近红外在线分析技术在粮食领域的应用

韩 赟，季苏丹，李 成，陈俊强，高志航，张 淑

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

随着世界人口的不断增长，粮食安全问题早已成为全球性的问题。我国更是一个人口大国，粮食安全问题直接关乎人们的生活质量和国家的稳定发展。随着生活水平的提高与消费结构的升级，人们对于粮食安全的重视程度日益提高，正在从吃饱、吃好向吃的更健康、更安全转变。因而在粮食的种植、储藏、运输、加工等各个环节对成分含量进行监测和控制就显得越来越必要。

早在19世纪国外就开始对粮食成分进行分析。传统检测方法包括体积分析法、重量分析法、化学方法等。重量分析法、体积分析法不能对成分含量进行系统准确的分析，化学方法存在随意性大、耗时、费用昂贵、污染、占用试验室空间、检测人员劳动强度大等问题，均无法满足高速增长的快速、低成本、自动化、智能化的分析要求。

为了满足现代工业需求，样品检测要求做到无损在线分析。近红外光谱测试技术显示了它无可争议的快速、准确、操作简单等优越性，并且将这些特点有机的结合起来，为粮食与食品工业的物料成分分析开辟了新的天地，为成分分析、在线控制、过程控制、质量控制提供了可能。

目前国内粮油行业近红外分析技术已经得到广泛应用，但主要是在化验室内使用，一些大型面粉加工企业、油脂加工企业、港口散粮公司已经开始使用近红外在线分析技术来监测物料特性并用于指导生产。目前大型粮油加工企业与粮食收储系统尚未大规模及系统使用在线分析仪器来对收储粮食进行实时分析和分类管理，技术升级与改进空间巨大。

1 基本原理

近红外光谱的原理是当分子受到近红外区域的电磁辐射后，吸收一部分近红外光，使分子中原子的振动能级与转动能级跃迁所产生的分子吸收光谱。近红外谱区的波长范围是770～2 500 nm，该谱区兼备了中红外谱区信息量丰富与可见谱区使用方便的优点。与中红外谱区一样，近红外光谱分析利用分子振动的信息，但本谱区的主要信息是振动的倍频与合频信息，通过该谱区的光谱分析，可以实现对含氢基团的样品的化学性质、物理性质的分析，可同时进行多项目分析。该谱区可以射透样品内部，取得样品内部的有关物理、化学信息。因此用近红外光谱，只需要少量的样品，即可进行各种快速分析，特别适用于各种复杂样品的无损分析。

2 近红外在线技术在分析粮食内含物中的优势

2.1 水分近红外在线分析价值

粮食、油料水分含量是指粮食、油料试样中水分的质量占样品质量的百分比。水分含量是评价粮食、油料品质基本指标之一。粮食、油料的水分含量对加工生产和安全存储以及购买、销售和调拨分配等方面都有重要的意义。

检测粮食、油料水分含量的方法有：加热干燥法、电测法、蒸馏法、核磁共振法、微波法、和近红外分析吸收光谱法等。其中，加热干燥法我国粮食、油料质量指标中水分含量的标准方法。近年来出现了一些电阻式、电容式水分测定仪，由于适用场景环境的干扰与标定数据的时效性等因素，测量结果并不理想。核磁共振法也有一定的使用,但仪器价格昂贵，不适宜现场在线使用。

近红外吸收光谱法随着其测定系统的研究和开发，该方法作为粮食水分、蛋白质、脂肪等其它成份的快速测定方法，已被用于粮食、油料的品质分析中，美国、加拿大已将近红外吸收光谱法作为检查谷物品质的标准方法。近些年我国近红外光谱测试装置、测试方法的进一步改进和完善，近红外在线分析技术在粮食分析领域的应用得到了长足的发展，使粮食的水分在线实时检测已经不再是技术障碍，实时检测条件下已经可以实现粮食水分的全检效果。

2.2 粗脂肪近红外分析价值

脂肪是油料中的主要化学成分，同时也是人体的七大营养物质之一，也作为工业的重要原料。油料的主要用途是制油，含油量是油料质量标准中的定等项目，是确定其等级、价格的重要依据。对油脂加工企业而言，油料含油量的测定指标，可以作为加工出油率和考虑加工工艺参数的依据。另外，油料饼粕的残油率的高低也是油厂加工工艺、生产技术水平的重要经济技术指标，是加工工艺技术提升与改进的重要依据。

