CN107132197A - 一种食醋总酸含量的检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种食醋总酸含量的检测方法及装置。采用常规理化分析方法，检测不同等级的食醋总酸含量；利用半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体，便携式近红外光谱仪采集食醋的半透射光谱数据；将采集的食醋总酸含量和食醋半透射光谱数据，结合化学计量学方法，建立食醋总酸含量预测模型；通过USB传输，将光谱数据实时传输到电脑客户端；结合写入的模型程序，在电脑客户端对光谱数据分析，实时显示食醋总酸含量。本发明的方法和装置，基于近红外光谱‑USB传输技术，可对食醋总酸含量进行快速的定量检测，相比传统理化检测，可显著提高相应的检测效率，更适用于现场快速检测分析。
Description
技术领域
本发明涉及食醋总酸含量的检测技术及设备，具体是基于近红外光谱技术、USB传输技术，实现定量分析食醋总酸含量的方法及装置。
背景技术
随着食品工业的迅速发展和人民生活水平的提高，调味品的生产和市场出现了空前的繁荣和兴旺。食醋作为其中的重要一员，因其营养成分独特已从单纯的调味品逐渐转为食疗的著名食品之一。国内市场上的食醋，因品种、产地、原料以及发酵工艺等不同，使得各品牌的食醋质量、营养、价格等差异比较大，且消费者难以从颜色、味道上加以鉴别区分。食醋所含的各种酸量称为食醋总酸含量，总酸含量将直接影响到食醋的质量。因此，有必要去研究准确快速测定食醋总酸含量的检测方法以及开发相应的检测设备，这对于人们的健康生活有着十分重要的意义。
传统食醋总酸含量的检测，采用酸碱中和滴定法，以氢氧化钠(NaOH)为滴定液，酚酞为指示剂，进行酸碱中和滴定，但使用湿化学分析方法，消耗相应的化学试剂，对环境造成一定的污染；同时，人为滴定操作作为检测过程的关键点，存在一定的主观误差因素。
近红外光谱，是一种介于可见光(visible light,VIS)和中红外光(middle-infrared,MIR)之间的电磁辐射波，相应的波长范围为780～2500nm，已广泛应用于固体、液体中有机成分的快速检测，在食品、农产品品质的分析领域得到广泛应用，如水果、肉类、禽蛋等，但对液态内部成分的分析，只局限在实验室操作的傅里叶近红外(FT-NIR)检测，且相应的仪器价格昂贵，在线实时分析难以实现。
如中国专利申请号为201210339745.1的“食醋近红外透射光谱的采集装置及食醋原产地鉴别方法装置”专利，采用近红外光谱技术结合模式识别方法，对食醋原产地进行鉴别研究，虽具有较高识别率高，但无法实现对食醋内部成分的定量分析。
如中国专利申请号为200910097290.5的“农畜产品品质近红外光谱便携式检测方法和装置”专利，采集透过样品后的有效光谱信息，实现样品内部成分的快速检测，但相应的透射设备组件复杂，可操作性不高；加之装置体积较大，不易携带，无法满足现场检测的需求。
因此寻找一种简便快速检测食醋总酸含量的方法，对满足实际市场需求有着重要的现实意义。本发明利用半透射检测装置作为光谱采集的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体，便携式近红外光谱仪采集食醋的半透射光谱数据，结合常规理化分析方法得到不同等级的食醋总酸含量；将采集的食醋总酸含量和食醋半透射光谱数据，结合化学计量学方法，建立食醋总酸含量预测模型；基于USB传输技术，在电脑端可实现食醋总酸含量的定量分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种食醋总酸含量的检测方法及装置，实现对食醋总酸含量的的快速定量分析。
针对本发明的方法及装置，具体采用的技术方案如下：
一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，食醋总酸含量的检测：采用酸碱滴定法，测定不同等级的食醋总酸含量，得到理化分析测定的食醋总酸含量；
步骤二，食醋光谱数据的采集：采用光源模块作为信号源，半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体、便携式近红外光谱模块接收香醋的半透射光谱，进行快速无损的食醋光谱采集，得到食醋半透射近红外光谱数据；
