农业中的光谱学——作物管理和食品质量评估

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农业在满足日益增长的人口的粮食生产需求方面发挥着重要作用。在当今世界的许多地方，在保护环境的同时最大化生产被认为是一个严重的问题。

目前的粮食生产正在逐步转向光谱学，以监测作物健康和提高产量。欧洲杯线上买球

农业设备制造商和生物科学研2020欧洲杯下注官网究人员相信Avantes光谱仪能够以合理的成本提供准确的光谱数据。欧洲杯线上买球Avantes在为多种应用开发光谱解决方案方面有超过25年的经验，因此有专业知识帮助设计适用于任何应用的光谱系统。

在作物生产中的应用

水稻氮素浓度

改善作物条件和监测植物健康特性是提高产量的重要因素。测定水稻叶片叶绿素含量的一系列指标¹是由浙江农业科学院数字农业研究所的研究人员开发的。欧洲杯线上买球

叶绿素与氮含量有很强的、被充分证明的相关性，氮含量是植物健康的主要指标。

使用AvaSpec-ULS2048CL-EVO的旧版本，研究人员研究了使用红边反射指数(reeri)和黄边反射指数(YERI)来校准叶绿素和氮值，以参考植物发育的每个阶段和不同植物健康状态的光谱²．一旦参考光谱被关联起来，这项研究背后的理论工作就可以应用到其他作物上。^3、4

肥料自动化应用

目前正在使用的商业应用程序遵循浙江研究人员使用的原则。英国农业巨头Yara成立于1905年，致力于农业行业的技术进步，并专门设计了N-sensor。

这种可变速率的实时氮传感器与肥料播撒机协同工作，监测植物状况，并在施肥点相应地调整肥料施用。这表明，最优的肥料用量总是在使用，减少环境影响和过度施肥造成的浪费，使作物产量最大化。

在太平洋西北部种植小麦

小麦的蛋白质含量实际上影响着小麦的价格，小麦价格的下降对农民的影响尤其大。软白冬小麦很好地适应了西北地区的气候，与其他品种相比，蛋白质产量较低。即使是其他蛋白质产量较高且非常适合该地区的品种也需要额外的氮肥。

利用光谱学仪器确定了测量蛋白质水平和等效氮值的标准。对于种植小麦的农民来说，这是在太平洋西北部开发用于商业应用的可变肥料技术的关键的第一步⁵．

未来的食物

火星殖民计划和长期太空任务将要求人类在不适合植物生长的环境中生产食物。这对计划满足这些未来殖民地的饮食需求有重大影响。弱光对小麦生长、产量及光合作用的影响⁶北京航空航天大学国际航天生物技术与医学工程联合研究中心与环境生物与生命支持技术实验室的研究人员进行了广泛的研究。

研究人员雇佣了AvaSpec-ULS2048光谱仪控制不同生长阶段各试验组的光照强度。他们发现，只要在灌浆后期有足够的光照，生长初期的低光照对最终产量几乎没有影响。

收获期间的应用

这个难题的一个重要部分是最大限度地提高收成，并在产品上市的过程中监控产品质量，以确保未来的粮食供应。在食物流的这个阶段，光谱学被用作一种非破坏性的方法来评估产品的质量和成熟度。

世界各地的研究人员正在近红外光谱范围内努力开发各种农产品的标准定性评估指标。这些指标可用于在收获点和收获后的自动分级和排序。

匈牙利的乔纳金苹果、甜樱桃、西班牙的桃子和意大利的多种葡萄都是这种光谱测量方法的研究对象。

乔纳戈尔德和富士苹果

早些时候，Avantes已经报道了研究人员试图制定标准来评估富士苹果和Jonagold苹果品种的质量和成熟度。这些研究工作在近红外和红色范围（600-1100 nm）内，根据颜色、水分和可溶性糖含量，开发了苹果质量和成熟度鉴定的多个客观指标。

