全 文 ：2008年第7期
收稿日期:2008-05-10
基金项目:国家自然科学基金 (60468002,30560064);教育部新世纪优秀人才资助计划项目(NCET-06-0575)。
作者简介:孙旭东 (1978- ),男,吉林人,助理研究员,研究方向:农产品无损检测研究。
*为通信作者:刘燕德。E-mail:jxliuyd@163.com。
第7期(总第142期) 农产品加工·学刊 No.7
2008年7月 AcademicPeriodicalofFarmProductsProcessing Jul.
文章编号:1671-9646(2008)07-0015-03
0 引言
水果品质检测一直是农产品加工研究的重要课
题,而消费者在选购水果时除了注重大小、颜色、外
观等外部品质之外,对诸如口感、糖度、酸度、维生
素含量等内部品质也极为看重。可溶性固形物含量对
水果口感有着很大的影响,是评价水果内部品质的重
要指标,可见近红外光谱技术因无损快速等特点被广
泛用于农产品品质检测[1]。
南丰蜜橘品质优良,果实皮薄、无核或少核,色
泽金黄,风味独特,可食部分占其质量的 78%,其
中果汁为55%,可溶性固形物含量为12%~19%,深
受广大消费者欢迎[2]。
近年来,国内外部分学者探讨了南丰蜜橘品质的
快速检测方法。
Go′mez等人应用可见近红外光谱技术,在 400~
2500nm光谱,检测蜜橘的糖度、酸度和硬度。糖
度检测结果:R值为0.94,RMSEP为0.33;
酸度检测结果:R值为0.8,RMSEP为0.18;
硬度检测结果:R值为0.83,RMSEP为8.53[3]。
Daniel等人应用蒙特卡洛模型,研究了近红外光
谱在柑橘类水果内部的传输规律[4]。
刘燕德等人应用可见近红外光谱技术快速检测南
丰蜜橘可溶性固形物和 VC含量 [5, 6]。本文探讨
350~1800nm可见近红外漫反射光谱快速检测南丰
蜜橘可溶性固形物含量的可行性。
1 材料与方法
1.1 检测仪器及参数设置
实验使用美国 ASD公司的 QualitySpecPro光谱
南丰蜜橘可溶性固形物近红外光检测研究
孙旭东,陈兴苗,周文超,*刘燕德
(江西农业大学 工学院,江西 南昌 330045)
摘要:利用可见近红外光谱检测技术,对南丰蜜橘可溶性固形物含量的无损检测进行了相关研究。在 350~1800nm
波段,应用偏最小二乘法对经过预处理的光谱进行建模分析。对 89个建模样品的建模结果是,建模相关系数和均方
差分别为 0.955和 0.018%;对 30个未参与建模样品预测结果是,预测相关系数为 0.946,均方差为 0.018%。从实验
结果可知,可见近红外光谱检测技术对南丰蜜橘可溶性固形物含量的无损检测是可行的。
关键词:可见近红外光谱;无损检测;南丰蜜橘;可溶性固形物含量
中图分类号:TS207.3 文献标志码:A
StudyonMeasurementofSolubleSolidContentinNanfengMandarin
byNear-infraredSpectroscopy
SunXudong,ChenXingmiao,ZhouWenchao,*LiuYande
(ColegeofEngineering,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang,Jiangxi330045,China)
Abstract:ThisresearchworkwastonondestructiveinspectthesolublesolidcontentofNanfengmandarinbyvisible/near-in-
fraredspectroscopy.Inthewavelengthrangeof350-1800nm,Pre-processingmethodswereusedbeforethespectrawere
analyzedwithpartialleastsquare.Theresults,basedoncalibrationfor89samples,are0.9436and0.6133forcalibration
corelationcoeficientandrootmeansquareerorofcalibration.Theresults,basedonpredictionfor30unknownsamples,are
0.9304and0.6515forpredictioncorelationcoeficientandrootmeansquareerorofprediction,respectively.Theresults
showthatvisible/near-infraredspectroscopyinspectiontechnologyformeasuringthesolublesolidcontentofNanfengmandarin
isfeasible.