步骤三，食醋检测模型的优化分析：采用标准正态变量变换SNV对食醋半透射近红外光谱数据进行预处理，再将预处理后的近红外光谱数据与理化分析测定的食醋总酸含量，结合联合区间偏最小二乘法si-PLS，建立食醋检测模型；
步骤四，食醋总酸含量的快速检测：通过USB数据线连接到电脑客户端，对食醋近红外光谱数据进行实时传输；结合开发软件写入的食醋检测模型，在软件界面端实时分析食醋样本的光谱信息，实现食醋总酸含量的快速检测。
进一步，步骤二中，所述光源模块具有两个卤钨灯；所述卤钨灯工作功率为2.0W，呈水平40°夹角放置；所述便携式，在于近红外光谱仪集成为10*8*6cm的长方体，可单手携带；所述快速为扫描用时2s/次。
进一步，步骤二中，所述近红外光谱模块的波长范围为900～1700nm，支持光谱分段进行采集；所述近红外光谱模块的狭缝大小为1.69*0.025mm，信噪比为6000:1，具有高通量光谱信息；所述近红外光谱模块，采用InGaAs探测器，具有较高的灵敏度和探测率。
进一步，步骤二中，所述半透射检测装置中，以半透射方式进行光谱采集；所述半透射方式，在于仅接收单个卤钨灯的光信号；所述光信号，经特制的圆球透镜聚集于入射端接口。
进一步，步骤二中，所述微型光纤装置中，光信号从光纤出射通口，经微型光纤传输至光纤出射端；所述光纤出射端，将光信号射到比色皿卡槽内的食醋半透射至便携式光谱仪接收半透射信号。
进一步，步骤三中，所述食醋总酸含量检测模型在联合[959.86nm 1016.50nm]、[1018.00nm 1074.61nm]、[1132.64nm 1186.42nm]三个波长区间内。
进一步，步骤四中，所述软件写入支持食醋中多个内部成分指标的检测模型；所述实时分析，采用叠加光谱的方式验证食醋的光谱强度、吸光度及透射率的稳定性；所述食醋检测模型，随采集样本数的增加，特征波长区间内的光谱信息增加，模型可以自行优化。
本发明的装置的技术方案为：
一种食醋总酸含量的检测装置，其特征在于，包括半透射检测装置和微型光纤装置；
所述半透射检测装置包括光源入射口、比色皿卡槽、光源出射口、入射端接口、螺孔；装置前端设有光源出射口，后端设有光源入射口、螺孔，装置上端开有比色皿卡槽，装置一侧开有入射端接口；
所述半透射检测装置经螺孔与便携式光谱仪固定；所述光源信号经光源入射口聚集于圆球透镜；所述圆球透镜置于入射端接口内；所述入射端接口接通光纤入射端；所述光源出射口经圆球透镜聚焦于比色皿外壁；所述比色皿置于比色皿卡槽内；
所述微型光纤装置包括光纤出射端、微型光纤、光纤入射端、光纤传输通口；光纤入射端中心处开有光纤传输通口；所述光纤入射端与光纤出射端经微型光纤相连；所述光纤出射端与光源出射口相连。
进一步，所述半透射检测装置中，经2*Φ3mm的螺孔紧固于便携式光谱仪；所述小球透镜直径为Φ12mm，其焦点可有效置于光纤传输通口；所述光源出射口为标准的SMA905接口，具有较好的普适性；所述比色皿卡槽规格13*13*40mm，适用10mm石英标准比色皿。
进一步，所述微型光纤装置中，光纤入射端为底面圆直径Φ12mm，高为12mm铜质材料的圆柱，质量轻，易携带；所述微型光纤长度为120mm，连接于光纤出射端与光纤入射端；光纤入射端中心处开有Φ3mm光纤传输通口。
本发明的有益效果，具体如下：
其一，对于食醋近红外光谱的采集：本发明利用半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体，便携式近红外光谱仪采集食醋的半透射光谱数据，不同于常规理化分析，其不消耗化学试剂、不产生环境污染；
其二，对于食醋光谱数据的传输：本发明采用USB传输技术，进行半透射光谱数据的传输，信号稳定，噪声小，利于光谱数据的有效传输：
其三，对于食醋总酸含量的快速检测：本发明针对食醋总酸含量，建立相应的预测模型，不同于常规理化检测分析，检测方法更为简便，可操作性更高；支持食醋内部多组分预测，并具有数据存储功能，可提高后期食醋总酸含量模型的鲁棒性；
其四，对于食醋总酸含量检测模型的优化分析：对于醋总酸含量检测模型在联合[959.86nm 1016.50nm]、[1018.00nm 1074.61nm]、[1132.64nm 1186.42nm]三个波长区间时，模型相关系数较高，稳定性较好；
