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柑橘是世界第一大水果,中国是世界上许多柑橘种类的原产地,但其创造的经济价值同世界发达国家相比仍然有很大的差距。其重要原因之一在于品质检测技术徘徊不前,严重阻碍了加工产业的发展。面对入世后国外水果的冲击,迫切需要提高我国的水果检测技术,促进水果产后处理和检测分级技术发展,增强水果产业的竞争力。
本文以广东省的特色柑橘砂糖橘为研究对象,采用可见-近红外漫反射方法和可见-近红外漫透射方法,进行了砂糖橘的可溶性固形物、总酸、有效酸度、水分含量和维生素C含量的无损检测。本文的主要研究结论如下:
(1)砂糖橘可溶性固形物无损检测研究。
进行基于450-2500nm范围漫反射方法的整果可溶性固形物检测研究。基于sym8-3层的小波分解消噪优于常规的光谱预处理效果。连续投影算法联合使用贡献值筛选,可从2051个波长中提取11个优选波长组合,使用变量数只有全谱波长数的0.54%。据此建立的整果可溶性固形物预测模型的预测相关系数为0.8759和预测均方根误差为0.2513,人工神经网络(BPNN)模型的预测效果优于偏最小二乘(PLS)和多元线性回归(MLR)模型。
进行了基于400-1100nm范围漫透射方法的果肉可溶性固形物无损检测研究。实验表明,近红外波段的建模效果显著优于可见光波段的建模效果。通过回归系数的分析表明,大量的有用信息都集中在712-958nm范围内,这是建立果肉可溶性固形物预测模型的优选波段。最优PLS模型产生了0.9453的预测相关系数和0.4445的预测均方根误差。
(2)砂糖橘总酸和有效酸度无损检测研究。
进行基于500-2500nm范围漫反射方法的总酸检测。相对于常规的平滑去噪法,小波去噪能提高信号的信噪比和降低原始信号与消噪信号之间的均方根误差,去噪性能最为理想。使用连续投影算法结合间隔偏最小二乘法,能预先缩小光谱范围,能剔除对待测成份不敏感的波长,从2001个波长点中得到14个优选波长,据此得到的最优模型产生的预测相关系数及均方根误差为Rp=0.8667和RMSEP=0.06164,BPNN建模效果优于PLS模型。
基于400-1100nm范围漫透射方法的有效酸度检测。最优模型产生了0.7057的预测相关系数和0.2970的预测均方根误差。实验表明,使用透射法检测砂糖橘的有效酸度的方法效果较差。
(3)进行基于500-2500nm漫反射方法的整果含水量检测研究,讨论了果皮在果肉含水量检测中的影响。
详细讨论了基于dbN小波基的消噪效果。原始光谱和一阶导数光谱采用适当分解层次的不同dbN小波消噪后,建模效果都有不同程度的改善。不同的dbN小波消噪效果不一样,同一种dbN小波,分解层次不同消噪的效果也不同。综合比较发现,对本实验而言,经过db9小波3层分解和db10小波3层分解消噪后的原始光谱和经过db6小波4层分解和db3小波4层分解的导数光谱建模效果最好。
探讨BPNN方法的建模效果。对于BPNN模型和PLS模型而言,基于同种消噪方法和同种输入变量的两者比较,BPNN模型的预测效果整体优于PLS模型,说明BPNN网络具有很好的非线性映射能力,适合于完成基于近红外光谱的建模任务。但是其缺点也不容忽视,其建模的精度很依赖于参数选择和隐层节点数目,目前没有任何固定的方法,只能是通过尝试,而且各次的运行结果也有差异。
探讨了果皮在果肉水分无损检测中的影响。基于完整果漫反射光谱产生的最佳模型对果肉水分的预测,预测相关系数为0.8343,而基于果肉的漫反射光谱产生的最佳模型对果肉水分的预测,预测相关系数达到0.8609,表明砂糖橘果皮的存在,使得收集到的整果漫反射光没有很好的深入到果肉的内部,砂糖橘果皮的存在对基于漫反射方法的砂糖橘果肉品质无损检测存在一定的影响。
(4)进行了基于500-2500nm漫反射方法的砂糖橘VC含量无损检测。
从全部2001个波长点经过SPA压缩得到20个波长点,继续结合贡献值筛选法压缩得到13个波长,使用信息量只有全谱变量的0.65%。据此建立的MLR、PLS和BPNN模型的预测精度都高于20个波长作为输入的相应模型精度。最好的BPNN模型取得了0.8038的预测相关系数和10.0738的预测均方根误差。