分析测试百科网讯 光谱技术已迈过百年历史长河，中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代，今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这巨大飞跃的背后，是老中青科学家为克服严峻挑战而付出的辛勤汗水。为传扬中国光谱学者为光谱事业所付出的辛勤努力，中国光学学会光谱专业委员会与分析测试百科网联合举办“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访光谱界业内的一线工作者，探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用，展望光谱未来发展的新方向，希望可以对广大光谱爱好与从业者产生更多的启发。

今天，我们采访到华东交通大学机电与车辆工程学院院长刘燕德教授，请她讲述近红外在水果筛选中的应用成果。

华东交通大学机电与车辆工程学院院长刘燕德教授

打破国外垄断 发展水果智能分选设备

每个人都吃过橙子，一个大橙子，一个小橙子放在你面前，你会选哪个？稍微转一下脑筋有人会说：大小并不重要，关键要好吃，哪个橙子甜我选哪个。可没打开橙子前，谁能告诉你哪个甜？

您猜到了么？答案是近红外光谱。

中国人最早应用近红外光谱分选水果是2008年奥运会，采购了进口便携近红外光谱仪。两年后，一位中国女性带领团队攻克技术难关，推出自主知识产权的苹果糖度分选装备并成功应用。她就是华东交通大学机电与车辆工程学院院长刘燕德教授。刘燕德接下来为我们普及了近红外光谱（NIRs）用于水果品质筛选的历史。

我国是水果生产大国，但却“大而不强”，其中水果分选装备落后就是原因之一。首先，我国水果采后中优质果率不足30%，高档果率不足5%，远低于发达国家平均水平；其次，水果采后的智能化检测率也远低于发达国家。国外垄断致使设备价格高昂，水果企业苦不堪言。第三，国外还对我国进行检测模型、检测机理等方面的技术封锁，加之国外企业是以当地水果作为检测标准，并不适合中国水果，很难进行自主调整。

农业机械化工程专业毕业的刘燕德，从小就立下反哺农村的理想，希望用机械化、自动化帮助乡亲父老摆脱低效率的辛苦劳作。当她进一步了解到农业机械对提高农民劳动效率的重要作用时，更加坚定扎根此领域，立志改变我国水果光电分选设备受制于人的现状。

刘燕德表示：水果分选作为水果产业后期的一道工序，对产业的提质增效起着不可替代的作用。水果分选后再销售的利润比直接销售可高出20%。

2002年博士期间，刘燕德接触到第一台近红外光谱仪（NIRs），为她打开了用NIRs快速检测水果糖酸度的大门。当时，国内鲜有人开展此方面的科研，国外又进行技术封锁，在极其困难的条件下，刘燕德怀揣最初的理想和永不言败的执着，在此方向一干就是十多年。

2009年，华东交通大学校级光机电技术及应用研究所成立，刘燕德开始有了自己的团队，并于2010年推出我国第一代自主知识产权的水果智能化分选装备。该设备每秒可自动检测5~8个水果糖酸度，实现了我国水果品质分选装备从无到有的突破，打破了国外产品的市场垄断。该设备成功应用于山东栖霞苹果糖度分选，此后相继开发了鸭梨、柑桔、脐橙、猕猴桃、蜜柚、西瓜等产NIRs分选设备，应用于河北、江西、广东、广西等水果主产区，检测指标也由单一糖度检测逐步向多指标同时检测发展。

NIRs在水果产业的应用里程碑

回顾NIRs在水果产业的应用历史，刘燕德表示：NIRs在水果产业发展近30年，逐步由实验室走向采后分选、现场抽检等应用，发展成水果采后提质的主流技术手段。

1989年，Mitsui将近红外传感器安装在水果分选线上，推出了首套水果糖度分选装备。该装备采用漫反射结构，适用于苹果、梨和桃子糖度检测，糖度检测时间0.13 S，单通道速度3个/秒。二十一世纪初期，日本的NIRS在线分选装备被出口到台湾和韩国，但价格因素阻碍了其在其它地区的推广和应用。这促使了低成本的NIRS分选装备在大洋洲甚至欧洲的发展，澳大利亚CVS公司于2006年研发了漫反射结构的NIRS分选装备，后被法国迈夫（Maf Roda）公司收购。迈夫公司于2015年前后推出了全透射NIRS分选装备，在农夫山泉公司得以应用。

