劉燕德：近紅外智選讓中國水果產業更強大

　　分析測試百科網訊 光譜技術已邁過百年歷史長河，中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代，今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這巨大飛躍的背后，是老中青科學家為克服嚴峻挑戰而付出的辛勤汗水。為傳揚中國光譜學者為光譜事業所付出的辛勤努力，中國光學學會光譜專業委員會與分析測試百科網聯合舉辦“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪光譜界業內的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望可以對廣大光譜愛好與從業者產生更多的啟發。

　　今天，我們采訪到華東交通大學機電與車輛工程學院院長劉燕德教授，請她講述近紅外在水果篩選中的應用成果。

華東交通大學機電與車輛工程學院院長劉燕德教授

打破國外壟斷 發展水果智能分選設備

　　每個人都吃過橙子，一個大橙子，一個小橙子放在你面前，你會選哪個？稍微轉一下腦筋有人會說：大小并不重要，關鍵要好吃，哪個橙子甜我選哪個。可沒打開橙子前，誰能告訴你哪個甜？

　　您猜到了么？答案是近紅外光譜。

　　中國人最早應用近紅外光譜分選水果是2008年奧運會，采購了進口便攜近紅外光譜儀。兩年后，一位中國女性帶領團隊攻克技術難關，推出自主知識產權的蘋果糖度分選裝備并成功應用。她就是華東交通大學機電與車輛工程學院院長劉燕德教授。劉燕德接下來為我們普及了近紅外光譜（NIRs）用于水果品質篩選的歷史。

　　我國是水果生產大國，但卻“大而不強”，其中水果分選裝備落后就是原因之一。首先，我國水果采后中優質果率不足30%，高檔果率不足5%，遠低于發達國家平均水平；其次，水果采后的智能化檢測率也遠低于發達國家。國外壟斷致使設備價格高昂，水果企業苦不堪言。第三，國外還對我國進行檢測模型、檢測機理等方面的技術封鎖，加之國外企業是以當地水果作為檢測標準，并不適合中國水果，很難進行自主調整。

　　農業機械化工程專業畢業的劉燕德，從小就立下反哺農村的理想，希望用機械化、自動化幫助鄉親父老擺脫低效率的辛苦勞作。當她進一步了解到農業機械對提高農民勞動效率的重要作用時，更加堅定扎根此領域，立志改變我國水果光電分選設備受制于人的現狀。

　　劉燕德表示：水果分選作為水果產業后期的一道工序，對產業的提質增效起著不可替代的作用。水果分選后再銷售的利潤比直接銷售可高出20%。

　　2002年博士期間，劉燕德接觸到第一臺近紅外光譜儀（NIRs），為她打開了用NIRs快速檢測水果糖酸度的大門。當時，國內鮮有人開展此方面的科研，國外又進行技術封鎖，在極其困難的條件下，劉燕德懷揣最初的理想和永不言敗的執著，在此方向一干就是十多年。

　　2009年，華東交通大學校級光機電技術及應用研究所成立，劉燕德開始有了自己的團隊，并于2010年推出我國第一代自主知識產權的水果智能化分選裝備。該設備每秒可自動檢測5~8個水果糖酸度，實現了我國水果品質分選裝備從無到有的突破，打破了國外產品的市場壟斷。該設備成功應用于山東棲霞蘋果糖度分選，此后相繼開發了鴨梨、柑桔、臍橙、獼猴桃、蜜柚、西瓜等產NIRs分選設備，應用于河北、江西、廣東、廣西等水果主產區，檢測指標也由單一糖度檢測逐步向多指標同時檢測發展。

　　NIRs在水果產業的應用里程碑

　　回顧NIRs在水果產業的應用歷史，劉燕德表示：NIRs在水果產業發展近30年，逐步由實驗室走向采后分選、現場抽檢等應用，發展成水果采后提質的主流技術手段。

　　1989年，Mitsui將近紅外傳感器安裝在水果分選線上，推出了首套水果糖度分選裝備。該裝備采用漫反射結構，適用于蘋果、梨和桃子糖度檢測，糖度檢測時間0.13 S，單通道速度3個/秒。二十一世紀初期，日本的NIRS在線分選裝備被出口到臺灣和韓國，但價格因素阻礙了其在其它地區的推廣和應用。這促使了低成本的NIRS分選裝備在大洋洲甚至歐洲的發展，澳大利亞CVS公司于2006年研發了漫反射結構的NIRS分選裝備，后被法國邁夫（Maf Roda）公司收購。邁夫公司于2015年前后推出了全透射NIRS分選裝備，在農夫山泉公司得以應用。

