奶酪中湿度检测方案

美国 BRIMROSE公司中国总代理/济南金宏利实业有限公司技术文件 加工奶酪的湿度的 AOTF 近红外测定 美国 Brimrose 公司 I. 介绍 声光可调滤波器(AOTF)的原理基于光在各向异性介质中的声折射。装置由粘在双折射晶体上的压电导层构成。当导层被应用的射频(RF)信号激发时，在晶体内产生声波。传导中的声波产生折射率的周期性调制。这提供了一个移动的相栅，在特定条件下折射入射光束的部分。对于一个固定的声频，光频的一个窄带满足相匹配条件，被累加折射。RF频率改变，光的带通中心相应改变以维持相匹配条件。 图1.AOTF的结构图 光谱的近红外范围从 800mm 到 2500 nm 延伸。在这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域的基频振动的泛频和合频。是基态到第二激发态或第三激发态的能级跃迁。因为较高能级跃迁连续产生的概率较小，每个泛频的强度连续减弱。由于跃迁的第二或第三激发态所需的能量近似于第一级跃迁所需能量的二倍或三倍，吸收谱带产生在基频波长的一半和三分之一处。触简单的泛频以外，也产生合频。这些通常包括 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 ( http：/www.jhlaotf.com ) 延伸加上一个或多个振动方式的伸缩。大量不同合频是可能的，因而近红外区域复杂，有许多谱带彼此部分叠加。 现在， NIRS 被用作定量工具，它依赖化学计量学来发展校正组成的参照分析和近红外光谱的分析的关联。近红外数据的数学处理包括多元线性回归法(MLR)、主成分分析法(PCA)、主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和识别分析。所有这些算法可以单独或联合使用来得到有价值组成的定性描述和定量预测。 方法 背景信息 法律允许在奶酪的加工过程中奶酪有一定的湿度。然而，如果湿度超过允许值，奶酪必须从生产线上剔除，要么再加工，要么丢弃。任何一种情况下，人力和产品的损失都是真实的。现在，在一些过程，湿度维持在比允许值低很多的水平。这将保证安全缓冲以防止过剩的水分突然传入生产线，允许的湿度%不超限。用来监测和控制湿度%接近法律允许值的方法将降低成本、增加全面产量。 2. 数据采集 被用来采集光谱的光谱仪是 Brimrose Luminar 2080 多路转换式光谱仪。这种特别的光谱仪广泛应用在奶产品工业。3英寸的反射流体测样器被结合在生产线，利用大约2米37/37的光纤束与光谱仪连接。波长范围从1100nm 到2200mm，分辨率为2nm。每读取一次，采集150次扫描的结果平均到一张光谱。光谱直接以吸收方式采集。 计算机的数据获取时钟与数字手表是同步的。光谱仪被设置置每15秒采集一次光谱，实际扫描的时间为13秒。在计算的扫描开始5秒以后取样阀被打开，开始排除，样品收集到一个样品杯中。当样品从大宗样品分离并保持时，光谱在时间与之匹配。为了消除校正集样品的变化，在收处另外一个样品和光谱前间隔大约40分钟。整个校正集在两周内的8个工作日采集。 BRIMROSE 金宏利实业 I.结果 1. 光谱 图2.67个奶酪样品的吸收光谱 这张图显示了光谱的全部波长范围。对全部波长范围进行回归，发现最好的回归来自利用1256nm 到1800mm区间。下面显示了这个波长范围的吸收光谱。 Wavelength [nm] 美国BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心 BRIMRCSE 济南金宏利实业有限公司 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 金宏利实业 电话：0531-88908933/88028728/88908915 传真：0531-88028728/88908915 E mail：jinhongli2001@sohu.com http：//www.jhlsoft.com 图3..3奶酪样品的 1256nm到1800nm区间吸收光谱的放大图 2. 回归和模型化 图4.奶酪湿度和光谱数据关联的 PLS1 回归 校正集的标准偏差(SEC) 和验证集的标准偏差(SEP)分别为 0.250和0.367。相关系数等于 0.986。 图5..湿度%的 PLS1 回归的回归系数 美国 BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心 电话：0531-88908933 /88028728/88908915 传真：0531-88028728/88908915 具有大回归系数的区域是对模型有较大贡献的区域。