近紅外光譜測定柑橘貯藏中可溶性固體糖、糖、酸和維生素c

近紅外光譜測定柑橘貯藏中可溶性固體糖、糖、酸和維生素c

柑橘是中國乃至世界上最重要的果樹之一。它的味道很好，營養(yǎng)價值和藥物價格都很高。由于成熟期較集中,市場供求矛盾突出,需要通過貯藏保鮮來緩解市場壓力,延長商品期。柑橘儲藏保鮮過程中,其內(nèi)部品質(zhì)(如可溶性固形物、糖度、酸度和維生素C含量等)會隨貯藏時間的推移而變化。目前,由于缺乏簡便、快捷的檢測方法和手段,難以適時掌握和預(yù)測貯藏品質(zhì)的變化,因而無法有效控制其品質(zhì)并做出恰當(dāng)?shù)氖袌鰶Q策,造成大量的果實(shí)腐爛和貶值。近紅外(nearinfraredreflectance,NIR)光譜分析方法是近年來國內(nèi)外發(fā)展很快的一種新型定性、定量分析方法,具有分析速度快、分析成本低、不破壞樣品、便于實(shí)現(xiàn)在線分析等優(yōu)點(diǎn),在農(nóng)業(yè)、食品、煙草、飼料、醫(yī)藥、化學(xué)化工、紡織工業(yè)等領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用,但基于小波消噪預(yù)處理近紅外光譜檢測果品內(nèi)部品質(zhì)的研究目前未見報道。因此,筆者利用小波變換消噪預(yù)處理柑橘近紅外光譜,結(jié)合偏最小二乘法(partialleastsquared,PLS)建模,研究傅立葉近紅外漫反射光譜定量測定貯藏過程中柑橘的可溶性固形物含量(calibrationpredictionmodelsofsoluble-solids,SSC)、可溶性總糖含量(totalsolublesugar,TSS)、總酸度(totalacid,TA)和維生素C(vitaminC,VC)含量,旨在探討柑橘內(nèi)部品質(zhì)快速檢測的新方法。1材料和方法1.1化學(xué)成分分析試驗用柑橘源于江西省贛州市、湖北省宜昌市和秭歸縣等地6個果園采摘的臍橙鮮果。采后用塑料袋將其包裝,按照GB10547-89柑桔儲藏(Citrusstorage)中的貯藏條件,冷藏于溫度為5℃、濕度為70%的人工氣候箱中。從貯藏第1周開始,每周定時從6個品種中隨機(jī)抽取8~10個臍橙,首先進(jìn)行光譜試驗,采集臍橙的近紅外光譜,接著按照GB10547-89柑桔儲藏中的化學(xué)成分測定方法,測定其SSC、TSS、TA和VC標(biāo)準(zhǔn)值,直到柑橘開始腐爛為止,共檢測16周130個果品,除去化學(xué)值檢測誤差過大的異樣果品,SSC、TSS、TA和VC建模樣品集的果品個數(shù)分別為115、80、100和110。果品的直徑范圍為65~95mm;重量范圍為123~360g;SSC含量范圍為5.44%~11.55%;TSS含量范圍為4.98%~7.11%;TA含量范圍為0.21%~0.89%;VC含量范圍為20.8~89.15mg/100g。1.2紅外光譜測定近紅外光譜儀為BRUKERFT-NIR(VECTOR33N型)傅立葉近紅外光譜儀,配置OPUS分析軟件、鍍金積分球、12mm石英旋轉(zhuǎn)樣品杯、pbs檢測器,波數(shù)為12000~4000cm-1;WTY-1型手持糖量計;722S可見分光光度計。1.3檢測方法1柑橘樣品預(yù)處理在常溫下,近紅外光譜儀分辨率設(shè)定為8cm-1,掃描次數(shù)設(shè)定為64,預(yù)熱20~30min后,將柑橘樣品置于旋轉(zhuǎn)的石英樣品杯上,樣品光譜測量部位選在柑橘最大橫向直徑上(赤道部位),每個樣品在赤道部位相對90o角度采集4次光譜。采集光譜時盡量避開斑點(diǎn)、疤痕等明顯缺陷。2折光鏡的制作將樣品沿縱向均勻切成4塊,每塊擠汁2~3滴置于WYT-1型手持糖量計的折光棱鏡表面,合上進(jìn)光蓋板并用手指稍加壓緊,接著將視場內(nèi)分劃板調(diào)至最清晰狀態(tài),記下分劃刻度值。利用溫度修正表修正其刻度值,再將4塊樣品的修正刻度值平均即為可溶性固形物含量。3定容液的制備采用硫酸苯酚比色法測定柑橘可溶性總糖。用組織搗碎機(jī)將單個樣品帶皮搗碎后,準(zhǔn)確稱取10g轉(zhuǎn)移到100mL容量瓶中,加蒸餾水至刻度并搖勻,取過濾液10mL定容至100mL。取定容后的樣液1mL、6%苯酚1mL、蒸餾水1mL和濃硫酸5mL混合搖勻,冷卻后在490nm處比色,用1mL蒸餾水代替樣液作為空白。4總酚含量的測定采用酸堿滴定法測定柑橘總酸含量。準(zhǔn)確稱取10g搗碎樣品轉(zhuǎn)移到100mL容量瓶中,加蒸餾水至刻度并搖勻,取過濾液10mL放入100mL三角瓶中,加1%酚酞2滴,用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定至粉紅色,記下滴定體積,重復(fù)3次取平均值。根據(jù)消耗的氫氧化鈉溶液體積計算總酸含量。5不同濃度0.0%品種中水楊酸護(hù)色液制備成網(wǎng)液5.采用2,6-二氯靛酚法測定柑橘Vc含量。單個樣品光譜掃描后,放入組織搗碎機(jī)搗碎,準(zhǔn)確稱取10g搗碎樣品,移至100mL容量瓶中,加入濃度為1%的適量草酸護(hù)色,再用蒸餾水定容。