近紅外光譜儀在農作(zuò)物和(hé)食品中的應用

對于提高(gāo)農作(zuò)物産量和(hé)可(kě)持續耕種方法的需求在不斷增加，消費者也對食物的高(gāo)品質、方便性和(hé)選擇多(duō)樣性提出了需求。食品的質量往往取決于內(nèi)在和(hé)外在因素，這些(xiē)因素是可(kě)以被計量并實現的，這使得(de)研究人(rén)員尋求把數據應用到農業生(shēng)産中的新穎方法。

近紅外光譜在農業應用中的優勢

近紅外光譜已經在許多(duō)應用領域中得(de)到了研究和(hé)應用，尤其是這五種産品：水(shuǐ)果和(hé)蔬菜，肉類和(hé)魚類，飲料和(hé)乳制(zhì)品，谷物和(hé)糧食儲備，葡萄和(hé)橄榄。同時(shí)，近紅外光譜還(hái)在其它相關領域，例如土壤、肥料以及環境中也得(de)到了廣泛應用。*，近紅外光譜的測量原理(lǐ)簡單易學，好處也非常多(duō)：不需要樣品制(zhì)備或僅需要很(hěn)少(shǎo)的樣品制(zhì)備，測量速度快，測量結果準确，測量成本低(dī)，既可(kě)以在實驗室進行(xíng)也可(kě)以在現場(chǎng)進行(xíng)，并且可(kě)以實現多(duō)個(gè)參數同時(shí)測量。

手持式近紅外反射光譜儀應用

以前Avantes給大(dà)家(jiā)分享過一些(xiē)近紅外光譜的應用，但(dàn)每天在都有(yǒu)使用Avantes光譜儀的新應用被發現。Avantes的基于線性InGaAs探測器(qì)的近紅外光譜儀家(jiā)族在2020年迎來(lái)了一位新成員AvaSpec-Mini-NIR。 與Avantes其他的标準桌上(shàng)型近紅外光譜儀具有(yǒu)相同的性能和(hé)分辨率，但(dàn)體(tǐ)積隻有(yǒu)紙牌大(dà)小(xiǎo)，因此它适合于精準農業市場(chǎng)。

水(shuǐ)果和(hé)蔬菜

Avantes近紅外光譜儀在水(shuǐ)果和(hé)蔬菜的分級和(hé)分揀中被廣泛使用，包括但(dàn)不限于蘋果，櫻桃，鳄梨，桃和(hé)芒果。近紅外光譜技術可(kě)以快速并無損地檢測果蔬的成熟度和(hé)質量，例如水(shuǐ)分，可(kě)溶性糖含量（SSC），酸度，pH值和(hé)花(huā)青素等芳香族化合物。手持式近紅外反射光譜儀還(hái)可(kě)以對長在樹上(shàng)的水(shuǐ)果進行(xíng)測量。

西班牙正在開(kāi)發一種機械手臂，它将觸覺傳感器(qì)和(hé)近紅外光譜儀相結合，用來(lái)确定芒果的成熟度。這種類似的應用可(kě)以快速推廣到其他水(shuǐ)果測量，還(hái)可(kě)以自動确定水(shuǐ)果的采摘時(shí)間(jiān)。

肉類，魚和(hé)蛋

近紅外光譜技術在肉品分級中可(kě)以區(qū)分蛋白質和(hé)脂肪含量，并測量水(shuǐ)分含量，顔色，pH值和(hé)鮮嫩度指标。它還(hái)可(kě)以檢測常見污染物（如揮發性氮）的存在。在肉類生(shēng)産中，這些(xiē)因素極大(dà)地影(yǐng)響了肉的質量和(hé)等級，從而決定了價格。而在包裝過程中的質量控制(zhì)和(hé)檢查對于預防食物傳染疾病或對欺騙詐消費者的行(xíng)為(wèi)也至關重要。

光譜法的非破壞性，非化學性可(kě)以大(dà)大(dà)提高(gāo)産量，例如通(tōng)過測量蛋殼來(lái)監控雞蛋質量。比利時(shí)的研究人(rén)員在雞蛋新鮮度的校(xiào)正模型的開(kāi)發方面取得(de)了巨大(dà)進展：将雞蛋保質期與其近紅外光譜特征變化關聯起來(lái)，并将該數據關聯到雞蛋新鮮度的經典（破壞性）測量上(shàng)。

飲料和(hé)乳制(zhì)品

Avantes的光譜儀還(hái)可(kě)以用于分析牛奶和(hé)其他乳制(zhì)品中的蛋白質，脂肪，水(shuǐ)，碳水(shuǐ)化合物和(hé)礦物質，以及識别被摻假的産品。例如，奶粉中的殘留水(shuǐ)分含量多(duō)少(shǎo)會(huì)影(yǐng)響保質期，并且從質量角度來(lái)看，還(hái)會(huì)影(yǐng)響運輸成本和(hé)利潤。近紅外漫反射光譜法對于檢測位于930 nm，1455nm和(hé)1940nm處水(shuǐ)的吸收峰非常有(yǒu)效，這些(xiē)吸收峰與水(shuǐ)含量是相關的。（4）

葡萄酒和(hé)葡萄生(shēng)産

近紅外光譜已被用作(zuò)預測葡萄成熟度和(hé)表征葡萄參數的測量工具，這些(xiē)參數會(huì)影(yǐng)響葡萄酒的香味和(hé)品質，例如可(kě)溶性糖含量，酸度和(hé)芳香化合物如花(huā)青素和(hé)多(duō)酚。

