近年來，近紅外光譜技術在我國得到了迅猛的發(fā)展，相關的新產(chǎn)品新技術層出不窮。為了多方位展現(xiàn)我國在近紅外光譜領域的最新成果，儀器信息網(wǎng)和近紅外光譜分會合作制作《近紅外光譜新技術/應用進展》網(wǎng)絡專題，同時也以此獻禮近紅外分會成立10周年，并寄語2021年國際近紅外大會。
為了更深入的了解國產(chǎn)近紅外光譜儀器技術的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，我們特別邀請了聚光科技研發(fā)部經(jīng)理周新奇等給大家分享其對國產(chǎn)近紅外光譜技術及應用發(fā)展的理解。
近紅外產(chǎn)品研發(fā)路：便攜、臺式、在線儀器滿足用戶不同需求
聚光科技近紅外產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)至今已有20多年的時間，目前已有超過2000套近紅外產(chǎn)品服務于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多個領域。
以自主研發(fā)為基礎，開展近紅外產(chǎn)品制造、銷售和服務，為客戶專業(yè)提供成套的近紅外分析技術及應用方案，聚光近紅外產(chǎn)品的目標是為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的待檢物料提供準確可靠的分析數(shù)據(jù)，真實反映其質(zhì)量情況。如要獲得高品質(zhì)的分析數(shù)據(jù)，穩(wěn)定可靠品質(zhì)一流的儀器是基礎，再配套以成熟適用的分析模型，方能達成目標。質(zhì)量一流的儀器價格相對較高，而國內(nèi)分析儀器的市場現(xiàn)狀是國產(chǎn)儀器價格一定要比同類進口儀器便宜。為了滿足國內(nèi)市場要求，聚光選擇自主開發(fā)核心光譜儀，用較低的研發(fā)成本開發(fā)高品質(zhì)的近紅外分析儀，打造自己的近紅外光譜平臺，形成價格適中質(zhì)量一流的近紅外分析儀器產(chǎn)品。
在2006年到2009年的三年時間里，聚光精心打磨了一款光柵分光型的近紅外光譜儀。此后在國家重大科學儀器專項近紅外儀器項目資助下，該光譜儀平臺性能發(fā)展得更優(yōu)異，可靠性、穩(wěn)定性及一致性有了進一步提升。在上述光譜儀平臺基礎上，聚光科技開發(fā)了多款不同型號的近紅外分析儀器，如用于紡織品、塑料、果品等檢測的便攜式近紅外分析儀SupNIR-1000系列產(chǎn)品，滿足燃油、酒精等檢測的SupNIR-2600產(chǎn)品，用于糧油飼料檢測的臺式近紅外分析儀SupNIR-2700系列產(chǎn)品，用于液體在線近紅外分析的SupNIR-4510和用于固態(tài)物分析的SupNIR-4692產(chǎn)品，以滿足用戶的不同需求。
在2014年，聚光科技因“艦隊群”戰(zhàn)略發(fā)展需要，成立實驗室業(yè)務部，將近紅外全線產(chǎn)品劃入該業(yè)務部，同時成立杭州譜育科技發(fā)展有限公司，一套人馬兩塊牌子，對內(nèi)稱實驗室業(yè)務部，對外則稱譜育科技。自此聚光近紅外產(chǎn)品的發(fā)展走入一個新的階段。
聚焦糧油行業(yè) 上下游同時擴展
近紅外分析方法需要分析模型，而構建一個分析模型需要大量樣品，只有在大宗產(chǎn)品的檢測領域，才能在較短時間內(nèi)獲取足夠多樣品數(shù)量，易于構建成熟模型;同時大宗產(chǎn)品檢驗工作量大，可充分發(fā)揮近紅外簡單快速的特點，將質(zhì)量管理人員從枯燥繁瑣的檢驗勞動中解放出來。因此，在大宗產(chǎn)品檢測領域選擇近紅外技術是一種必然。
