一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于蔗糖檢測技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)，具體涉及一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，本發(fā)明利用近紅外光譜儀測定樣品的近紅外光譜，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)對所測光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并依據(jù)處理后得到的校正集樣品的光譜數(shù)據(jù)及其白砂糖指標(biāo)參考值用化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)建立白砂糖指標(biāo)的校正模型，再用驗(yàn)證集樣品評價(jià)白砂糖指標(biāo)校正模型的性能，并用所建立的校正模型對未知白砂糖樣品指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，利用此方法進(jìn)行的白砂糖指標(biāo)檢測，無須化學(xué)試劑，也不需人工干預(yù)，具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定性高，5分鐘之內(nèi)可得到白砂糖的色值、濁度、糖分、水分重要參數(shù)。
【專利說明】
一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于蔗糖檢測技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)，具體涉及一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]廣西是中國最大的白砂糖生產(chǎn)省份，在新的時(shí)期如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的白砂糖，提升生產(chǎn)技術(shù)水平，需要提供一種快速、精確的檢測白砂糖質(zhì)量的方法。現(xiàn)有糖廠的糖檢測技術(shù)方法有儀器分析檢測法和常規(guī)化學(xué)檢測法，儀器分析檢測法雖然操作簡單，但是存在檢測精度低的缺陷，而傳統(tǒng)國標(biāo)的化學(xué)分析方法具有操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的缺點(diǎn)，重復(fù)性差的不足，檢測結(jié)果滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種快速準(zhǔn)確、無須化學(xué)試劑、對樣品完全無損的近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0004]—種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:選取白砂糖樣品進(jìn)行光譜掃描，對白砂糖吸收的光譜進(jìn)行分析計(jì)算，得白砂糖指質(zhì)量指標(biāo)，具體包括以下步驟:
[0005]步驟1:定期收集不同的白砂糖樣品，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定每個(gè)樣品的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)；
[0006]步驟2:采用近紅外光譜儀掃描測量每個(gè)樣品的近紅外漫反射光譜，然后篩選最優(yōu)的光譜測量參數(shù)，根據(jù)最優(yōu)的光譜波長段，診斷和剔除有異常光譜的樣品，篩選出合格的漫反射光譜；
[0007]步驟3:建立白砂糖樣品吸收光譜與參考值的各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的校正模型，得到多個(gè)多元回歸標(biāo)準(zhǔn)方程，然后對吸收光譜進(jìn)行預(yù)處理，從而得到白砂糖的各項(xiàng)指標(biāo)；
[0008]步驟4:掃描新的白砂糖，應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的色值、濁度、糖分和水分指標(biāo)，以增加樣品集的數(shù)量，對所建的校正模型進(jìn)行補(bǔ)充修訂。
[0009]優(yōu)選地，所述步驟I中，定期收集不同的白砂糖樣品，是每I隔個(gè)月采集一次新的白砂糖樣品，然后對白砂糖樣品集進(jìn)行掃描。以增加校正模型樣品集的數(shù)量，對校正模型進(jìn)行補(bǔ)充修訂。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟2中，根據(jù)選擇最優(yōu)的光譜波長段的范圍在400-2500nm波長范圍內(nèi)的近紅外光譜，其中，色值的光譜范圍選為400-800nm，濁度波長范圍為400_800nm，糖分水分測定所采用波長范圍為1100-2200nmo
[0011]優(yōu)選地，所述步驟4中應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的指標(biāo)預(yù)測時(shí)，未知樣品所用的光譜測量參數(shù)、光譜測量方法、光譜處理方法和建模光譜范圍均與標(biāo)校正模型的樣品一致。
