韓 赟，季蘇丹，李 成，陳俊強，高志航，張 淑

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

隨著世界人口的不斷增長，糧食安全問題早已成為全球性的問題。我國更是一個人口大國，糧食安全問題直接關(guān)乎人們的生活質(zhì)量和國家的穩(wěn)定發(fā)展。隨著生活水平的提高與消費結(jié)構(gòu)的升級，人們對于糧食安全的重視程度日益提高，正在從吃飽、吃好向吃的更健康、更安全轉(zhuǎn)變。因而在糧食的種植、儲藏、運輸、加工等各個環(huán)節(jié)對成分含量進行監(jiān)測和控制就顯得越來越必要。

早在19世紀(jì)國外就開始對糧食成分進行分析。傳統(tǒng)檢測方法包括體積分析法、重量分析法、化學(xué)方法等。重量分析法、體積分析法不能對成分含量進行系統(tǒng)準(zhǔn)確的分析，化學(xué)方法存在隨意性大、耗時、費用昂貴、污染、占用試驗室空間、檢測人員勞動強度大等問題，均無法滿足高速增長的快速、低成本、自動化、智能化的分析要求。

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，樣品檢測要求做到無損在線分析。近紅外光譜測試技術(shù)顯示了它無可爭議的快速、準(zhǔn)確、操作簡單等優(yōu)越性，并且將這些特點有機的結(jié)合起來，為糧食與食品工業(yè)的物料成分分析開辟了新的天地，為成分分析、在線控制、過程控制、質(zhì)量控制提供了可能。

目前國內(nèi)糧油行業(yè)近紅外分析技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但主要是在化驗室內(nèi)使用，一些大型面粉加工企業(yè)、油脂加工企業(yè)、港口散糧公司已經(jīng)開始使用近紅外在線分析技術(shù)來監(jiān)測物料特性并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。目前大型糧油加工企業(yè)與糧食收儲系統(tǒng)尚未大規(guī)模及系統(tǒng)使用在線分析儀器來對收儲糧食進行實時分析和分類管理，技術(shù)升級與改進空間巨大。

1 基本原理

近紅外光譜的原理是當(dāng)分子受到近紅外區(qū)域的電磁輻射后，吸收一部分近紅外光，使分子中原子的振動能級與轉(zhuǎn)動能級躍遷所產(chǎn)生的分子吸收光譜。近紅外譜區(qū)的波長范圍是770～2 500 nm，該譜區(qū)兼?zhèn)淞酥屑t外譜區(qū)信息量豐富與可見譜區(qū)使用方便的優(yōu)點。與中紅外譜區(qū)一樣，近紅外光譜分析利用分子振動的信息，但本譜區(qū)的主要信息是振動的倍頻與合頻信息，通過該譜區(qū)的光譜分析，可以實現(xiàn)對含氫基團的樣品的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)的分析，可同時進行多項目分析。該譜區(qū)可以射透樣品內(nèi)部，取得樣品內(nèi)部的有關(guān)物理、化學(xué)信息。因此用近紅外光譜，只需要少量的樣品，即可進行各種快速分析，特別適用于各種復(fù)雜樣品的無損分析。

2 近紅外在線技術(shù)在分析糧食內(nèi)含物中的優(yōu)勢

2.1 水分近紅外在線分析價值

糧食、油料水分含量是指糧食、油料試樣中水分的質(zhì)量占樣品質(zhì)量的百分比。水分含量是評價糧食、油料品質(zhì)基本指標(biāo)之一。糧食、油料的水分含量對加工生產(chǎn)和安全存儲以及購買、銷售和調(diào)撥分配等方面都有重要的意義。

檢測糧食、油料水分含量的方法有：加熱干燥法、電測法、蒸餾法、核磁共振法、微波法、和近紅外分析吸收光譜法等。其中，加熱干燥法我國糧食、油料質(zhì)量指標(biāo)中水分含量的標(biāo)準(zhǔn)方法。近年來出現(xiàn)了一些電阻式、電容式水分測定儀，由于適用場景環(huán)境的干擾與標(biāo)定數(shù)據(jù)的時效性等因素，測量結(jié)果并不理想。核磁共振法也有一定的使用,但儀器價格昂貴，不適宜現(xiàn)場在線使用。

近紅外吸收光譜法隨著其測定系統(tǒng)的研究和開發(fā)，該方法作為糧食水分、蛋白質(zhì)、脂肪等其它成份的快速測定方法，已被用于糧食、油料的品質(zhì)分析中，美國、加拿大已將近紅外吸收光譜法作為檢查谷物品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法。近些年我國近紅外光譜測試裝置、測試方法的進一步改進和完善，近紅外在線分析技術(shù)在糧食分析領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展，使糧食的水分在線實時檢測已經(jīng)不再是技術(shù)障礙，實時檢測條件下已經(jīng)可以實現(xiàn)糧食水分的全檢效果。

2.2 粗脂肪近紅外分析價值

脂肪是油料中的主要化學(xué)成分，同時也是人體的七大營養(yǎng)物質(zhì)之一，也作為工業(yè)的重要原料。油料的主要用途是制油，含油量是油料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的定等項目，是確定其等級、價格的重要依據(jù)。對油脂加工企業(yè)而言，油料含油量的測定指標(biāo)，可以作為加工出油率和考慮加工工藝參數(shù)的依據(jù)。另外，油料餅粕的殘油率的高低也是油廠加工工藝、生產(chǎn)技術(shù)水平的重要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，是加工工藝技術(shù)提升與改進的重要依據(jù)。

