一种基于近红外检测的大米浸泡装置及方法

1.本发明属于粮食加工技术领域，具体涉及一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置及方法。


背景技术：

2.工业化米饭生产过程中，大米浸泡过程非常重要。大米的浸泡对大米后续加工如蒸煮、发酵等都有很大的影响。近些年来，有研究表明淀粉的种类与含量和大米在蒸煮过程中的吸水率、膨胀率及米饭成熟后的色泽、硬度、粘度等有很大关系。米饭蒸煮前一般都会进行预浸泡处理，提高大米的吸水效率，让水分能够均匀的分布在大米中，使淀粉充分均匀的吸水膨胀，更加利于大米在蒸煮过程中的糊化，所以大米浸泡所吸收的水分含量至关重要。目前的大米浸泡装置都没有大米水分含量检测装置，浸泡的时间由人工经验来决定。
3.对于浸泡后大米中水分含量的监测，很多人都使用传统的国标法进行离线检测，但是传统方法测定存在过程繁琐、耗时耗材等不足，不适合大米大规模工业化加工的快速检测。随着光学、计算机数据处理及化学计量等技术的发展，近红外光谱分析技术日趋完善，在纺织业、化工业、制药业、造纸业等领域都进入了实际应用，尤其是在工业现场分析、在线质量监控等方面显示了该技术其独特的优势。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置及方法，该装置和方法首先利用近红外光谱技术实时获取浸泡过程中大米的近红外光谱，然后通过模型计算得到浸泡过程中大米水分含量，当大米达到最佳浸泡程度(淀粉充分吸水膨胀)时，通过控制该浸泡装置，及时停止浸泡，从而达到节省浸泡时间，提高浸泡效率的目的。
5.为了实现以上目的，本发明首先提出一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置，包括光谱仪、计算机、浸泡筛、镂空物料斗、振荡器、喷气阀、光纤、喷水阀、加热棒和浸泡桶；
6.所述浸泡桶的内部形成一个上部开口的容纳空间，在浸泡桶的开口上方设置一支撑台，支撑台通过支撑架固定；所述支撑架一端连接支撑台，另一端连接浸泡桶；
7.所述支撑台上表面设有光谱仪和计算机，光谱仪与计算机电性连接；所述支撑台的下表面设有光纤罩，光纤罩内部设置光纤、喷气阀和喷水阀；
8.所述喷气阀、喷水阀均与计算机电性连接，并通过计算机进行控制关闭与开启；
9.所述光纤的长度可调，且与光谱仪电性连接；
10.所述浸泡桶内部设有浸泡筛，所述浸泡筛通过螺旋装置固定在浸泡桶的内部；所述浸泡筛的内部还设有镂空物料斗；所述镂空物料斗通过滑轮拉杆与支撑台相连接，所述镂空物料斗底部设有出料阀；
11.所述浸泡桶内的底部设有多个环形加热棒，所述环形加热棒的下方设置振荡器；
12.所述浸泡桶的底部设置连通外界的排水阀；在浸泡桶的一侧壁，还设有注水阀；
13.所述加热棒和振荡器均与计算机电性连接，可通过计算机进行控制启动和关闭。
14.优选的，所述镂空物料斗为正四面体，便于后期物料通过底部的出料阀排空。
15.优选的，所述环形加热棒的材料为镍铬丝，并采用不锈钢包裹。
16.优选的，所述滑轮拉杆具备拉伸功能；用于将镂空物料斗拉至浸泡筛的上方。
17.优选的，所述镂空物料斗表面设有均匀分布的小孔；所述孔径为0.2
‑
0.5mm。
18.优选的，所述螺旋装置可通过旋转调节浸泡筛与浸泡桶底部的距离；所述两者之间的距离为1
‑
10cm。
19.优选的，所述浸泡桶的底部还设有支撑地脚；所述支撑地脚为带有锁止装置的滑轮，便于移动。
20.所述振荡器的振荡原理，是通过振荡器的电子线路产生交变磁场、不锈钢材质容器即切割交变磁力线而产生交变的电流(即涡流)，涡流使容器壁铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，同时由于涡流存在，水分子受电磁力作用，带动玻璃容器内液体运动，达到振荡的效果。
21.一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置的检测方法，主要包括如下过程：
22.s1.选米：对从市场上购来的大米，进行挑选，除去杂质、碎米和霉米，得到筛选后的大米，备用；
23.s2.淘米：镂空物料斗的高度可通过滑轮拉杆进行调节；首先将镂空物料斗提高至浸泡筛的上方，将步骤s1中筛选后的大米放于镂空物料斗中，再通过滑轮拉杆将镂空物料斗放入浸泡筛中；然后从注水阀向浸泡桶中注水，达到设定水量后，停止注水；同时开启振荡器进行振荡清洗，清洗后打开排水阀，排出洗米水；待水排出后再次通过注水阀注水清洗，如此重复操作2
‑
3次；
24.s3.浸泡：待淘米结束后，通过伸缩滑轮拉杆将镂空物料斗提升至浸泡筛的上方，然后开启注水阀注入清水，对浸泡桶进行清洗；清洗后将装有大米的镂空物料斗再次放入浸泡筛中，并开启注水阀，注入一定量的水(没过大米的表面)，同时开启振荡器和加热棒进行浸泡；
