水果含糖量近红外漫反射检测实验及分析研究

谭保华， 肖腾飞*， 刘琼磊， 李 根， 李 刚， 黄程旭

(1.湖北省能源光电器件与系统工程技术研究中心， 武汉 430068；2.湖北工业大学理学院， 武汉 430068； 3.太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 武汉 430068；4.中国质量认证中心广州分中心， 广州 510620； 5.长江大学物理与光电工程学院， 湖北 荆州 434023)

水果的生产，在世界范围内占据着重要的位置.我国是水果的生产大国，水果产业已经成为农民增收的主要途径之一.改革开放以来，特别是我国实行农业结构调整政策以来，水果产业在国民经济中占有举足轻重的地位，已经成为农业支柱性产业[1].现代研究结果表明，水果营养丰富，不仅脂肪和胆固醇含量很低，富含糖、膳食纤维，而且含有多种氨基酸和维生素，深受消费者喜爱[2].

然而，水果是很娇嫩的.在其生长以及采摘过程中，极易受到病虫害和霉菌伤害，采摘时也易受到机械损伤.所有这些因素，不仅会使水果的品质口感受损，还可能因被人食用，从而进一步对人体产生不利的影响.因此，对水果的品质检测是十分重要的.一般来说，果糖的含量直接影响水果的口感，也会直接反映水果的品质，是水果品质的重要评判标准之一[3].随着国民经济发展，消费者在生活水平不断提高的同时，对水果也提出了更高的要求.不仅水果果品外观(大小、形状、颜色等)要求更高，对水果内部的质量和品质(质量、口感、味道等)也更为重视[4].这也在技术上，促进和决定了水果无损快速检测的必要性和迫切性[5].实现水果内部品质快速无损检测，不仅是农业生产的需要，也是满足我国消费者日益多元化要求的需要.

近红外光谱分析技术，近年来得到了长足的发展与应用，作用效果已经得到了多方面的证实.在当今社会生产生活中，特别是在农产品领域，作为一种能够快速实施和应用的无损检测技术方法，近红外光谱分析技术应用非常广泛[6].Dong等[7]为了快速检测苹果的质量，通过建立不同的模型，利用近红外光谱分析技术，对苹果的可溶性固形物、硬度、PH值、水分含量进行了深入的定量分析.Emanuel José Nascimento Marques等(2016年)[8]，基于线性变量滤波器(LVF)技术，研究了小型近红外(NIR)光谱仪，对 “汤米·阿特金斯”芒果进行了快速无损品质分析.赵文涛等[9]以鲜枣为研究对象，以化学计量学方法，选用偏最小二乘法(PLS)和主成分回归分析法(PCR)，建立了鲜枣校正模型，研究了不同建模主成分因子对建模结果的影响，并试图找出偏最小二乘法建模中的最佳主成分因子.ALI等[10]为了评估香蕉的含糖量和PH值，应用近红外光谱技术，以非破坏性的方式，完成了相关研究.但是，虽然近红外光谱技术在大型流程工业的应用日趋成熟和广泛，但由于涉及企业经济利益及商业秘密等原因，很多实际应用的具体和详细内容都未见正式报道.

本文基于近红外光谱分析技术，研究样本对象选取以新疆阿克苏苹果，海南香蕉和新疆鲜枣，检测方法采用近红外漫反射法，设计了近红外检测实验系统，进行水果含糖量近红外检测实验研究，详细研究分析了三种水果整个样本与样本切片的光谱的差异，并研究了在一定时间周期内实验样本的光谱变化情况.

1 近红外检测技术

1.1 近红外检测技术原理

近红外光，一般是指波长范围为780～2 526 nm的电磁波.通常情况，生物 C-H、O-H、N-H、S-H、P-H 等含氢基团，振动的倍频和合频吸收光谱，很容易被近红外光谱记录.由于分子振动的非谐振性，使得分子振动将从基态向高能级跃迁.在这个过程中，当含氢基团分子受到红外光照射时，基团分子会被激发而产生共振，同时部分吸收红外光的能量.通过定量测量其吸收光情况，可得比较复杂的光学图谱，这种光谱可以定性表示被测物质的特征[11].