糧食、油料中粗脂肪含量的測定，目前常用的是以乙醚為溶劑的索氏抽提法，該方法仍為測定脂肪含量的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 5512—1985)。但是，索氏抽提法操作繁雜、費時難以滿足收購和加工生產(chǎn)的效率要求，無法從根本上解決測量速度和時效的問題。

近紅外在線測量脂肪含量基于原始的索氏提取方法，在原有實驗室分析基礎(chǔ)上可以將數(shù)據(jù)通過建模與近紅外光譜關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)在線實時分析，在實驗室精細(xì)結(jié)果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了在線快速全檢的功能，使數(shù)據(jù)的時效性和多樣性得以實現(xiàn)，有利于判斷糧食油料收儲過程中的品質(zhì)狀況。

2.3 粗蛋白近紅外分析價值

糧食、油料中蛋白質(zhì)含量是糧油營養(yǎng)價值、食品品質(zhì)的重要評價指標(biāo)。通過測定糧食、油料中蛋白質(zhì)的含量，可以充分利用糧油資源，指導(dǎo)企業(yè)具體的加工生產(chǎn)，以提高企業(yè)經(jīng)濟效益，并減少資源浪費。

糧食、油料中測定蛋白質(zhì)含量的方法很多，一般的測定原理是基于蛋白質(zhì)的理化特性來進行定量分析的方法，大致可分為：利用蛋白質(zhì)中含有特定氨基酸殘基的方法，例如紫外光譜吸收法、酚試劑法、色素結(jié)合法等；利用蛋白質(zhì)含氮量方法，在糧食、油料中應(yīng)用最普遍的是凱氏定氮法，也一直被作為蛋白質(zhì)定量的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 5511—1985)。

近些年，利用近紅外檢測糧食作物蛋白的方法逐漸成熟起來，尤其是在糧食收儲環(huán)節(jié)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，我國東北地區(qū)大豆收購環(huán)節(jié)使用近紅外分析儀器快速檢測大豆蛋白含量已經(jīng)持續(xù)有4年，為收儲帶來十分可觀的利益。

2.4 其他

除了水分、脂肪和蛋白外，淀粉、纖維素和灰分等指標(biāo)在糧食油料作物品質(zhì)判斷上也具有重要的意義，例如在面粉加工生產(chǎn)場景中，水分和灰分的在線分析是面粉生產(chǎn)過程中的重要的指標(biāo)之一；小麥或大豆收儲環(huán)節(jié)中的在線分析可以實時反應(yīng)小麥和大豆的蛋白質(zhì)含量及水分含量，對分類存儲和管理具有重要意義；在食用油制造過程中對食用油的出油率實時檢測對壓榨工藝穩(wěn)定性的監(jiān)控具有重要意義。

3 近紅外在線分析的應(yīng)用

3.1 港口散糧倉儲系統(tǒng)的應(yīng)用

港口散糧倉儲系統(tǒng)糧食接收現(xiàn)狀是在生產(chǎn)線上進行抽樣至化驗室化驗，無法及時將糧食特性與倉容管理系統(tǒng)進行鏈接，也無法及時反饋異常數(shù)據(jù)至生產(chǎn)線上進行工藝調(diào)整，而引入近紅外在線分析系統(tǒng)能解決生產(chǎn)線上實時數(shù)據(jù)分析的功能，了解每個倉內(nèi)糧食情況，霉變或高水分糧食可在線及時處理不入倉進行倉外暫存，確保倉儲管理安全。

可將近紅外固體在線檢測系統(tǒng)采用管道式下照采樣方式進行安裝測量，系統(tǒng)光斑大小30 mm，采用漫反射采樣方式，使用藍(lán)寶石窗口作為采樣窗口，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間隔30 s輸出1次結(jié)果，提供測量結(jié)果給生產(chǎn)系統(tǒng)進行反饋控制，現(xiàn)場安裝如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場管道式安裝方式

3.2 油脂加工企業(yè)豆粕蛋白在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

生產(chǎn)部門無法實時監(jiān)測發(fā)貨粕料的質(zhì)量指標(biāo)，工廠內(nèi)的檢化驗有一定的延遲性，不利于生產(chǎn)的實時調(diào)控，引用在線近紅外檢測裝置可實時檢測物料品質(zhì)，方便生產(chǎn)及時操作調(diào)整。安裝位置要求料流穩(wěn)定，有足夠的光斑照射面積。在線打包的粕料和出倉打包的粕料均需設(shè)置在線近紅外檢測裝置，并與生產(chǎn)線連鎖，實時檢測，以便生產(chǎn)操作調(diào)控確保產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)場安裝如圖2所示。

圖2 豆粕蛋白在線分析系統(tǒng)

4 總結(jié)

隨著數(shù)據(jù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心概念與近紅外節(jié)點進行聯(lián)合應(yīng)用是未來近紅外技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，糧食行業(yè)倉儲系統(tǒng)與加工企業(yè)對于生產(chǎn)的自動化程度及數(shù)據(jù)管理的客觀需求正在逐步提升，近紅外在線檢測技術(shù)的應(yīng)用可以減少檢化驗人員的崗位設(shè)置與勞動強度，提高數(shù)據(jù)的處理量與準(zhǔn)確性并能實時指導(dǎo)生產(chǎn)操作，能為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益，具有非常良好的應(yīng)用前景。