可見(jiàn)近紅外光譜儀助力葡萄成熟度及品質(zhì)檢測(cè)
圖1 水果種類
成熟度是水果品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),直接影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì),也決定著后期果實(shí)加工、貯藏方式。而在水果中,葡萄及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用,其豐富的維生素含量和獨(dú)&特的風(fēng)味深受人們喜愛(ài)。葡萄用途廣泛,可鮮食、制干、制備果汁以及葡萄酒等。
酚類物質(zhì)是葡萄中非常重要的一類活性物質(zhì),主要存在于葡萄籽和葡萄皮中,且其含量受成熟度的影響較大,因此成為判斷葡萄成熟品質(zhì)的重要指標(biāo)。但是當(dāng)前酚類物質(zhì)檢測(cè)多采用傳統(tǒng)理化檢測(cè)方法,繁瑣耗時(shí)且破壞樣品,造成樣品浪費(fèi)和一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。因此,開(kāi)展基于新型檢測(cè)技術(shù)的酚類物質(zhì)快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究具有重要意義。
與傳統(tǒng)的理化測(cè)量方法相比,光譜技術(shù)可以通過(guò)分析水果的光譜特征,提取出與品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)的信息,比如葡萄中所含的酚類物質(zhì)等,并且具有簡(jiǎn)便、快速、可靠、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn),因此在品質(zhì)和成熟度檢測(cè)方面具有巨大潛力。
使用可見(jiàn)-近紅外光譜儀對(duì)葡萄反射光譜進(jìn)行采集和處理,通過(guò)大量樣本采集與建模,可從中提取所含酚類信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄品質(zhì)的快速檢定。光纖光譜儀在便攜式或在線式檢測(cè)中具有廣闊應(yīng)用前景,能夠有效提升葡萄上下游產(chǎn)業(yè)的效率產(chǎn)能。


圖2 巨玫瑰葡萄
圖3 巨玫瑰葡萄植株
葡萄園隨機(jī)選取兩行葡萄植株作為固定采樣點(diǎn)。采樣時(shí)兼顧果穗上中下及陰陽(yáng)面,利用五點(diǎn)取樣法從每穗采集無(wú)損傷和病害的葡萄顆粒。采樣周期從葡萄轉(zhuǎn)色期至成熟期。每隔3~5d進(jìn)行1次采樣,每次采集 280 ~ 320 粒葡萄,并按照顏色和硬度進(jìn)行分組,40 粒為一組,分為7~8組。采樣周期內(nèi)共采集24批試驗(yàn)樣品,共計(jì)178組,每個(gè)樣品測(cè)定20顆巨玫瑰果粒的光譜信息,并將相應(yīng)的20顆巨玫瑰果粒-40℃冷凍保存進(jìn)行后續(xù)理化值測(cè)定。
光譜采集

圖4 光譜采集系統(tǒng)
如圖所示,為減少雜散光干擾,光譜采集在暗室中進(jìn)行,以白板為背景放置葡萄樣本。采集系統(tǒng)由鹵素?zé)?、光纖探頭、光纖光譜儀、標(biāo)準(zhǔn)漫反射白板及樣本組成。其中鹵素?zé)艄庠?、暗室、光纖探頭共同構(gòu)成手柄燈光譜采集模塊,末端通過(guò)光纖和光譜儀連接。光譜儀使用奧譜天成(Optosky)的ATP3030高分辨率型微型光纖光譜儀,積分時(shí)間1ms,分辨率0.5nm,光譜范圍200-1100nm。

首先通過(guò)光譜采集模塊對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)漫反射白板,采集其反射光譜作為標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù),再將單粒葡萄樣本放在漫反射白板上并置于手柄燈暗室內(nèi),搭配軟件反射率測(cè)量模塊,最終獲得該樣本反射光譜。此外,測(cè)量過(guò)程沿葡萄樣本赤道以120°間隔測(cè)量3次取平均值作為最終光譜數(shù)據(jù)。
圖5 成熟期葡萄反射率曲線
為消除光譜儀及外界因素影響,去除前端部分光譜波段,選擇波長(zhǎng)范圍 400~1100 nm進(jìn)行后續(xù)建模分析。
在原始光譜中葡萄樣品的可見(jiàn)-近紅外光譜雖存在重疊和交叉的情況,但整體上變化趨勢(shì)基本一致。在光譜范圍500~720nm內(nèi),光譜曲線存在一定的差異性,原因可能在于葡萄成熟品質(zhì)不同致使其果皮顏色存在差異,進(jìn)而影響光譜的吸收。光譜曲線在波長(zhǎng)720nm附近存在明顯的吸收峰,分析其原因可能與胡蘿卜素、葉綠素的吸收有關(guān)。在光譜范圍850~920nm內(nèi),光譜曲線出現(xiàn)吸收帶,其原因可能與酚類和花青素、纖維素和蔗糖等的吸收有關(guān)。此外,光譜曲線在1000~1050nm范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收帶,可能與水和維生素等成分有關(guān)。

光譜測(cè)量結(jié)束后,將葡萄樣品置于-40℃的低溫條件下冷凍保存,待分離葡萄皮、籽,經(jīng)磨粉、超聲處理、離心、上清液提取后,進(jìn)行總酚和單寧含量測(cè)定。
圖6 總酚標(biāo)準(zhǔn)曲線
總酚是葡萄皮、籽提取物中主要的酚類物質(zhì),采用Folin-Ciocalteu方法測(cè)定并進(jìn)行適當(dāng)修改。使用沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線(mg /g沒(méi)食子酸當(dāng)量)表征總酚含量。
圖7 丹寧標(biāo)準(zhǔn)曲線
采用甲基纖維素沉淀法測(cè)定單寧含量,并根據(jù)校準(zhǔn)曲線,以mg /g的兒茶素當(dāng)量表征單寧含量。
對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,和總酚及丹寧測(cè)定結(jié)果共同構(gòu)建模型。
圖8 CNN 模型架構(gòu)示意圖
圖9 CARS 選擇的不同酚類物質(zhì)特征波長(zhǎng)的位置
經(jīng)過(guò)對(duì)不同預(yù)處理下全波長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建、特征波長(zhǎng)提取,可以得到基于特征波長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型,從而實(shí)現(xiàn)光譜技術(shù)對(duì)皮、籽總酚及單寧含量的高準(zhǔn)確度預(yù)測(cè)。
圖10 葡萄樣品可見(jiàn)/近紅外光譜皮-籽總酚與單寧的最&優(yōu)模型
研究表明,通過(guò)可見(jiàn)近紅外光譜儀,采集葡萄反射率光譜,建立預(yù)測(cè)模型,可實(shí)現(xiàn)葡萄皮-籽總酚和單寧的含量檢測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄成熟度及品質(zhì)的檢測(cè)。
光譜技術(shù)具有成譜時(shí)間快、對(duì)樣品無(wú)損害等特點(diǎn),通過(guò)模型優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)高準(zhǔn)確性檢測(cè),在葡萄或其他水果熟度檢測(cè)上具有極大潛力。而光纖光譜儀以其高可靠性、高精度和高集成度,在手持式檢測(cè)及其他集成檢測(cè)設(shè)備方向獨(dú)&具優(yōu)勢(shì)!
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