（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 韓東海）

為了多方位展現(xiàn)我國在近紅外光譜領(lǐng)域的最新成果，91儀器信息網(wǎng)和近紅外光譜分會(huì)計(jì)劃合作制作《近紅外光譜新技術(shù)/應(yīng)用進(jìn)展》網(wǎng)絡(luò)專題，同時(shí)也以此獻(xiàn)禮近紅外分會(huì)成立10周年，并寄語2021年國際近紅外大會(huì)。我是受益于近紅外分會(huì)和91儀器信息網(wǎng)的人，感恩無限。愿借此機(jī)會(huì)，把自己多年來對(duì)近紅外在果蔬品質(zhì)無損檢測(cè)方面的認(rèn)識(shí)和認(rèn)知與大家共享。

1. 前言

以前我不論是指導(dǎo)學(xué)生科研還是學(xué)會(huì)報(bào)告話題都比較大，宏觀且泛泛。論述宏觀有利于擴(kuò)寬人們的視野，開闊思路，但不能解決具體問題。今天著重講些細(xì)節(jié)，有些屬于經(jīng)驗(yàn)之談，直擊要點(diǎn)，但略顯有點(diǎn)理論支撐不足。我認(rèn)為兩者均不可或缺，只是每個(gè)人的發(fā)展階段不同從而導(dǎo)致的需求不同而已。

本文對(duì)于研究果蔬品質(zhì)無損檢測(cè)的專家學(xué)者也許能有些幫助，而對(duì)于其他研究方向的如能有所參考就是萬幸了。

近紅外是個(gè)多學(xué)科交叉的結(jié)晶，不同專業(yè)背景、不同經(jīng)歷會(huì)有不同體會(huì)，有不妥之處，望多多指正。

2. 果蔬分選簡(jiǎn)介

先簡(jiǎn)單介紹一下果蔬分選。果蔬分選包括兩大獨(dú)立要素。一個(gè)是大中小的級(jí)別分選，一個(gè)是優(yōu)良中差的等級(jí)分選。大果中有優(yōu)良中差，優(yōu)果中有大中小。近紅外在果蔬分選上的應(yīng)用始于二十世紀(jì)80年代末。之前的果蔬分選主要是級(jí)別分選，部分用機(jī)器視覺或依靠人工按照外觀顏色進(jìn)行等級(jí)分選。外觀顏色與內(nèi)部品質(zhì)有一定的相關(guān)性，但難以達(dá)到生產(chǎn)要求。一是誤判率較高，二是有些果蔬無法實(shí)施，例如獼猴桃等。而且那時(shí)的設(shè)備大小寬窄尺寸基本是固定的，不能輕易更改。

近紅外在果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)上的應(yīng)用使得分選設(shè)備發(fā)生了革命性的變化。首先，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部品質(zhì)等級(jí)無損檢測(cè)，大大地提升了分選設(shè)備功能，從這個(gè)意義上講，近紅外引領(lǐng)果蔬分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛躍式發(fā)展；二是設(shè)備結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，大小寬窄可自由組合，就像積木一樣。

3. 近紅外與果蔬檢測(cè)可謂絕配

近紅外與眾多物料有著非常完美的結(jié)合。例如煙草、飼料、石油化工、醫(yī)藥。果蔬也是其中一例，不過內(nèi)涵卻與其它不同。

首先是波長(zhǎng)范圍。果蔬水分約為80-90%，水果糖度在10-20 Brix之間。其他成分雖然很多，但含量很少。1100nm以下的短波近紅外適用于果蔬類高水分物料。

其次是光譜采集方式。果蔬內(nèi)部質(zhì)量無損檢測(cè)除了糖度以外，還要檢測(cè)內(nèi)部褐變、糖心等，必須采用透射方式采集光譜。短波近紅外穿透力強(qiáng)，加之，1100nm以下屬于硅檢測(cè)器范圍，儀器造價(jià)比銦鎵砷要便宜很多，這又為大量普及應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，為量大利薄的農(nóng)產(chǎn)品銷售提供了強(qiáng)有力的支撐，因此是最佳選擇。

