近紅外光譜分析技術在水果檢測中的應用

水果的種植生產,在世界農業生產領域內占據著不可或缺的地位。我國是水果的生產大國,也是水果的消耗大國,水果產業是農民及部分農牧企業增收的主要途徑之一。我國實現農業結構調整政策以來,水果產業在國民經濟中占據舉足輕重的地位。水果營養豐富、脂肪、膽固醇含量很低,富含糖、膳食纖維、而且含有多種氨基酸和維生素,深受消費者喜愛。隨著經濟發展,消費者水平在不斷提高的同時,對水果的需求也越來越大,同時也有了更高的要求,不僅對果品的外觀例如大小、形狀、顏色等要求提高了,對內部的質量和品質例如營養、質量、口感、味道等也更加重視了。這也在技術上促進和決定了水果無損快速檢測的必要性和迫切性。

 實現整顆水果內部品質快速無損檢測,不僅是農業生產的需要。也是滿足我國消費者日益多元化要求的需要。近紅外光譜分析技術在整顆水果無損檢測的已有許多學者展開研究,更有為此設計構建了近紅外光譜的果蔬優選分揀方法。

近紅外光一般是指波長范圍有780-2526nm的電磁波,通常情況下生物C-H、O-H、N-H、S-H、P-H等含氫基團的振動的倍頻和合頻吸收光譜很容易被近紅外光譜記錄。由于分子振動的非諧振性,使得分子振動將從基態向高能級躍遷,在這個過程中,當含氫基團受到紅外光照射時,基團分子會被激發而產生共振,同時部分吸收紅外光的能量,通過定量測量其吸收光情況,可得到比較復雜的光學圖譜,這種光譜可以定性表示被測物質的特征。近紅外光與物質的相互作用有吸收、全反射、漫反射、透射、散射五種。

常用的近紅外近紅外檢測方法主要有:近紅外反射檢測法、近紅外透射檢測法和近紅外漫反射檢測法。這3種方法均可用于水果含糖量的快速檢測,透射適用對象是透明或者半透明樣品、但是由于水果是整顆且為不透明的固體,透射法無法穿透樣品因此不太適用;反射光信息主要攜帶的是表面的光譜信息,而對水果內部信息的反映較少。所以,近紅外反射檢測法更加適用于檢測水果果皮表面信息的實驗研究,而不適合于對水果內部信息的檢測和研究。而漫反射實際上可以認為是一種介于反射和透射之間的測量方法,其適用對象為不透明、固體、半固體樣品,特點是接受的光信息能夠全部反映水果內部組織的特性,因此可以采用近紅外漫反射檢測方法,進行水果含糖量的檢測。

由于水果形狀不規則,可根據實際情況選擇適合的光譜儀、光源、光纖構建一個系統用于測定水果的含糖量。構建完系統后采集樣本的光譜圖,使用糖度計測量記錄樣本的含糖量數據。以蘋果、香蕉、鮮棗為例。在實驗樣本的波峰中,1010nm、1450nm和1940nm附近為水吸收峰;香蕉、鮮棗和蘋果實驗樣本富含大分子糖類,這正是1200nm和2300nm附近處的吸收峰產生的原因,這也同時說明構建的實驗系統能夠有效檢測和反映出水果實驗樣本內部的物質結構信息;比對鮮棗、香蕉和蘋果三種實驗水果樣本,它們在光譜圖中的波峰所對應的波長相近;對于不同的實驗樣本對象,雖然個體光譜圖有一定的差異性,但是總體而言,實驗樣本的波形總體相似,且相應的波峰在光譜圖中的位置也基本一致。

水果樣本波長的波峰及其對應的吸收度峰值

由水果實驗樣本和切片的光譜圖可見無論是蘋果、鮮棗和香蕉樣本,實驗樣本與其切片的光譜圖走勢大致相同,并且,光譜圖的波峰也都在同一波段內;但是,樣本切片的光譜圖中,波峰更加顯著,并且樣本切片的吸收度明顯高于整個實驗樣本.因此,由實驗樣本切片反映出的內部信息,相對于整個實驗樣本而言,更為豐富,更加**.但是,實驗樣本切片必然會破壞實驗樣本,導致實驗樣本失去整體外觀特性。

同時可見,采用近紅外漫反射檢測方法,對于整體實驗樣本而言,既可以有效實現對水果內部含糖量等品質因素信息的非接觸性探測,又不損傷和破壞實驗樣本對象的外觀.因此,在保證實驗樣本的整體性的前提下,近紅外漫反射檢測法實現了實驗水果內部含糖量等品質因素的無損檢測.這對于典型經濟性水果而言,既保持嬌嫩外表,又同時維持高價值內部品質,具有更大的實用價值和現實意義。