25.s4.信息采集：浸泡结束后，过伸缩滑轮拉杆将镂空物料斗提升至浸泡筛的上方，脱离液面；同时，关闭加热棒和振荡器，待镂空物料斗中的水分沥干后，通过滑轮拉杆可以继续将镂空物料斗提升至光纤罩处，此时将光纤拉伸，浸入镂空物料斗的大米中采集信息，光纤可以调节浸入不同的深度，采集不同深度处大米样品的光谱信息，然后通过光谱仪，将信息输入计算机，通过计算模型反馈出该批大米浸泡后的水分含量信息；
26.如果检测大米水分含量不符合要求，则将镂空物料斗放至浸泡筛内继续浸泡，直至水分含量符合要求；
27.待整个浸泡过程结束，开启排水阀，排出浸泡桶中的溶液；待溶液排尽后，再次开启注水阀注入清水对浸泡桶进行清洗。
28.上述样品信息处理时，需要提前采用国标法和近红外光谱对大米样品进行信息收集，然后建造模型，经过检测后，将模型输入上述装置的计算机进行操控。
29.优选的，步骤s2中所述振荡清洗的时间为20
‑
40s。
30.优选的，步骤s3中所述振荡器的振荡频率为80～120r/min。
31.优选的，步骤s3中所述一定量的水与大米的质量比为1.2～1.5:1。
15
‑
喷水阀；16
‑
浸泡桶；17
‑
加热棒；18
‑
支撑地脚。
具体实施方式
47.以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.如图1所示，一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置，包括光谱仪1、计算机2、浸泡筛5、镂空物料斗7、振荡器8、喷气阀13、光纤14、喷水阀15、加热棒17、浸泡桶16；
51.所述浸泡桶16的内部形成一个上部开口的容纳空间，在浸泡桶16的开口上方设置一支撑台3，支撑台3通过支撑架固定在浸泡桶16的上表面；所述支撑台3上表面设有光谱仪1 和计算机2，光谱仪1与计算机2电性连接；所述支撑台3的下表面设有光纤罩4，光线罩4 内部设置光纤14、喷气阀13和喷水阀15；其中所述喷气阀13中通的气体是过热干燥空气，能够实现瞬间干燥；
52.所述喷气阀13、喷水阀15均与计算机2电性连接，并通过计算机2进行控制关闭与开启；
53.所述光纤14的长度可调，且与光谱仪1电性连接；
54.所述浸泡桶16内部设由浸泡筛5，所述浸泡筛5通过螺旋装置10固定在浸泡桶16内部，所述螺旋装置10可通过旋转调节浸泡筛5距离浸泡桶16的距离；所述两者之间的距离为5cm；所述浸泡筛5内部还设有镂空物料斗7；所述镂空物料斗7通过滑轮拉杆12与支撑台3相连接，所述镂空物料斗7底部设有出料阀11；此外，镂空物料斗7为正四面体，便于后期物料的排空；同时镂空物料斗7表面设有均匀分布的小孔；所述孔径为0.3mm；
55.所述浸泡桶16内的底部设有多个环形加热棒17，环形加热棒17的材料为镍铬丝；所述环形加热棒17的下方设置振荡器8；所述浸泡桶的16的底部设置连通外界的排水阀9；在浸泡桶16的一侧壁，还设有注水阀6；
56.所述加热棒17和振荡器8均与均与计算机2电性连接，可通过计算机进行控制启动和关闭。
57.在浸泡桶16的底部还设有支撑地脚18；其中支撑地脚18设置为带有锁止装置的滑轮，便于移动以及位置调整。
58.所述振荡器8的振荡原理，是通过振荡器8的电子线路产生交变磁场、不锈钢材质容器即切割交变磁力线而产生交变的电流(即涡流)，涡流使容器壁铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，同时由于涡流存在，水分子受电磁力作用，带动玻璃容器内液体运动，达到振荡的效果。
59.模型建立：首先对本装置需要使用的模型进行建立，具体步骤参考如下：
60.(1)制作浸泡后大米样品：本实施例共收集粳米品种，共做80份大米样品，其中60个样本为校正集(建模集)，20个样本为验证集，验证集为混合样品集。对此80分样品进行同一浸泡过程，然后沥干，制成80份不同品种的样品。
61.(2)样品近红外光谱的采集：使用装置中的近红外光谱仪对大米样品的光谱进行采集；
62.扫描参数设置为：光谱区间为4 000～10000/cm，分辨率为8/cm，样品扫描频数为64次，测量间隔为3.857/cm。
63.过程为：开机预热30min后进行样品检测，将样品放入样品分析杯中，装入样品体积占杯体2/3，且保证样品杯底部无空隙，轻放入样品池，在光谱区间范围内进行扫描，每份样品重复扫描3次，扫描数据以吸光度形式保存。
64.(3)原始光谱数据预处理：对所有采集到的光谱，利用装置计算机中的分析软件tqanalyst软件中的多元散射校正(multiplica
‑
tive signal correction,msc)、标准正态变化 (standardnormal variate,snv)、一阶导数(first derivative,1st)、二阶导数(second derivative, 2nd)和savitzky