其五，对于食醋总酸含量的检测装置：本发明利用半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体，相应装置结构设计简单，便于操作；结合便携式近红外光谱仪采集食醋的半透射光谱数据，可对食醋总酸含量进行快速的定量检测，具有快速、无损、易携带等优势，适用于现场或在线检测分析。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；(a)为本发明半透射检测装置示意图；(b)为本发明微型光纤装置示意图；
图2为本发明食醋总酸含量检测装置的光路原理图；
图中：1光源入射口，2比色皿卡槽，3光源出射口，4入射端接口，5螺孔，6光纤出射端，7微型光纤，8光纤入射端，9光纤传输通口；
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明对溶液内部成分定量检测具有通用性。本实施案例所选的目标总酸含量为食醋中主要成分，其它溶液内部成分可参考此实例进行。
本实施案例以半透射检测装置作为半透射光谱采集的载体，利用微型光纤装置作为光谱信号的传输载体；结合便携式近红外光谱仪，检测半透射光谱信号，达到快速定量分析的目的。具体技术方案如下：
一种食醋总酸含量的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，食醋总酸含量的检测：采用酸碱滴定法，测定不同等级的食醋总酸含量，得到理化分析测定的食醋总酸含量；
步骤二，食醋光谱数据的采集：采用光源模块作为信号源，半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体、便携式近红外光谱模块接收香醋的半透射光谱，进行快速无损的食醋光谱采集，得到食醋半透射近红外光谱数据；所述光源模块具有两个卤钨灯；所述卤钨灯工作功率为2.0W，呈水平40°夹角放置；所述便携式，在于近红外光谱仪集成为10*8*6cm的长方体，可单手携带；所述快速为扫描用时2s/次。所述近红外光谱模块的波长范围为900～1700nm，支持光谱分段进行采集；所述近红外光谱模块的狭缝大小为1.69*0.025mm，信噪比为6000:1，具有高通量光谱信息；所述近红外光谱模块采用InGaAs探测器。所述半透射检测装置中，以半透射方式进行光谱采集；所述半透射方式，在于仅接收单个卤钨灯的光信号；所述光信号，经特制的圆球透镜聚集于入射端接口4。所述微型光纤装置中，光信号从光纤出射通口9，经微型光纤7传输至光纤出射端6；所述光纤出射端6，将光信号射到比色皿卡槽2内的食醋半透射至便携式光谱仪接收半透射信号。
步骤三，食醋检测模型的优化分析：采用标准正态变量变换SNV对食醋半透射近红外光谱数据进行预处理，再将预处理后的近红外光谱数据与理化分析测定的食醋总酸含量，结合联合区间偏最小二乘法si-PLS，建立食醋总酸含量检测模型；所述食醋总酸含量检测模型在联合[959.86nm 1016.50nm]、[1018.00nm 1074.61nm]、[1132.64nm 1186.42nm]三个波长区间内。
步骤四，食醋总酸含量的快速检测：通过USB数据线连接到电脑客户端，对食醋近红外光谱数据进行实时传输；结合开发软件写入的食醋检测模型，在软件界面端实时分析食醋样本的光谱信息，实现食醋总酸含量的快速检测。所述软件写入支持食醋中多个内部成分指标的检测模型；所述实时分析，采用叠加光谱的方式验证食醋的光谱强度、吸光度及透射率的稳定性；所述食醋检测模型，随采集样本数的增加，特征波长区间内的光谱信息增加，模型可以自行优化。
本发明的装置为：一种食醋总酸含量的检测装置，包括半透射检测装置和微型光纤装置；
所述半透射检测装置包括光源入射口1、比色皿卡槽2、光源出射口3、入射端接口4、螺孔5；装置前端设有光源出射口3，后端设有光源入射口1、螺孔5，装置上端开有比色皿卡槽2，装置一侧开有入射端接口4；
所述半透射检测装置经螺孔5与便携式光谱仪固定；所述光源信号经光源入射口1聚集于圆球透镜；所述圆球透镜置于入射端接口4内；所述入射端接口4接通光纤入射端8；所述光源出射口3经圆球透镜聚焦于比色皿外壁；所述比色皿置于比色皿卡槽2内；
所述微型光纤装置包括光纤出射端6、微型光纤7、光纤入射端8、光纤传输通口9；光纤入射端8中心处开有光纤传输通口9；所述光纤入射端8与光纤出射端6经微型光纤7相连；所述光纤出射端6与光源出射口3相连。