[0012]優(yōu)選地，所述校正模型采用偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；
[0013]優(yōu)選地，所偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型的是將η個(gè)樣品的m個(gè)組分?jǐn)?shù)的濃度矩陣Y= (y^)nxm，近紅外光譜儀掃測定樣品的P個(gè)波長的吸光度矩陣X= (Xlj)nxP分解為特征向量形式，Y = UQ+F，X = ΤΡ+Ε，其中U和T分別為η行d列抽象組分?jǐn)?shù)的濃度特征因子矩陣和吸光度特征因子矩陣，Q為d Xm階濃度載荷陣，F(xiàn)、E分別為n Xm，n X P階濃度殘差陣和吸光度殘差陣，得出回歸模型U = TB+Ed，Ed為隨機(jī)誤差陣，B為d維對角回歸系數(shù)陣，PSd XP階吸光度載荷陣。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟2中診斷和剔除有異常光譜的樣品，篩選出合格的漫反射光譜是通過采用一階導(dǎo)數(shù)法(FD)、二階導(dǎo)數(shù)法(SD)、Savitzky-Golay平滑、Norris平滑、均值中心化(MC)中的一種或幾種進(jìn)行診斷分析。本發(fā)明采用偏最小二乘法(PLS)建立測定指標(biāo)數(shù)學(xué)模型，通過采用化學(xué)計(jì)量學(xué)和軟件技術(shù)，依次采用求導(dǎo)、平滑處理光譜、統(tǒng)計(jì)計(jì)算馬氏常數(shù)，篩選合適的光譜，再采用偏最小二乘法等方法，建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型;并用校正建模的白砂糖光譜來驗(yàn)證評價(jià)白砂糖指標(biāo)校正模型的準(zhǔn)確性。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟I中收集的白砂糖樣品包括但不限于一個(gè)區(qū)域的樣品；包括但不限于同一生產(chǎn)時(shí)間、同一生產(chǎn)廠家、同一生產(chǎn)批次。
[0016]本發(fā)明的實(shí)施主要包括配套的漫反射近紅外光譜儀器，以及標(biāo)準(zhǔn)的建立和模型的使用及維護(hù)。軟硬件包括近紅外漫反射光譜儀、光譜儀配套的齒鎢燈、電源、樣品池、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件、計(jì)算機(jī)等部分。光譜儀的波長掃描譜區(qū)為400-2500nm。用數(shù)據(jù)線將光譜儀與計(jì)算機(jī)相連，白砂糖樣品置于石英樣品槽中，電機(jī)驅(qū)動樣品池轉(zhuǎn)動，采用漫反射方式掃描樣品，進(jìn)行連續(xù)波長掃描，同時(shí)收集光譜。待數(shù)據(jù)采集完畢，采用光譜專用分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0017]綜上所述，本發(fā)明由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)利用白砂糖的近紅外光譜，對白砂糖各品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行快速測定的方法。具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，無須化學(xué)試劑，對樣品完全無損，為以后在線生產(chǎn)檢測提供技術(shù)支持，解決傳統(tǒng)白砂糖分析檢測的弊端。
[0019](2)本發(fā)明的檢測方法無須化學(xué)試劑，也不需人工干預(yù)，近紅外光譜技術(shù)對樣品沒有損傷。具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，5分鐘之內(nèi)可得到白砂糖的色值、濁度、糖分、水分重要參數(shù)。
[0020](3)本發(fā)明的檢測方法重復(fù)性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，適用性強(qiáng)、對環(huán)境的要求低。既適用于實(shí)驗(yàn)室，也適用于生產(chǎn)現(xiàn)場對樣品進(jìn)行快速檢測，具有及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)的特點(diǎn)。
[0021](4)本發(fā)明的檢測方法利于環(huán)境保護(hù)，近紅外光譜技術(shù)在樣品測定的過程中，不會對環(huán)境造成污染，該技術(shù)測試重現(xiàn)性好、對操作人員要求不高，培訓(xùn)簡單，推廣便捷。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施實(shí)例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的附圖做簡單地介紹，顯然，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在不付出創(chuàng)造性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是本發(fā)明一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法的檢測流程圖。