　　我國從2008年引進首臺便攜儀應用于奧運水果品質監測；2010年劉燕德團隊自主研究出蘋果糖度分選裝備并發展出一系列針對不同應用的分選裝備。與此同時，該領域的理論研究也達到了新的高潮，2010年迄今國內發表相關論文968篇，博碩士學位論文84篇，國外期刊論文859篇。近兩年，北京偉創英圖科技有限公司、無錫迅杰光遠科技有限公司等也致力于水果NIRS分選裝備研發。

　　“隨著NIRs相關設備技術不斷完善，智能化技術日趨壯大，我相信NIRS在農產品檢測中能發揮更大的作用”劉燕德說到。未來，劉燕德還將融合新老設備，探索分選裝備新的增長點，同時借助智能化設備，實現對作物生長關鍵因子的監控，幫助農場實現“標準化種植”，助力我國從水果生產大國轉變為水果出口強國。

水果智選的代表應用

　　巾幗不讓須眉，2010年劉燕德團隊推出我國首臺完全自主知識產權的水果光電分選裝備；2016年，團隊研發的水果智能分選設備已涵蓋眾多水果產品。上饒市很多果農和企業找到劉燕德，提出了“上饒馬家柚”智能分選的訴求。馬家柚品種柚子皮，最厚可達5厘米，對柚子的分選當時是國際難題。劉燕德絕不言敗的氣場再次爆發，經過近一年的技術攻關，劉燕德團隊成功研制出了馬家柚糖酸度和重量快速無損分選裝備，發明了高速分選協同控制方法，解決了馬家柚等厚皮果有效信息獲取困難、檢測精度低等問題。迄今，劉燕德團隊研發推出的水果分選設備，已在江西贛南臍橙、上饒馬家柚、山東蘋果、河北鴨梨、重慶柑桔、廣東梅州金柚等水果主產區推廣應用。

1. 贛南臍橙分選設備

　　臍橙新裝備：針對臍橙果皮厚、透光性低等問題，研發了基于漫透射原理的臍橙糖度分選機。（10噸/小時）

　　應用地點：江西贛州市定南縣

　　速度5-8個/秒，檢測精度90%，檢測指標：糖度。

2. 河北鴨梨分選裝備

　　鴨梨分選裝備：針對梨等易損失、黑心等問題，研發了基于漫透射原理的鴨梨糖度、內部缺陷分選機。（10噸/小時）

　　應用地點：河北泊頭

　　速度5-8個/秒，檢測精度90%，檢測指標：糖度、重量、黑心。

　　從重量達標的優質果中選擇糖度12度以上的高檔果。

3. 井岡蜜柚分選裝備

　　速度3個/秒，檢測精度90%以上（16噸/小時）

　　應用地點：井岡山國家科技園

　　檢測精度±1?B

4. 蘋果分選裝備：

　　針對蘋果各向異性、陰陽面糖度差異大等問題，研發了基于漫透射原理的蘋果糖度分選機。（10噸/小時）

　　應用地點：山東盛全、綠景果業公司

　　速度5-8個/秒，檢測精度90%以上。

5. 上饒馬家柚分選裝備

　　速度3個/秒，檢測精度90%以上（16噸/小時）

　　應用地點：江西省東籬柚業科技有限公司

　　檢測精度±1?Brix。

　　經過多年的研發與實踐，團隊已開發一系列“水果神器”，利用近紅外漫透射原理實現了水果糖酸度和重量快速無損檢測。研究成果獲發明ZL5項、實用新型ZL5項、發表SCI/EI論文19篇，榮獲2019年江西省科技進步獎一等獎”。

中國學者在光譜領域取得的成就

　　談到中國學者在光譜領域取得的成就，劉燕德表示，近年來，隨著光譜儀器制造水平不斷提升，相關配套產品的開發，光譜技術得到了長足的發展。以紅外光譜為例，在2014到2019年間，我國出版了十余本近紅外光譜書籍，申請和授權近紅外光譜ZL超過300項，國內期刊發表論文超過2000篇，國外期刊發表論文也達到300篇左右。不僅如此，我國多位學者將光譜的分析特性與實際相結合，解決了諸多應用難題。