所述半透射检测装置中，经2*Φ3mm的螺孔紧固于便携式光谱仪；所述小球透镜直径为Φ12mm，其焦点可有效置于光纤传输通口9；所述光源出射口5为标准的SMA905接口，具有较好的普适性；所述比色皿卡槽规格13*13*40mm，适用10mm石英标准比色皿。
所述微型光纤装置中，光纤入射端8为底面圆直径Φ12mm，高为12mm铜质材料的圆柱，质量轻，易携带；所述微型光纤7长度为120mm，连接于光纤出射端6与光纤入射端8；光纤入射端8中心处开有Φ3mm光纤传输通口9。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1(a)本发明的半透射检测装置示意图，所述半透射检测装置，经螺孔与便携式光谱仪固定；所述光源信号经光源入射口聚集于小球透镜；所述小球透镜置于入射端接口内；所述入射端接口，接通光纤入射端；所述光源出射口经小球透镜聚焦于比色皿外壁；所述比色皿置于比色皿卡槽内；
图1(b)为本发明的微型光纤装置示意图，所述微型光纤装置中，光纤入射端中心处开有光纤传输通口；所述光纤入射端与光纤出射端经微型光纤相连；所述光纤出射端与光源出射口相连。
下面将结合具体的实施案例对本发明进行详细描述。但这些实施案例并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施案例所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
实施案例：不同等级食醋总酸含量的检测
一种新型的食醋总酸含量的检测方法，包括如下步骤：
(1)取70种不同等级的食醋试样，采用酸碱滴定的方法，测试不同样品中总酸含量。
(2)按照操作步骤，连接便携式近红外光谱仪、半透射检测装置和微型光纤装置；每个不同等级的食醋试样，分别取三个平行试验样本。光谱仪相应参数，设置为：扫描波长范围900nm-1700nm，分辨率10.53，扫描点数512，平滑度5点数，平均扫描次数5次，进行近红外半透射光谱数据检测。
(3)采集的近红外光谱含有噪声信息、背景漂移等，采用标准正态变量变换(SNV)对光谱数据进行预处理；采用联合区间偏最小二乘法(si-PLS)进行筛选变量，并对光谱数据进行建模，定量分析食醋中总酸含量。在主成分为6时，联合[2 3 5]区间，其相关系数达到0.9053，RMSECV为0.886，模型稳定性较好。表1为基于近红外光谱技术的食醋总酸含量预测结果与理化分析结果。
表1基于近红外光谱技术的食醋总酸含量预测结果与理化分析结果
| 样本编号 | 实测值(g/100ml) | 预测值(g/100ml) | 误差 |
| 1 | 6.90 | 6.98 | 0.08 |
| 2 | 7.92 | 8.01 | 0.09 |
| 3 | 8.25 | 8.16 | -0.09 |
| 4 | 9.43 | 9.39 | -0.04 |
| 5 | 10.07 | 10.15 | 0.08 |
| 6 | 11.13 | 11.04 | -0.09 |
| 7 | 12.53 | 12.41 | -0.08 |
| 8 | 13.81 | 13.91 | 0.10 |
如图2所示为图1的光路原理图，半透射模块：卤钨灯作为光源信号，经圆球透镜聚焦于微型光纤输入端，再经光纤传输光源信号至光纤输出端，以透射的方式穿过比色皿，将透射光谱信号传输至便携式光谱仪。
光谱仪：样品的透射光谱信号穿过扫描狭缝，经准直透镜校准后，指向衍射光栅；再经聚焦透镜，将光线打到特定波长光相对应的DLP微镜镜列上；最后经采集镜头捕获，将光线指向InGaAs探测器，在ADC模数转换器上，得到样品的半透射光谱数据。
传输优势：
基于DLP的分光计利用数字微镜(DMD)和单点InGaAs探测器取代了传统线性阵列探测器。通过按顺序打开与特定波长光相对应的一组镜列，对应光线被指向探测器，并被捕获。通过扫描DMD上的一组镜列，可以计算出透射光谱。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，食醋总酸含量的检测：采用酸碱滴定法，测定不同等级的食醋总酸含量，得到理化分析测定的食醋总酸含量；
步骤二，食醋光谱数据的采集：采用光源模块作为信号源，半透射检测装置作为样品的载体、微型光纤装置作为光谱信号的传输载体、便携式近红外光谱模块接收香醋的半透射光谱，进行快速无损的食醋光谱采集，得到食醋半透射近红外光谱数据；