‑
golay滤波平滑(savitzky
‑
golay filter,sg)进行预处理，得到预处理过的近红外光谱；如图2所示原始光谱数据经五种方式预处理后的光谱图，a.原始光谱、b.msc 处理、c.snv处理、d.sg处理、e.1st处理、f.2nd处理；以起到平滑光谱图、提高信噪比、降低噪声，提高准确率的目的；(注：图b和图c纵坐标上方的
×
10
‑3表示纵坐标的数值乘以10
‑3)。
65.(4)浸泡后大米水分含量的测量：利用传统国标法测定大米样品的水分含量。
66.(5)模型的建立：将每个样品预处理过的近红外光谱与测定的水分含量相关联，利用装置中计算机内tq analyst软件中偏最小二乘法(pls)建立预测模型，以3:1的比例进行建模集和预测集的划分(建模集：预测集＝60:20)。
67.在最佳光谱预处理条件下，分析各波段用于建模所得r
c
与全波段(4 000～10 000/cm)下的r
c
比较，结合tq analyst软件给出的建议波段进行了严格筛选，建立水分含量的的最佳模式。由表1可知，在4750
‑
4977/cm，5500
‑
7886/cm下，水分含量模型的r
c
为0.9650，rmsec 为0.25，rpd为3.9。从相关系数大小来看，水分含量模型的预测值与实测值显示出良好的相关性，pls模型表现最佳，可见其预测性能好、准确度高，说明模型可用于实际定量检测。
68.表1建立浸泡大米样品中水分含量的最佳模型
[0069][0070]
(6)模型的验证：取未知水分含量的20份浸泡后的大米样品，按照上述方法进行光
谱采集、光谱处理、理化指标的测量，然后将处理后的光谱数据放入预测模型中检验，与用传统国标法检测出来的指标值进行比较，进行模型的验证。由表2可知，所构建的近红外模型对浸泡后大米样品中水分含量的预测与传统国标法检测出的化学值基本一致，这说明近红外光谱分析的预测结果极其可靠，模型预测精度高，常规化学法测量值和近红外测量值的偏差小，具有较好的实用价值，完全可以替代常规化学测定方法，并推广应用于其他物质含量的快速准确检测。
[0071]
表2浸泡后大米样品近红外光谱预测模型对未知样品的检测结果
[0072][0073]
一种基于近红外检测水分含量的大米浸泡装置的检测方法，主要包括如下过程：
[0074]
s1.选米：对从市场上购来的大米，进行挑选，除去杂质、碎米和霉米，得到筛选后的大米，备用；
[0075]
s2.淘米：镂空物料斗7的高度可通过滑轮拉杆12进行调节；首先镂空物料斗7提高至浸泡筛5的上方5cm，将s1筛选后的大米放于镂空物料斗7中，再通过滑轮拉杆12将镂空物料斗7放入浸泡筛5中；然后从注水阀6向浸泡桶16中注水，达到设定水量后，停止注水；同时开启振荡器8进行振荡清洗30s，清洗后打开排水阀9，排出洗米水；待水排出后再次通过注水阀6注水清洗，如此重复操作3次；
[0076]
s3.浸泡：待淘米结束后，通过伸缩滑轮拉杆12将镂空物料斗7提升至浸泡筛5的上方，然后开启注水阀6注入清水，对浸泡桶16进行清洗；清洗后将装有大米的镂空物料斗7再次放入浸泡筛6中，并开启注水阀6，注入一定量的水，水与大米的质量比为1.3:1，没过大米的表面，同时开启振荡器8和加热棒17进行浸泡，其中振荡频率为100r/min，浸泡温度为 35℃，浸泡时间为50min；
[0077]
s4.信息采集：浸泡结束后，通过伸缩滑轮拉杆12将镂空物料斗7提升至浸泡筛5的上方，脱离液面；同时，关闭加热棒17和振荡器8，待镂空物料斗7中的水分沥干后，通过滑轮拉杆12可以继续将镂空物料斗7提升至光纤罩4处，此时将光纤14拉伸，浸入镂空物料斗7的大米中采集信息，光纤14可以调节浸入不同的深度，即大米表面以下10cm、中心位以上10cm、中心位、中心位以下10cm以及距离物料斗7底部10cm，采集不同深度处大米样品的光谱信息，然后通过光谱仪1，将信息输入计算机2，通过计算模型反馈出该批大米浸泡后的水分含量信息；
[0078]
如果检测大米水分含量不符合要求，则将镂空物料斗7放至浸泡筛5内继续浸泡，直至水分含量符合要求；
[0079]
待整个浸泡过程结束，开启排水阀9，排出浸泡桶16中的溶液；带溶液排尽后，再次开启注水阀6注入清水对浸泡桶16进行清洗。
[0080]
上述样品信息处理时，需要提前采用国标法和近红外光谱对大米样品进行信息收集，然后建造模型，经过检测后，将模型输入上述装置的计算机2进行操控。
[0081]
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技
术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。