最后是光源功率。果蔬品質(zhì)無損檢測(cè)手持和便攜以及臺(tái)式專用儀器的電源功率，LED最小，鹵素?zé)粜t1-2W，大則12W。而用于在線檢測(cè)時(shí)，1秒鐘要檢測(cè)5-6個(gè)果蔬，西瓜每秒3-4個(gè)，掃描時(shí)間短，需要配置高達(dá)200-300W大功率光源，檢測(cè)西瓜時(shí)甚至達(dá)到2000W。

4. 近紅外首先在水果在線檢測(cè)上發(fā)力

1989年，日本三井金屬礦業(yè)株式會(huì)社EI推進(jìn)事業(yè)部在岡山縣一宮農(nóng)協(xié)推出了世界上第一臺(tái)桃果實(shí)糖度在線漫反射無損檢測(cè)分選設(shè)備，1992年又相繼推出了蘋果、梨的檢測(cè)系統(tǒng)。之后，雜賀技術(shù)研究所、MAKI制作所、NIRECO也研制出類似設(shè)備，繼而在日本大面積推廣。

基于漫反射原理的檢測(cè)主要用于薄皮水果諸如蘋果、梨、桃等，而用于柑橘檢測(cè)則效果不佳，于是又研發(fā)出基于透射原理的檢測(cè)，一直延續(xù)至今。隨著檢測(cè)項(xiàng)目的增加，由單一的糖酸度向內(nèi)部褐變、糖心、水浸、局部失水、空洞等多指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)延伸，落葉果及西瓜甜瓜類果實(shí)則主要采用漫透射方式。特殊情況時(shí)，蘋果和蔥頭需要在兩個(gè)位置同時(shí)采集光譜。

現(xiàn)在日本SHIBUYA精機(jī)株式會(huì)社成為果蔬分選設(shè)備廠家中的一支獨(dú)大，從核心部件光譜儀等內(nèi)外品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)到輸送裝箱碼垛以及控制系統(tǒng)全部獨(dú)自生產(chǎn)，近江度量衡株式會(huì)社部分自主，部分外協(xié)。三井、雜賀、NIRECO則只生產(chǎn)內(nèi)外品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

果蔬內(nèi)部品質(zhì)近紅外在線檢測(cè)技術(shù)因能直接解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，并帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在先進(jìn)國家政府的資助下得到大面積推廣應(yīng)用，僅日本至少有4000個(gè)大型果蔬分選設(shè)施正在運(yùn)行。

5. 近紅外光譜采集方案多種多樣

果蔬物料尺寸有大有小，果肉有薄有厚，糖酸度有高有低，且分布不均。由此產(chǎn)生若干檢測(cè)個(gè)性化方案。例如光譜采集方案就有如下之多，圖1- 6。

圖1和圖2光源和檢測(cè)器布置相同，但物料放置及輸送環(huán)節(jié)有別。圖1托盤不但能平穩(wěn)地輸送西瓜，避免磕碰，而且還可遮擋雜散光進(jìn)入檢測(cè)器。依據(jù)西瓜、甜瓜類的生理結(jié)構(gòu)，花萼處果皮最薄，花萼沖下放置，有利于獲取更多的內(nèi)部信息。由于菠蘿果心粗大，橫置更妥，且輸送更平穩(wěn)。

圖3和圖4的光源與檢測(cè)器設(shè)置一樣，但樣品放置和光譜采集細(xì)節(jié)有所不同。西紅柿的果柄影響信息接收，如圖3所示，故倒置。由于物料內(nèi)部組織構(gòu)造差異很大，蘋果肉質(zhì)均勻密實(shí)，而西紅柿則有外果皮、中果皮、果漿、胎座，少許空腔，各組織之間光特性差異大，造成散射不均。為此，蘋果光源布置向赤道下方照射，靠蘋果赤道直徑大來遮擋雜散光(圖4)。而西紅柿則照射上半球，以利獲得更多有效信息。