聚光科技將近紅外應用工作聚焦到大宗農(nóng)產(chǎn)品方面，尤其在糧油中選擇了小麥、菜籽、大豆等產(chǎn)品作為突破口。一方面近紅外檢測糧食、飼料等相關國標方法出臺，為該技術的推廣奠定了基礎;另一方面進口儀器廠商的相關工作，推動了市場，教導了客戶，為該類型儀器的推廣鋪平了道路。
經(jīng)過10來年行業(yè)耕耘，聚光近紅外分析儀在糧油行業(yè)已經(jīng)扎下根，主推的近紅外分析儀SupNIR-2720(如下圖1)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生良好口碑。這一方面歸功于產(chǎn)品性能好質(zhì)量優(yōu);另一方面也歸功于產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)及營銷服務團隊的不懈努力。
圖1：SupNIR-2720近紅外分析儀
SupNIR-2720最大的特點在于上照式設計，光源發(fā)出的光照射樣品的上表面，敞開式漫反射方式檢測，樣品和光源間沒有窗片等阻隔，減少了干擾和光損耗，有利于提高儀器信噪比。該儀器采用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)存儲、查看、交換、統(tǒng)計和分析十分方便。操作軟件將儀器管理、數(shù)據(jù)分析與管理、模型建立與管理三大功能集成。可以定制軟件接口，供集團型用戶訪問數(shù)據(jù)，將軟件與其集團辦公系統(tǒng)、進銷結算等IT系統(tǒng)對接，為客戶管理的信息化、集中化處理提供便利。而且糧食、油料、飼料等各種品類各種指標的分析模型比較完備，用戶拿到儀器即可開展準確可靠的樣品檢測，故而受到用戶歡迎。
在面粉加工方面，聚光科技在與用戶互動過程中逐漸積累了小麥、面粉的分析模型，模型效果越來越好，數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越高，近紅外儀器不但能指導面粉生產(chǎn)商采購到品質(zhì)價位合適的小麥，而且可用于產(chǎn)品的調(diào)配，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可以用于生產(chǎn)線的考核，創(chuàng)造效益。在此過程中，我們對該行業(yè)也越來越熟悉，推廣也越來越順利。據(jù)推測，目前聚光近紅外儀器在全國面粉加工廠的占有率在30%以上。
下面按照工序流程重點談談使用SupNIR-2720近紅外儀進行原糧檢驗和生產(chǎn)過程控制的方法：
1、原糧檢驗的控制：SupNIR-2720近紅外分析儀10秒內(nèi)能測量水分、容重、蛋白含量、濕面筋含量、吸水率、硬度、沉降值等，且樣品不需要粉碎，解決原糧收購手抓牙咬眼睛看等感覺檢驗不足，避免了人情糧，建設以質(zhì)論價公平合理的收購體系，好糧食就有機會上門，有好糧食才能生產(chǎn)出好面粉。
2、原糧出倉搭配的控制：小麥搭配是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的起點，也是決定面粉最終質(zhì)量的關鍵點。SupNIR-2720儀器準確分析出水分、容重、蛋白含量及濕面筋含量，以此指導配麥。其中，搭配后小麥檢測水分值的高低，直接用來指導加水量的調(diào)節(jié)和控制。
