第1卷第1期光电学院学报Vol.1,No.1 2010年4月JOURNAL OF OPTOELECTRONICS COLLEGE April,2010
张位春
摘要近红外光谱分析技术广泛应用于农产品的品质检测，应用范围包括定量检测产品中相关化学成分的含量、产品种类的鉴定与判别以及产品的定级定价等等。从近红外光谱定性分析原理入手，系统分析近红外光谱技术在农产品检测领域的应用现状，旨在为推动近红外光谱技术的发展、完善农产品检测技术体系提供参考。
关键词近红外光谱；检测；农产品；鉴别
DOI
Development of the application of qualitative analys is by Near-Infrared Spectroscopy in agricultural product quality inspection
ZHANG Wei-chun
Abstract Near-Infrared Spectroscopy is widely used in the detection of quality of agricultural products,ranging from inspecting the concentration of related chemicals in the products,identifying the variety of the products,and deter-mining the price according to the quality.The paper stated the basic principle of qualitative analysis by Near-Infrared Spectroscopy,analyzed the application and the development of the Near-Infrared Spectroscopy in thefield of agricul-tural product quality examination,with the purpose of promoting the development of the technique of Near-Infrared Spectroscopy and improving the system of examine technology.
Key words NearInfrared Spectroscopy,inspection,agricultural products,identification
近红外光是指波长为780−2526nm的电磁波，由Hershel在1800年所观察到[1]。由于缺乏仪器基础，直到上世纪50年代以前，近红外光谱技术一直没有得到实际应用。上世纪50年代中期以后，随着了简易近红外光谱仪的出现使近红外光谱技术在农副产品分析中得到广泛应用[2]。但随后的20多年由于近红外光谱技术自身的灵敏度低、抗干扰性差等缺点，近红外技术逐渐被人们所淡忘，Wetzel称之为”光谱技术中的沉睡者（sleeper among spectroscopic techniques）”。20世纪80年代以后，随着计算机技术、化学计量学技术及仪器分析技术的发展和应用，人们重新认识了近红外光谱的价值，针对近红外技术开展了广泛的研究[3]。近红外光谱分析技术广泛应用于农产品的品质检测，包括乳制品、肉制品、茶叶、烟草等等。应用范围包括定量检测产品中相关化学成分的含量、产品种类的鉴定与判别以
及产品的定级定价等等。本文综述了红外光谱技术的原理、方法以及在农产品检测方面的应用研究进展。
收稿日期2010-03-27录用日期2010-04-04
作者简介：张位春（1989-），男，中国计量学院光学与电子科技学院本科生浙江杭州3100181近红外光谱分析技术的基本原理和分析过程
1.1基本原理
近红外光谱是由分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，主要是含氢基团X-H（C，N，O）分子振动的倍频和合频吸收。不同基团产生的光谱在吸收峰位置和强度上有所不同，随着样品成分或结构的变化，其光谱特征也发生变化，这就是近红外光谱分析技术的理论基础。由于近红外光谱含有丰富的物质分子结构信息，所以可用来分析绝大多数的化合物及其混合物的成分浓度或品质参数。
近红外光谱分析技术是综合光谱学、化学计量学和计算机应用等多学科知识的现代分析技术。按照测量方式的不同，近红外光谱分析可分成透射光谱分析和漫反射光谱分析2种。近红外透射光谱是根据透射光强与入射光强的比例关系来获得在近红外区的吸收光谱。近红外漫反射光谱是根据漫反射光强与入射光强的比例来获得在近红外光谱区的吸收光谱，常用于分析粉末、不透明固体或液体样品。
抗压强度
1.2分析过程