[0024]圖2是本發(fā)明掃描白砂糖樣品的吸光光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]結(jié)合圖1，一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，選取白砂糖樣品進(jìn)行光譜掃描，對白砂糖吸收的光譜進(jìn)行分析計(jì)算，得白砂糖指質(zhì)量指標(biāo)，具體包括以下步驟:
[0027]步驟1:定期收集不同的白砂糖樣品，測定每個(gè)樣品的需檢測指標(biāo)參考值選;取100份的樣品，每份樣品重量為200g;并按照白砂糖國標(biāo)GB 317-2006方法，測定每個(gè)樣品的需檢測指標(biāo)參考值，每I隔個(gè)月米集一次新的白砂糖樣品，然后對白砂糖樣品集進(jìn)tx掃描，以增加驗(yàn)證模樣品集的數(shù)量，對校正模型進(jìn)行補(bǔ)充修訂，定期收集的白砂糖樣品包括但不限于一個(gè)區(qū)域的樣品，包括但不限于同一生產(chǎn)時(shí)間、同一生產(chǎn)廠家、同一生產(chǎn)批次;近紅外NIRMagic 5700掃描白砂糖樣品所得吸光光譜圖，如圖2所示，從圖2中可看出吸光度和波長的變化曲線。
[0028]步驟2:采用近紅外光譜儀在400-2500nm波長掃描測量每個(gè)樣品的近紅外漫反射光譜;然后篩選最優(yōu)的光譜測量參數(shù)，再根據(jù)最優(yōu)的光譜波長段和數(shù)據(jù)前處理方法，診斷和剔除有異常光譜的樣品，篩選出合格的漫反射光譜；
[0029]在本發(fā)明中，診斷和剔除有異常光譜的樣品以及篩選出合格的漫反射光譜采用一階導(dǎo)數(shù)法(FD)、二階導(dǎo)數(shù)法(SD)、Savitzky-Golay平滑、Norris平滑、均值中心化(MC)中的一種或幾種。本發(fā)明采用偏最小二乘法(PLS)建立測定指標(biāo)數(shù)學(xué)模型，通過采用化學(xué)計(jì)量學(xué)和軟件技術(shù)，依次采用求導(dǎo)、平滑處理光譜、統(tǒng)計(jì)計(jì)算馬氏常數(shù)，篩選合適的光譜，再采用偏最小二乘法等方法，建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；并用校正建模的白砂糖光譜來驗(yàn)證評價(jià)白砂糖指標(biāo)校正模型的準(zhǔn)確性。所述數(shù)據(jù)前處理方法采用偏最小二乘法進(jìn)行校正，其中，測量參數(shù)指標(biāo)包括白砂糖的色值、濁度、糖分和水分指標(biāo)。根據(jù)選擇最優(yōu)的光譜波長段范圍在400-2500nm波長范圍內(nèi)的近紅外光譜，其中，色值的光譜范圍選為400-800nm，濁度波長范圍為400-800nm，糖分水分測定所采用波長范圍為1100-2200nm。
[0030]步驟3:建立白砂糖樣品吸收光譜與參考值光譜的各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的校正模型，得到多個(gè)多元回歸標(biāo)準(zhǔn)方程，然后對吸收光譜進(jìn)行預(yù)處理，即為光譜吸收與白砂糖各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)聯(lián)的多個(gè)多元回歸標(biāo)準(zhǔn)方程，從而得到白砂糖的各項(xiàng)指標(biāo)；白砂糖樣品的光譜與指標(biāo)參考值指標(biāo)的相關(guān)聯(lián)，主要對色值、濁度、糖分、水分等指標(biāo)值相關(guān)聯(lián)，建立白砂糖光譜測定指標(biāo)的校正模型得到所測定指標(biāo)與吸光度的多元回歸方程為，用于進(jìn)行快速檢測分析。由于近紅外光譜定量分析需要多元模型，多元模型的光譜特征與待測量之間不是一定符合唯一對應(yīng)性的，它容許待測光譜在一定范圍內(nèi)變動而不影響模型對樣品光譜的預(yù)測，即這種模型是具有容變性的關(guān)系模型。待測指標(biāo)濃度C與i個(gè)波長吸光度A之間的多元方程關(guān)系模型，多元回歸方程的模型為:C = Bt^BAAdBWA2+……其中C為待測指標(biāo)濃度(如白砂糖的色值、濁度等的數(shù)值)，i為所測物質(zhì)的i個(gè)特征波長(如色值的光譜選擇范圍為400-800nm，在這范圍內(nèi)，對色值產(chǎn)生影響的有機(jī)官能團(tuán)分子中原子之間振動的合頻和倍頻信息與一個(gè)或多個(gè)波長的頻率相一致)，仏為1波長出對應(yīng)的吸光度,B1為方程系數(shù)。
[0031]步驟4:掃描新的白砂糖，應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的色值、濁度、糖分和水分指標(biāo)，以增加樣品集的數(shù)量，對所建的校正模型進(jìn)行補(bǔ)充修訂。
