蜂蜜中果糖和葡萄糖近红外检测的差异性分析及优化研究

屠振华1朱大洲2籍保平1孟超英3王林舸1庆兆珅*1

1(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083)

2(国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097)

3(中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083)

摘要：采集了来自全国20种单植物源和其它多植物源的101份的蜂蜜样品，分别运用傅立叶型近红外光谱仪采用光纤透反射(800~2500nm，2mm光程)和透射(800~1370nm，20mm光程)采集方式获得近红外光谱，来预测蜂蜜中结构和含量都很相近的果糖和葡萄糖含量。结果发现，两种测量方式下果糖、葡萄糖的预测准确度存在着较大的差异。为了分析这种差异产生的原因，采用支持向量机分析其非线性信息，采用遗传算法分析其特征波长，结果表明：这种差异主要来自两种糖分特征波长分布不同所导致。通过对两种糖分的检测方案进行优化，得出在利用近红外光谱技术检测蜂蜜中葡萄糖成分含量时应尽量采集短波区、长光程的光谱，或者对全谱区、短光程的光谱，进行特征波长的提取，避开水分的干扰，从而提高其预测精度；而对于果糖，则应尽量采集全谱区、短光程的光谱；采用常用线性定量建模方法PLSR就可以得到很好的预测模型，非线性的支持向量机模型未能明显提升模型性能。

关键词：蜂蜜；近红外；果糖；葡萄糖；特征波长

1、引言

蜂蜜中含有糖类、水分、矿物质、维生素、蛋白质、氨基酸乙酰胆碱、生物类黄酮等180余种不同物质成分。糖类物质是蜂蜜的基本成分，占70%~80%。其中，主要成分是葡萄糖和果糖，约占总糖分的85%~95%；其次是蔗糖，一般不超过5%。除此之外，蜂蜜中还含有少量如麦芽糖、乳糖、棉子糖、松三糖等20余种双糖和多糖。果糖和葡萄糖的含量最高，分别约占蜂蜜质量的38%和31%[1]。

近红外光谱技术[2]具有快速、简便、无样品预处理、无损伤等特点，并结合化学计量学方法提取光谱有效信息进行样品定性或定量分析被应用到很多领域。文献[3，4]研究了近红外透反射法对于蜂蜜中果糖、葡萄糖含量检测的可行性，并取得了较好的效果，可以有效解决现有高效液相色谱法检测中耗时、繁琐的问题。对于果糖、葡萄糖这两种在蜂蜜中含量最高、化学结构相似的单糖类物质，不同学者研究采用了不同光谱区间、光程等采集参数来探索其快速检测的可行性。Qiu等[3]利用1mm光程、400~2500nm波段近红外光谱建立果糖和葡萄糖PLS模型，预测集决定系数(R2)分别为0.97和0.91。Garcra等[4]利用2mm光程、400~2500nm波段近红外光谱建立果糖和葡萄糖PLS模型，预测集决定系数(R2)分别为0.98和0.95。上述研究结果表明，运用近红外光谱技术可以对蜂蜜中的果糖和葡萄糖含量进行快速检测，但仅集中于某种采集方式下线性定量模型的研究，尚未见对其非线性问题的研究。同时对于由于不同采集方式和参数下这两种单糖预测精度的差异性问题及其预测条件的优化问题也缺乏深入研究。本研究通过比较光谱区间、光程等采集参数，采用偏最小二乘回归线性建模支持向量机非线性建模、采用遗传算法分析蜂蜜中果糖和葡萄糖的特征波长等分析近红外光谱法检测蜂蜜中果糖和葡萄糖含量的差异性问题，优化其最佳检测方案，以提高近红外光谱法检测蜂蜜中果糖和葡萄糖含量的预测精度，并为其在不同实际运用条件下提供可行的检测方案。