我国从2008年引进首台便携仪应用于奥运水果品质监测；2010年刘燕德团队自主研究出苹果糖度分选装备并发展出一系列针对不同应用的分选装备。与此同时，该领域的理论研究也达到了新的高潮，2010年迄今国内发表相关论文968篇，博硕士学位论文84篇，国外期刊论文859篇。近两年，北京伟创英图科技有限公司、无锡迅杰光远科技有限公司等也致力于水果NIRS分选装备研发。

“随着NIRs相关设备技术不断完善，智能化技术日趋壮大，我相信NIRS在农产品检测中能发挥更大的作用”刘燕德说到。未来，刘燕德还将融合新老设备，探索分选装备新的增长点，同时借助智能化设备，实现对作物生长关键因子的监控，帮助农场实现“标准化种植”，助力我国从水果生产大国转变为水果出口强国。

水果智选的代表应用

巾帼不让须眉，2010年刘燕德团队推出我国首台完全自主知识产权的水果光电分选装备；2016年，团队研发的水果智能分选设备已涵盖众多水果产品。上饶市很多果农和企业找到刘燕德，提出了“上饶马家柚”智能分选的诉求。马家柚品种柚子皮，最厚可达5厘米，对柚子的分选当时是国际难题。刘燕德绝不言败的气场再次爆发，经过近一年的技术攻关，刘燕德团队成功研制出了马家柚糖酸度和重量快速无损分选装备，发明了高速分选协同控制方法，解决了马家柚等厚皮果有效信息获取困难、检测精度低等问题。迄今，刘燕德团队研发推出的水果分选设备，已在江西赣南脐橙、上饶马家柚、山东苹果、河北鸭梨、重庆柑桔、广东梅州金柚等水果主产区推广应用。

1. 赣南脐橙分选设备

脐橙新装备：针对脐橙果皮厚、透光性低等问题，研发了基于漫透射原理的脐橙糖度分选机。（10吨/小时）

应用地点：江西赣州市定南县

速度5-8个/秒，检测精度90%，检测指标：糖度。

2. 河北鸭梨分选装备

鸭梨分选装备：针对梨等易损失、黑心等问题，研发了基于漫透射原理的鸭梨糖度、内部缺陷分选机。（10吨/小时）

应用地点：河北泊头

速度5-8个/秒，检测精度90%，检测指标：糖度、重量、黑心。

从重量达标的优质果中选择糖度12度以上的高档果。

3. 井冈蜜柚分选装备

速度3个/秒，检测精度90%以上（16吨/小时）

应用地点：井冈山国家科技园

检测精度±1˚B

4. 苹果分选装备：

针对苹果各向异性、阴阳面糖度差异大等问题，研发了基于漫透射原理的苹果糖度分选机。（10吨/小时）

应用地点：山东盛全、绿景果业公司

速度5-8个/秒，检测精度90%以上。

5. 上饶马家柚分选装备

速度3个/秒，检测精度90%以上（16吨/小时）

应用地点：江西省东篱柚业科技有限公司

检测精度±1˚Brix。

经过多年的研发与实践，团队已开发一系列“水果神器”，利用近红外漫透射原理实现了水果糖酸度和重量快速无损检测。研究成果获发明专利5项、实用新型专利5项、发表SCI/EI论文19篇，荣获2019年江西省科技进步奖一等奖”。

中国学者在光谱领域取得的成就

谈到中国学者在光谱领域取得的成就，刘燕德表示，近年来，随着光谱仪器制造水平不断提升，相关配套产品的开发，光谱技术得到了长足的发展。以红外光谱为例，在2014到2019年间，我国出版了十余本近红外光谱书籍，申请和授权近红外光谱专利超过300项，国内期刊发表论文超过2000篇，国外期刊发表论文也达到300篇左右。不仅如此，我国多位学者将光谱的分析特性与实际相结合，解决了诸多应用难题。

例如，石油化工科学研究院褚小立将分子光谱结合化学计量学方法在石油及其产品中分析研究推向新高度；南开大学邵学广教授将温控近红外光谱的高维数据矩阵建立了相关的化学计量学方法，为水结构信息的检测领域做出了突出贡献；南京农业大学屠康教授，利用高光谱成像和电子鼻快检技术，建立了农产品病害程度的检测方法，为光谱检测的发展添砖加瓦；华东交通大学刘燕德教授，基于近红外漫透射原理开发了具有自主知识产权的水果品质动态在线分选装置，可以有效地检测水果内部品质。已应用于苹果、脐橙、柑橘、猕猴桃、西红柿、柚子、梨、草莓、哈密瓜等水果的在线检测，实现了我国果品内外品质分选装备从无到有的突破，替代进口设备，显著增强了区域特色农产品的产业化水平和市场竞争力。

