（中國農(nóng)業(yè)大學 韓東海）

為了多方位展現(xiàn)我國在近紅外光譜領域的最新成果，91儀器信息網(wǎng)和近紅外光譜分會計劃合作制作《近紅外光譜新技術(shù)/應用進展》網(wǎng)絡專題，同時也以此獻禮近紅外分會成立10周年，并寄語2021年國際近紅外大會。我是受益于近紅外分會和91儀器信息網(wǎng)的人，感恩無限。愿借此機會，把自己多年來對近紅外在果蔬品質(zhì)無損檢測方面的認識和認知與大家共享。

1. 前言

以前我不論是指導學生科研還是學會報告話題都比較大，宏觀且泛泛。論述宏觀有利于擴寬人們的視野，開闊思路，但不能解決具體問題。今天著重講些細節(jié)，有些屬于經(jīng)驗之談，直擊要點，但略顯有點理論支撐不足。我認為兩者均不可或缺，只是每個人的發(fā)展階段不同從而導致的需求不同而已。

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

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

2. 果蔬分選簡介

先簡單介紹一下果蔬分選。果蔬分選包括兩大獨立要素。一個是大中小的級別分選，一個是優(yōu)良中差的等級分選。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用始于二十世紀80年代末。之前的果蔬分選主要是級別分選，部分用機器視覺或依靠人工按照外觀顏色進行等級分選。外觀顏色與內(nèi)部品質(zhì)有一定的相關(guān)性，但難以達到生產(chǎn)要求。一是誤判率較高，二是有些果蔬無法實施，例如獼猴桃等。而且那時的設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)檢測上的應用使得分選設備發(fā)生了革命性的變化。首先，實現(xiàn)了內(nèi)部品質(zhì)等級無損檢測，大大地提升了分選設備功能，從這個意義上講，近紅外引領果蔬分選技術(shù)實現(xiàn)了飛躍式發(fā)展；二是設備結(jié)構(gòu)大為簡化，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)量無損檢測除了糖度以外，還要檢測內(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，加之，1100nm以下屬于硅檢測器范圍，儀器造價比銦鎵砷要便宜很多，這又為大量普及應用創(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)無損檢測手持和便攜以及臺式專用儀器的電源功率，LED最小，鹵素燈小則1-2W，大則12W。而用于在線檢測時，1秒鐘要檢測5-6個果蔬，西瓜每秒3-4個，掃描時間短，需要配置高達200-300W大功率光源，檢測西瓜時甚至達到2000W。

4. 近紅外首先在水果在線檢測上發(fā)力

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

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

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

果蔬內(nèi)部品質(zhì)近紅外在線檢測技術(shù)因能直接解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，并帶來經(jīng)濟效益和社會效益，在先進國家政府的資助下得到大面積推廣應用，僅日本至少有4000個大型果蔬分選設施正在運行。

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)生若干檢測個性化方案。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入檢測器。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的光源與檢測器設置一樣，但樣品放置和光譜采集細節(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，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的光源和檢測器設置相同。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，因為柑橘比蔥頭體積小，這樣可有效避免雜散光進入檢測器。這只是一個公司的方案，加上其他公司的獨具匠心的思考，采集方案層出不窮。

6. 檢測對象、檢測項目和檢測精度

表1列出了來自三井金屬計測公司的透射模式部分檢測對象和檢測項目，這些檢測對象檢測項目早已成熟，轉(zhuǎn)為常規(guī)。其他公司，如SHIBUYA精機、近江度量衡、NIRECO、雜賀技研均能實現(xiàn)，包括一些沒有列入的檢測對象和檢測項目。即使如此，有些項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，例如櫻桃、草莓，個別水果，如葡萄，諸如此類的近紅外在線分選技術(shù)暫不多見。

表1 透射模式檢測對象及檢測項目1)

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

表2 糖度檢測精度2)

對象

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，蘋果檢測精度最高，甜瓜最低。這個趨勢與其他廠家基本一致。也就是說，蘋果是最好檢測的，而果肉厚內(nèi)心甜的甜瓜最難檢測。一般消費者對于糖度相差0.5Brix以內(nèi)難以察覺，故水果檢測精度SEP如能達到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。為了適應新的國際形勢，加大水果競爭力度，日本政府正在組織產(chǎn)學研攻破果蔬功能成分在栽培、管理、在線無損檢測方面的難題。蘋果重點提高花青素含量，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，近紅外檢測存在一定難度。番茄紅素已經(jīng)實用化，其他幾個成分仍在努力中。