粮食、油料中粗脂肪含量的测定，目前常用的是以乙醚为溶剂的索氏抽提法，该方法仍为测定脂肪含量的标准方法(GB/T 5512—1985)。但是，索氏抽提法操作繁杂、费时难以满足收购和加工生产的效率要求，无法从根本上解决测量速度和时效的问题。

近红外在线测量脂肪含量基于原始的索氏提取方法，在原有实验室分析基础上可以将数据通过建模与近红外光谱关联起来实现在线实时分析，在实验室精细结果的基础上实现了在线快速全检的功能，使数据的时效性和多样性得以实现，有利于判断粮食油料收储过程中的品质状况。

2.3 粗蛋白近红外分析价值

粮食、油料中蛋白质含量是粮油营养价值、食品品质的重要评价指标。通过测定粮食、油料中蛋白质的含量，可以充分利用粮油资源，指导企业具体的加工生产，以提高企业经济效益，并减少资源浪费。

粮食、油料中测定蛋白质含量的方法很多，一般的测定原理是基于蛋白质的理化特性来进行定量分析的方法，大致可分为：利用蛋白质中含有特定氨基酸残基的方法，例如紫外光谱吸收法、酚试剂法、色素结合法等；利用蛋白质含氮量方法，在粮食、油料中应用最普遍的是凯氏定氮法，也一直被作为蛋白质定量的标准方法(GB/T 5511—1985)。

近些年，利用近红外检测粮食作物蛋白的方法逐渐成熟起来，尤其是在粮食收储环节中的应用已经非常普遍，我国东北地区大豆收购环节使用近红外分析仪器快速检测大豆蛋白含量已经持续有4年，为收储带来十分可观的利益。

2.4 其他

除了水分、脂肪和蛋白外，淀粉、纤维素和灰分等指标在粮食油料作物品质判断上也具有重要的意义，例如在面粉加工生产场景中，水分和灰分的在线分析是面粉生产过程中的重要的指标之一；小麦或大豆收储环节中的在线分析可以实时反应小麦和大豆的蛋白质含量及水分含量，对分类存储和管理具有重要意义；在食用油制造过程中对食用油的出油率实时检测对压榨工艺稳定性的监控具有重要意义。

3 近红外在线分析的应用

3.1 港口散粮仓储系统的应用

港口散粮仓储系统粮食接收现状是在生产线上进行抽样至化验室化验，无法及时将粮食特性与仓容管理系统进行链接，也无法及时反馈异常数据至生产线上进行工艺调整，而引入近红外在线分析系统能解决生产线上实时数据分析的功能，了解每个仓内粮食情况，霉变或高水分粮食可在线及时处理不入仓进行仓外暂存，确保仓储管理安全。

可将近红外固体在线检测系统采用管道式下照采样方式进行安装测量，系统光斑大小30 mm，采用漫反射采样方式，使用蓝宝石窗口作为采样窗口，通过网络协议间隔30 s输出1次结果，提供测量结果给生产系统进行反馈控制，现场安装如图1所示。

图1 现场管道式安装方式

3.2 油脂加工企业豆粕蛋白在线检测系统的应用

生产部门无法实时监测发货粕料的质量指标，工厂内的检化验有一定的延迟性，不利于生产的实时调控，引用在线近红外检测装置可实时检测物料品质，方便生产及时操作调整。安装位置要求料流稳定，有足够的光斑照射面积。在线打包的粕料和出仓打包的粕料均需设置在线近红外检测装置，并与生产线连锁，实时检测，以便生产操作调控确保产品质量。现场安装如图2所示。

图2 豆粕蛋白在线分析系统

4 总结

随着数据技术和网络技术的发展，数据中心概念与近红外节点进行联合应用是未来近红外技术发展的重要方向之一，粮食行业仓储系统与加工企业对于生产的自动化程度及数据管理的客观需求正在逐步提升，近红外在线检测技术的应用可以减少检化验人员的岗位设置与劳动强度，提高数据的处理量与准确性并能实时指导生产操作，能为企业带来良好的经济效益，具有非常良好的应用前景。