图1 我国苹果、香蕉与鲜枣的年度产量(数据来源：国家统计局)Fig.1 The annual yield of apple， banana and jujube in China

图2 含氢基团分子的伸缩振动和变形振动示意图(⊗表示垂直纸面向内运动，⊙表示垂直纸面向外运动)Fig.2 Examples of stretching vibration and deformation vibration of measured material molecules(⊗ is vertical paper facing inward motion， and ⊙ is vertical paper facing outward motion)

研究表明，通过适当的化学计量方法，能够关联近红外吸收光谱与被测物质的成分或性质数据，并建立起相应的关联模型.采用Kubelka-Munk函数，可以对漫反射近红外光谱分析技术进行定量分析[12]，其具体表达式为

(1)

式中，漫反射体的绝对漫反射率记录为，它是K/S的函数，依赖于S与K的比值，反映出射光与入射光的比率；其中，K为漫反射体吸收系数，由漫反射体的化学组成成分决定；S为散射系数，则取决于漫反射体的基本物理特性.

1.2 近红外检测技术的分类

近红外光照到物质上后，可能有完全被吸收、发生全反射、漫反射、透射和散射等五种情况，不同的物质成分相应的具体吸收特征是不一样的.近红外光与物质的相互作用图例如图3所示.

图3 近红外光与物质的相互作用图Fig.3 The interaction between near-infrared light and matter

常用的近红外检测方法主要有：近红外反射检测法、近红外透射检测法和近红外漫反射检测法[13]，这三种方法均可用于水果含糖量的快速检测，但是各自的要求和检测偏重点不同.

1.2.1 近红外反射检测法 近红外反射检测法中，要求将检测器和光源放置在水果样品的同侧.实验中，检测器的检测对象，是被样品表面规则反射回来的光[14]，如图4(a)所示.所以，近红外反射检测方法适用对象，一般应为不透明、固体、半固体样品，当样品的反射率较高时，光谱信息比较容易实现.但是，由于是反射光，近红外光与水果内部相互作用较少，反射光信息中主要携带的是表面的光谱信息，而对水果内部信息的反映较少.所以，近红外反射检测法更加适用于检测水果果皮表面信息的实验研究，而不适合于对水果内部信息的检测和研究.

1.2.2 近红外透射检测法 近红外透射检测法，要求将待测水果样品放置在光源和光探测器之间.实验中，检测器所检测的对象，是系统透射光与水果样品相互作用之后的光，因此传输的光信息中，承载了水果样品的内部信息[15]，如图4(b)所示.透射检测方法适用对象为透明或半透明样品，透射光信息能完全反映样本内部结构信息.因此，近红外透射检测法的特点，是能够不受水果表面特性的影响，检测器接收的光谱信息可以反映水果内部组织的信息.但是，当光源能量较弱的时候，透射出水果的光就很少，那么其最终的效果就达不到.因此，在近红外透射检测方法中，通常需要使用能量很高的专用光源.

图4 近红外光透射检测方法示意图Fig.4 The schematic diagram of near-infrared detection

1.2.3 近红外漫反射检测法 光照射到物体后，在物体表面或内部发生的、方向不确定的反射，形成光的漫反射.应用近红外光漫反射法进行检测及其分析，实际上可以认为是一种介于反射与透射之间的测量方法[16]，其适用对象为不透明、固体、半固体样品，特点是接受的光信息能够全部反映水果内部组织的特性[17]，并且，试验中不需要特定要求的光源，但在测量过程中需要将光源与探测器隔离[18]，如图4(c)所示.

综上所述，3种近红外检测方法都各有自己的优缺点，综合考虑各种因素，特别是光源需求和实验搭建难易程度，采用近红外漫反射检测方法，进行水果含糖量的近红外检测实验研究.

2 实验方法及实验系统设计

2.1 实验样本准备和数据采集点选取

在同一家水果店，购买大小和重量都相差不大的同批次新疆阿克苏苹果、新疆鲜枣和海南香蕉各若干个.将样本洗净后擦拭干净，按顺序编号并封装，并静置在室温保持在20～24℃的实验室里24 h，如图5所示.

