從聚光近紅外產品看國產近紅外在糧油行業的應用進展

　　近年來，近紅外光譜技術在我國得到了迅猛的發展，相關的新產品新技術層出不窮。為了多方位展現我國在近紅外光譜領域的最新成果，儀器信息網和近紅外光譜分會合作製作《近紅外光譜新技術/應用進展》網絡專題，同時也以此獻禮近紅外分會成立10周年，並寄語2021年國際近紅外大會。

　　為了更深入的了解國產近紅外光譜儀器技術的發展和應用現狀，我們特別邀請了聚光科技研發部經理周新奇等給大家分享其對國產近紅外光譜技術及應用發展的理解。

　　近紅外產品研發路：便攜、臺式、在線儀器滿足用戶不同需求

　　聚光科技近紅外產品的研發生產至今已有20多年的時間，目前已有超過2000套近紅外產品服務於工農業生產的多個領域。

　　以自主研發為基礎，開展近紅外產品製造、銷售和服務，為客戶專業提供成套的近紅外分析技術及應用方案，聚光近紅外產品的目標是為工農業生產的待檢物料提供準確可靠的分析數據，真實反映其質量情況。如要獲得高品質的分析數據，穩定可靠品質一流的儀器是基礎，再配套以成熟適用的分析模型，方能達成目標。質量一流的儀器價格相對較高，而國內分析儀器的市場現狀是國產儀器價格一定要比同類進口儀器便宜。為了滿足國內市場要求，聚光選擇自主開發核心光譜儀，用較低的研發成本開發高品質的近紅外分析儀，打造自己的近紅外光譜平臺，形成價格適中質量一流的近紅外分析儀器產品。

　　在2006年到2009年的三年時間裡，聚光精心打磨了一款光柵分光型的近紅外光譜儀。此後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展得更優異，可靠性、穩定性及一致性有了進一步提升。在上述光譜儀平臺基礎上，聚光科技開發了多款不同型號的近紅外分析儀器，如用於紡織品、塑料、果品等檢測的可攜式近紅外分析儀SupNIR-1000系列產品，滿足燃油、酒精等檢測的SupNIR-2600產品，用於糧油飼料檢測的臺式近紅外分析儀SupNIR-2700系列產品，用於液體在線近紅外分析的SupNIR-4510和用於固態物分析的SupNIR-4692產品，以滿足用戶的不同需求。

　　在2014年，聚光科技因「艦隊群」戰略發展需要，成立實驗室業務部，將近紅外全線產品劃入該業務部，同時成立杭州譜育科技發展有限公司，一套人馬兩塊牌子，對內稱實驗室業務部，對外則稱譜育科技。自此聚光近紅外產品的發展走入一個新的階段。

　　聚焦糧油行業 上下遊同時擴展

　　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，只有在大宗產品的檢測領域，才能在較短時間內獲取足夠多樣品數量，易於構建成熟模型;同時大宗產品檢驗工作量大，可充分發揮近紅外簡單快速的特點，將質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產品方面，尤其在糧油中選擇了小麥、菜籽、大豆等產品作為突破口。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。

　　經過10來年行業耕耘，聚光近紅外分析儀在糧油行業已經紮下根，主推的近紅外分析儀SupNIR-2720(如下圖1)在業內已經產生良好口碑。這一方面歸功於產品性能好質量優;另一方面也歸功於產品生產開發及營銷服務團隊的不懈努力。

圖1：SupNIR-2720近紅外分析儀

　　SupNIR-2720最大的特點在於上照式設計，光源發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，減少了幹擾和光損耗，有利於提高儀器信噪比。該儀器採用資料庫進行數據管理，數據存儲、查看、交換、統計和分析十分方便。操作軟體將儀器管理、數據分析與管理、模型建立與管理三大功能集成。可以定製軟體接口，供集團型用戶訪問數據，將軟體與其集團辦公系統、進銷結算等IT系統對接，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。

