摘要新鮮度是衡量果蔬品質(zhì)的重要指標(biāo)，對藍莓新鮮度的快速準(zhǔn)確評價具有重大意義。針對傳統(tǒng)人工感官評價方法的不足，基于可見/近紅外光譜技術(shù)結(jié)合支持向量機(supportvectormachine，SVM)和隨機森林(randomforest，RF)建立了2種新鮮度快速評價模型，以期為藍莓新鮮度的快速準(zhǔn)確評價提供參考。該研究以10℃恒溫貯藏綠寶石藍莓為研究對象，利用可見/近紅外光譜儀采集其不同貯藏天數(shù)樣品的光譜信息，綜合考慮貯藏天數(shù)、外觀、質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物和維生素C這6個反映藍莓新鮮度的理化指標(biāo)，計算新鮮度綜合得分，將不同貯藏期的藍莓樣品劃分為新鮮、次新鮮和不新鮮3個類別。光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用SG(SavitzkyGolay)卷積平滑預(yù)處理，再采用主成分分析提取光譜特征信息。為使最佳主成分選取更合理，在使用粒子群算法尋優(yōu)SVM參數(shù)時，對主成分個數(shù)在[1，20]范圍進行了測試，結(jié)合5折交叉檢驗下平均分類準(zhǔn)確率最佳值，確定最佳主成分個數(shù)為5。以前5個主成分得分為輸入變量，新鮮度類別為輸出量，基于SVM和RF建立2種新鮮度快速評價模型。結(jié)果顯示，SVM模型訓(xùn)練集和測試集識別準(zhǔn)確率分別為97.78%和88%，RF模型訓(xùn)練集和測試集識別準(zhǔn)確率分別為100%和84%，SVM模型優(yōu)于RF模型。研究表明可見/近紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析和SVM可用于藍莓新鮮度的快速評價。

　　關(guān)鍵詞可見/近紅外光譜;藍莓;新鮮度;主成分分析;支持向量機;隨機森林

　　藍莓，一種藍色小漿果，歸屬于杜鵑花科越橘屬，有漿果之王的美譽[1]。其酸甜可口，風(fēng)味獨特，并且營養(yǎng)豐富，富含維生素、花青素和多種人體所缺礦物質(zhì)。藍莓鮮果自身含水量大，容易受到擠壓等損傷，且集中成熟于68月的多雨高溫時節(jié)，果實采后極其不易保存、容易失水干皺和腐爛。隨著貯藏時間的增加以及新鮮程度的快速變化，其品質(zhì)也會發(fā)生快速改變。

　　對藍莓的新鮮度進行快速準(zhǔn)確評價可以更好地為之品質(zhì)分級，或者何時將其制成果醬、含片以及提取化合物等加工品提供參考，以更好提高其利用價值。傳統(tǒng)對于藍莓新鮮度分級評價主要依靠人工感官評定，不僅費時費力且效果因人而異。

　　可見近紅外光譜技術(shù)憑借分析速度快、成本低、無污染等優(yōu)點，在食品快速無損檢測中被廣泛應(yīng)用。其結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法在物質(zhì)含量預(yù)測[2]、食品品質(zhì)檢驗[3]等多有研究。對于藍莓無損檢測而言，目前國內(nèi)外已經(jīng)基于近紅外光譜技術(shù)實現(xiàn)了其硬度[4]、可溶性固形物[5]、花青素[6]和總酚[7]的無損檢測，但以往對藍莓的研究主要是針對個別指標(biāo)預(yù)測，尚缺乏對新鮮度這一綜合指標(biāo)的研究。

