快速檢測牛奶成分的近紅外光譜測量方法及系統(tǒng)研究.pdf

1、牛奶是人們生活中最常消費的食品之一，它含有蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖及維生素等多種人體需要的營養(yǎng)元素，能滿足人體多方面的營養(yǎng)需要，因此，牛奶主要成分含量的測量就顯得尤為重要。近年來，隨著現(xiàn)代分析儀器科學的發(fā)展，快速有效地測定牛奶等乳品成分含量愈發(fā)引起各國乳品行業(yè)的關(guān)注。 隨著光學儀器設(shè)計、制造水平的提高以及計算機技術(shù)的發(fā)展和化學計量學方法研究的深入，近紅外光譜分析技術(shù)在過程分析和工業(yè)控制領(lǐng)域快速崛起。它具備高效、快速、成本低和綠色環(huán)保等

2、特點，并且能同時測量物質(zhì)的多種組分，在化學工業(yè)監(jiān)測、醫(yī)學臨床診斷、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測及食品質(zhì)量檢測等方面有著廣泛的應用前景。 利用近紅外光譜分析方法測量牛奶主要成分可以克服傳統(tǒng)方法的諸多弊端，易于實現(xiàn)自動化，因此在乳品檢測領(lǐng)域具有重要意義。本論文在探討基于聲光可調(diào)諧濾光器(AOTF)的牛奶成分近紅外光譜測量方法的基礎(chǔ)上，側(cè)重研究如何從相互重疊的光譜中提取樣品成分濃度變化的微弱信息。即通過采用化學計量學的各種手段，包括光譜數(shù)據(jù)預處理、

3、多變量建模等方法，來消除物理因素導致的干擾，建立穩(wěn)健的數(shù)學模型，并針對測量系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計、實驗設(shè)計、誤差傳遞模型的建立等方面進行了研究。 論文的主要研究工作包括以下幾個方面： 1．論述了近紅外光譜的產(chǎn)生及其光譜特征，探討了近紅外光譜定量分析原理及方法。論述了AOTF的分光原理，分析了非同向聲光相互作用下的光波矢量和晶體光軸的關(guān)系，根據(jù)平行切線動量匹配條件，推導了聲波和光波相互作用公式，為AOTF聲光參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

4、 2．研究了采用基于AOTF的近紅外光譜分析方法在光譜區(qū)域1 000nm～1 700nm范圍內(nèi)測量牛奶中蛋白質(zhì)、脂肪及乳糖等主要成分含量的基本方法。完成了基于AOTF的牛奶成分近紅外漫反射光譜測量系統(tǒng)的模塊化設(shè)計及相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計，并針對測量系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了測試，設(shè)計后的測量系統(tǒng)光譜重復性變異系數(shù)(Cv)低于0.1％。 3．對近紅外光譜分析中光譜數(shù)據(jù)預處理方法進行了研究。重點研究了直接正交(DO)光譜數(shù)據(jù)預處理方法，

5、結(jié)合牛奶及典型溶液樣品的近紅外光譜分別進行了處理，并與多元散射校正(MSC)、二階微分(SOD)等光譜數(shù)據(jù)預處理方法進行了對比，驗證了利用正交特性凈化光譜的可行性。DO法的研究解決了牛奶成分近紅外光譜測量系統(tǒng)的光譜數(shù)據(jù)預處理問題，同時為具有散射特性的類似樣品的近紅外光譜定量分析提供了可參考的方法。 4．對近紅外光譜分析中定量校正方法進行了研究。采用偏最小二乘(PLS)方法建立了牛奶成分含量近紅外光譜測量系統(tǒng)的線性校正模型。研究了

6、采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的徑向基函數(shù)(RBF)網(wǎng)絡(luò)建立非線性校正模型的方法，采用RBF網(wǎng)絡(luò)建立了牛奶成分含量近紅外光譜測量系統(tǒng)的非線性校正模型，并將系統(tǒng)RBF網(wǎng)絡(luò)非線性校正模型與系統(tǒng)PLS線性校正模型的預測結(jié)果進行了比較。 5．對基于AOTF的牛奶成分近紅外光譜測量系統(tǒng)進行了誤差分析，建立了漫反射光譜測量系統(tǒng)的誤差傳遞模型。分析了影響測量光譜穩(wěn)定性的主要因素，利用正交實驗設(shè)計法設(shè)計了系統(tǒng)光譜采集實驗，通過對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理及分析，