3、入磨小麥的水分與二次加水量的控制：入磨水分的高低，對制粉工藝以及經(jīng)濟效益的影響比較大，控制入磨小麥的水分穩(wěn)定很重要。SupNIR-2720近紅外分析儀能夠準確測定潤麥 24 小時后小麥的水分，指導二次加水量調(diào)節(jié)和入磨小麥的搭配使用。
4、對制粉生產(chǎn)過程的控制：SupNIR-2720近紅外分析儀可準確的測定成品面粉、次粉、麩皮及各個粉路的水分、灰分、蛋白、面筋、吸水率等各項指標。可以定時對成品粉或等級粉進行取樣檢測，如發(fā)現(xiàn)灰分超標，就可立即采用SupNIR-2720儀器啟動幾個粉路灰分指標的快速測定，判定出具體哪個粉路出現(xiàn)問題，指導粉路調(diào)整。
5、對粉篩篩理效果的監(jiān)測控制：在某種意義上講，面粉質(zhì)量是“選”出來的，因為每個粉流的流量和質(zhì)量都是篩網(wǎng)配置決定的。面粉企業(yè)應定期對制粉車間的工藝進行測定，并對篩網(wǎng)配備進行診斷和調(diào)整。通過SupNIR-2720儀器快速檢測各粉路的水分和灰分，并且按照粉流的順序形成時間序列圖，即可準確的判斷是哪個粉流有問題，是哪層篩網(wǎng)有問題，準確地指導調(diào)整篩網(wǎng)和物料分配。
在糧油加工領域取得突破后，聚光開始攻關國家糧食和物資儲備局，努力將國產(chǎn)近紅外分析儀打入國家糧食質(zhì)檢體系。2014年，聚光為國家糧食質(zhì)檢研制了高端網(wǎng)絡化近紅外分析儀SupNIR-3000(如下圖2所示)。該型分析儀通過雙模式自校正等創(chuàng)新設計，突破了近紅外分析儀一致性瓶頸，結合稻谷、小麥、玉米、大豆、菜籽等大宗糧食油料水分、蛋白、淀粉、面筋、脂肪酸值、品嘗評分等相關指標分析模型，形成了成熟的糧食快速分析專用的近紅外分析系統(tǒng)，并在此基礎上開展近紅外網(wǎng)絡化應用開發(fā)，構建了近紅外儀器傳感層、數(shù)據(jù)分析層和應用服務層的三層近紅外網(wǎng)絡分析系統(tǒng)(如下圖3所示)。通過糧情數(shù)據(jù)采集、標準化、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總分析，為糧情監(jiān)測、決策提供數(shù)據(jù)支持，打破了國外進口近紅外產(chǎn)品在國家糧食質(zhì)檢領域的壟斷局面，幾年來在多個省區(qū)糧食質(zhì)檢系統(tǒng)取得了不錯的成績。
圖2：SupNIR-3000近紅外分析儀
圖3：近紅外網(wǎng)絡分析系統(tǒng)架構
為了滿足糧食經(jīng)紀人對收購糧食快檢的需求，2016年，聚光推出糧食專用化的近紅外分析儀SupNIR-1230(如下圖4所示)，通過手機APP軟件進行云分析。測量模型由云服務器提供，用戶通過手機端操作，只需簡單操作即可獲得數(shù)據(jù)，方便快捷。配合大容量電池設計，非常適合于糧油收購等應用場景。結合某一特定種類的分析模型，形成了成熟的快檢專用近紅外分析儀及其云分析系統(tǒng)。該類型設備作為大豆蛋白的專用分析儀在東北銷售量達到300臺以上，并且形成了東北大豆傳感網(wǎng)，目前入網(wǎng)數(shù)據(jù)達到13.98萬條，并在持續(xù)增長。該應用市場的開拓，為準消費級近紅外產(chǎn)品打開了一扇門，探索了一條可行道路。
圖4：SupNIR-1230近紅外分析儀
聚光在糧油領域能取得成功，主要得益于以下幾個方面：一是產(chǎn)品質(zhì)量過硬，一套近紅外分析儀器工作5年，一般不會產(chǎn)生售后維護工作;二是分析結果準確可靠，用戶使用儀器出檢測數(shù)據(jù)十分放心;三是儀器操作十分簡單，用戶拿到設備即可使用，已經(jīng)積累成熟的分析模型如下表1;四是眾多專家、用戶及朋友的熱心幫扶。
