近红外光谱分析技术在水果检测中的应用
水果的种植生产,在世界农业生产领域内占据着不可或缺的地位。我国是水果的生产大国,也是水果的消耗大国,水果产业是农民及部分农牧企业增收的主要途径之一。我国实现农业结构调整政策以来,水果产业在国民经济中占据举足轻重的地位。水果营养丰富、脂肪、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。随着经济发展,消费者水平在不断提高的同时,对水果的需求也越来越大,同时也有了更高的要求,不仅对果品的外观例如大小、形状、颜色等要求提高了,对内部的质量和品质例如营养、质量、口感、味道等也更加重视了。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。
实现整颗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在整颗水果无损检测的已有许多学者展开研究,更有为此设计构建了近红外光谱的果蔬优选分拣方法。
近红外光一般是指波长范围有780-2526nm的电磁波,通常情况下生物C-H、O-H、N-H、S-H、P-H等含氢基团的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,可得到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。近红外光与物质的相互作用有吸收、全反射、漫反射、透射、散射五种。
常用的近红外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。这3种方法均可用于水果含糖量的快速检测,透射适用对象是透明或者半透明样品、但是由于水果是整颗且为不透明的固体,透射法无法穿透样品因此不太适用;反射光信息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。而漫反射实际上可以认为是一种介于反射和透射之间的测量方法,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,因此可以采用近红外漫反射检测方法,进行水果含糖量的检测。
由于水果形状不规则,可根据实际情况选择适合的光谱仪、光源、光纤构建一个系统用于测定水果的含糖量。构建完系统后采集样本的光谱图,使用糖度计测量记录样本的含糖量数据。以苹果、香蕉、鲜枣为例。在实验样本的波峰中,1010nm、1450nm和1940nm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1200nm和2300nm附近处的吸收峰产生的原因,这也同时说明构建的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;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;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。
水果样本波长的波峰及其对应的吸收度峰值
由水果实验样本和切片的光谱图可见无论是苹果、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**.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。
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。