　　例如，石油化工科學研究院褚小立將分子光譜結合化學計量學方法在石油及其產品中分析研究推向新高度；南開大學邵學廣教授將溫控近紅外光譜的高維數據矩陣建立了相關的化學計量學方法，為水結構信息的檢測領域做出了突出貢獻；南京農業大學屠康教授，利用高光譜成像和電子鼻快檢技術，建立了農產品病害程度的檢測方法，為光譜檢測的發展添磚加瓦；華東交通大學劉燕德教授，基于近紅外漫透射原理開發了具有自主知識產權的水果品質動態在線分選裝置，可以有效地檢測水果內部品質。已應用于蘋果、臍橙、柑橘、獼猴桃、西紅柿、柚子、梨、草莓、哈密瓜等水果的在線檢測，實現了我國果品內外品質分選裝備從無到有的突破，替代進口設備，顯著增強了區域特色農產品的產業化水平和市場競爭力。

　　在應用、標準方面，近紅外對農產品內部品質和缺陷及食品安全方面也有很多閃光點。首先是標準方面，據統計我國在5年內發布了20余項國標、行標，涉及化工、食品、農業、紡織等領域。在應用方面，近紅外光譜有以下成果。

　　1.水果品質動態在線分選裝置及應用

　　水果品質近紅外光譜動態在線分選裝置的檢測方式分為透漫反射和漫透射3種，透射檢測方式中光源與檢測器在樣品的兩側，所采集的是完全穿透水果后的光譜信息，基本上反應水果內部品質信息；漫反射檢測方式中光源和檢測器在樣品的同一側，所采用光源的功率相對較小，光譜反應的是水果的局部信息，大多用來檢測薄皮水果的品質；漫透射檢測方式主要是由多個光源組合成光源系統對水果不同位置進行照射，檢測器可以接受到水果大部分品質信息，可以有效地檢測水國內部品質。劉燕德為解決水果實時動態測量的需要，自主搭建了近紅外動態測量裝備對雪青梨糖度和酸度進行測量實驗得到了較好的預測結果。

　　2.便攜式水果品質無損檢測裝置及應用

　　處理模塊和采集附件模塊。便攜式水果糖度無損檢測裝置可用于水果的糖度、酸度、硬度、病蟲害和重量等指標的分析研究。

　　3.在雞蛋品質無損檢測中的應用

　　雞蛋是一種富含大量蛋白質的食物,而蛋白質是由大量氨基酸通過氨基和羧基形成的肽鍵連接而成的肽鏈。這些成分主要是由O-H、C-H、N-H等含氫基團構成,而這些基團在近紅外區域具有很強的吸收譜帶。使用近紅外光譜分析技術不僅可以檢測出雞蛋中與這些基團有關的各種成分如哈夫單位、蛋白高度、蛋黃指數、蛋黃高度等,而且可用于分析物質的密度、黏度、蛋殼厚度、硬度及有關樣品的電學性質等,從而可對雞蛋樣品定量地描述或對新鮮度進行定性分析。劉燕德利用 TENSOR37傅立葉變換近紅外光譜儀采集不同儲存時間下雞蛋的漫透射光譜,對雞蛋的哈夫單位、蛋白pH值、蛋白高度和蛋形指數等品質指標進行分析結果表明隨著儲存時間的變化,各參數指標均與儲存天數存在較高相關性,蛋白高度隨著儲存天數的增加逐漸變薄,蛋白pH值隨著儲存天數的增加上升趨勢逐漸趨于平衡。

　　4.在辣椒品質分析中的應用

　　傳統的辣椒質量評定是基于顏色、形狀、傷痕及大小等外部特征來判斷的,或者是運用破壞性的方法抽樣檢測其成分,而近紅外光譜無損檢測是在不破壞樣品的情況下對上述內部品質進行評價的方法。該技術不同于傳統的化學分析方法,它利用分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段的光,產生的吸收光譜,來判定其對應物質的含量,對樣品不產生破壞。同時光譜采集所需時間很短,且無需樣品預處理對蔬菜生產過程及產后加工具有相當高的應用價值。劉燕德采用近紅外光譜分析方法建立鮮辣椒SSC和維生素C含量的近紅外定量分析模型,以SC及維生素C含量等指標來反映鮮辣椒品質，同時也打破了西方國家的“綠色壁壘”。

　　令人印象深刻的NIRS產品

　　談到當前中國市場上有哪些近紅外光譜品牌的產品最讓人印象深刻，劉燕德說到：“廈門奧譜天成與美國海洋光學讓人眼前一亮。”奧譜天成生產的近紅外光譜儀，分析速度快，全中文界面，操作簡單易用，可以實現農副產品如各種肉類、谷物中的脂肪、蛋白質、水分等含量的快速無損檢測。海洋光學的在線光譜分析可以對多路多組分連續同時測量，且速度快，準確性高，應用于多個領域的企業生產的多個環節，并已使得過程分析儀器領域發生了深刻變革。