光谱仪应用之智慧农业 | 可见近红外光谱技术用于苹果霉心病检测

一、研究背景：

中国是全球最大的苹果生产国，2021年产量接近4600万吨，其中陕西省贡献了超过四分之一。然而，随着消费升级，消费者对苹果的要求早已不止于“好看”，更要“好吃、安全”。

可溶性固形物（SSC）是决定苹果甜度的关键指标，直接影响口感和市场售价。苹果霉心病是一种由真菌引起的内部病害，外表看不出任何异常，但果核周围会逐渐腐烂，甚至产生有害毒素（如黄曲霉毒素），对人体健康构成威胁。

目前，传统的检测方法如机器视觉、核磁共振、电子鼻等，要么只能检测表面，要么设备昂贵、操作复杂，难以在产线上大规模应用。而可见/近红外光谱技术凭借其快速、无损、低成本的优势，成为解决这一问题的理想选择。

可见-近红外光谱技术作为一种无损分析技术，可利用物质中特定化学键的特征吸收实现快速检测，已在土壤检测，农作物含水率测量等领域成功应用，具有检测速度快、无需样品前处理、操作简便等优势。本工作通过上海如海光电的DQpro系统，探索可见-近红外光谱技术在苹果霉心病在线判别的应用。

仪器图（DQPro光谱仪）

一、实验结果与分析

四组不同直径下的苹果原始光谱（A）健康果（B）霉心病果

1.光谱强度随直径增大而整体下降

在每一个波长处，光谱强度均呈现：70–75 mm>75–80mm>80–85mm>85–90mm的规律。

例如：

在700nm处，四组的光谱强度分别为9800、7800、6200、5800。

直径最小的苹果（70–75mm）透射光最强，直径最大的苹果（85–90mm）透射光最弱。

2.光谱形状相似，

存在明显的吸收峰和吸收谷

所有直径组的光谱曲线形状基本一致，主要特征波段包括：

645nm附近：有一个波峰，强度较高，与苹果表皮颜色（叶绿素吸收）关。

675nm附近：为叶绿素吸收谷。

700nm附近：全局最高峰，与C-H、O-H键的倍频伸缩振动相关。

758nm附近：出现一个波谷，与O-H键的三重态拉伸振动相关。

810nm附近：又一个波峰，随后在830nm附近（表中850nm）下降。

3.直径对光谱的衰减效应显著

即使同一波长下，不同直径的光谱强度差异可达数倍。例如在700nm处，最大组（9800）与最小组（5800）相差4000个单位。这说明苹果大小会严重影响漫透射光的接收强度，若不进行直径修正，会干扰霉心病和糖度的判别。

二、研究结论

由光谱仪测出不同直径苹果的可见近红外波段的光谱图像可看出：苹果的直径（横径）大小会显著影响漫透射光谱的强度，必须进行直径修正，否则会严重干扰霉心病和可溶性固形物的在线检测精度。通过基于光衰减系数的修正方法，可以有效消除直径差异带来的误差，从而提高霉心病判别模型的准确率。

具体来说，由图可以清晰看到：相同波长下，苹果直径越大，透射光强度越低（70–75 mm组的光谱强度显著高于85–90mm组）。如果不修正这种由果径引起的衰减，就可能出现“一个直径很大但健康的苹果，其光谱强度反而比一个小直径的霉心病苹果还低”的情况，从而导致误判。

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