与其他常规分析技术不同，近红外光谱分析技术是一种间接测量技术。它是使用化学计量学方法建立校正模型，从而实现对未知样品的定性或定量
光谱学与光谱分析2光电学院学报1卷
分析。其主要步骤如下：
（1）选择有代表性的校正集样品，并测量其近红外光谱。
（2）采用标准方法测定感兴趣成分的浓度（品质参数）数据，将其作为参考值。
（3）根据校正集样品的测量光谱和被测量的参考值，通过化学计量学方法建立校正模型。
（4）测量待测样品的近红外光谱，将其代入所建立的校正模型，计算得到样品的浓度（品质参数）。其中，校正模型的好坏将直接影响近红外光谱分析的准确性。分析过程中，影响校正模型的主要因素为：参与建模样品的代表性；被测量参考值的准确性；光谱数据的预处理和建模方法的选择。
1.3特点
近红外光谱分析技术之所以发展迅速、应用广泛，主要是其具有以下特点[4]。
半夏种植•分析速度快、效率高。在几秒至几分钟内就可以
同时测定样品中多种成分的浓度或特性参数。•安全环保。无需化学试剂，对样品和环境不会造
成污染。
•测量方便。近红外光对物质的穿透能力较强，无
需处理样品，可实现无损测量。
•易于在线分析。近红外光在光纤中具有良好的
传输特性，可通过光纤实现在线分析、实时检
测。
2近红外光谱技术的分析方法
饲料添加剂品种目录近红外光谱定性分析多依靠计算机和算法来进行光谱的比较和识别，利用算法来分离提取近红外光谱
信息特征，模式识别是最常用的一种借助于数学方法进行光谱模式的区分和识别的一种综合方法。目前采用的模式识别方法有SIMCA(Soft Independent Modeling of Class Analogy)、支持向量机(SVM)、聚类分析(Cluster Analysis)、人工神经网络(ANN)及偏最小二乘法(PLS)等[5]。
3近红外光谱技术在农产品检测方面的应用研究进展
3.1乳品近红外检测的发展
自20世纪90年代以来，近红外光谱技术在乳品分析中的应用成为研究热点，其中以成分检测的研究居多[4]。Schmilovitch Z.等人[6]采用近红外光谱技术考察了牛奶的非均匀状态对其成分含量测定的影响，提出了在非均匀状态下进行定量分析的方案，采用分层近似方法，建立了该状态下的数学模型，并对其进行了仿真和实验。
Shuso Kawamura等人[7,8]构建了在线近红外光谱检测系统，在波长600−1050nm对挤奶过程中的非均质牛奶进行监测，研究表明近红外测试系统不仅可以用于对牛奶的评价，还可以在奶场对单个奶牛的挤奶过程进行牛奶监测。
Laporte M.F.等人[9]用近红外反射光纤和测温探针对单个奶牛牛奶的凝乳进行监控，在波长1100−2500nm，以2min为间隔记录近红外光谱信息，研究表明，近红外反射光谱是一种监控凝乳的可靠方法，与测温探头相比，该方法能更好地估测凝乳。
Sorensen L.K.等人[10]用近红外透射方式（850−1050nm）和近红外反射方式（1110−2490 nm）对奶酪进行无损检测，研究表明近红外光谱可以预测半硬奶酪的均匀性。
与国外的研究相比，国内对近红外乳制品成分检测的研究起步较晚。
李庆波等人[11]用近红外光谱技术检测牛奶中脂肪、蛋白质和乳糖的含量。研究表明近红外光谱方法可以满足牛奶主要成分的实际测量要求。
魏少华等人采用近红外反射光谱分析技术对来自国内不同地区的900份奶粉样品进行了测定，研究了不同的样品数目、光谱预处理和散射校正技术对奶粉近红外测定定标模型的影响，探讨了建模中的一些影响因素，以及奶粉分析模型用于快速分析和在线检测的可行性。
郑丽敏等人[13]用傅里叶变换近红外光谱法快速测定了新疆疆岳驴奶中的脂肪、蛋白质、能量和灰分的含量，研究表明近红外光谱技术对驴奶样品成分分析是可行的，指出建立定量分析模型时对波段优化组合选择的必要性。
3.2近红外技术在烟草分析领域的应用
20世纪70年代近红外技术开始应用于烟草化学成分测定，1977年McClure[14]等发表了采用近红外技术测定烟草中糖含量的论文，其仪器为单扫描仪，光谱二阶导数回归分析结果最好。1978年Hamid[
自制保健茶
15]发表了使用扫描式单仪，采用近红外技术测定烟草中尼古丁含量的论文，标样为68个，粒度为40目，生物碱范围为0.78%−6.10%。研究了3种数学变换方式：lg(1/R)、一阶导数以及二阶导数，波段由计算机计算选择。随后对近红外技术的成功应用报道日渐增多，McClure[16]、Bense[17]等利用近红外技术检测了烟草中的多酚和挥发碱。Shinohara[18]等建立了部分烟草成分模型，并取得了较好的效果。经过几十年的发展，烟草行业目
1期张位春：近红外光谱分析技术在农产品品质检测中的应用3
前对近红外技术的应用已十分广泛。相对而言，国外的应用水平较为领先，根据不同烟草类型建立了相应近红外分析模型，包括总糖、还原糖、总植物碱等成分指标。
