专利名称：基于近红外光谱技术无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法
技术领域：
本发明涉及光学分析领域，具体涉及一种基于近红外光谱技术无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法。
背景技术：
枸杞多糖是从枸杞中提取得到的一种水溶性多糖，已明确该多糖系蛋白多糖，由阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖、鼠李糖6种单糖成分组成。现代医学研究表明，枸杞多糖具有非常高的生物活性和功能抗衰老、降血糖和降血脂、增强机体免疫功能、抗疲劳、细胞保护和抗肿瘤、保护生殖系统、保护肝脏、促进发育等。在国标GB/T 18672-2002中，将枸杞多糖含量作为枸杞质量等级的重要指标。目前测定枸杞多糖含量的方法主要是采用苯 )—硫酸法和蒽酮一硫酸法。这两种方法的共同特点是测量过程复杂、耗费时间长、使用有毒有害化学试剂并且需要对样本做破坏性预处理，这些都不利于枸杞的在线检测，制约枸杞分级的发展。近红外(Near Infrared, NIR)光是指波长介于可见区与中红外区之间的电磁波，其波长范围为0. 8 2. 5iim，波数范围约为12500 3959CHT1。近红外光谱分析是利用近红外光谱区包含的物质信息，主要用于有机物质定性和定量分析的一种分析技术。与传统检测技术相比，近红外检测具有应用范围广、无需预处理、分析速度快、不消耗化学试剂、不产生污染、易于实现在线检测等一系列独特的优点。上世纪八十年代以来，尤其是近十几年来，通过光谱界、分析界与近红外研究领域人员的合作，近红外光谱分析进一步采用了化学计量学中多元回归方法以及现代光学、计算机数据处理技术，使得近红外得到了快速发展。
发明内容
为了实现简单、快速、无损、实时地检测枸杞中枸杞多糖的含量，本发明提供了一种基于近红外光谱技术无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法，能对枸杞中枸杞多糖含量进行简单、快速、无损地在线检测。本发明采用的技术方案是该步骤如下(I)建立校正样本光谱集首先收集不同品种、不同产地的枸杞典型样本，建立校正样本集；然后运用光谱仪对校正样本集中的样本进行光谱扫描得到其光谱；对同一样本需多次重复扫描，以平均光谱作为该样本标准光谱；(2)对光谱数据进行预处理获得样本光谱后的第一步是对光谱进行校正和预处理，抵消背景干扰，提高光谱的质量；这里采用平滑、微分、求导、小波变换、杂交小波变换等方法对枸杞样本的近红外原始光谱进行预处理，以便对样本光谱信号去噪，并对原来隐藏的信号差异加以放大，提高光谱的真实分辨率；(3)测量校正样本的枸杞多糖含量根据国标GB/T 18672-2002中相应规定，对样本进行适当预处理后，采用苯酚-硫酸法测定校正样本中枸杞的枸杞多糖含量。；(4)建立校正模型采用多元线性回归、人工神经网络、支持向量机等算法，建立预处理后的光谱数据和校正样品集标准枸杞多糖含量值之间的定量关系(即校正模型)。现代的多元回归算法分为多元线性回归算法和多元非线性回归算法。多元非线性回归算法可以针对生产实际中普遍存在的非线性现象进行拟合，并建立非线性回归，应用非常广泛。所以选择特征波段非常重要，通常采用逐步回归法寻找特征波段，或者采用回归曲线分析的方法。
(5)验证、修完善校正模型另取一定比例枸杞作为验证集，在相同条件下用光谱仪扫描得到光谱后，根据已建立的模型计算出验证集的枸杞多糖含量，与采用GB方法测得的验证集的枸杞多糖含量加以对比，以验证每个验证集样本的误差。若误差小于10%，则表明该模型是可行的、有效的；否则需对该模型重新进行修正完善，直至误差小于10%为止。(6)预测样本中枸杞多糖的含量保持获取光谱所采用的测量条件同获取校正集样本光谱所采用的测量条件一致，包括采样方法、分辨率、扫描间隔、扫描时间等，扫描预测样本，获取光谱，把经过预处理的光谱数据输入到校正模型，经过校正模型的分析计算即可得到该枸杞的枸杞多糖含量。本发明与背景技术相比，具有的优点是(I)快速、简便。利用光谱技术测定枸杞中枸杞多糖含量，其分析速度大大加快。光谱的测定过程一般可在30秒内完成。(2)不使用化学试剂，降低了检测成本，无环境污染，并且对检测人员身体健康无�：�。(3)能够对分析样本进行无损检测，检测后的枸杞仍可以出售和食用。(4)能够对样本进行现场检测，实时得到结果，能很好用于生产中。
附图是近红外光谱技术快速无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法的结构原理框图