图5 新疆阿克苏苹果和海南香蕉实验样本图Fig.5 The experimental samples of Xinjiang Aksu apple and Hainan banana

实验选取新疆阿克苏苹果样本上的5个点，作为数据采集点.其中，苹果实验样本1号点位于苹果中心轴上一点；苹果样本实验样本4、5号点与2、3号点应为相互对称的位置上，且四个点基本位于实验样本中心圆上相互对称的位置.

海南香蕉样本上的5个点，则将香蕉实验样本主体沿轴线均分成6等份，实验以测量的这5个点的均值作为样本的光谱数据.

图6 实验样本数据采集点位置示意图Fig.6 The schematic diagram of sample points

新疆鲜枣由于体积相对比较小，因此取3个数据采集点即可，具体取点可沿着鲜枣实验样本赤道部位，按照顺序依次标记对称的3个点(间隔约120°)，作为数据采集点.

实验样本数据采集点位置示意图如图5所示.

2.2 实验仪器及软件

实验研究仪器包括近红外光纤光谱仪(Ocean Optics NIR 256-2.5系列)、24 V卤钨灯(Ocean Optics HL-2000-HP系列)、光学多路复用器(Ocean Optics MPM-2000)、水平试验台、试验支架、铜盘、测试暗箱、实验计算机等.

2.2.1 光谱仪选择 本实验研究使用海洋光学公司的近红外光谱仪，其外观如图7所示，光谱仪具体参数规格列出如表1所示.

表1 实验研究使用近红外光谱仪规格及参数列表Tab.1 The spectrometer and parameters

图7 NIRQuest近红外光谱仪外观图Fig.7 The appearance of NIRQuest near-infrared spectrometer

2.2.2 光源选择 本实验研究光源使用海洋光学HL-2000系列24 V卤钨光源(外观如图8所示)，其360～2 000 nm的测量范围最适于近红外波长测量，实验研究的具体参数及设置如表2列出.

表2 实验研究使用卤钨灯光源规格及参数列表Tab.2 The experimental Tungsten halogen lamp and parameters

2.2.3 光学多路复用器选择 本实验研究使用的光学多路复用器，选择海洋光学的MPM-2000系列.实验中，通过光学多路复用器，首先将光从光源连接到复用器的输入端，然后将光分配到16个输出口，如图9所示.分配到每个输出端的光是连续的，各个通道间的误差小于250 μs.

图9 实验研究用光学多路复用器外观图Fig.9 The appearance diagram of optical multiplexer for experimental research

2.2.4 光纤与探头选择 本实验选择使用海洋光学的仪器适配光纤和探头进行研究，如图10和图11所示.

图10 实验光纤外观图Fig.10 The appearance diagram of experimental fiber

图11所示的实验探头具有以下特点：1) 非常适用于实验室和需要温和处理的环境；2) 6根光纤连接到光源输出，另一根光纤则连接到光谱仪显示，可实现最优性能(即6绕1光纤束设计)；3) 配有3.175 mm直径的套圈，可用于荧光测量.

图11 实验探头外观图Fig.11 The appearance diagram of experimental probe

2.2.5 糖度计选择 本实验使用糖度计，选择亚名仪器FG118糖度折光仪.FG118糖度折光仪为铜材质，重量为200 g，测量范围为0～80%Brix，其具体外观结构示意如图12.

图12 FG118糖度计外观及结构图Fig.12 The appearance and structure of FG118 saccharometer

2.2.6 试验软件选择 实验采用NIRQuest光谱仪自带的SpectraSuite，作为本实验的光谱采集软件.SpectraSuite软件由美国海洋光学公司设计开发，主要有参数设置、模式设置、光谱采集和光谱查看等功能，软件界面直观，操作过程较简便.

本实验研究所用实验仪器设备，除上述仪器和软件外，还有水平试验台、试验支架、铜盘、测试暗箱、实验计算机.其中，通过使用水平试验台，可调整保证实验在水平条件下进行；试验支架则对光纤探头起支撑和固定作用；同时，试验中使用铜盘，可加强光的反射.

2.3 实验系统设计

综合考虑各种影响因素，经过前期设计和试验，本实验最终选用近红外漫反射检测法作为试验方法，并根据其原理搭建和设计了实验测试系统，如图13所示为实验系统图.

