第55卷第2期2021年4月华中师范大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY (Nat Si )
Vol. 55 No. 2
Apr&2021
DOI ：10. 19603/j. cnki. 1000-1190. 202— 02. 008 文章编号：1000—190（2021）02-0211—0
谭保华—2!，肖腾飞—2!!，刘琼磊2!，李 根—2!，李 刚4!，黄程旭5 *
收稿日期：2019-09-03.
基金项目：国家教育部大学生创新创业计划项目（201510500003,201610500012,201810500024）；湖北省教育厅大学生
创新创业计划项目（201910500044）；湖北工业大学绿科技引领计划项目（CPYF2018009）.
* 通信联系人.E-mail ： 1461242726@qq. com ；4426846@qq. com.
（1.湖北省能源光电器件与系统工程技术研究中心，武汉430068；
2.湖北工业大学理学院，武汉430068；
3.太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉430068；
钢水取样器4.中国质量认证中心广州分中心，广州510620；
5.长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州434023）
摘要：实现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.基于近红外光谱分析技术，该文采用近红外漫反射检测方法，设计了水果含糖量的
近红外检测的实验系统.实验以新疆阿克苏苹果、海南香蕉和新疆鲜枣为研究样本对象，研究3种 水果整体样本光谱图与切片样本光谱图，分析了光谱图的差异性.并且，实验还进一步研究了香蕉
和鲜枣实验样 一定时间周期内的 情况，分析了 7d 时间周期内实验样 变化 来
表明，近红外漫反射检测方法可以有效实现实验水果样本的无损检测，检测结果能够反映实验水
果样本的含糖量情况.同时，实验水果样本切片反映出的内部信息，比实验水果整体样本更加丰
富.并且，实验验证了跃变型和非跃变型水果随时间变化的光谱变化规律，即：跃变型实验水果样 本在1周内光谱变化明显，其光谱吸收度呈现出先升高后降低总体趋势；而非跃变型实验水果样
本，在1周内的光谱差异性不大.
关键词：近红外光谱分析；实验系统；无损检测；光谱差异；水果含糖量
中图分类号：TP29 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标志码（OSID ）：
水果的生产，在世界范围内占据着重要的位 置.我国是水果的生产大国，水 业已经成为农
民增收的主要途径之一.改 放以来， 我
国实行农业结构调整政策以来，水
业在国民经
中占有举足轻重的地位，已经成为农业支柱性产
业'（现代研究 ，水果营养 ，不仅脂肪
和胆固醇 低，
、膳食纤维，而且含有多
种氨基酸和
，深受消费者喜爱
然而，水 娇嫩的.在其 摘过程中，极易受到病虫害和霉菌伤害，采摘时也易受 到机械损伤.所有
，不仅会使水果的品质
口感受损，还可能因被人食用，从而进一步对人体 的
.
因此，对水果的品质检
分
要的.一般来说，果糖的 接
水果的口感，也会直接反映水果的品质，是水果品质的重要 评判标准之一随着国民经 展，消费 ［生水
断提高的同时，对水果也提岀了更高的要
求.不仅水 （大小、形状、颜等）要求更
高，对水果内部的质量和品质（质量、口感、味道等）
也更为重视⑷.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'（实现水果内部 品质 无损检测，不仅是农业 的需要，也是
满足我国消费者日 化要求的需要.
分析技术， 年来 了 足的展与
， 已 经 了 的当
中， 农 领域，作为一种 够
和 的无 检 技术 ，
分析技术 非 Dong 等为
了快速检测苹果的质量，通过建立不同的
，利
分析技术，对苹果的
性固形物、
、PH 值、水分
进行了深入的定量分析.光纤探头
Emanuel Jose Nascimento Marques 等（2016
年）8，基于线性变量滤波器（LVF ）技术，研究了
小 （NIR ）） ，对“汤米•阿特金斯”
进行了快速无 质分析.赵文涛等［9］以鲜枣
为研究对象，以化学计量学
，选用偏最小二乘
法（PLS ）和主成分回归分析法（PCR ），建立了鲜枣
研究了不同建模主成分因子对建
i
果
12华中师范大学学报(自然科学版)第55卷
的影响，并试图出偏最小二乘法建模中的最佳主
成分因子.ALI等「10(为了评估香蕉的和PH
值&技术，以非破坏性的，完成
了相关研究•但是，虽然技术在大1
业的日和，但由于业经
商业秘密等原因，彳际的具体和
详细内容见报
基于分析技术，研究样本对象新疆阿克苏苹果，海南香蕉和新疆鲜枣，检
漫反射法，设计了检：验系统，进行水检测实验研究，详细研究分析了三种水个样本与样的光的差异，并研究了在一定时间周期内实验样本的变化情况.
