光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法
【专利摘要】一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法，包括建立近红外通用模型和利用近红外通用模型测定水果品质指标两大部分，是基于光物性相近的不同种类水果之间近红外光谱的相似性而建立的近红外通用模型，其建模基本思路是，光谱采集后进行光谱预处理，用移动窗口偏最小二乘法筛选出所有品种水果的共用特征波长范围，然后在共用特征波长段范围上用SPA算法进一步提取共用特征波长点，最后利用已有软件建立PLS模型或建立MLR模型。本发明方法测定准确率高，可行性强，克服了现有近红外检测技术中不同种类水果必须分类检测的弊端，降低了建模成本，提高了工作效率，建模波长点少，适用于一般滤光片型近红外仪器。
【专利说明】光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水果的近红外无损检测【技术领域】，特别涉及一种一次性建立近红外通 用模型同时检测多种光物性相近水果的品质指标如糖度指标、酸度指标或成熟度指标的方 法。
【背景技术】
[0002] 近红外光谱检测技术，具有非破坏、快速、无前处理、无污染等特点，在水果品质指 标的无损检测中，已经得到了广泛的运用。在进行无损检测前，需要针对特定的物料建立模 型，随后再对未知样品进行预测。检出限一般为〇. 1%，对于水果来说，光谱中反映的是化学 成分含量较高的信息，如：水、可溶性固形物等，对于理化特征相近的水果来说，近红外光谱 是相似的，因而相近物料建立通用模型是可行的。在单一品种水果内部品质的无损检测中， 近红外光谱分析技术已经得到了广泛运用。由于不同水果理化性质及外观的差异，通常采 取对不同水果建立各自分析模型的策略，显而易见，这样建模成本及后期模型的维护成本 都非常高。此外，对于滤光片型近红外仪器来说，由于本身覆盖波长点有限，导致内置模型 数量受限，且不能包含建模波长点较多的模型，适用性较差。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于提供一种利用光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测 方法，解决现有近红外检测技术中只能针对一类水果建立近红外模型、无成熟的多品种通 用模型、由此导致模型的建立与维护成本高、工作效率相对较低的技术问题；还解决现有近 红外仪器由于本身覆盖波长点有限、导致内置模型数量受限、适用范围比较局限、适用性较 差的技术难题。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 一种光物性相近多品种水果品质指标的近红外通用模型检测方法，其特征在于：包括 近红外通用模型的建立和利用近红外通用模型测定水果内部品质两大部分， 第一部分，近红外通用模型的建立，具体包括如下步骤： 步骤一、物料准备：准备光物性相近的多品种的待测水果，所述光物性相近是指物料间 有相似的理化性质，其中的任意两种水果的近红外原始光谱经光谱归一化后的欧氏距离不 大于0. 2,水果的总品种数为2?6类。所述光物性相近的材料的选择非常重要，所述光物 性相近是指有相近的物理性质和化学性质，使得物料间近红外原始光谱经光谱归一化后， 欧氏距离不大于〇. 2,欧氏距离可以表示信号间的相似程度，欧氏距离越小，光谱相似程度 越高。按照现有技术计算样品之间的欧式距离，具体步骤如下： 1、 在每个品种中选取足够数量的样品，采集其原始近红外光谱； 2、 选择代表性波段：应避开噪声较大的波段，本发明涉及的水果品种选取780?920nm 波段； 3、 计算标准光谱：计算每一种物料的平均光谱，作为该品种水果的标准光谱； 4、 光谱归一化处理：分别对每一种物料进行光谱归一化处理，光谱归一化处理的基本 原理公式为
【权利要求】
1. 一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法，先建立模型，再利用模 型测定水果品质指标，其特征在于：先建立近红外通用模型，再利用近红外通用模型测定水 果品质指标； 所述建立近红外通用模型的具体步骤如下； 步骤一、物料准备，即准备光物性相近的多个品种的待测水果，所述光物性相近是指物 料间有相似的理化性质，即其中的任意两种水果的近红外原始光谱经光谱归一化后的欧氏 距离不大于0. 