Keywords:visible/near-infraredspectroscopy;nondestructivedetection;partialleastsquare;mandarin;solublesolidcon-
tent
农产品加工·学刊 2008年第7期
仪,其波长范围为 350~1800nm,光谱采样间隔为
1nm,扫描时间为 100ms/次,扫描次数为 10次,
光源为12V/45W钨卤灯,可见近红外光谱仪检测原
理见图1。
1.2 样品来源及常规分析
实验样品来自某农贸市场,剔除 1个异常样品
后,将89个南丰蜜橘作为建模样品集,30个未知南
丰蜜橘样品作为预测样品集。可溶性固形物含量采用
国标方法 (GB/T12295—1990) 进行测定,样品特征
分布见表1。
1.3 样品光谱采集
试验采用漫反射方式,每个样品在赤道部位等间
隔采集3次光谱,取平均值。光谱采集时尽量避免擦
伤、伤疤等表面缺陷。
1.4 光谱数据处理
光谱数据由美国ASD公司的 Indicov4.0软件进
行采集和转换,采用多元散射校正、一阶微分、二阶
微分等对光谱数据进行预处理,以减少光程变化、样
品粒度、光谱平移和旋转对光谱产生的影响。光谱数
据由挪威 CAMO公司的 Unscramblerv9.5软件中的
PLS1方法进行处理。
1.5 数学模型验证及评价
模型采用外部验证对其性能进行评价,由相关系
数 (R)、验证均方差 (RMSECV) 和预测均方差
(RMSEP) 进行评价。
2 结果与讨论
2.1 光谱预处理方法选择
为了减少光程变化、样品粒度、基线平移与旋转
可能对模型的影响,实验采用多元散射校正、一阶微分
和二阶微分三种方法分别建模,不同光谱预处理方法的
PLS建模结果见表2。
表1 样品特征分布
指标 建模样品集 预测样品集
样品数量/个
测量范围/%
平均值/%
标准偏差/%
89
9.97~18.07
13.80
1.85
30
9.87~17.73
13.26
1.81
表3 不同光谱波段选择方法的PLS建模结果
选择方法
选择依据
/nm
主因子数 建模相关系数 建模均方差 预测相关系数 预测均方差
全波段光谱
相关系数法
相关系数法
相关系数法
350~1800
500~1800
350~1650
500~1650
9
9
7
7
0.9399
0.9395
0.9335
0.9276
0.6438
0.6785
0.7559
0.7295
0.9352
0.9338
0.9181
0.9231
0.6172
0.6064
0.6271
0.6459
表2 不同光谱预处理方法的PLS建模结果
光谱处理方法 主因子数 建模相关系数 建模均方差 预测相关系数 预测均方差
原始光谱
多元散射校正
一阶微分光谱
二阶微分光谱
9
7
4
3
0.9399
0.9436
0.9321
0.9033
0.6438
0.6133
0.6760
0.8136
0.9352
0.9304
0.9248
0.9006
0.6172
0.6516
0.6667
0.7562
图1 可见近红外光谱仪检测原理
Nafengmadarin
FiberOptics
Fruitholder
Lightsource
Fixdeholder
Quality-
Spec
Spectro
-meter
Indico4.0&
Unserambler9.5
Computer
从模型相关系数尽量高、建模与预测均方差尽量
低及建模与预测均方差尽量接近等评价角度考虑,多元
散射校正后光谱所建模型较优。
2.2 光谱有效波段选择
为了提高模型的准确性与稳定性,试验在基于全
波段光谱模型的基础上,选择相关系数法有效光谱波
段进行提取,不同光谱波段选择方法的 PLS建模结
果见表3。
表3结果表明,全波段光谱的建模较优。
2.3 建模及模型预测
结合光谱预处理及光谱有效波段选择进行分析,
应用全波段光谱,经过多元散射校正后,建立南丰蜜
橘可溶性固形物检测模型。可溶性固形物含量测量值
与预测值的相关关系图见图2。
·16·
2008年第7期
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[26]
[27]
(上接第14页)
图2 可溶性固形物含量测量值与预测值的相关关系图
30个南丰蜜橘未知样品的预测性能结果:相关
系数R为0.9436;预测均方差RMSEP为0.6516。
3 结论
(1) 利用 350~1800nm的可见近红外漫反射光
谱对南丰蜜橘的可溶性固形物含量进行了检测,建立
了基于偏最小二乘法的可溶性固形物含量快速检测方
法和模型。
(2) 实验共研究120个南丰蜜橘样品,剔除1个
异常样品,其中89个为建模样品,其余30个作为模
型预测样品,在通过多元散射校正、一阶微分和二阶
微分光谱预处理方法和不同有效光谱波段选择后,确
定在 350~1800nm全光谱范围内,采用多元散射校
正后的偏最小二乘法建模的效果最好,模型预测的相
关系数R为0.9436,预测均方差RMSEP为0.6516。
(3) 本研究表明,可见近红外漫反射光谱是可
靠、快速、无损的南丰蜜橘可溶性固形物含量的检测
方法,并对其他柑橘类水果的可溶性固形物含量的快
速无损检测具有借鉴意义。
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18
15
12
9
10 12 14 16 18
Elements:88
Slope:0.890516
Ofset:1.508386
Corelation:0.943672
RMSEC:0.613283
SEC:0.616798
Bias:3.576e-07
MeasuredY
46:25-A.asd
PredictedY
SSCMSCwith35?(Y-var.PC): (*.7)
(a)89个建模样品
(b)30个预测样品
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[4]
[5]
[6]
18
16
14
12
10
11 12 13 14 15 16 17
Elements:30
Slope:0.815870
Ofset:2.369192
Corelation:0.930420
RMSEP:0.651623
SEP:0.646570
Bias:-0.143159
MeasuredY
PredictedY
SSCMSCwith35?(Y-var.PC): (*.7)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
孙旭东,等:南丰蜜橘可溶性固形物近红外光检测研究 ·17·