图13 实验系统图Fig.13 The schematic diagram of experimental system

如图13中所示，试验光源选取24V卤钨灯，首先，把光学多路复用器的各个探头，固定在试验支架的指定位置上；用光纤把近红外光源接入多路复用器，并通过光纤和探头，将光信息传递到实验水果样本的表面上；近红外光与实验样本在漫反射室内充分相互作用后，漫反射出射光进入到探头中，因此出射光将携带和承载着实验对象样本的内部结构和信息；最终，系统将近红外光信息，传递给试验光谱仪；光谱仪又通过数据线连接到实验计算机，将采集的光谱数据最终保存在实验计算机中.

2.4 实验步骤

准备好实验样本及实验系统后，具体按照如下详细步骤实施和完成整个实验过程.

1) 将光学多路复用器连接到光源，将探测器依次放置到实验设计的实验样本数据采集位置点.过程中，应注意一定不要使探测器与实验样本表面发生接触，但是要尽量使探测器与实验样本之间距离达到最小.

2) 试验计算机开机后，打开SpectraSuite软件.为了在实验中降低光谱仪的噪声，应该设置制冷模式开启.同时，应注意查看实时测量温度值，应该等待温度降到-15 ℃时，再开始实施具体的试验和测量过程.

3) 设置试验过程的积分时间为1，并将噪声设置为趋近于0.

4) 设置积分时间为100 ms设置平均次数为10，设置平滑度为7，其他参数设置默认，则相关参数设置完毕.

5) 关闭卤钨灯光源，存储暗光谱，并扣除暗光谱.再打开卤钨灯光源，设置参考光谱图标，测试反射率光谱，则系统光源准备妥当.

6) 鼠标点击参考光谱图标，为避免数据不准确，应对光谱归一化.实验中应耐心等待系统完成，直到反射率稳定在1左右，可以保存当前光谱数据.在实际实验过程中，应注意选取归一化效果较好的时候，再完成亮光谱的数据存储.

7) 完成试验样本的光谱测试后，使用糖度计，继续测量并记录样本的含糖量数据.

8) 擦除系统平台上试验样本可能的残留物质，为继续进行后续试验作好准备.

9) 更换新的试验样本，按照上述实验步骤重复完成试验过程，将实验数据按照试验顺序记录和保存.

3 实验结果分析

3.1 水果样本的光谱分析情况

根据上述方式完成实验过程，采集试验样本的光谱，分析同种样本的光谱情况，得到实验香蕉、鲜枣和苹果样本的光谱图，如图14所示，分析样本波峰的峰值及其对应的波长.由于在实验光谱图中，光谱两端存在的噪声信号干扰较多，因此在分析时集中选取900～2 500 nm之间的波段来进行光谱信息的分析.

由于试验选取的香蕉、鲜枣和苹果等水果，果体中水和糖分含量占很大比例.因此，3种水果波峰所对应波长都比较相近.而对于相同水果样本而言，其成分含量更是相似.所以，不同的香蕉、鲜枣、苹果试验样本的个体光谱图中，不仅波峰位置相近，光谱的波形也基本一致.如图14所示，图14(a)为新疆阿克苏苹果的分析光谱图，图14(b)为新疆鲜枣的分析光谱图，图14(c)为海南香蕉的分析光谱图，图中显示值为测试样本采集点测得值的均值.

在图14中，光谱图合频近红外谱带位置位于2 000～2 500 nm处，一级倍频位置在1 400～1 800 nm处，二级倍频位置在900～1 200 nm处，三级、四级或更高级倍频光谱，则位于光谱图中780～900 nm处.

图14 水果实验样本分析光谱图Fig.14 The spectral analysis of fruit samples

结合图14和表3，分析可得：1) 在实验样本的波峰中，1 010 nm、1 450 nm和1 940 nm附近为水吸收峰；香蕉、鲜枣和苹果实验样本富含大分子糖类，这正是1 200 nm和2 300 nm附近处的吸收峰产生的原因，这也同时说明本实验系统能够有效检测和反映出水果实验样本内部的物质结构信息；2) 比对鲜枣、香蕉和苹果三种实验水果样本，它们在光谱图中的波峰所对应的波长相近；3) 对于不同的实验样本对象，虽然个体光谱图有一定的差异性，但是总体而言，实验样本的波形总体相似，且相应的波峰在光谱图中的位置也基本一致.