甜樱桃

匈牙利每年生产约1 - 1.2万吨樱桃。这座城市的研究人员探索了花青素的吸收特性。花青素是一种水溶性植物色素，随着植物pH值的微小变化，花青素会呈现紫色、蓝色或红色。AvaSpec-ULS2048L被证明是在近红外光谱(900-970 nm)和红色光谱(570-730 nm)以及在生命周期的几个阶段和不断变化的健康状态下工作的最佳仪器。最后，本项目开发了四个光谱指标来客观评价樱桃果实。除花青素外，水分和颜色指数也是主要影响因素⁷．

桃子

感知成熟度是收获后的主要考虑因素，因为它是客户最重要的质量指标。然而，由于客观测试具有破坏性，因此对成熟度指标进行限定的过程大多是主观的。

当然，Avantes意识到水分含量（影响硬度）和可溶性糖含量（SSC）在很大程度上与水果质量相关。由于其光谱吸收特性，近红外光谱已被确立为一种有效的方法来测量水分含量和SSC。

意大利研究人员使用了一种相当于AvaSpec-NIR256-1.7的早期模型来研究指标标准的制定，从而将近红外光谱的结果与成熟度的感知联系起来。这使得这项技术可以应用于商业应用，从而将该技术应用于现场⁸．

葡萄和葡萄酒生产

葡萄酒生产是世界上许多地区的关键产业，尤其是在意大利。来自意大利米兰大学农业工程系的一组研究人员应用Vis/NIR光谱技术来表征葡萄收获时的成分。他们在2005年和2006年取样了令人震惊的156个葡萄品种，同时致力于快速预测影响葡萄酒质量的成熟因素⁹．

收获时的葡萄成分是未来葡萄酒品质的主要决定因素。葡萄成分考虑了许多因素，包括熟悉的成熟度指标，如酸度和可溶性糖含量，以及多酚和酚类化合物花青素(如在樱桃研究中)。

这个研究的帮助下AvaSpec-ULS2048L承诺的进展便携式VIS显示/近红外光学测量系统在450 - 980纳米波长范围工作快速、非破坏性葡萄质量测量验证率为95%时研究是在2010年完成。

从那时起，分光计技术已经发展到这种程度，这些应用是创建商业系统的“成熟”前景。

食品应用

牛奶生产

光谱学在乳品行业有许多用途。荧光光谱法用于检测牛奶中的脂肪、蛋白质、碳水化合物、水分和矿物质。传统的化学分析技术需要实验室设备、专业人员，而且在方法学上破坏性最大。2020欧洲杯下注官网乳制品的化学成分通常在近红外(800-2500 nm)和紫外(185-210 nm)波长范围内进行研究。

保加利亚普罗夫迪夫食品技术大学的一个研究小组进行了这项研究，部分目的是为检查人员提供一种工具，以控制掺入糖、植物脂肪和外源蛋白质的奶制品的扩散¹⁰．

法国公司Spectralys Innovation与食品行业专业技术中心Actalia共同设计了Amaltheys，一种用于评估奶酪牛奶中变性乳清蛋白的商业荧光分析仪。该系统使奶酪生产商能够检查凝乳凝固情况，并使奶酪生产产量标准化¹¹．

鸡蛋和牛肉品质

目前正在开展工作，以便制定一些其他食品的质量评估方法。使用VIS/NIR光谱来评价牛肉嫩度和鸡蛋新鲜度被认为是一个更有趣和最新的例子。

来自中国农业大学工程学院的研究人员正在与美国牛肉合作AvaSpec-NIR256-2.5光谱仪为了测量肉质的特征，其中包括：脂肪含量、颜色、水分含量、嫩度和pH值。除了研究组成的大量营养素外，该团队还考虑了使用近红外光谱来识别常见污染物，如总挥发性碱性氮¹²．

鸡蛋被认为是另一种受欢迎的蛋白质来源，从壳内监测新鲜程度是一项挑战。然而，鸡蛋质量和孵化研究小组的研究人员分析了从鸡蛋获得的近红外和可见光透射光谱。使用AvaSpec-ULS2048L, EQIRG发现了收集的透射光谱和鸡蛋新鲜度的标准测量值之间的强大联系，如哈夫单位和pH单位，它们能够根据白蛋白或蛋清的高度测量蛋白质质量¹³．