国内自20世纪90年代开始将近红外技术应用于烟草行业，该技术随即进入了一个高速发展时期，并且由实验室研究阶段快速进入了工业应用
进入21世纪后，国内的研究应用逐渐走向成熟，涵盖指标范围日益扩大，主要有以下几个方面：
•烟叶化学成分分析
•烟草不同部位成分分析
•烟草在线分析
3.3近红外光谱技术应用于肉类的检测与鉴别
从肉的化学组成上分析，主要有蛋白质、脂肪、水分、浸出物、维生素和矿物质六种。每种化学成分均对肉的食用品质或营养品质影响甚大，如肉品中水分含量及其持水性能直接关系到肉的品质和风味，肌内脂肪的多少直接影响肉的多汁性和嫩度。自20世纪60−70年代就已有近红外反射光谱与水分、蛋白质、脂肪和卡路里之间相关性的研究，这为深入挖掘近红外光谱技术在此领域的应用与发展打下了基础。该领域研究较为成熟，目前市场上也有此方面应用的专门仪器，如丹麦Foss公司的FoodScan系列食品成分快速分析仪。除了蛋白质、脂肪以及水分这三种最常用的组分外，脂肪中脂肪酸的组成和含量对肉的品质和营养价值具有重大影响，因此现代理念对肌肉脂肪的各种脂肪酸含量和比例有了新的要求。近年来，有学者开始转向对肉类脂肪酸组成和含量的近红外光谱分析研究[19]。
近红外光谱技术除了应用于鲜肉及各种原料肉和生产加工过程的检测外，还能对肉制品成品进行质量的控制。因此，近红外分析技术被广泛应用到肉类工业的各领域来提高产品质量和生产效益，其中包括屠宰场，肉制品加工厂，零售企业，甚至宠物食品工业。各种蒸煮、烟熏的肠类，风干肠类，混合肉馅、肉饼、汉堡饼，熏烤的鱼肉，腌制肉以及火腿等肉制品都有相关的应用，集中表现在对肉制品中蛋白质、脂肪及水分等含量的检测。肉制品样本的处理、检测方法以及建模的方法手段等与鲜肉大致相同。
3.4近红外光谱技术在茶叶检测中的应用
近红外技术在茶叶上基本上还处于研究阶段，未能得到真正的实际利用。目前近红外的研究主要集中在茶叶中几种化学成分的快速检测方面以及茶叶的种类鉴定快速分级等方面[20]。3.4.1茶叶品质相关的化学成分的定量检测
主要检测茶叶中的以下几种成分：水分、茶多酚和儿茶素、抗氧化活性、、氨基酸、茶黄素、茶红素、茶多糖等。
3.4.2茶叶的种类鉴定和判别
除了上述的定量分析以外，定性判别茶叶的种类是近红外技术的又一项功能。利用近红外技术实现茶叶的分类鉴定以至最终实现产地、品种、生产时间等信息的精确判别，对于规范茶叶命名，保护地理标识产品，整顿茶叶市场秩序都有重要的实际意义。各种模式识别、统计分析的数学方法被广泛地应用到茶叶种类的判断上。
3.4.3茶叶的真伪鉴定
茶叶的真伪鉴定也能通过近红外技术来实现。陈全胜等通过标准归一化(SNV)预处理，选取6500−5500cm−1波长范围内的光谱经过主成分分析后，提取11个主成分，选用径向基函数(RBF)作为
核函数建立的模型。对训练集中的138个茶叶样本，模型的回判鉴别率达到93.48%；对90个独立样本进行预测时，模型的预测鉴别率达到84.44%[21]。研究结果表明基于支持向量机的近红外光谱鉴别名优茶真伪的方法是完全可行的。因此利用近红外技术能快速准确鉴别茶叶的真伪，从而能保护和提高品牌效应，打击假冒伪劣产品。
3.4.4茶叶的精确定级
目前茶叶的分级主要是靠人工的感官审评。而感官审评的结果受到环境、温度、审评人的身体状况等众多因素的影响，存在很大的不确定性。茶叶的感官审评是对茶叶外形、汤、香气、滋味、叶底等综合品质的一个评价，而现在的液相、气相谱只能对单一的成分进行检测分析，而不能进行综合的评价和定级。因此，茶叶的感官审评的制约因素复杂，如能采用仪器分析进行茶叶的精确分级，无疑是解决这个问题的最好方法，而近红外技术的发展使这种设想变成了可能。目前已有多项这方面的研究成果。
4问题与展望
近红外光谱技术具有高效、快速、简便、无损伤、无污染、低成本及同时测定多种组分等优点，随着经济、科技的发展及人们对农产品品质的日益关注，此技术在农业领域还将展示诱人的前景。但是，近红外光谱技术在目前农产品应用上还存在以下问题：首先，仪器稳定性要求高，同时价格偏贵，后
期维修费用大。其次，定标建模工作难度大，光谱模型完善困难，要建立一个优良的应用模型，需要丰富的样品资源、较强的专业知识、良好的实验条件及丰富的建
4光电学院学报1卷
模经验与足够的时间，其工作复杂而繁琐。目前，大多数模型是在少量数据基础上的线性和非线性拟合，不具有可靠性和普及性，因而难于指导生产[22]。拓展光谱探测的领域，提高光谱应用领域的广度和精度，研发出更多更好的光谱反演系列模型，统一模型尺度，解决不同模型的转移问题，还有待更多不同领域的专家学者作进一步深入研究。
References
1M Blanco,I Villarroya.NIR spectroscopy:a rapid-response analytical tool[J].Trends in analytical chemistry,2002, 21(4):240−250.
