近红外光谱法快速检测牛奶成分仪设计及其相关模型建立

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1、工程硕士学位论文近红外光谱法快速检测牛奶成分仪设计及其相关模型建立NEAR-INFRAREDSPECTROSCOPYFORRAPIDDETECTIONOFMILKCOMPOSITIONOFEQUIPMENTDESIGNANDIT’SAPPLICATIONMODELESTABLISHMENT俞贞妮哈尔滨工业大学2012年9月国内图书分类号：O657.33学校代码：10213国际图书分类号：TS252密级：公开工程硕士学位论文近红外光谱法快速检测牛奶成分仪设计及其相关模型建立硕士研究生：俞贞妮导师：张兰威教授申请学位：工程硕士学科：化学工程所在单位：哈尔滨高新技术生物医药开

2、发有限公司答辩日期：2012年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O657.33U.D.C.:TS252DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNEAR-INFRAREDSPECTROSCOPYFORRAPIDDETECTIONOFMILKCOMPOSITIONOFEQUIPMENTDESIGNANDIT’SAPPLICATIONMODELESTABLISHMENTCandidate：YuZhenniSupervisor：Prof.ZhangLanweiAcademicDegreeAppliedf

3、or：MasterofEngineeringSpecialty：ChemicalEngineeringHerbinHigh-techBiologicalAffiliation：PharmaceuticalCevelopmentCompanyLimitedDateofDefence：September,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近红外光谱技术在食品科学、食品安全、环境污染检测和生命科学等领域有着广泛应用，该技术具有快速、无损、不破坏样品等优点，

4、并由于其特征性强，可以提供物质结构的丰富信息，可对微量样品进行测试，因此它不仅是物质结构分析研究的强有力工具，也是分析鉴定的有效方法。但由于使用近红外光谱仪器进行测试对周围环境的温度和光线等条件有着比较苛刻的要求，因此目前绝大多数近红外光谱分析都在实验室内进行。对于一些需要在现场进行测量分析的工作，也不得不在实验室中进行，特别是对突发公共卫生、环境污染事件的性质不能做到在现场及时做出判别。目前食品安全领域中急需对原料奶样品进行快速现场检测。本论文主要研究低成本、便携快速检测牛奶品质的技术，通过采用近红外光谱的方法检测液体牛奶中的蛋白质、脂肪等主要物质含量。为了提高仪器精

5、度，本文采用InGaAs阵列探测器的快速扫描式光谱仪。通过MEMS（微机电加工）工艺加工的微型振动光栅摆动分光，可以省去大量的传动结构和精密机械加工，最大限度降低仪器成本和装调成本。为保证仪器在测量应用中的一致性，半导体探测器采用恒温制冷测量方式，即将探测器降温到－10℃并恒定，降低测量噪声，提高探测器灵敏度，提高仪器环境适应能力，提高测量精度。整体的检测技术包含仪器硬件技术和软件技术研究两大部分。硬件技术包括恒温样品池、光谱仪、光源和电源的设计开发工作，软件技术包括数据采集和分析软件开发平台设计和开发基于间隔偏最小二乘回归方法（iPLS）的数学建模两部分。其中数学建模

6、部分采用数据平滑、多元散射矫正和数据微分对奶样原始图谱中酪蛋白、蛋白质、脂肪、总固态物、非脂肪固态物、乳酸、凝固点、质量控制参数、柠檬酸、游离脂肪酸等指标信息进行预处理，进而采用iPLS方法将原始图谱和预处理后的图谱信息针对牛奶中上述指标建立校正模型，接着对预测样品进行了模型预测，并对结果进行了验证。验证结果显示除了凝固点、柠檬酸、非自由脂肪酸这三个指标外，模型计算值和定标值之间的线性关系都在0.90之上，得到的预测效果也比较理想。本论文样机和丹麦产FOSS乳品指标检测仪对随机抽取的5个奶样进行检测和对比，对比内容包含蛋白质和脂肪等11个检测指标。对比结果显示5个奶样的

7、11个指标平均的相对误差分别为0.04%、1.008%、1.46%、0.04%和0.7%，5个奶样的平均相对误差为0.5%。由此可见，可见本论文研制的便携式近红外光谱仪及其相关技术在牛奶品质的快速检测中得到了较为理想的结-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文果。关键词：近红外光谱；液态乳；光谱仪；iPLS-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractNear-infraredspectroscopy(NIRS)techniqueiswidelyusedinthefieldsoffoodscience,foodsafety,detec