　　不少學(xué)者利用光譜無損檢測技術(shù)對肉質(zhì)品[8]、水產(chǎn)品[9]和蛋類[10]的新鮮度進行了分析，但在果蔬尤其是藍莓的新鮮度研究還較少，主要原因是對于果蔬類樣本的新鮮度判定仍缺乏明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中李昆[11]采用近紅外光譜技術(shù)對不同放置天數(shù)的蘋果、白梨和香梨的新鮮度進行了探究，建立了PLS和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并取得了一定的預(yù)測效果。孫紅等[12]利用其設(shè)計的可見光近紅外鮮切果品新鮮度快速檢測裝置對紅富士蘋果進行了測試，以切開時長為分界線，將蘋果樣品分為兩個新鮮等級，建立的支持向量機模型準(zhǔn)確率為86.81%。以上研究表明，可見近紅外光譜技術(shù)可被應(yīng)用于水果新鮮度的快速檢驗和評價，但在對樣品的新鮮度劃分上僅以放置時長為判斷標(biāo)準(zhǔn)，劃分方法較為主觀且單一。

　　論文以綠寶石藍莓為研究對象，測得其可見近紅外光譜數(shù)據(jù)以及與藍莓新鮮度變化相關(guān)的個理化指標(biāo)，通過這些理化指標(biāo)計算新鮮度綜合得分，將樣品劃分為新鮮、次新鮮、不新鮮個類別。不同新鮮度類別的藍莓原始光譜數(shù)據(jù)采用(SavitzkyGolay)卷積平滑進行預(yù)處理，再運用主成分分析提取特征信息，建立支持向量機和隨機森林兩種新鮮度快速評價模型，比較兩種模型的評價效果，以期為藍莓新鮮度的快速準(zhǔn)確評價提供參考。

　　1材料與方法

　　1.1實驗儀器與材料

　　實驗儀器：LabSpec5000型光譜儀，美國ASD公司;LYT330型手持式折光儀，上海淋譽公司;UniversalTA型質(zhì)構(gòu)儀，上海騰拔公司;UV180型紫外分光光度計，北京北分瑞利公司;PX70BⅢ型生化培養(yǎng)恒溫箱，天津泰斯特公司。實驗材料：藍莓選用的品種為綠寶石，2021年月采于遼寧省米粒生鮮(丹東)商貿(mào)有限公司藍莓種植基地，挑選大小均勻、無損傷的成熟新鮮藍莓當(dāng)天低溫貯藏運回實驗室，分組放置于專用包裝盒內(nèi)避免擠壓，再貯藏于恒溫箱內(nèi)，恒溫箱內(nèi)溫度設(shè)置為10℃。

　　1.2實驗方法

　　隨著貯藏天數(shù)的增加，由于蒸騰作用、呼吸消耗以及受到纖維素酶、果膠酶等影響，藍莓果實外觀色澤質(zhì)地改變、質(zhì)量減少、硬度下降、可溶性固形物在相關(guān)酶的作用下含量增加、內(nèi)部維生素等被氧化[1314]。

　　基于上述考慮，研究測定了與新鮮度相關(guān)的個理化指標(biāo)：外觀、貯存天數(shù)、質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物、維生素，以此個理化指標(biāo)作為藍莓新鮮度指標(biāo)，參考謝忠紅等[15]對菠菜新鮮度的劃分方法，以各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差比上標(biāo)準(zhǔn)差之和為每個指標(biāo)賦予權(quán)值，求得每組藍莓新鮮度綜合得分，并據(jù)此劃分藍莓樣品新鮮度類別，以新鮮度類別作為分類標(biāo)簽，進而基于可見近紅外光譜數(shù)據(jù)建立新鮮度評價模型。

　　挑選大小均勻、無損傷的成熟新鮮藍莓分成300組，個每組，裝于PET專用水果包裝盒內(nèi)，于10℃恒溫箱中貯藏。每次實驗前取30組藍莓，邀請15名接受過培訓(xùn)的同學(xué)作為專家進行外觀打分，待恢復(fù)至室溫后采集其可見近紅外漫反射光譜，之后進行相關(guān)理化指標(biāo)的測定。樣品從貯藏當(dāng)天開始測定，其間每天測定次，每次30組樣品，共測定了10次。