[0032]在本發(fā)明中，應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的指標(biāo)預(yù)測時(shí)，未知樣品所用的光譜測量參數(shù)、光譜測量方法、光譜處理方法和建模光譜范圍均與標(biāo)校正模型的樣品一致。所述校正模型采用偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)數(shù)學(xué)模型;所偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型的是將η個(gè)樣品的m個(gè)組分?jǐn)?shù)的濃度矩陣Y=(yij)nXm，近紅外光譜儀掃測定樣品的P個(gè)波長的吸光度矩陣X=(Xlj)nxP*解為特征向量形式，Y = UQ+F，X= TP+E，其中U和T分別為η行d列抽象組分?jǐn)?shù)的濃度特征因子矩陣和吸光度特征因子矩陣，Q為d Xm階濃度載荷陣，F(xiàn)、E分別為η X m，n X P階濃度殘差陣和吸光度殘差陣，得出回歸模型U=TB+Ed，Ed為隨機(jī)誤差陣，B為d維對角回歸系數(shù)陣，PSd X P階吸光度載荷陣。通過偏最小二乘法得到最小化誤差的平方并找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。
[0033]以上所述僅為發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:選取白砂糖樣品進(jìn)行光譜掃描，對白砂糖吸收的光譜進(jìn)行分析計(jì)算，得白砂糖指質(zhì)量指標(biāo)，具體包括以下步驟: 步驟1:定期收集不同的白砂糖樣品，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定每個(gè)樣品的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)； 步驟2:采用近紅外光譜儀掃描測量每個(gè)樣品的近紅外漫反射光譜，然后篩選最優(yōu)的光譜測量參數(shù)，根據(jù)最優(yōu)的光譜波長段，診斷和剔除有異常光譜的樣品，篩選出合格的漫反射光譜； 步驟3:建立白砂糖樣品吸收光譜與參考值的各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的校正模型，得到多個(gè)多元回歸標(biāo)準(zhǔn)方程，然后對吸收光譜進(jìn)行預(yù)處理，從而得到白砂糖各項(xiàng)指標(biāo)； 步驟4:掃描新的白砂糖，應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的色值、濁度、糖分和水分指標(biāo)，以增加樣品集的數(shù)量，對所建的校正模型進(jìn)行補(bǔ)充修訂。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述步驟I中，定期收集不同的白砂糖樣品，是每I隔個(gè)月采集一次新的白砂糖樣品，然后對白砂糖樣品集進(jìn)行掃描。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述步驟2根據(jù)選擇最優(yōu)的光譜波長段的范圍在400-2500nm波長范圍內(nèi)的近紅外光譜，其中，色值的光譜范圍選為400-800nm，濁度波長范圍為400-800nm，糖分水分測定所采用波長范圍為 1100-2200nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述步驟4中應(yīng)用所建的校正模型預(yù)測未知白砂糖樣品的指標(biāo)預(yù)測時(shí)，未知樣品所用的光譜測量參數(shù)、光譜測量方法、光譜處理方法和建模光譜范圍均與標(biāo)校正模型的樣品一致。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述校正模型采用偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)數(shù)學(xué)模型。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述偏最小二乘法建立白砂糖測定指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型的是將η個(gè)樣品的m個(gè)組分?jǐn)?shù)的濃度矩陣Y= (y^)nxm，近紅外光譜儀掃測定樣品的P個(gè)波長的吸光度矩陣X= (Xlj)nxt^解為特征向量形式，Y = UQ+F，X = TP+E，其中U和T分別為η行d列抽象組分?jǐn)?shù)的濃度特征因子矩陣和吸光度特征因子矩陣，Q為dXm階濃度載荷陣，F(xiàn)、E分別為nXm，nXp階濃度殘差陣和吸光度殘差陣，得出回歸模型U = TB+Ed，Ed為隨機(jī)誤差陣，B為d維對角回歸系數(shù)陣，PSd X P階吸光度載荷陣。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述步驟2中診斷和剔除有異常光譜的樣品，篩選出合格的漫反射光譜通過采用一階導(dǎo)數(shù)法、二階導(dǎo)數(shù)法、Savitzky-Go lay平滑、Norr is平滑、均值中心化中的一種或幾種進(jìn)行診斷分析。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜快速檢測白砂糖指標(biāo)的方法，其特征在于:所述步驟I中收集的白砂糖樣品包括但不限于一個(gè)區(qū)域的樣品，包括但不限于同一生產(chǎn)時(shí)間、同一生產(chǎn)廠家、同一生產(chǎn)批次。
【文檔編號】G01N21/359GK106018329SQ201610299509
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】黎慶濤, 巫少斐, 何顯春, 張鑫, 劉繼棟
【申請人】廣西大學(xué)