圖5和圖6的光源和檢測(cè)器設(shè)置相同。圖5為常規(guī)布置，而圖6采用了特殊透鏡，縮小了光斑大小，因?yàn)楦涕俦仁[頭體積小，這樣可有效避免雜散光進(jìn)入檢測(cè)器。這只是一個(gè)公司的方案，加上其他公司的獨(dú)具匠心的思考，采集方案層出不窮。

6. 檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)精度

表1列出了來自三井金屬計(jì)測(cè)公司的透射模式部分檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)項(xiàng)目，這些檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)項(xiàng)目早已成熟，轉(zhuǎn)為常規(guī)。其他公司，如SHIBUYA精機(jī)、近江度量衡、NIRECO、雜賀技研均能實(shí)現(xiàn)，包括一些沒有列入的檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)項(xiàng)目。即使如此，有些項(xiàng)目也不是百分之百正確檢出，例如局部褐變誤判率較高。但是小果實(shí)，例如櫻桃、草莓，個(gè)別水果，如葡萄，諸如此類的近紅外在線分選技術(shù)暫不多見。

表1 透射模式檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)項(xiàng)目1)

由于在線檢測(cè)所用光源功率較大，能確保獲得足夠強(qiáng)的有效信息，故檢測(cè)精度一般高于便攜和手持儀。以SHIBUYA精機(jī)株式會(huì)社在線內(nèi)部檢測(cè)裝置為例，各種水果的糖度檢測(cè)精度如表2所示。

表2 糖度檢測(cè)精度2)

對(duì)象

蘋果

梨

蜜桔

桃

西瓜

西紅柿

柿子

甜瓜

SEP

0.28

0.33

0.34

0.37

0.42

0.50

0.61

0.74

由表2可知，蘋果檢測(cè)精度最高，甜瓜最低。這個(gè)趨勢(shì)與其他廠家基本一致。也就是說，蘋果是最好檢測(cè)的，而果肉厚內(nèi)心甜的甜瓜最難檢測(cè)。一般消費(fèi)者對(duì)于糖度相差0.5Brix以內(nèi)難以察覺，故水果檢測(cè)精度SEP如能達(dá)到0.5就能滿足生產(chǎn)要求。

日本的水果品質(zhì)普遍較高，好吃已經(jīng)不是問題。為了適應(yīng)新的國際形勢(shì)，加大水果競(jìng)爭(zhēng)力度，日本政府正在組織產(chǎn)學(xué)研攻破果蔬功能成分在栽培、管理、在線無損檢測(cè)方面的難題。蘋果重點(diǎn)提高花青素含量，西紅柿是番茄紅素，柑橘是 -隱黃素，胡蘿卜是番茄紅素和 -胡蘿卜素。由于這些成分含量比較少，近紅外檢測(cè)存在一定難度。番茄紅素已經(jīng)實(shí)用化，其他幾個(gè)成分仍在努力中。

7. 水果手持、便攜、臺(tái)式專用儀器發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁

2000年，F(xiàn)ANTEC開始銷售世界上第一臺(tái)水果專用便攜儀FRUIT TESTER-20，時(shí)間不長(zhǎng)又推出FQA NIR GUN手持儀(圖7)。便攜儀和手持儀主要用于科學(xué)研究，同時(shí)也為那些生產(chǎn)量小的個(gè)體果農(nóng)帶來福音，因?yàn)榛◣资f或百萬日元就能達(dá)到幾個(gè)億的設(shè)備功能，只是生產(chǎn)效率無法相比。

同年，KUBOTA公司首先推出了臺(tái)式儀，其后又推出便攜儀，從2019年7月始，對(duì)原有機(jī)型進(jìn)行升級(jí)換代，如圖8和圖9。這兩款儀器社會(huì)保有量估計(jì)在1000臺(tái)左右，也是本人認(rèn)為最好用的儀器。