　　在麵粉加工方面，聚光科技在與用戶互動過程中逐漸積累了小麥、麵粉的分析模型，模型效果越來越好，數據質量越來越高，近紅外儀器不但能指導麵粉生產商採購到品質價位合適的小麥，而且可用於產品的調配，穩定產品質量，甚至可以用於生產線的考核，創造效益。在此過程中，我們對該行業也越來越熟悉，推廣也越來越順利。據推測，目前聚光近紅外儀器在全國麵粉加工廠的佔有率在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秒內能測量水分、容重、蛋白含量、溼麵筋含量、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，有好糧食才能生產出好麵粉。

　　2、原糧出倉搭配的控制：小麥搭配是生產環節的起點，也是決定麵粉最終質量的關鍵點。SupNIR-2720儀器準確分析出水分、容重、蛋白含量及溼麵筋含量，以此指導配麥。其中，搭配後小麥檢測水分值的高低，直接用來指導加水量的調節和控制。

　　3、入磨小麥的水分與二次加水量的控制：入磨水分的高低，對制粉工藝以及經濟效益的影響比較大，控制入磨小麥的水分穩定很重要。SupNIR-2720近紅外分析儀能夠準確測定潤麥 24 小時後小麥的水分，指導二次加水量調節和入磨小麥的搭配使用。

　　4、對制粉生產過程的控制：SupNIR-2720近紅外分析儀可準確的測定成品麵粉、次粉、麩皮及各個粉路的水分、灰分、蛋白、麵筋、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，如發現灰分超標，就可立即採用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問題，指導粉路調整。

　　5、對粉篩篩理效果的監測控制：在某種意義上講，麵粉質量是「選」出來的，因為每個粉流的流量和質量都是篩網配置決定的。麵粉企業應定期對制粉車間的工藝進行測定，並對篩網配備進行診斷和調整。通過SupNIR-2720儀器快速檢測各粉路的水分和灰分，並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，是哪層篩網有問題，準確地指導調整篩網和物料分配。

　　在糧油加工領域取得突破後，聚光開始攻關國家糧食和物資儲備局，努力將國產近紅外分析儀打入國家糧食質檢體系。2014年，聚光為國家糧食質檢研製了高端網絡化近紅外分析儀SupNIR-3000(如下圖2所示)。該型分析儀通過雙模式自校正等創新設計，突破了近紅外分析儀一致性瓶頸，結合稻穀、小麥、玉米、大豆、菜籽等大宗糧食油料水分、蛋白、澱粉、麵筋、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，並在此基礎上開展近紅外網絡化應用開發，構建了近紅外儀器傳感層、數據分析層和應用服務層的三層近紅外網絡分析系統(如下圖3所示)。通過糧情數據採集、標準化、大型資料庫系統的數據匯總分析，為糧情監測、決策提供數據支持，打破了國外進口近紅外產品在國家糧食質檢領域的壟斷局面，幾年來在多個省區糧食質檢系統取得了不錯的成績。

圖2：SupNIR-3000近紅外分析儀

圖3：近紅外網絡分析系統架構

　　為了滿足糧食經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軟體進行雲分析。測量模型由雲伺服器提供，用戶通過手機端操作，只需簡單操作即可獲得數據，方便快捷。配合大容量電池設計，非常適合於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雲分析系統。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，並且形成了東北大豆傳感網，目前入網數據達到13.98萬條，並在持續增長。該應用市場的開拓，為準消費級近紅外產品打開了一扇門，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，主要得益於以下幾個方面：一是產品質量過硬，一套近紅外分析儀器工作5年，一般不會產生售後維護工作;二是分析結果準確可靠，用戶使用儀器出檢測數據十分放心;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	溼麵筋	硬度	沉降值	乾麵筋	脂肪酸值
2	麵粉	水分	粗灰分	溼麵筋	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	胺基酸
5	稻穀-整粒	水分	粗蛋白	脂肪酸值	直鏈澱粉	膠稠度
6	精米顆粒	水分	粗蛋白	直鏈澱粉	食味品質	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	直鏈澱粉
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	胺基酸
11	玉米-顆粒	水分	粗蛋白	容重	粗脂肪	澱粉	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