2徐广通，袁洪福，陆婉珍.现代近红外光谱技术及应用进展[J].光谱学与光谱分析,2000,20(2):134−142.
3周健，成浩，王丽鸳.近红外技术在茶叶上的研究进展.茶叶科学2008,28（4）：294−300
4彭丹，李漫男近红外光谱技术在乳品分析中应用的研究进展.农产品加工 学刊.2009年3月
5张宁，张德权，李淑荣，周洪杰，李庆鹏，方梦琳.近红外光谱定性分析技术在食品安全中的应用研究进展.食品安全与检测
6Schmilovitch Z.，Shmulevich I.，Notea A.，et al.Near infrared spectrometry of milk in its heterogeneous state [J].Computers and Electronics in Agriculture，2000，29（3）：195−207.
7Woo Young-Ah，Terazawa Yoko，Chen Jie Yu，et al.Devel-opment of a new measurement unit（MilkSpec-1）for rapid determination of fat,lactose,and protein in raw milk using near-infrared transmittance spectroscopy[J].Applied Spec-troscopy,2002,56(5):559−604.
8Pravdova V.，Walczak B.，Massart D.L.，et al.Calibra-tion of somatic cell count in milk based on near-infrared spectroscopy[J].Analytica Chimica Acta，2001，450（1）：131−141.
9Laporte M F，Martel R，Paquin P.The near-infrared optic probe for monitoring rennet coagulation in cow’s milk[J].
International Dairy Journal，1998，8(7):659−666.10Sorensen L K，Jepsen R.Assessment of sensory properties of cheese by near-infrared spectroscopy[J].International Dairy Journal，1998，8（10）：863−871.
11李庆波，汪曣，徐可欣，等．牛奶主要成分含量近红外光谱快速测量法[J]．食品科学，2002，23（6）：121−124.
12魏少华，杨莉，吴建国．近红外反射光谱技术分析奶粉品质的研究[J]．乳业科学与技术，2003，26（2）：12−16．
13郑丽敏，张录达，郭慧媛，等．近红外光谱波段优化选择在驴奶成分分析中的应用[J]．光谱学与光谱分析，2007，27（11）：2224−2227．
14MCCLURE W F，NORRIS K H，WEEKS W W.Rapid spectrophotometric analysis of the chemical composition of tobacco，part I：Total reducing sugars[J].Beitr Tabak-forsch，1977（9）：13−17.
15HAMID A，WEEKS W W.Rapid spectrophotometric analysis of the chemical composition of tobacco，part 2：Total alkaloids[J].Journal zur Tabak for scchung Inter-national，1978（9）：267−274.
16MCCLURE W F，WILLIAMSON R E，HAMID
A.Measurement of polyphenols in tobacco by comput-
香桃木erized near infrared spectrophotometry[J].Tob Chem ResConf，1978（32）：27−28.
17BENSE T，GASTELLU C.Estimation of total volatile bases in tobacco by near infrared reflectance spectrophotometry [J].Tob Sci，1983（27）：92−94.
18SHINOHARA T，TAJIMA T.Application of near -infrared reflectance instrument to the analysis of chemical constituents of tobacco leaves[J].Bull.Iwata Tob.Exp.Stn，1985（18）：63−69.
19徐 霞，成 芳，应义斌.近红外光谱技术在肉品检测中的应用和研究进展光谱学与光谱分析第29卷，第7期
20周健，成浩，王丽鸳.近红外技术在茶叶上的研究进展.茶叶科学2008，28(4)：294−300
21陈全胜，赵杰文，张海东，等.基于支持向量机的近红外光谱鉴别茶叶的真伪[J].光学学报,2006,26(6):933−937.
22易时来，邓 烈，何绍兰，谢让金，张 璇近红外光谱技术在农作物品质检测上的研究进展.湖南农业科学. 2007,(6):67−69
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