這臺(tái)儀器的日本水果模型拿到中國無需修正，可直接使用，預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確穩(wěn)定，該儀器像素點(diǎn)只有254個(gè)，糖度模型采用的是4-5個(gè)波長(zhǎng)的MLR。本人實(shí)驗(yàn)室在北京奧運(yùn)前購買了一臺(tái)，十幾年過去了，現(xiàn)在還在使用中，中途只更換過電源開關(guān)。我曾問過這臺(tái)儀器的研發(fā)部長(zhǎng)石橋先生，他說，因?yàn)閮?nèi)置波長(zhǎng)橫縱坐標(biāo)自動(dòng)校正功能，所以儀器預(yù)測(cè)值才穩(wěn)定。橫坐標(biāo)校正方法已經(jīng)成熟，但縱坐標(biāo)措施不多，也許誰掌握了縱坐標(biāo)校正技術(shù)，誰就能占領(lǐng)市場(chǎng)。

N1(圖10)從2009年開始銷售，由于產(chǎn)品精制，價(jià)格便宜，至2017年8年間共銷售648臺(tái)。最為特殊的是該儀器采用了不受雜散光影響的TFDRS法(TFDRS:Three-Fiber-based Diffuse Reflectance Spectroscopy)，1點(diǎn)照射，2點(diǎn)接收。通過2個(gè)漫反射強(qiáng)度比計(jì)算相對(duì)反射率,進(jìn)而獲得相對(duì)吸光度比。該吸光度比不受漫反射光路的變化影響，且與水果糖度呈直線相關(guān)。該檢測(cè)模型建立在標(biāo)準(zhǔn)樣品基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，推導(dǎo)出方程，然后用水果進(jìn)行驗(yàn)證，故在實(shí)際應(yīng)用中，不需進(jìn)行參比測(cè)量，不需進(jìn)行模型維護(hù)，是這一種全新思維，不同于傳統(tǒng)方法。

PAL光傳感器是最新系列水果手持糖度儀(圖11)，采用LED光源進(jìn)行糖度無損檢測(cè)。目前應(yīng)用對(duì)象分別為蘋果、梨、桃、葡萄、迷你西紅柿。從2017年開始銷售以來，不到一年就售出400臺(tái)，該公司的銷售目標(biāo)是1萬臺(tái)。

還有幾種正在出售的臺(tái)式儀和手持儀。

QSCOPE-DT功能最強(qiáng)大，不但可以預(yù)測(cè)糖酸度，也可檢測(cè)內(nèi)部品質(zhì)。Amaica-Pro 與KUBOTA臺(tái)式儀一樣，檢測(cè)糖酸度的同時(shí)也可稱重，把級(jí)別和等級(jí)分選元素集于一體，是小型果蔬分選儀典型代表。CD-H100采用濾光片技術(shù)，物美價(jià)廉，缺點(diǎn)是儀器臺(tái)間差較大，建模任務(wù)艱巨。

我認(rèn)為，在臺(tái)式、便攜、手機(jī)水果專用儀器中，SACMI的臺(tái)式儀適應(yīng)性最廣，如圖12。因?yàn)檫@臺(tái)儀器采用了8個(gè)20W的鹵素?zé)簦β蕪?qiáng)大。內(nèi)部采用不銹鋼錐形擋板，將光源與檢測(cè)器分隔在圓錐擋板內(nèi)外。光源在錐形板外向上照射，結(jié)構(gòu)上保證了雜散光不能進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器在圓錐擋板內(nèi)，當(dāng)水果放置在錐形擋板頂端時(shí)，橡膠圈的密封阻擋了反射雜散光的進(jìn)入。這種漫透射設(shè)計(jì)加上大功率，不論是內(nèi)部成分還是內(nèi)部病變的檢測(cè)均能勝任，是個(gè)科研好幫手，就是價(jià)格偏貴。