在收獲時(shí)的葡萄特征是影(yǐng)響葡萄酒質量的關鍵因素。近紅外光譜反射法作(zuò)為(wèi)一種快速、無損的用于評估收獲時(shí)葡萄質量的測量工具，被業內(nèi)廣泛采用。（5）

谷物和(hé)飼料

小(xiǎo)麥，大(dà)麥，大(dà)米和(hé)大(dà)豆生(shēng)産的研究人(rén)員正在研究使用近紅外光譜法來(lái)監測作(zuò)物的健康狀況和(hé)生(shēng)長狀況，識别各種植物病害和(hé)污染物，并在收獲時(shí)評估作(zuò)物質量，進而用來(lái)給農作(zuò)物評級和(hé)定價。

Avantes公司近與美國農業部的一個(gè)合作(zuò)項目近采用近紅外光譜技術來(lái)預測小(xiǎo)麥收獲時(shí)蛋白質的含量，并确定需要補充氮肥的時(shí)間(jiān)。小(xiǎo)麥的價格取決于谷物中的蛋白質含量，因此使蛋白質含量盡可(kě)能多(duō)是小(xiǎo)麥生(shēng)産者的重要責任。（6）

土壤，有(yǒu)機肥料和(hé)其他生(shēng)長成分

土壤管理(lǐ)對于農業在未來(lái)的可(kě)持續發展至關重要，對土壤特征的表征可(kě)以決定需要對土壤采取何種處理(lǐ)方法或減緩方式，甚至決定哪種作(zuò)物适合哪些(xiē)地區(qū)。近紅外光譜技術可(kě)以快速收集土壤的水(shuǐ)分，堅實度和(hé)土壤密度等信息。（7）

林業保護

在整個(gè)美國西部，灰螟作(zuò)為(wèi)入侵物種可(kě)以損毀森(sēn)林并消滅大(dà)量樹木，進而增加山(shān)火(huǒ)危險。山(shān)松甲蟲同樣會(huì)毀壞森(sēn)林并大(dà)面積消滅大(dà)量樹木。如果可(kě)以盡早發現甲蟲侵擾，就可(kě)以幫助公園和(hé)林業管理(lǐ)人(rén)員在大(dà)面積爆發前減輕損害。目前依然依靠人(rén)員目視(shì)檢查，但(dàn)是手持式近紅外儀器(qì)可(kě)以在現場(chǎng)檢測病蟲害。（8）

農業/食品應用人(rén)員面臨的挑戰

近紅外漫反射光譜法在農業中的應用往往會(huì)面臨一個(gè)挑戰，從光譜數據中提取有(yǒu)用信息需要一些(xiē)特殊的數據處理(lǐ)方法和(hé)開(kāi)發校(xiào)正模型。Avantes和(hé)我們合作(zuò)夥伴一起為(wèi)為(wèi)農業領域的研發人(rén)員提供這個(gè)支持。

應用開(kāi)發的早期技術支持

早期應用開(kāi)發始于開(kāi)發校(xiào)正模型，即對獲得(de)的在多(duō)種條件下樣品的光譜數據進行(xíng)統計建模，使用戶能夠預測将來(lái)的要測量的樣品的特征。而且每次測量的結果都可(kě)以加到數據庫中，從而改善以後的預測結果。

Written by Janel Kane, Marketing Manager, North America, Avantes

References

1. Cortés, Victoria, Carlos Blanes, José Blasco, Coral Ortíz, Nuria Aleixos, Martin Mellado, Sergio Cubero, and Pau Talens. "Integration of simultaneous tactile sensing and visible and near-infrared reflectance spectroscopy in a robot gripper for mango quality assessment." Biosystems Engineering 162 (2017): 112-123.
2. Peng, Yankun, and Wenxiu Wang. "Application of near-infrared spectroscopy for assessing meat quality and safety." INTECH-Infrared Spectroscopy-Anharmonicity of Biomoleculcs, Crosslinking of Biopolymers, Food Quality and Medical Applications (2015): 137-163.
3. Bamelis, F. R., B. J. Kemps, Kristof Mertens, E. M. Verhoelst, Bart De Ketelaere, Eddy Decuypere, and Josse De Baerdemaeker. "VIS-NIR transmission for the assessment of internal egg quality." In European Symposium on the Quality of Eggs and Egg Products edition: XI, Doorwerth, The Netherlands. 2005.
4. Nagarajan, R., Parul Singh, and Ranjana Mehrotra. "Direct determination of moisture in powder milk using near infrared spectroscopy." Journal of Analytical Methods in Chemistry 2006 (2006).
5. Guidetti, R., R. Beghi, and L. Bodria. "Evaluation of grape quality parameters by a simple Vis/NIR system." Transactions of the ASABE 53, no. 2 (2010): 477-484.
6. Long, Dan, John McCallum, Catherine Reardon, and Richard Engel. "Adapting the nitrogen replacement approach to dryland spring wheat in the Pacific Northwest." Crops & Soils 50, no. 5 (2017): 34-37.
7. Nagy, Attila, Péter Riczu, Bernadett Gálya, and János Tamás. "Spectral estimation of soil water content in visible and near infra-red range." Eurasian Journal of Soil Science 3, no. 3 (2014): 163-171.
8. Finley, Kaelyn, Sophan Chhin, Pascal Nzokou, and Joseph O’Brien. "Use of near-infrared spectroscopy as an indicator of emerald ash borer infestation in white ash stem tissue." Forest Ecology and Management 366 (2016): 41-52.

• 上(shàng)一篇：FieldSpec地物光譜儀的産品特點
• 下一篇：拉曼光譜儀的代方案有(yǒu)哪些(xiē)各種各樣的優點和(hé)缺點