　　1.3光譜采集

　　采用ASD公司LabSpec500型光譜儀采集光譜，該儀器波長范圍為350～2500nm，在0nm處光譜分辨率為nm，在400、100nm處為0nm。使用二分光纖及其探頭作為光譜檢測附件，光斑直徑為mm，檢測方式為漫反射，單波長快速掃描32次，使用配套軟件IndicoProVersion3.采集光譜，采集間隔為1nm。

　　采集樣品光譜前，先將機器預(yù)熱30min，之后將二分光纖探頭對準(zhǔn)聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)白板進行校正。掃描光譜時，先將藍莓表皮輕輕擦拭干凈，側(cè)放在墊有黑色植絨布的樣品盒內(nèi)。由于藍莓果實較小且大小形狀存在一定差異，為保證每個樣本光譜采集情況一致以及減少反射光散射外露，掃描樣品時光纖探頭與藍莓樣品表面直接緊密接觸，在樣品果腹赤道處每隔約20°位置掃描光譜次，以次所得平均結(jié)果作為該單果樣品的可見近紅外漫反射光譜，以每組中個樣品的平均光譜代表該組樣本光譜，每采集完成組樣品進行次白板校正，光譜掃描時盡量避開表皮缺陷部位。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1理化指標(biāo)結(jié)果分析

　　2.1.1質(zhì)量損失率和硬度

　　藍莓貯藏前期，果實飽滿水分充足，而隨著貯藏時間的增加，果實中的水分不斷減少，營養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗，貯藏第天時，果實表皮已嚴(yán)重皺縮。藍莓質(zhì)量損失率逐漸增加，截至最后次測量時，果實質(zhì)量減少了13.40%。果實硬度不僅影響其外觀形狀，還對其口感有較大影響，果實硬度值在貯藏期間不斷下降，至第天時，硬度下降到最低值。硬度的變化可以反映其細(xì)胞壁構(gòu)成物質(zhì)、細(xì)胞間結(jié)合程度以及相關(guān)分解酶的變化。質(zhì)量減少和硬度降低主要表現(xiàn)出果實呈現(xiàn)萎蔫、疲軟或腐爛形態(tài)，表皮光澤降低且變得不均勻。

　　2.1.2可溶性固形物和維生素

　　可溶性固形物是反映藍莓品質(zhì)的重要指標(biāo)，極大地影響其食用口感。貯藏期間可溶性固形物含量總體呈上升趨勢，前可溶性固形物含量增長迅速，然后增長速度放緩，這與李洋等[1在10℃貯藏條件下貯藏前期的測定結(jié)果具有一致性。

　　經(jīng)分析，可溶性固形物含量上升主要原因是貯藏期間藍莓內(nèi)淀粉、纖維素和果膠被淀粉酶、纖維素酶和果膠酶分解，從而產(chǎn)生了大量可溶性固形物[1，貯藏前期可溶性固形物產(chǎn)生速度大于其消耗速度，表現(xiàn)為其含量在貯藏期間不斷上升。雖然繼續(xù)貯藏時，可溶性固形物含量會達到峰值然后下降，但此刻藍莓早已肉眼可見的腐爛，再利用光譜無損檢測技術(shù)判斷藍莓新鮮度并無意義。

　　維生素，又稱抗壞血酸，能增強人體免疫能力，具有防治壞血病的作用，廣泛存在于各類果蔬中，是果蔬中的一種重要營養(yǎng)物質(zhì)。隨著貯藏時間增加，維生素含量逐漸下降，至貯藏第天時減少了30.66%。

　　維生素具有還原性，在空氣中易被氧化。據(jù)分析，藍莓采后，內(nèi)部維生素含量下降主要是由于其被不斷氧化分解19，且貯藏時間越長，維生素含量降低越多。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10℃恒溫貯藏下綠寶石藍莓在～9d貯藏期內(nèi)，花青素含量總體在0.7455～0.3307mg/g間波動，變化不明顯。在評價藍莓樣品的新鮮度類別時，由于指標(biāo)測量誤差的不可避免，過多的指標(biāo)可能會使評價效果下降。因此，最終考慮質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物、維生素、外觀得分和貯藏天數(shù)作為新鮮度評價的指標(biāo)。