年份
图1我国苹果、香蕉与鲜枣的年度产量
(数据来源：国家统计局)
Fig1Theannualyieldofapple，bananaandjujubeinChina
1近红外检测技术
1・1近红外检测技术原理
，一范围为780〜2526nm的电磁波.通常情况，生物C—H、O—H、N—H、S—H、P—H等含氢基团，振动的倍频和合频吸收光谱，很容易•由于分子的非性，使得分子将从基态向高能级跃迁•在这个过程中，当含氢基团分子受
照射时，基团分子而共振，同时部分吸收红外光的能量•通过定其吸收光情况，比较的光学，这种定性：被测物质的「11(・
研究，通过适当的化学计量方法，能够关联收与物质的成分或性质数据，并建立起相应的关联模型•采用Kubelka-Munk函数&漫反射分析技术进行定分
析「12(，其具体表达式为
图2含氢基团分子的伸缩振动和变形振动示意图
(g表示垂直纸面向内运动，①表示垂直纸面向外运动) Fig2Examplesofstretchingvibrationand deformationvibrationofmeasured materialmolecules (®is vertical paper facing inward motion，and
J is vertical paper facing outward motion)
N%1+K-槡2［，⑴式中，漫反射体的绝对漫反射率记录为，它是K/S 的函数，依赖于S与K的比值，反映出射光与入射的比率；其中，K为漫反射体吸收系数，由漫反射体的化学组分决定；S为散射系数，则取决于漫反射体的基本物理特性.
吸收全反射
氢氧焊接机
absorption speoula
reflectance
透射
transmittance
漫仮谢散射
diffuse severing
reflectance
图3近红外光与物质的相互作用图
Fig.3The interaction between
near-infraredlightand ma t er
1・2近红外检测技术的分类
物质，可能有完全被吸收、发生全反射、漫反射、透射和散射等五种情况，不同的物质分相的体收一样的与物质的相互3
的检主要有：近红外反射检、透射检和漫反射检「13(，这三种均于水的检测，但是各自的要求和检测偏同.
1. 2.1近红外反射检测法近红外反射检测法中，要求将检测器和放水果样品的同侧.
验中，检测器的检象，是被样则反射回来的光「⑷&4(a)所示.所以&
反射
第2期谭保华等：水果含糖量近红外漫反射检测实验及分析研究213石墨烯设备
检测方法适用对象，一般应为不透明、固体、半固体样品，当样品的反射率较高时，光谱信息比较容易现•但是&由于是反射光，&与水果内部相互较少，反射光信息中主要携带的的光谱信息，而对水果内部信息的反映较少•所以，近红反射检加于检测水皮信息的实验研究，而于对水果内部信息的检测和研究.
—2.2近红外透射检测法近红外透射检测法，要求将待测水果样品放和器之间.
验中，检测器所检测的对象，是系统透射光与水样品相互之后的光，因此传输的光信息中，承载了水果样品的内部信息'5(我4(b)所示.透
射检象为透半透明样品，透射光信息能完全反映样本内构信息.因此，近红外透射检的，是能够不受水性的影检测器接收的信息反映水果内部组织的信息•但是，当较弱的时候，透射出水果的光就很少，那么其的效果就达不到.因此，在透射检中，通常需要使高的专用光源.
_o光源间的测量方法'6(，其适用对象为不透明、固体、半体样&接受的信息够全反映水内部组织的特性'7(，并且，试验中不需要特定要求
的，中需要将与器隔'8(，4(c))
综3种检测方法都各有自己的优缺点，综种，牛需求和实验搭建难易，漫反射检，进行水的检验研究
2实验方法及实验系统设计
2.1实验样本准备和数据采集点选取
在同一家水果店，购买大小和重量都相差不大的同批次新疆阿克苏苹果、新疆鲜枣和香蕉各若干个•将样擦，扌并封并静室温保持在20〜24°C的实验室里24h，如图5所示.
验新疆阿克苏苹果样本上的5个点，作为数据.其中，苹验样本1号点位于苹果中心轴上一点；苹果样本实验样本4、5号点与2、3号点应为相互对称的位置上，且四个点基本位于实验样本中心圆上相互对称的位置.
(a)近红外光反射检测法(b)近红外光透射检测法图5新疆阿克苏苹果和海南香蕉实验样本图Fig.5The experimental samples of
Xinjiang Aksu apple and Hainan banana
(c)近红外光漫反射检测法
图4近红外光透射检测方法示意图
Fig.4The schematic diagram of near-infrared detection
—2.3近红外漫反射检测法光照射到物体后，在物体内的、确定的反射，形的漫反射.•漫反射法进行检-其分析，实际为是一种介于反射与透射之
香蕉样本上的5个点，则将香蕉实验样本主体沿轴线均分成6等份，实验以测量的这5个点的均值作为样本的数据.
图6实验样本数据采集点位置示意图
Fig6The schematic diagram of sample points
新疆鲜枣由于体积相对比较小，因此取3个数据即可，具体沿着鲜枣实验样：道
14华中师范大学学报（自然科学版）第55卷
部位，按照顺序依次标记对称的3个点（间隔约120°），作为数据采集
实验样本数据采集点位置示意图如图5所示.