捕捉食物假药

由于价格或需求的原因，有许多食品经常被仿冒。橄榄油和蜂蜜是两种经常掺假或“假冒”的产品。蜂蜜是世界上最容易造假的食物之一。掺假酒精最近也成为新闻的一个话题，墨西哥度假胜地试图阻止这些可能致命的假酒的销售。

Wendy Meulebroeck和来自比利时布鲁塞尔自由大学的一个团队在IEEE Instrumentation and Measurement杂志上发表了一系列关于光子增强传感器在食品监测中的研究论文。本研究使用分辨率可达0.1 nm的AvaSpec-ULS3648光谱仪，在近红外光谱技术用于液体和固体食品的鉴别和鉴定方面取得了巨大进步¹⁴．

英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)也调查了食品欺诈问题，并正在研究制定一种傻瓜相机快速检测技术，用于食物链的现场分析¹⁵. 他们评估了AvaSpec-NIR256-2.5-HSC在一个系统中的使用，该系统将快餐分析带出实验室，并将其置于阻止食品欺诈的最前沿。

农业和食品方面的先锋

Avantes是为实际应用开发光谱解决方案的全球领导者。研究人员依靠Avantes确保未来世界粮食人口。

参考资料及进一步阅读

1. 胡浩。”利用叶片叶绿素荧光和反射特性测定水稻氮素营养状况，“Sensor Letters, Volume 9, Number 3, June 2011, pp. 1207-1211 .
2. 张金衡等。”估算水稻氮素营养的新反射率光谱植被指数I：利用叶片光谱反射率和SPAD值选择最佳植被指数。Sensor Letters, Sensor Letters，第9卷，第3期，2011年6月，第1190-1195页(6)
3. 张金衡等。”估算水稻氮素营养的新反射光谱植被指数II:估算水稻叶片氮素浓度的最佳反射光谱植被指数。Sensor Letters, Sensor Letters, Volume 9, Number 3, June 2011, pp. 1196-1200(5)。
4. 张金衡等。”估算水稻氮素营养的新的反射光谱植被指数Ⅲ：基于冠层红边反射光谱监测水稻冠层叶片氮素浓度的新植被指数的建立“传感器字母，传感器字母，第9卷第3期，2011年6月，第1201-1206（6）页。
5. 周易等人。”战略供氮改变旱地小麦冠层发育，提高氮素利用效率农学学报109(3)2017年1月。
6. 董，陈等人。”低光强对不同生育期小麦生长、光合特性、抗氧化能力、产量和品质的影响”. 《空间研究进展》第53卷，第11期，2014年6月1日，第1557-1566页
7. 阿提拉、纳吉和托马斯·雅诺斯。”甜樱桃果实的反射率测量分析“奥拉迪亚大学环境保护系，第17, 2011卷。
8. s·卡彭等人。”桃子成熟度的电子鼻和近红外光谱分析《传感器与微系统：第七届意大利会议记录》。意大利博洛尼亚。2002
9. 盖蒂，R。等用简单的Vis/NIR系统评价葡萄品质参数Transactions of the ASABE 2010 Vol.53 No.2 pp.477-484 ref.28
10. Dimitrova, T.L.等人"牛奶的散射和荧光光谱“保加利亚化学通讯，第46卷，国际空间站。B（第39-43页）。2014年12月10日。
11. P, Lacotte等人"Amaltheys:一种基于荧光的分析仪，以评估奶酪牛奶的变性乳清蛋白中国畜牧杂志。2015年10月;98(1欧洲杯线上买球0):6668-77。
12. 彭彦坤，王文秀。”近红外光谱技术在肉类品质安全评价中的应用2015年1月1日。
13. 坎普斯，巴特等人"鸡蛋新鲜度的可见透射光谱学评估《食品与农业科学杂志》，2006年。欧洲杯线上买球
14. 梅勒布罗克、蒂恩庞特和奥特维尔。”食品监测用光子学增强型传感器：第1部分，《IEEE仪器测量杂志》。第19卷，发行日期：2016年12月6日。
15. Royston Goodacre等人"点射法:用于现场食品欺诈分析的快速定量检测方法——走出实验室进入食品供应链“分析方法”，2015年1月1日。

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