1418nm的最大峰在 1418nm到1450nm的水的吸收区域。这指明模型发现光谱的这个区域和湿度%之间的关联。在1712nm和1732nm有大峰值，不清楚什么引起的这些峰值。 图6对在8个不同工作日采集的校正集进行 PCA 处理的得分图 重要的一点需要说明，即样品随时间的可变性和改变。如果产品随时间改变，这些改变没有合并入模型，校正集模型将给出差的预测。在这里，样品的光谱数据在两周内采集。在这张图中看到的主因子分析(PCA)显示了按照采集日期分组的样品。 3. 预测 没有提供未知的验证集，因此样品从校正集中选取用作验证集。从8个不同工作日采集的总共67个样品，15个被选来用作验证集，留出52个建立模型。样品随机选择，但是每天至少选取一个。 数据采集 样品 实际湿度% 预测湿度% 偏差 标准 7/7/99 SP-004 44.64 44.74 0.10 0.071 7/7/99 SP-007 44.29 45.27 0.98 0.694 7/7/99 SP-010 44.05 44.33 0.28 0.194 7/7/99 SP-013 44.30 44.15 0.14 0.100 7/8/99 SP-020 45.63 45.47 0.16 0.114 7/8/99 SP-023 46.32 45.99 0.32 0.230 7/8/99 SP-028 45.66 46.62 0.96 0.675 7/8/99 SP-031 46.05 45.03 1.02 0.721 7/9/99 sp-032 46.12 45.47 0.65 0.458 ( h ttp：//www.jhlsoft.com ) 7/13/99 sp-037 49.14 49.27 0.13 0.093 7/14/99 sp-041 46.39 46.70 0.31 0.219 7/15/99 sp-046 45.94 45.84 0.10 0.074 7/16/99 sp-050 45.71 45.85 0.14 0.098 7/19/99 sp-057 48.06 48.66 0.60 0.426 7/22/99 sp-067 45.16 45.22 0.06 0.045 SEP= 0.350 预测标准偏差 表1.验证集预测结果。 第5列给出了预测标准偏差(SEP)，第六列给出了实际值和预测值间的标准偏差。 Ⅳ.论和结论 这次研究的结果非常清楚地显示利用 Brimrose Luminar 2080 多路转换式光谱仪在加工奶酪过程中定量测量湿度%是可行的。校正集模型的 SEP 为0.367，和验证集样品计算得到的 SEP0.350 非常接近。读者应该记得SEC 和 SEP 的值极大到依赖于实验室对所关心的每个组成的分析准确情况。任何实验室误差将反过来影响模型和随后的预测。应注意在校正集中有几个样品，特别是 SP-031，标准偏差大。这种偏差实际上对模型的最终结果有影响。样品 SP-031在回归趋势中是奇异点，在验证集预测比较差。另一个影响预测能力的条件是产品的可变性。在不同日期采集的样品分组预示样品的轻微变化。必须把这些变化包括进模型。一个包括了涵盖不同日期宽范围变化的模型将更稳固，因而能够给出更好的预测。验证集以这种方法选取，是为了从每一组中至少选取一个样品。考虑到样品数量少，这次实验的结果非常好。过去的经验显示利用100个或更多的样品把变化条件涵盖进模型能够预测的非常好。通过长时间采集样品和光谱将回创建更稳固的模型，进而给出更准确、稳定的预测。推荐订购 BrimroseLuminar 2080 多路转换式光谱仪以进一步校正和测试。 BRIMROSE 金宏利实业 美国BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心济南金宏利实业有限公司地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915E mail：jinhongli2001@sohu.com ( h ttp：//www.jhlsoft.com ) BRIMROSE金宏利实业美国BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心济南金宏利实业有限公司电话：真：/_mail：jinhonglisohu.com 美国 BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心济南金宏利实业有限公司地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：/ 真： mail：jinhonglisohu.comhttp：//www.jhlsoft.com