2.2实验及
实验研究仪器包括近红外光纤光谱仪（Ocean Optics NIR256—2.5系列）24V卤钩灯（Ocean Optics HL—2000—HP系列）、光学多路复用器（Ocean Optics MPM—2000）、水平试验台、试验支架、铜盘、测试暗箱、实验计算机等.
2.2.1验研究使用海洋光学公司的，其7&仪具体参数规格列出1:.
表1实验研究使用近红外光谱仪规格及参数列表Tab1Thespectrometerandparameters
验器数设
积分时间范围1〜400ms NIRQuest近红外光谱仪波长范围900〜2500nm （Ocean Optics NIR256—2.5）狭缝长25&m
适配光纤连接器SMA905
图7NIRQuest近红外光谱仪外观图
Fig.7The appearance of NIRQuest
near-infraredspectrometer
2.2.2光源选择本实验研究光源使用海洋光学HL—2000系24V卤(8
8HL-2000卤
Fig8Theappearanceofhl-2000halogen
tungstenlightsource 示），其360〜2000nm的测量范围最适于近红外
验研究的具体参数及设2出
表2实验研究使用卤钩灯光源规格及参数列表
Tab2TheexperimentalTungsten
halogenlampandparameters
验器：数设
24V卤钩灯
输出波长范围360〜2400nm (Ocean Optics HL—2000系列)
输出功率大小8.8mW
温值
熏蒸床3000K 2.2.3光学多路复用器选择本实验研究使用的光学多路器，选择海洋光学的MPM—2000系验中，
通学多路器，首先将光从1连接器的输入端，然后将光分16个输出口，如图9.分每个输出端的连续的，各个通道间的误差小于250&s.
2.2.4光纤与探头选择本实验选择使用海洋光学的仪器纤和探头进行研究，如图10和图11
图11所示的实验探头具有以下特点#）非常适用于实验室和需要温和处理的环境；2）6根光纤连接输出，另一根光纤则连接
现性能（即6绕1光纤束设计）；3）配有3.175mm直径的套圈，可用于荧光测量.
图9实验研究用光学多路复用器外观图
Fig9Theappearancediagram ofoptical
multiplexerforexperimentalresearch Fig10
图10实验光纤I图
The appearance diagram of experimental
fiber
第2期谭保华等：水果含糖量近红外漫反射检测实验及分析研究15
图11实验探头外观图
Fig11The appearance diagram of experimental probe
2. 2.5糖度计选择本实验使用糖度计，选择亚
名仪器FG118折.FG118折光仪为
铜材质，重量为200g，测量范围为0〜80%_rix，其具体构示意12.
检测棱镜盖板调节螺丝镜筒和手柄视度调节手轮
图12FG118糖度计外观及结构图
Fig12Theappearanceandstructureof
FG118saccharometer
2.2.6试验软件选择实验采用NIRQuest光谱仪自带的SpectraSuite，作为本实验的光谱采集软SpectraSuite软件由美国海洋光学公司设计开，主要有参数设置、模式设置、2和查
看等功能，软件界，较简便.
验研究验仪器设备，器和
，还有水平试验台、试验支架、铜盘、测试暗、实验计算机•其中，通过使用水验台，可调验在水下进行；试验支架则对光纤探头和固定；同时，试验中使，可加强光的反射.
2.3实验系统设计
综种影响因素，经过前期设计和试验，本实验漫反射检为试验，并根据其原理搭建和设计了实验系统，如图13所示为实验系统图.
如图13中所示，试验光源选取24V卤钩灯，
图13实验系统图
Fig13The schematic diagram of experimental system
首先，把光学多路复用器的各个探头，固定在试验架的指定位；用光纤把接入多路器，并通过光纤和探头，将光信息传递验水果样本的；与实验样漫反射室内充分相互，漫反射出射光进入头中，因此出射光将携带和承载验对象样本的内构和信息；最终，系统将信息，传递给验；通过数据线连接验计算&将的数据验计算中
2.4实验
准备验样本及实验系统后，具体按照如下详细步骤和完个实验过程
动物胶配方整个过程1"将光学多路 器连接，将探测器依次放验设计的实验样本数据位：.
中，应注意一定不要使器与实验样：面
接触，但是要使 器与实验样本之间距离达到最小.
2）试验计算机开机后，打开SpectraSuite软件•为了验中降低的，应该设置制
同时，应注意查时测量温度值，应该等待温一15C时，再开始体的试验和
3）设验过程的积分时间为1，并将噪声设置为趋近于0.
4）设置积分时间为100ms设置平均次数为10，设滑度为7，其 数设，则相关参数设置完毕.
5"关闭卤钩灯光源，存储暗光谱，并扣除暗光再卤&设z&反
射，则系统准备妥当
.
豫公网安备41160202000603
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