具体实施例方式实施装置包括近红外光谱仪、光谱仪配套的卤素灯、计算机、标准校正板、进样池、电源灯等。采用MPA型傅立叶变换近红外光谱仪采集枸杞的近红外漫反射光谱，谱区范围12000 4000cm S开机预热I小时后进行光谱扫描。米用积分球漫反射方法，分辨率8cm S扫描次数64次，背景参数64次。计算机运行MPA光谱仪自带的0PUS5. 5软件，实现光谱数据的获取和存储。本发明的整个实施过程如附图所示①建立校正样本光谱集首先收集不同品种、不同产地的枸杞样本建立校正样本集；然后运用光谱仪对校正样本集中的样本进行扫描得到其光谱；同一样品重复测量3次，以平均光谱近似作为该样本标准光谱；光谱仪将数据经A/D转换后，得到光谱原始数据。②对光谱数据进行预处理获得样本光谱后应进行预处理。光谱的预处理方法有平滑、中心化、求导、归一化、多元散射校正、小波变换等。采用哪种预处理方法要依光谱的质量及噪声的情况来选择，预处理可以把原来隐藏的信号差异放大出来，提高光谱的分辨率，使光谱信息更加直观、可靠。在选择光谱的预处理方法的时候，可以单独使用某一种方法，也可以组合使用其中几种方法，具体采用哪种取决于预处理效果。③测量校正样本的枸杞多糖含量根据国标GB/T 18672-2002中相应规定，对样本进行适当预处理后，采用苯酚-硫酸法于490nm处测定校正样本中枸杞的枸杞多糖含量。④建立校正模型对于预处理后的光谱数据和采用国标方法获得的校正样本集枸杞多糖含量测定值，可以通过多元回归算法来建立校正模型。现代的多元回归算法包括多元线性回归算法和多元非线性回归算法。多元线性回归算法包括偏最小二乘回归法、主成分回归、逐步回归等，主要用来处理可以线形拟合的数据。多元非线性回归算法包括人工神经网络、支持向量机等。多元非线性回归算法可以针对生产实际中普遍存在的非线性现象进行拟合，并建立非线性回归模型。光谱数据一般都有数百到数千个数据点，所有的数据都用来建模往往导致模型学习时间长、模型结构复杂 等问题。所以选择特征波段是非常重要的，常采用逐步回归或者回归曲线分析的方法来实现。⑤验证、修改完善校正模型另取一定比例枸杞作为验证集，在相同条件下用光谱仪扫描得到光谱后，根据已建立的模型计算出验证集的枸杞多糖含量，与采用GB方法测得的验证集的枸杞多糖含量加以对比，以验证每个验证集样本的误差。若误差小于10%，则表明该模型是可行的、有效的；否则需对该模型重新进行修正完善，直至误差小于10%为止。⑥预测样本中枸杞多糖的含量保持获取光谱时所采用的测量条件同获取标准校正集样本光谱时所采用的测量条件一致，包括采样方法、分辨率、扫描间隔或者扫描时间等，扫描预测样本，获取光谱，把预测样本的光谱经校正及预处理后(预处理的方法也要同校正集光谱预处理时所采用的方法一致)，把光谱的特征送入校正模型即可测定未知样品的枸杞多糖含量。所以本方法只要在有代表性的枸杞样本的基础上建立了校正模型，就可以实现对枸杞的枸杞多糖含量进行简单、快速、无损、实时地测定。
权利要求
1.一种基于近红外光谱技术无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法，其特征在于，该方法的步骤如下 (1)建立校正样本光谱集； (2)对得到的光谱数据进行光谱预处理； (3)采用常规方法测定校正样本中枸杞多糖含量，作为标准值； (4)建立步骤(2)光谱与步骤(3)枸杞多糖含量之间的定量关系(即校正模型)； (5)对步骤(4)建立的模型进行验证和修改完善，最终获得误差小于10%的模型； (6)采集待测样本的近红外光谱，并利用步骤(5)所确定的模型进行分析计算，得到待测样本的枸杞多糖含量。
2.根据权利要求I所述方法，其特征在于所述步骤(I)中，收集不同品种、不同产地的枸杞典型样本，建立校正样本集；然后运用光谱仪对校正样本集中的样本进行光谱扫描得到其光谱；对同一样本需多次重复扫描，以平均光谱作为该样本的标准光谱。
3.根据权利要求I所述方法，其特征在于所述步骤(2)中，采用平滑、微分、求导、小波变换、杂交小波变换等方法对枸杞样本的近红外原始光谱进行预处理，以便对样本光谱信号去噪，并对原来隐藏的信号差异加以放大，提高光谱的真实分辨率。
4.根据权利要求I所述方法，其特征在于所述步骤(3)中，根据国标GB/T18672-2002中相应规定，对样本进行适当预处理后，采用苯酚-硫酸法测定校正样本中枸杞的枸杞多糖含量。
5.根据权利要求I所述方法，其特征在于所述步骤(4)中，采用多元线性回归、人工神经网络、支持向量机等算法，建立预处理后的光谱数据和校正样品集标准枸杞多糖含量值之间的定量关系(即校正模型)。
6.根据权利要求I所述方法，其特征在于所述步骤(5)中，另取一定比例枸杞作为验证集，在相同条件下用光谱仪扫描得到光谱后，根据已建立的模型计算出验证集的枸杞多糖含量，与采用GB方法测得的验证集的枸杞多糖含量加以对比，以验证每个验证集样本的误差。若误差小于10%，则表明该模型是可行的、有效的；否则需对该模型重新进行修改完善，直至误差小于10%为止。
全文摘要
本发明公开了一种基于近红外光谱技术无损检测枸杞中枸杞多糖含量的方法，通常需要以下步骤(1)建立校正样本光谱集；(2)对光谱数据进行预处理；(3)采用国标规定的方法测量校正样本的枸杞多糖含量；(4)采用多元回归、人工神经网络、支持向量机等算法，建立校正样本的近红外光谱与枸杞多糖含量之间的定量关系，即校正模型；(5)对校正模型进行验证、修改完善，直到误差小于10％；(6)对于待检测的枸杞，只要扫描它们的近红外光谱图，并把经过预处理的光谱数据输入到校正模型，经过校正模型的分析计算即可得到该枸杞的枸杞多糖含量。用本方法对枸杞多糖含量进行检测，快速、无损、无污染，整个过程在计算机的控制下，实现数据的采集、存储、显示和处理功能。
文档编号G01N21/35GK102636450SQ20121011323
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者刘珊, 卢毅, 杨福增, 王元杰, 王峥, 陈丽萍 申请人:西北农林科技大学
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