蜂蜜品质的近红外光谱检测方法研究

发布时间：2020-05-18 19:18

【摘要】：蜂蜜作为一种天然的产物,具有较高的营养价值。随着人们生活质量不断上升,保健品的市场需求量逐年增加。蜂蜜作为保健品市场的畅销商品,其销售市场的供求关系严重失衡,导致蜂蜜市场的产品质量参差不齐,甚至出现勾兑的现象。目前市场上还没有能够快速检测蜂蜜品质的仪器。因此,本课题对蜂蜜品质的快速检测方法展开研究,分析了不同光谱区间对蜂蜜主要成分含量的预测准确率,由此提出一种小型便携式蜂蜜品质的近红外光谱检测方案。论文主要完成了以下几项研究工作:首先,介绍了近红外光谱吸收原理,确定蜂蜜中糖类物质和水分的近红外吸收峰位置。根据蜂蜜物理属性,确定其近红外光谱的采集方式。比较了常用的三种化学模型识别方法,选取偏最小二乘回归法建立蜂蜜品质的检测模型。其次,分析比较了纯蜂蜜、水、果糖饱和溶液、葡萄糖饱和溶液的近红外光谱,制备了71组不同类型的混合蜂蜜和6组纯蜂蜜样品。将样品光谱分为六组特征波段,采用不同的预处理方式,建立蜂蜜中葡萄糖、水分、蔗糖和果糖的含量检测模型。分析六组特征波段的建模结果,基于检测模型的两个评价指标发现果糖和水分的预测准确性较高,交互验证系数(R)分别可以达到98.34%和99.42%,验证校正标准差(RMSECV)分别为0-782和1.01。对建立的六个检测模型进行可靠性验证,制备了20组检测蜂蜜样品,将测试样品光谱信息代入模型中,得出样品的四个化学含量预测值。将样品四组分的含量预测值与真实值进行分析,分析发现检测蜂蜜的掺杂比例与建模蜂蜜样品的掺杂比例相同时,样品四组分含量预测值与实际值的相对误差较小。根据模型预测结果结合设计要求选取了4850-5120cm-1、5700-6200cm-1和6500-7100cm-1波段进行组合建模,建立的模型预测准确率高于六个波段独立建模,优化后的建模区间分别是4880-5063cm-1、5800-6070cm-1和6762-7000cm-1,其四组分预测评价指标R在95%以上,RMSECV在1.84以下。因此在4880-5063cm-1、5800-6070cm-1和6762-7000cm-1 的波段内,为近红外检测系统的光源波长提供选择区间。最后,根据三波段组合建模结果结合蜂蜜四组分的特征吸收波长,确定了蜂蜜品质检测的四个光源波长分别是1450nm、1687nm、1869nm和2010nm。设计了蜂蜜品质的近红外光谱检测系统方案,完成了检测系统光路部分的光学仿真以及信号采集电路设计,确定了蜂蜜品质检测方案的可行性。
【图文】：

光谱图,近红外光谱,蜂蜜

行傅里叶变化得到物质的近红外光谱，最后通过显示器或者绘图仪显示出来。利用近红外光谱仪以空气为背景采集蜂蜜的光谱图，以波数为横坐标，以透射比为纵坐标，，得到如图2-4所示蜂蜜的近红外光谱。图中在8000-12000cm-1波段透射比大于100%，产生原因是蜂蜜的透射比例是由蜂蜜光强信息与空气光强信息进行比值计算而来。图 2-4 蜂蜜的近红外光谱图Fig.2-4 Near-infrared spectrum of honey从图 2-4 可以看出蜂蜜在 6500-7200cm-1之间有明显的吸收峰，在 5000-6000cm-1之间有吸收峰，在 4000-5000cm-1之间也有吸收峰，产生这些吸收峰的原因是蜂蜜中的糖类物质和水分的化学键振动吸收，主要的化学键是 C-H 键和 O-H 键的吸收。为了根据近红外光谱图验证蜂蜜在特征吸收的吸收强度与浓度有关，根据蜂蜜所含的化学物质信息，采集葡萄糖溶液、果糖溶液、蔗糖溶液和水分的近红外光谱与纯蜂蜜的光谱进行对比

近红外光谱仪

制备糖类溶液浓度和蜂蜜的混合比例糖类溶液与纯蜂蜜按比例混合依据国标确定掺入的糖类溶液采集混合蜂蜜和纯蜂蜜样品的光谱检测模型建立利用样品光谱的信息和化学含量信息进行建模图 3-1 蜂蜜主要成分建模过程示意图Fig.3-1 Schematic diagram of the main component modeling process of honey.1 近红外光谱采集实验.1.1 实验仪器近红外傅里叶型光谱仪原理是通过对激光器发射红外光线经过干涉腔，产生干涉，进入样品池通过透射的方式直接进入探测器腔体，探测器接收到光信号传输给计算机终对干涉图采用傅里叶变化转换为光谱图显示出来。确定近红外光谱仪为德RUKER 公司的 Tensor37 型，其扫描的光谱范围为 4000-12000cm-1，扫描间隔为 4cm-1描次数为 64 次。图 3-2 为光谱仪器材的展示图。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.33;S896.1

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