表3 水果实验样本波长的波峰及其对应的吸收度峰值Tab.3 Wave peaks of the experimental samples of fruits and their corresponding absorption peaks

3.2 水果样本与其切片的光谱分析情况

为了分析实验样本和实验样本切片的光谱差异性，在研究试验水果及其切片的实验中，所有实验过程均是在相同的环境条件下进行和完成的，并且实验时光谱仪相关参数的设置，也都是相同的.

以近红外漫反射方式试验采集水果样本光谱的过程中，水果果皮的镜面反射、果皮的透射和吸收作用等，会使检测的结果包含一定的误差，因而，水果果肉是反映水果内部结构光谱信息的主要部分[19].图15(a)为实验苹果样本与其切片的对比光谱分析图；图15(b)为实验鲜枣样本与其切片的光谱分析图；图15(c)为实验香蕉样本与其切片的光谱分析图.图15中呈现的显示值均为测试样本采集点测得值的均值.

图15中可见无论是苹果、鲜枣和香蕉样本，实验样本与其切片的光谱图走势大致相同，并且，光谱图的波峰也都在同一波段内；但是，样本切片的光谱图中，波峰更加显著，并且样本切片的吸收度明显高于整个实验样本.因此，由实验样本切片反映出的内部信息，相对于整个实验样本而言，更为丰富，更加全面.但是，实验样本切片必然会破坏实验样本，导致实验样本失去整体外观特性.

图15中同时可见，采用近红外漫反射检测方法，对于整体实验样本而言，既可以有效实现对水果内部含糖量等品质因素信息的非接触性探测，又不损伤和破坏实验样本对象的外观.因此，在保证实验样本的整体性的前提下，近红外漫反射检测法实现了实验水果内部含糖量等品质因素的无损检测.这对于典型经济性水果而言，既保持娇嫩外表，又同时维持高价值内部品质，具有更大的实用价值和现实意义.

图15 水果实验样本(Intact-实线)及其切片(Slice-虚线)的光谱图Fig.15 The fruit experimental samples (Intact-solid line) and section (Slice-dotted line) spectra

3.3 水果样本1周变化的光谱分析情况

果实的成熟是个比较复杂的生理过程，其中主要的过程是呼吸跃变[16].某些肉质果实从生长停止，到开始进入衰老之间的时期，其呼吸速率的突然升高，这就是呼吸跃变.由于呼吸作用，在水果的成熟过程中，果实中的物质成分及其含量，也随之会发生相应变化.植物生理学家和农林学家们，通过研究呼吸跃变，把果实分为跃变型果实和非跃变型果实.研究表明，香蕉具有呼吸跃变，为跃变型果实；而鲜枣则无呼吸跃变，是非跃变型果实[20].

在1周的时间内，鲜枣和香蕉实验样本的光谱变化图，如图16所示，其中，图16(a)所示为鲜枣样本的光谱变化，图16(b)所示为香蕉样本的光谱变化.

从图16可以看出，对于鲜枣实验样本而言，每天的光谱图都存在一定的差异性，虽然每天的光谱变化相对比较微小，但是在一周时间内，前几天的波峰明显稍低，而后几天的波峰明显相对稍高.而香蕉实验样本光谱的变化则较为显著，光谱变化每天的差异，明显比鲜枣实验样本大很多.随着实验时间的延续，香蕉实验样本的吸收度总体走向，呈现出先升高后降低的趋势，并在第3天达到最大值.

图16 鲜枣和香蕉实验样本一周内的光谱变化图Fig.16 The spectrum changes of fresh jujube and banana experimental samples within one week

跃变型果实的呼吸频率较高，水果成熟的过程，耗时相对更短.所以，跃变型果实的含糖量和水分变化，自然会比非跃变型果实更快.水果本身的特性，必然出现图16所显示的结果，即：跃变型果实的吸收度波动明显，而非跃变型果实的吸收度，则波动并不明显.