2,水果总品种数为2?6类； 步骤二、选取建模样品，即从每种水果中随机选取至少30个样品作为校正集样品，至 少10个样品作为验证集样品，校正集样品和验证集样品的个数比为3 : 1; 步骤三、采集校正集样品和验证集样品的原始近红外光谱； 步骤四、利用化学法测定已采集完光谱的水果的实际品质指标值； 步骤五、将步骤三中采集到的原始近红外光谱进行预处理，使用化学计量学软件对所 有光谱依次进行散射校正、降低噪声和消除积分时间的处理； 步骤六、提取每种水果的特征波长，即分别用化学计量学软件对每种水果的光谱进行 预处理，提取该种水果单独建模时的特征波长； 步骤七、提取所有品种水果的共用特征波长范围，即待每个品种水果的特征波长提取 完毕后，进行比对，选取能覆盖所有特征波长的波段作为共用特征波长范围； 步骤八、从共用特征波长范围中提取共用特征波长点，即用化学计量学软件从共用特 征波长范围中提取共用特征波长点； 步骤九、建立近红外通用模型，即将步骤八得到的共用特征波长点作为建模波长，将步 骤四中得到的实际品质指标值作为标准值，利用步骤五预处理后的近红外光谱建立近红外 通用模型； 步骤十、近红外通用模型准确度的检验，即将验证集样品的近红外光谱和实际品质指 标值代入近红外通用模型，进行近红外通用模型准确度的检验，根据预测值计算预测标准 差RMSEP，若其值满足实验要求则代表模型可行；否则，则重复步骤五?步骤十，直至满足 要求； 所述利用近红外通用模型测定水果品质指标的具体步骤如下； 步骤A、将近红外通用模型导入近红外光谱仪中，调整相应积分时间； 步骤B、利用该近红外光谱仪采集待测水果的原始近红外光谱，仪器会将得到的原始近 红外光谱输入到模型中，得出品质指标预测值，直至所有水果测定完毕。
2. 根据权利要求1所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法， 其特征在于：所述步骤一中光物性相近的多个品种的待测水果为苹果、梨和桃三种，三者光 谱采集的积分时间分别为100ms、90ms和60ms，光谱采集范围为500nm?1010nm，分辨率 2nm，三者的共用特征波长为840?918nm。
3. 根据权利要求2所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法， 其特征在于：所述步骤三中，原始近红外光谱采集的具体采集方法是，采用K-BA100R型便 携式近红外光谱仪，配备光纤采集附件，采用C⑶检测器，待样品放置至室温后，在每个样 品赤道上均匀分布的四个采样区分别进行光谱采集。
4. 根据权利要求3所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法， 其特征在于：所述步骤四中的品质指标为糖度指标、酸度指标或成熟度指标。
5. 根据权利要求4所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法， 其特征在于：所述步骤四中，品质指标为糖度指标时，测定实际品质指标值的方法为，在样 品赤道上光谱采集区域的中心部位挖取20mm*20mm*10mm的方块挤汁后，采用折光仪测定 汁内部可溶性固形物的含量作为实际糖度指标。
6. 根据权利要求4所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方法， 其特征在于：所述步骤四中，品质指标为酸度指标时，测定实际品质指标值的具体方法为， 在样品赤道上光谱采样区中心挖取果肉20?30g，捣碎后用80°C的水转移至250mL容量 瓶中，进行30min沸水浴，然后取出冷却至室温，定容过滤，形成试液，吸取试液50mL，加入 50mL水混勻，用0· 05mol/L的NaOH溶液滴定至终点，该过程中用pH计监控试液的pH值，记 录消耗的滴定液额体积，计算出总酸含量。
7. 根据权利要求4所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方 法，其特征在于：所述步骤四中，品质指标为成熟度指标，测定实际品质指标值的具体方法 为，在水果样品赤道上光谱采集区域的中心部位挖取20mm*20mm*10mm的方块，一半用来挤 汁后采用折光仪测定水果内部可溶性固形物的含量作为实际糖度指标；另一半捣碎后用 80°C的水转移至250mL容量瓶中，进行30min沸水浴，然后取出冷却至室温，定容过滤后形 成试液，吸取试液50mL，加入50mL水混匀，用0. 05mol/L的NaOH溶液滴定至终点，该过程中 用pH计监控试液的pH值，记录消耗的滴定液额体积，计算出总酸含量；分别测定糖度和酸 度后，计算糖酸比，用以标记成熟度。
8. 根据权利要求5?7任意一项所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用 模型检测方法，其特征在于：所述步骤八中，从共用特征波长段中提取的共用特征波长点为 5 个，分别为 840nm、850nm、860nm、886nm、900nm。
9. 根据权利要求8所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方 法，其特征在于：所述步骤五中，光谱预处理的具体方法是利用化学计量学软件，依次使用 SNV、窗口大小为25的三次多项式SG平滑法及二阶导数法对光谱进行预处理。
10. 根据权利要求9所述的一种光物性相近水果品质指标的近红外通用模型检测方 法，其特征在于：所述步骤九中，使用化学计量学软件建立PLS模型或MLR模型。
【文档编号】G01N21/3563GK104062263SQ201410328830
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】韩东海, 刘然, 戚淑叶 申请人:中国农业大学