表1：聚光近紅外糧油成熟分析模型
模型種類
項目
項目
項目
項目
項目
項目
項目
項目
1
小麥顆粒
水分
粗蛋白
濕面筋
硬度
沉降值
干面筋
脂肪酸值
2
面粉
水分
粗灰分
濕面筋
粗蛋白
吸水率
沉降值
3
大豆顆粒
水分
粗蛋白
粗脂肪
脂肪酸值
水溶性蛋白
4
豆粕
水分
粗蛋白
粗灰分
粗脂肪
粗纖維
PS
UA
氨基酸
5
稻谷-整粒
水分
粗蛋白
脂肪酸值
直鏈淀粉
膠稠度
6
精米顆粒
水分
粗蛋白
直鏈淀粉
食味品質(zhì)
品嘗評分
7
糙米顆粒
水分
粗蛋白
脂肪酸值
8
米粉
水分
粗蛋白
氮含量
粗脂肪
直鏈淀粉
9
米糠
水分
粗蛋白
粗灰分
粗脂肪
粗纖維
酸價
10
米糠粕
水分
粗蛋白
粗灰分
粗纖維
粗脂肪
氨基酸
11
玉米-顆粒
水分
粗蛋白
容重
粗脂肪
淀粉
粗灰分
粗纖維
12
玉米胚芽
水分
粗脂肪
粗蛋白
13
玉米胚芽粕
水分
粗蛋白
粗脂肪
粗纖維
粗灰分
14
芝麻餅
水分
粗脂肪
15
棉籽
水分
粗蛋白
含油量
16
棉籽粕
水分
粗蛋白
粗灰分
粗脂肪
粗纖維
PS
17
棉籽蛋白
水分
粗蛋白
粗灰分
18
花生粉
水分
含油量
19
花生粕
水分
粗蛋白
粗灰分
粗脂肪
20
花生仁餅
水分
粗蛋白
粗灰分
粗脂肪
21
油菜籽
水分
粗脂肪
硫苷
芥酸
油酸
亞油酸
亞麻酸
粗蛋白
22
菜粕
水分
粗蛋白
粗灰分
粗纖維
粗脂肪
23
油葵
水分
含油量
24
油葵粕
水分
粗蛋白
殘油量
25
紅花籽
水分
含油量
亞油酸
26
凍玉米
水分
從產(chǎn)品應用角度出發(fā)，聚光沿著行業(yè)的縱深進行擴展，向下游擴展進入飼料、精深加工等領域。在深加工領域白酒釀造行業(yè)即是一個較好的選擇。中國傳統(tǒng)白酒釀造的規(guī)模大，行業(yè)利潤豐厚，擁有使用近紅外進行檢測分析的良好潛力。近紅外方法可檢測其原糧、入窖前及出窖后的酒醅，還可檢測酒曲。
在發(fā)酵過程中酒醅的水分、酸度、淀粉影響了微生物的生長，決定了酒的品質(zhì)，因此對酒醅上述指標的監(jiān)測有十分重要的價值。《DB34/T 2561-2015 固態(tài)發(fā)酵酒醅常規(guī)指標的快速檢測 近紅外法》地標已經(jīng)給出了相應的近紅外檢測酒醅方法，為近紅外儀器在該領域開展工作奠定了基礎。
酒醅的含水量比較高，通常含量在50%-65%，且酸度高，采用SupNIR-2720等敞開式漫反射檢測方式最合適：樣品中的酸不會腐蝕到儀器樣品盤;裝樣后再檢測下一個樣品時，樣品的清理很簡單，即使清理不干凈也不會影響下一個樣品檢測結果的準確度。在釀造過程中，上述臺式近紅外分析儀器不但可以用于入窖酒醅、出窖酒醅的檢測，還可以檢測原糧，有益于增強酒企的效益。
釀造過程對在線分析也有需求：在傳統(tǒng)白酒生產(chǎn)中，多采用古法釀造，但行業(yè)具有機械化、自動化技術升級的需要。在線檢測更有效地應用于過程控制，幫助提高自動化水平，實現(xiàn)精細化管理，產(chǎn)生效益。而且近紅外技術本身相對成熟，技術門檻較低。使用近紅外在線檢測技術進行過程控制的可行度非常高。而且采用在線技術可減少人工取樣工作量，降低勞動強度，對于酒企降低用工量，穩(wěn)定質(zhì)檢隊伍也大有裨益。
聚光科技在四川某酒廠成功實施了一套用于酒醅檢測的近紅外在線分析系統(tǒng)。其系統(tǒng)框架如下圖5所示。在線近紅外系統(tǒng)以在線近紅外分析儀為核心，包括在線近紅外儀表單元、分析探頭以及有關輔助設施等組成部分。整個系統(tǒng)具有如下特點：可以同時測量水分、淀粉、酸度等多個參數(shù)，測量速度快，具有很高的測量精度，具備自動參比校準功能，從而很好地校正光學視窗污染的影響，系統(tǒng)結構堅固抗震動能力強，可適應于惡劣現(xiàn)場環(huán)境等特點。