　　2.2新鮮度綜合得分

　　本次研究綜合考慮貯藏天數(shù)、外觀、質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物、維生素這個指標(biāo)。參考謝忠紅等[15]對菠菜新鮮度的劃分方法，采用各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差占標(biāo)準(zhǔn)差之和的比值給每個指標(biāo)賦予權(quán)值，計算出每組藍莓的新鮮度綜合得分，并根據(jù)綜合得分情況將樣品藍莓合理劃分為新鮮、次新鮮和不新鮮個類別。

　　2.3劃分樣本集

　　樣本集依照新鮮度綜合得分進行排序，采用隔三選一法22]劃分為訓(xùn)練集和測試集。結(jié)果表明，訓(xùn)練集共計25組樣本，包含新鮮組、次新鮮86組、不新鮮73組;測試集總計組，包含新鮮22組，次新鮮組和不新鮮組。

　　2.4光譜分析與處理

　　2.4.1波段選擇和預(yù)處理

　　藍莓光譜兩端噪聲較大，去掉此部分光譜數(shù)據(jù)可使模型達到更好效果，本文選取500～2300nm之間光譜進行分析。光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性受到傳感器靈敏度、環(huán)境溫度和光照強度等因素的影響23]，合適的預(yù)處理手段可顯著提高信噪比，使模型的準(zhǔn)確率大為提升。此處選擇次多項式、平滑點數(shù)為15點的卷積平滑算法[2對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，預(yù)處理前后的反射光譜。相比于原始光譜，預(yù)處理之后的光譜曲線更加平滑，系統(tǒng)噪聲更低、信噪比更高。

　　2.4.2主成分分析

　　每一個樣本的光譜信息都有上千維的數(shù)據(jù)，若直接使用其建立模型，計算量大，耗時長，且會導(dǎo)致建立的模型性能差、準(zhǔn)確率低。主成分分析是一種常用的光譜數(shù)據(jù)降維和特征提取方法，能最大限度保留原始光譜信息，并加快模型訓(xùn)練速度，提高預(yù)測精度和魯棒性。繪制前個主成分得分的三維散點圖(為避免圖中數(shù)據(jù)點堆積，僅展示測試集數(shù)據(jù)得分)，同一種新鮮類別數(shù)據(jù)點具有一定聚集性，但不同類別之間存在交叉部分，僅依靠主成分得分難以對不同新鮮類別樣本準(zhǔn)確劃分。

　　3結(jié)論

　　藍莓果實貯藏期間，新鮮度是反映果實品質(zhì)的一個重要的綜合指標(biāo)，快速準(zhǔn)確評價藍莓果實新鮮度是一項重要的工作。為實現(xiàn)對藍莓新鮮度的快速準(zhǔn)確評價，利用可見近紅外光譜儀采集不同貯藏天數(shù)藍莓樣品的光譜信息，使用卷積平滑方法和主成分分析對光譜數(shù)據(jù)去噪和提取特征信息。綜合考慮個理化指標(biāo)：貯藏天數(shù)、外觀、質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物和維生素，計算新鮮度綜合得分，將所測00組藍莓樣品劃分為新鮮、次新鮮和不新鮮個類別。

　　在使用粒子群算法尋優(yōu)支持向量機參數(shù)時，對主成分?jǐn)?shù)在[1，20]范圍內(nèi)進行了測試，結(jié)合折檢驗下驗證集平均準(zhǔn)確率最佳值，確定最佳主成分個數(shù)為個。以前個主成分得分為輸入變量，建立SVM和新鮮度評價模型，獲得的識別準(zhǔn)確率分別為8%和4%。相對于模型，SVM模型具有更高的準(zhǔn)確率和魯棒性，可以更好地區(qū)分藍莓新鮮度的個類別，研究表明可見近紅外光譜技術(shù)結(jié)合VM方法在藍莓新鮮度的快速評價方面具有良好的應(yīng)用潛力。

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　　作者：曾明飛，朱玉杰，馮國紅，朱金艷，劉思岐