8.樣品真值測(cè)量

真值測(cè)量往往被輕視，特別是像水果類的樣品，不論是品種間、還是種類間差異都比較大，沒有深入了解細(xì)致籌劃，將影響建模效果。因?yàn)榻ｎA(yù)測(cè)精度永遠(yuǎn)不可能超過實(shí)測(cè)精度。以如下兩個(gè)案例進(jìn)行說明。

甜瓜光譜采集位置是花萼處，故在花萼處取ф40mm(因?yàn)榄h(huán)形光源直徑是ф38mm)果肉打碎后取果汁測(cè)量糖度，如圖13所示。

圖14是柑橘糖度實(shí)測(cè)值圖解。充分考慮樣品生化特性，整體榨汁，再經(jīng)過濾實(shí)測(cè)值更準(zhǔn)確。

9. 展望未來

近紅外在果蔬品質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用已經(jīng)30年了，技術(shù)細(xì)節(jié)在不斷完善進(jìn)步，但整體思維模式有待突破。

上面介紹的都是近紅外光譜在果蔬品質(zhì)無損檢測(cè)上的應(yīng)用，近年來，近紅外圖像也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。近紅外激光正在發(fā)揮著特殊作用。隨著LED光源，特別是近紅外區(qū)域LED連續(xù)光源的研制成功、光譜儀小型化、微型化、量子光譜儀的問世、無線通訊、

5G數(shù)據(jù)快速傳輸、人工智能等方方面面的突飛猛進(jìn)，局部照射，多點(diǎn)測(cè)量，攻破尚存頑癥指日可待。

10.總結(jié)與寄語

編輯審閱初稿后提出“日本的果品篩選技術(shù)對(duì)中國近紅外技術(shù)在果品檢測(cè)方面有什么經(jīng)驗(yàn)借鑒？這方面的內(nèi)容可否給大家稍微總結(jié)一下？”我覺得編輯的建議很好，也很重要，關(guān)鍵是我的能力有限，擔(dān)心難以勝任。

首先，中國的近紅外儀器必須走專用化發(fā)展之路，這一點(diǎn)大家已經(jīng)取得共識(shí)，不再贅述。

其次，近紅外專用儀器必須走共同合作研發(fā)之路，這一點(diǎn)大家也不會(huì)有異議。

最后，各個(gè)環(huán)節(jié)必須精益求精，方能廣為應(yīng)用。以水果為例歸納如下：

1)儀器不但要提高信噪比，還應(yīng)在水果主要成分糖酸吸收波段800-950nm間提高靈敏度，以期獲得更多有效信息。

2)不論是254個(gè)像素還是1024個(gè)，波段區(qū)間應(yīng)有所側(cè)重?？紤]到水果顏色或者說葉綠素(670mm)有時(shí)也是檢測(cè)指標(biāo)之一，650nm-970nm區(qū)間更適合水果。

3)漫透射、透射因擴(kuò)展性好已成為光譜采集的主流。同時(shí)，消除大小影響的配套措施不可或缺。

4)透射能量譜一旦低于10%，檢測(cè)器有可能在檢測(cè)限以下，此時(shí)，吸光度與樣品濃度不符合朗伯比爾定律。要么加大光源功率，要么提高儀器靈敏度、要么延長(zhǎng)積分時(shí)間等加以調(diào)整。

5)日本幾大果蔬內(nèi)部品質(zhì)近紅外無損檢測(cè)系統(tǒng)均為各自專利產(chǎn)品，這是核心，也是關(guān)鍵。

國內(nèi)從事近紅外研究生產(chǎn)應(yīng)用的專家學(xué)者工程師高達(dá)數(shù)千人，經(jīng)過二十幾年的實(shí)踐和積累，近紅外技術(shù)在中國的大范圍推廣應(yīng)用、厚積薄發(fā)之日已經(jīng)迎面撲來。

參考文獻(xiàn)

1. https://www.mitsui-kinzoku.co.jp

2. SHIBUYA精機(jī)株式會(huì)社宣傳資料

3. http://www.sacmi.com/

4. KUBOTA KBA100使用說明書