圖1 水果種類
成熟度是水果品質的重要評價指標,直接影響果實產量和品質,也決定著后期果實加工、貯藏方式。而在水果中,葡萄及其相關產業在農業經濟中發揮著重要的作用,其豐富的維生素含量和獨&特的風味深受人們喜愛。葡萄用途廣泛,可鮮食、制干、制備果汁以及葡萄酒等。
酚類物質是葡萄中非常重要的一類活性物質,主要存在于葡萄籽和葡萄皮中,且其含量受成熟度的影響較大,因此成為判斷葡萄成熟品質的重要指標。但是當前酚類物質檢測多采用傳統理化檢測方法,繁瑣耗時且破壞樣品,造成樣品浪費和一定程度的經濟損失。因此,開展基于新型檢測技術的酚類物質快速無損檢測技術研究具有重要意義。
與傳統的理化測量方法相比,光譜技術可以通過分析水果的光譜特征,提取出與品質指標相關的信息,比如葡萄中所含的酚類物質等,并且具有簡便、快速、可靠、無損等優點,因此在品質和成熟度檢測方面具有巨大潛力。
使用可見-近紅外光譜儀對葡萄反射光譜進行采集和處理,通過大量樣本采集與建模,可從中提取所含酚類信息,實現對葡萄品質的快速檢定。光纖光譜儀在便攜式或在線式檢測中具有廣闊應用前景,能夠有效提升葡萄上下游產業的效率產能。


圖2 巨玫瑰葡萄
圖3 巨玫瑰葡萄植株
葡萄園隨機選取兩行葡萄植株作為固定采樣點。采樣時兼顧果穗上中下及陰陽面,利用五點取樣法從每穗采集無損傷和病害的葡萄顆粒。采樣周期從葡萄轉色期至成熟期。每隔3~5d進行1次采樣,每次采集 280 ~ 320 粒葡萄,并按照顏色和硬度進行分組,40 粒為一組,分為7~8組。采樣周期內共采集24批試驗樣品,共計178組,每個樣品測定20顆巨玫瑰果粒的光譜信息,并將相應的20顆巨玫瑰果粒-40℃冷凍保存進行后續理化值測定。
光譜采集

圖4 光譜采集系統
如圖所示,為減少雜散光干擾,光譜采集在暗室中進行,以白板為背景放置葡萄樣本。采集系統由鹵素燈、光纖探頭、光纖光譜儀、標準漫反射白板及樣本組成。其中鹵素燈光源、暗室、光纖探頭共同構成手柄燈光譜采集模塊,末端通過光纖和光譜儀連接。光譜儀使用奧譜天成(Optosky)的ATP3030高分辨率型微型光纖光譜儀,積分時間1ms,分辨率0.5nm,光譜范圍200-1100nm。

首先通過光譜采集模塊對準標準漫反射白板,采集其反射光譜作為標準參考數據,再將單粒葡萄樣本放在漫反射白板上并置于手柄燈暗室內,搭配軟件反射率測量模塊,最終獲得該樣本反射光譜。此外,測量過程沿葡萄樣本赤道以120°間隔測量3次取平均值作為最終光譜數據。
圖5 成熟期葡萄反射率曲線
為消除光譜儀及外界因素影響,去除前端部分光譜波段,選擇波長范圍 400~1100 nm進行后續建模分析。
在原始光譜中葡萄樣品的可見-近紅外光譜雖存在重疊和交叉的情況,但整體上變化趨勢基本一致。在光譜范圍500~720nm內,光譜曲線存在一定的差異性,原因可能在于葡萄成熟品質不同致使其果皮顏色存在差異,進而影響光譜的吸收。光譜曲線在波長720nm附近存在明顯的吸收峰,分析其原因可能與胡蘿卜素、葉綠素的吸收有關。在光譜范圍850~920nm內,光譜曲線出現吸收帶,其原因可能與酚類和花青素、纖維素和蔗糖等的吸收有關。此外,光譜曲線在1000~1050nm范圍內出現吸收帶,可能與水和維生素等成分有關。

光譜測量結束后,將葡萄樣品置于-40℃的低溫條件下冷凍保存,待分離葡萄皮、籽,經磨粉、超聲處理、離心、上清液提取后,進行總酚和單寧含量測定。
圖6 總酚標準曲線
總酚是葡萄皮、籽提取物中主要的酚類物質,采用Folin-Ciocalteu方法測定并進行適當修改。使用沒食子酸標準曲線(mg /g沒食子酸當量)表征總酚含量。
圖7 丹寧標準曲線
采用甲基纖維素沉淀法測定單寧含量,并根據校準曲線,以mg /g的兒茶素當量表征單寧含量。
對原始光譜數據進行預處理,和總酚及丹寧測定結果共同構建模型。
圖8 CNN 模型架構示意圖
圖9 CARS 選擇的不同酚類物質特征波長的位置
經過對不同預處理下全波長預測模型構建、特征波長提取,可以得到基于特征波長的預測模型,從而實現光譜技術對皮、籽總酚及單寧含量的高準確度預測。
圖10 葡萄樣品可見/近紅外光譜皮-籽總酚與單寧的最&優模型
研究表明,通過可見近紅外光譜儀,采集葡萄反射率光譜,建立預測模型,可實現葡萄皮-籽總酚和單寧的含量檢測,進而實現對葡萄成熟度及品質的檢測。
光譜技術具有成譜時間快、對樣品無損害等特點,通過模型優化,能夠實現高準確性檢測,在葡萄或其他水果熟度檢測上具有極大潛力。而光纖光譜儀以其高可靠性、高精度和高集成度,在手持式檢測及其他集成檢測設備方向獨&具優勢!
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