7. 水果手持、便攜、臺式專用儀器發(fā)展勢頭強勁

2000年，F(xiàn)ANTEC開始銷售世界上第一臺水果專用便攜儀FRUIT TESTER-20，時間不長又推出FQA NIR GUN手持儀(圖7)。便攜儀和手持儀主要用于科學研究，同時也為那些生產(chǎn)量小的個體果農(nóng)帶來福音，因為花幾十萬或百萬日元就能達到幾個億的設備功能，只是生產(chǎn)效率無法相比。

同年，KUBOTA公司首先推出了臺式儀，其后又推出便攜儀，從2019年7月始，對原有機型進行升級換代，如圖8和圖9。這兩款儀器社會保有量估計在1000臺左右，也是本人認為最好用的儀器。

這臺儀器的日本水果模型拿到中國無需修正，可直接使用，預測值準確穩(wěn)定，該儀器像素點只有254個，糖度模型采用的是4-5個波長的MLR。本人實驗室在北京奧運前購買了一臺，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)。我曾問過這臺儀器的研發(fā)部長石橋先生，他說，因為內(nèi)置波長橫縱坐標自動校正功能，所以儀器預測值才穩(wěn)定。橫坐標校正方法已經(jīng)成熟，但縱坐標措施不多，也許誰掌握了縱坐標校正技術(shù)，誰就能占領市場。

N1(圖10)從2009年開始銷售，由于產(chǎn)品精制，價格便宜，至2017年8年間共銷售648臺。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點照射，2點接收。通過2個漫反射強度比計算相對反射率,進而獲得相對吸光度比。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)。該檢測模型建立在標準樣品基礎上進行模擬，推導出方程，然后用水果進行驗證，故在實際應用中，不需進行參比測量，不需進行模型維護，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光源進行糖度無損檢測。目前應用對象分別為蘋果、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，該公司的銷售目標是1萬臺。

還有幾種正在出售的臺式儀和手持儀。

QSCOPE-DT功能最強大，不但可以預測糖酸度，也可檢測內(nèi)部品質(zhì)。Amaica-Pro 與KUBOTA臺式儀一樣，檢測糖酸度的同時也可稱重，把級別和等級分選元素集于一體，是小型果蔬分選儀典型代表。CD-H100采用濾光片技術(shù)，物美價廉，缺點是儀器臺間差較大，建模任務艱巨。

我認為，在臺式、便攜、手機水果專用儀器中，SACMI的臺式儀適應性最廣，如圖12。因為這臺儀器采用了8個20W的鹵素燈，功率強大。內(nèi)部采用不銹鋼錐形擋板，將光源與檢測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入檢測器。檢測器在圓錐擋板內(nèi)，當水果放置在錐形擋板頂端時，橡膠圈的密封阻擋了反射雜散光的進入。這種漫透射設計加上大功率，不論是內(nèi)部成分還是內(nèi)部病變的檢測均能勝任，是個科研好幫手，就是價格偏貴。

8.樣品真值測量

真值測量往往被輕視，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，沒有深入了解細致籌劃，將影響建模效果。因為建模預測精度永遠不可能超過實測精度。以如下兩個案例進行說明。

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

圖14是柑橘糖度實測值圖解。充分考慮樣品生化特性，整體榨汁，再經(jīng)過濾實測值更準確。

9. 展望未來

近紅外在果蔬品質(zhì)檢測方面的應用已經(jīng)30年了，技術(shù)細節(jié)在不斷完善進步，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)無損檢測上的應用，近年來，近紅外圖像也取得了長足進步。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，局部照射，多點測量，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)對中國近紅外技術(shù)在果品檢測方面有什么經(jīng)驗借鑒？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，這一點大家已經(jīng)取得共識，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，這一點大家也不會有異議。

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

1)儀器不但要提高信噪比，還應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個像素還是1024個，波段區(qū)間應有所側(cè)重?？紤]到水果顏色或者說葉綠素(670mm)有時也是檢測指標之一，650nm-970nm區(qū)間更適合水果。

3)漫透射、透射因擴展性好已成為光譜采集的主流。同時，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%，檢測器有可能在檢測限以下，此時，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、要么延長積分時間等加以調(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)應用的專家學者工程師高達數(shù)千人，經(jīng)過二十幾年的實踐和積累，近紅外技術(shù)在中國的大范圍推廣應用、厚積薄發(fā)之日已經(jīng)迎面撲來。

參考文獻

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

2. SHIBUYA精機株式會社宣傳資料

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

4. KUBOTA KBA100使用說明書