在应用、标准方面，近红外对农产品内部品质和缺陷及食品安全方面也有很多闪光点。首先是标准方面，据统计我国在5年内发布了20余项国标、行标，涉及化工、食品、农业、纺织等领域。在应用方面，近红外光谱有以下成果。

1.水果品质动态在线分选装置及应用

水果品质近红外光谱动态在线分选装置的检测方式分为透漫反射和漫透射3种，透射检测方式中光源与检测器在样品的两侧，所采集的是完全穿透水果后的光谱信息，基本上反应水果内部品质信息；漫反射检测方式中光源和检测器在样品的同一侧，所采用光源的功率相对较小，光谱反应的是水果的局部信息，大多用来检测薄皮水果的品质；漫透射检测方式主要是由多个光源组合成光源系统对水果不同位置进行照射，检测器可以接受到水果大部分品质信息，可以有效地检测水国内部品质。刘燕德为解决水果实时动态测量的需要，自主搭建了近红外动态测量装备对雪青梨糖度和酸度进行测量实验得到了较好的预测结果。

2.便携式水果品质无损检测装置及应用

处理模块和采集附件模块。便携式水果糖度无损检测装置可用于水果的糖度、酸度、硬度、病虫害和重量等指标的分析研究。

3.在鸡蛋品质无损检测中的应用

鸡蛋是一种富含大量蛋白质的食物,而蛋白质是由大量氨基酸通过氨基和羧基形成的肽键连接而成的肽链。这些成分主要是由O-H、C-H、N-H等含氢基团构成,而这些基团在近红外区域具有很强的吸收谱带。使用近红外光谱分析技术不仅可以检测出鸡蛋中与这些基团有关的各种成分如哈夫单位、蛋白高度、蛋黄指数、蛋黄高度等,而且可用于分析物质的密度、黏度、蛋壳厚度、硬度及有关样品的电学性质等,从而可对鸡蛋样品定量地描述或对新鲜度进行定性分析。刘燕德利用 TENSOR37傅立叶变换近红外光谱仪采集不同储存时间下鸡蛋的漫透射光谱,对鸡蛋的哈夫单位、蛋白pH值、蛋白高度和蛋形指数等品质指标进行分析结果表明随着储存时间的变化,各参数指标均与储存天数存在较高相关性,蛋白高度随着储存天数的增加逐渐变薄,蛋白pH值随着储存天数的增加上升趋势逐渐趋于平衡。

4.在辣椒品质分析中的应用

传统的辣椒质量评定是基于颜色、形状、伤痕及大小等外部特征来判断的,或者是运用破坏性的方法抽样检测其成分,而近红外光谱无损检测是在不破坏样品的情况下对上述内部品质进行评价的方法。该技术不同于传统的化学分析方法,它利用分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光,产生的吸收光谱,来判定其对应物质的含量,对样品不产生破坏。同时光谱采集所需时间很短,且无需样品预处理对蔬菜生产过程及产后加工具有相当高的应用价值。刘燕德采用近红外光谱分析方法建立鲜辣椒SSC和维生素C含量的近红外定量分析模型,以SC及维生素C含量等指标来反映鲜辣椒品质，同时也打破了西方国家的“绿色壁垒”。

令人印象深刻的NIRS产品

谈到当前中国市场上有哪些近红外光谱品牌的产品最让人印象深刻，刘燕德说到：“厦门奥谱天成与美国海洋光学让人眼前一亮。”奥谱天成生产的近红外光谱仪，分析速度快，全中文界面，操作简单易用，可以实现农副产品如各种肉类、谷物中的脂肪、蛋白质、水分等含量的快速无损检测。海洋光学的在线光谱分析可以对多路多组分连续同时测量，且速度快，准确性高，应用于多个领域的企业生产的多个环节，并已使得过程分析仪器领域发生了深刻变革。

（链接：http://www.sinospectroscopy.org.cn/readnews.php?nid=96272）