圖5在線系統(tǒng)結構示意圖
該系統(tǒng)從分析探頭接收到的光信號，經(jīng)過光纖傳輸?shù)絻x表單元內(nèi)，轉化成為光譜信號，該光譜信號傳輸給在線分析軟件后，通過近紅外檢測模型的演算得到測量值，該測量值回傳給儀表單元，在儀表單元轉化為控制信號后，通過電纜傳送給中控系統(tǒng)，用于在線調(diào)控。下圖6展示的是在線連續(xù)監(jiān)測淀粉的趨勢結果。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于其配糧系統(tǒng)，并獲得省科技進步獎。
圖6：在線監(jiān)測酒醅淀粉的趨勢圖
近紅外光譜技術在生產(chǎn)流通領域的應用前景
近紅外儀器市場容量跟標準規(guī)范的關聯(lián)度極大，因為近紅外技術本身是二次分析技術，其檢測結果不能用于仲裁，同時又沒有標準物質(zhì)可衡量其檢測結果的準確性。在傳統(tǒng)質(zhì)監(jiān)分析領域，近紅外儀器的發(fā)展空間十分有限，但是該技術作為一種快速、簡單的質(zhì)控手段，在生產(chǎn)流通領域?qū)⒂惺謱拸V的前途。謹以我們熟悉的糧油行業(yè)體會拋磚引玉，總結為下表。
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現(xiàn)狀 |
未來趨勢 |
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市場狀況 |
省市一級糧油檢測單位基本全部配備、油料加工中大型單位基本配備 |
幾乎全部糧食相關單位都會使用近紅外技術，形成規(guī)模 |
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儀器設備 |
進口設備較多，國產(chǎn)近紅外分析儀器應用較少 |
國產(chǎn)品牌必然代替進口設備，突出中國制造優(yōu)勢 |
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分析模型 |
小區(qū)域、小范圍的模型 |
全國適用的模型、全球適用的模型 |
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網(wǎng)絡化應用 |
少數(shù)幾家單位內(nèi)部示范應用 |
形成國家級、區(qū)域站支撐的全國化的近紅外應用網(wǎng) |
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標準 |
少數(shù)幾個指標的近紅外檢測標準 |
建設全方位近紅外方法標準 |
其中值得注意的是近紅外分析網(wǎng)絡化的發(fā)展。目前聚光協(xié)助部分糧食質(zhì)檢的省一級單位根據(jù)其自身需要，完成近紅外糧食分析網(wǎng)的構建，同時也構建了區(qū)域性的糧食近紅外分析網(wǎng)。隨之這些網(wǎng)絡作用的發(fā)揮，網(wǎng)絡協(xié)同效益將會顯現(xiàn)，屆時近紅外分析真正進入大數(shù)據(jù)時代。
當前，近紅外儀器多種技術路線并存、百家爭鳴、百花齊放。從做好分析儀器的角度出發(fā)，更好穩(wěn)定性、更高一致性的近紅外儀器是我們儀器研制從業(yè)者孜孜不倦的追求。譜育科技正在開發(fā)相關的技術平臺，相信在不久的將來，即有相應的儀器面世。
