主要信息为物质含氢基团（包括O-H、N

7、-H、C-H等）对近红外光的倍频与合频吸收，这使得近红外光谱技术不仅可以检测物质中与这些基团相关的组分，如糖度、酸度、蛋白质、淀粉、脂肪和氨基酸等，而且可用于分析物质的密度、硬度和粘度等性质（郭文川等2001）。比尔—朗贝定律(TheBeer-LambertLaw)是近红外光谱分析中的一个重要定律，它奠定了近红外光谱分析的基础：将所研究的样品组分的浓度值与通过仪器测量得到的光谱值之间的关系进行关联（刘建学2007），即：其中，—样品在特定波长（或频率）的吸光度；—样品的所研究组分在该特定波长下的吸光系数；—光程，即光通过样品的行程；—样品中所研究组分的浓

8、度值。然而，近红外谱区谱峰重叠非常严重，谱峰比较宽，谱区的可解析性很差，一般很难