综上，以海南香蕉为例的跃变型果实样本，对与以新疆鲜枣为例的相对非跃变型果实样本而言，在果实的存放期，光谱波动更大，并且吸收度呈现出先升高后降低的总体趋势.而对于非跃变型果实，在短期内(实验周期为7 d)的光谱变化，则并不明显.所以，在实际生活生产中，运输和存储跃变型果实，需要注意放置时间不宜过长.同时，建议不同成熟度的果品最好分开放置，以免相互产生影响.并且，为了避免互相影响，非跃变型果实与跃变型果实最好不要一同运输和存储，应该分开置放.

4 研究结论

本文以新疆阿克苏苹果、海南香蕉和新疆鲜枣为实验对象和样本，采用了近红外漫反射检测法，设计完成了水果含糖量的近红外检测实验系统，研究了同种实验样本的不同实验个体的具体光谱情况，并进一步研究了同种实验对象的整体样本和切片样本的光谱异同.同时，还分别以新疆鲜枣和海南香蕉为实验样本对象，研究和比较了在一周时间内，跃变型果实和非跃变型果实的详细光谱图区别.详细的研究内容和具体结论如下.

1) 采用了近红外漫反射检测法，完成了水果含糖量的近红外检测实验系统设计，选择了合适的实验设备和器件，搭建和实现了实验测试平台；

2) 根据实验水果自身特点，选择合适的光谱采集方式，设计了实验样本的数据采集点.考虑到香蕉样本纵向尺寸较大，标记实验香蕉上可将香蕉样本均分成6等份的5个点，作为数据采集点；考虑到鲜枣样本体积较小，间隔约120°依次标记沿着实验鲜枣赤道的3点，作为数据采集点；考虑到苹果样本的体积较大，标记苹果样本中心轴点，并对称标记中心圆对称四点，共同作为数据采集点.经试验验证，这种数据采集点选择方法，有效消除了因光谱采集位置不同而可能产生的试验误差，使得实验测量过程采集的数据更为准确；

3) 以新疆阿克苏苹果、海南香蕉和新疆鲜枣为试验研究对象，对同种实验样本，详细研究和分析了其不同实验个体的具体光谱数据，以及整体样本和切片样本的光谱图情况.实验结果表明：实验所得数据和结果，能完整反应样本水果对象的内部物质结构信息；新疆阿克苏苹果、海南香蕉和新疆鲜枣三种实验样本光谱图波峰所对应的波长近似；不同的实验样本个体光谱图虽有差异，但总体光谱图波形相似，光谱图波峰位置也基本一致；同时，几种实验水果内部物质结构相似，因此实测的光谱图波形和变化趋势相似，即所以多种水果可由一个试验方法来进行检测和研究分析；

4) 相对于整个实验样本而言，由实验样本切片反映出的水果内部信息，更为丰富和全面.但是，实验样本切片必然会破坏实验样本，导致实验样本失去整体外观特性.采用近红外漫反射检测方法，对于整体实验样本而言，既可以有效实现对水果内部含糖量等品质因素信息的非接触性探测，又不损伤和破坏实验样本对象的外观.因此，在保证实验样本的整体性的前提下，近红外漫反射检测法实现了实验水果内部含糖量等品质因素的无损检测.这对于典型经济性水果而言，既保持娇嫩外表，又同时维持高价值内部品质，具有更大的实用价值和现实意义.

5) 以香蕉和鲜枣为研究对象，分析在一周时间内，分析和比较跃变型果实和非跃变型果实的光谱变化.实验结果表明：以海南香蕉为例的跃变型果实样本，对与以新疆鲜枣为例的相对非跃变型果实样本而言，果实存放期的光谱波动会更大，并且吸收度变化趋势先升高后降低.而对于非跃变型果实，在短期内(实验周期为7 d)的光谱变化，则并不明显.所以，在实际生活生产中，运输和存储跃变型果实，需要注意放置时间不宜过长.同时，建议不同成熟度的果品最好分开放置，以免相互产生影响.而且，为了避免互相影响，非跃变型果实与跃变型果实最好不要一同运输和存储，应该分开置放.并且，跃变型果实的运输和存储的放置时间不宜过长，不同成熟度最好分开放置，以免相互不同成熟度跃变型果实之间相互作用，造成总体批次水果品质下降等不利影响.