　　從產品應用角度出發，聚光沿著行業的縱深進行擴展，向下遊擴展進入飼料、精深加工等領域。在深加工領域白酒釀造行業即是一個較好的選擇。中國傳統白酒釀造的規模大，行業利潤豐厚，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、入窖前及出窖後的酒醅，還可檢測酒麴。

　　在發酵過程中酒醅的水分、酸度、澱粉影響了微生物的生長，決定了酒的品質，因此對酒醅上述指標的監測有十分重要的價值。《DB34/T 2561-2015 固態發酵酒醅常規指標的快速檢測 近紅外法》地標已經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，採用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;裝樣後再檢測下一個樣品時，樣品的清理很簡單，即使清理不乾淨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於入窖酒醅、出窖酒醅的檢測，還可以檢測原糧，有益於增強酒企的效益。

　　釀造過程對在線分析也有需求：在傳統白酒生產中，多採用古法釀造，但行業具有機械化、自動化技術升級的需要。在線檢測更有效地應用於過程控制，幫助提高自動化水平，實現精細化管理，產生效益。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。而且採用在線技術可減少人工取樣工作量，降低勞動強度，對於酒企降低用工量，穩定質檢隊伍也大有裨益。

　　聚光科技在四川某酒廠成功實施了一套用於酒醅檢測的近紅外在線分析系統。其系統框架如下圖5所示。在線近紅外系統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。整個系統具有如下特點：可以同時測量水分、澱粉、酸度等多個參數，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汙染的影響，系統結構堅固抗震動能力強，可適應於惡劣現場環境等特點。

圖5在線系統結構示意圖

　　該系統從分析探頭接收到的光信號，經過光纖傳輸到儀表單元內，轉化成為光譜信號，該光譜信號傳輸給在線分析軟體後，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後，通過電纜傳送給中控系統，用於在線調控。下圖6展示的是在線連續監測澱粉的趨勢結果。該系統已經成功應用於其配糧系統，並獲得省科技進步獎。

圖6：在線監測酒醅澱粉的趨勢圖

　　近紅外光譜技術在生產流通領域的應用前景

　　近紅外儀器市場容量跟標準規範的關聯度極大，因為近紅外技術本身是二次分析技術，其檢測結果不能用於仲裁，同時又沒有標準物質可衡量其檢測結果的準確性。在傳統質監分析領域，近紅外儀器的發展空間十分有限，但是該技術作為一種快速、簡單的質控手段，在生產流通領域將有十分寬廣的前途。謹以我們熟悉的糧油行業體會拋磚引玉，總結為下表。

	現狀	未來趨勢
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，形成規模
儀器設備	進口設備較多，國產近紅外分析儀器應用較少	國產品牌必然代替進口設備，突出中國製造優勢
分析模型	小區域、小範圍的模型	全國適用的模型、全球適用的模型
網絡化應用	少數幾家單位內部示範應用	形成國家級、區域站支撐的全國化的近紅外應用網
標準	少數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絡化的發展。目前聚光協助部分糧食質檢的省一級單位根據其自身需要，完成近紅外糧食分析網的構建，同時也構建了區域性的糧食近紅外分析網。隨之這些網絡作用的發揮，網絡協同效益將會顯現，屆時近紅外分析真正進入大數據時代。

　　當前，近紅外儀器多種技術路線並存、百家爭鳴、百花齊放。從做好分析儀器的角度出發，更好穩定性、更高一致性的近紅外儀器是我們儀器研製從業者孜孜不倦的追求。譜育科技正在開發相關的技術平臺，相信在不久的將來，即有相應的儀器面世。

　　(供稿：周新奇，慎石磊，李光)