步骤三，食醋检测模型的优化分析：采用标准正态变量变换SNV对食醋半透射近红外光谱数据进行预处理，再将预处理后的近红外光谱数据与理化分析测定的食醋总酸含量，结合联合区间偏最小二乘法si-PLS，建立食醋总酸含量检测模型；
步骤四，食醋总酸含量的快速检测：通过USB数据线连接到电脑客户端，对食醋近红外光谱数据进行实时传输；结合开发软件写入的食醋检测模型，在软件界面端实时分析食醋样本的光谱信息，实现食醋总酸含量的快速检测。
2.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤二中，所述光源模块具有两个卤钨灯；所述卤钨灯工作功率为2.0W，呈水平40°夹角放置；所述便携式，在于近红外光谱仪集成为10*8*6cm的长方体，可单手携带；所述快速为扫描用时2s/次。
3.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤二中，所述近红外光谱模块的波长范围为900～1700nm，支持光谱分段进行采集；所述近红外光谱模块的狭缝大小为1.69*0.025mm，信噪比为6000:1，具有高通量光谱信息；所述近红外光谱模块采用InGaAs探测器。
4.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤二中，所述半透射检测装置中，以半透射方式进行光谱采集；所述半透射方式，在于仅接收单个卤钨灯的光信号；所述光信号，经特制的圆球透镜聚集于入射端接口(4)。
5.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤二中，所述微型光纤装置中，光信号从光纤出射通口(9)，经微型光纤(7)传输至光纤出射端(6)；所述光纤出射端(6)，将光信号射到比色皿卡槽(2)内的食醋半透射至便携式光谱仪接收半透射信号。
6.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤三中，所述食醋总酸含量检测模型在联合[959.86nm 1016.50nm]、[1018.00nm 1074.61nm]、[1132.64nm 1186.42nm]三个波长区间内。
7.根据权利要求1所述的一种食醋总酸含量的检测方法，其特征在于，步骤四中，所述软件写入支持食醋中多个内部成分指标的检测模型；所述实时分析，采用叠加光谱的方式验证食醋的光谱强度、吸光度及透射率的稳定性；所述食醋检测模型，随采集样本数的增加，特征波长区间内的光谱信息增加，模型可以自行优化。
8.一种食醋总酸含量的检测装置，其特征在于，包括半透射检测装置和微型光纤装置；
所述半透射检测装置包括光源入射口(1)、比色皿卡槽(2)、光源出射口(3)、入射端接口(4)、螺孔(5)；装置前端设有光源出射口(3)，后端设有光源入射口(1)、螺孔(5)，装置上端开有比色皿卡槽(2)，装置一侧开有入射端接口(4)；
所述半透射检测装置经螺孔(5)与便携式光谱仪固定；所述光源信号经光源入射口(1)聚集于圆球透镜；所述圆球透镜置于入射端接口(4)内；所述入射端接口(4)接通光纤入射端(8)；所述光源出射口(3)经圆球透镜聚焦于比色皿外壁；所述比色皿置于比色皿卡槽(2)内；
所述微型光纤装置包括光纤出射端(6)、微型光纤(7)、光纤入射端(8)、光纤传输通口(9)；光纤入射端(8)中心处开有光纤传输通口(9)；所述光纤入射端(8)与光纤出射端(6)经微型光纤(7)相连；所述光纤出射端(6)与光源出射口(3)相连。
9.根据权利要求8所述的一种食醋总酸含量的检测装置，其特征在于，所述半透射检测装置中，经2*Φ3mm的螺孔紧固于便携式光谱仪；所述小球透镜直径为Φ12mm，其焦点可有效置于光纤传输通口(9)；所述光源出射口(5)为标准的SMA905接口，具有较好的普适性；所述比色皿卡槽规格13*13*40mm，适用10mm石英标准比色皿。
10.根据权利要求8所述的一种食醋总酸含量的检测装置，其特征在于，所述微型光纤装置中，光纤入射端(8)为底面圆直径Φ12mm，高为12mm铜质材料的圆柱，质量轻，易携带；所述微型光纤(7)长度为120mm，连接于光纤出射端(6)与光纤入射端(8)；光纤入射端(8)中心处开有Φ3mm光纤传输通口(9)。
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