取5mL過濾液于三角瓶中,用標(biāo)定好的2,6-二氯靛酚溶液滴定至粉紅色,根據(jù)消耗的2,6-二氯靛酚計算出Vc含量。6噪聲父窗口的構(gòu)建采用小波變換消噪預(yù)處理光譜。將原始光譜以數(shù)據(jù)點(diǎn)的格式導(dǎo)入MATLAB6.5軟件中,另存為.mat格式,進(jìn)入小波分析工具箱,選取3階Daubechies小波(db3)進(jìn)行4級分解,選擇固定軟閾值和未知尺度的白噪聲,閾值大小通過劃分區(qū)間設(shè)定,保存設(shè)置結(jié)果并反映到降噪父窗口中。2結(jié)果與分析2.1原始近紅外飄反射光譜結(jié)果利用OPUS軟件對每個樣品的4條光譜數(shù)據(jù)取平均值,以此作為原始光譜數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1960,取平均值后的原始近紅外漫反射光譜如圖1所示。由圖1可知,柑橘樣品產(chǎn)地、品種、顏色不同,每個樣品的NIR譜圖差異較大。在波數(shù)12000~9500cm-1段,存在很大的噪聲。這主要反映了柑橘皮的信息,不影響內(nèi)部品質(zhì)的預(yù)測。2.2光譜消噪結(jié)果圖2為24號樣品小波消噪前后光譜比較圖。由圖2可以看出,經(jīng)過db3小波4級分解消噪后,光譜曲線變得光滑了,基本消除了噪聲影響,光譜中包含的有用信息更加明晰顯見。2.3柑橘內(nèi)部預(yù)測模型預(yù)測近紅外光譜定量分析是通過建立樣品吸光度與濃度之間的數(shù)學(xué)校正模型而實(shí)現(xiàn)的。偏最小二乘法(PLS)利用主成分分析將吸光度矩陣和濃度矩陣先分別分解為特征向量和載荷向量,用交互校驗法確定最佳主成分?jǐn)?shù),然后建立吸光度矩陣與濃度矩陣的數(shù)學(xué)模型,是目前應(yīng)用較多的一種多元校正方法。本研究分別選取一定數(shù)量的小波消噪后的有代表性光譜組成校正樣品集,運(yùn)用PLS法,通過OPUS軟件對光譜進(jìn)行波段優(yōu)化處理,得到最能代表柑橘SSC、TSS、TA和VC含量信息的優(yōu)選波段和主成分?jǐn)?shù),再結(jié)合內(nèi)部交互校驗法分別建立預(yù)測模型,得出預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相關(guān)系數(shù)(R),計算預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的校正均方差(rootmeansquareerrorofcross-validation,RMSECV),判別所建預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。SSC、TSS、TA和VC含量預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的預(yù)測結(jié)果見表1。由表1可知,所建模型預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相關(guān)性很好,相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,預(yù)測精度較高,能滿足柑橘內(nèi)部品質(zhì)的檢測要求。其中,115個樣品組成校正樣品集建立的可溶性固形物含量預(yù)測模型,其預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)系數(shù)為0.954,預(yù)測校正均方差為0.418%,建模主成分為7,最能代表柑橘可溶性固形物含量信息的光譜波段為6101.7~4246.5cm-1;80個樣品組成校正樣品集建立的可溶性總糖含量預(yù)測模型,其預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)系數(shù)R高達(dá)0.975,預(yù)測校正均方差為0.49%,建模主成分為5,最能代表柑橘可溶性總糖含量信息的光譜波段為7507.7~6097.8cm-1;100個樣品組成校正樣品集建立的總酸含量預(yù)測模型,其預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.948,預(yù)測校正均方差僅為0.022%,建模主成分為6,最能代表柑橘總酸含量信息的光譜波段為6101.7~4246.5cm-1;110個樣品組成校正樣品集建立的維生素C含量預(yù)測模型,其預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)系數(shù)R為0.957,預(yù)測校正均方差為0.039mg/g,建模主成分為8,最能代表柑橘維生素C含量信息的光譜波段為7501.7~5449.8cm-1。3柑橘可溶性固形物、可溶性總糖、總酸度和維生素c含量預(yù)測模型的建立本研究以臍橙為例,利用近紅外漫反射技術(shù),獲得了柑橘不同部位的近紅