《食品科学》：东北林业大学刘大洋副教授等：黑心病对马铃薯光学特性的影响及蒙特卡洛多层光传输模拟

马铃薯是全球第四大粮食作物，年产量约3.831亿 t，中国产量最高，约0.935亿 t。其块茎富含淀粉、优质蛋白质、维生素与矿物质，同时含有酚类、类胡萝卜素和花青素等生物活性物质，兼具基础粮食与功能性食品双重价值，在全球粮食安全与膳食结构中具有重要地位。然而，在贮藏和运输过程中，马铃薯黑心病常因高温或不良条件下呼吸增强与气体交换不足导致缺氧和二氧化碳积累，引起髓部坏死和颜色褐变至黑色。黑心病多发生于块茎内部，表面难以察觉，严重时导致腐烂，显著降低食用品质和加工性能。依据中国质量分级标准，黑心病属‘内部变色’缺陷：一级不允许，二级限≤3%，三级限≤5%，其比例直接影响商品等级和市场价值。然而，现行切开检测破坏性强、效率低，难以满足大规模筛选需求，因此亟需发展快速、无损、准确的检测技术，以提升商品价值并减少损耗。

近年来，可见/近红外光谱、成像分析和高光谱技术等无损检测方法被广泛应用于果蔬内部缺陷的识别，例如苹果、马铃薯、梨、桃、草莓、蓝莓等。这些研究表明，果蔬内部缺陷会引起可见/近红外光谱在特征波段的显著变化，通过变量筛选和机器学习可实现较高的缺陷识别精度，高光谱成像在结合光谱与空间信息后可进一步提升检测能力。然而，尽管已有大量研究，但传统光谱学方法多依赖统计学‘黑箱’模型，仅建立光谱信号与果实品质的关系，而往往忽视了组织内部的光学机理。从光学角度看，果蔬组织属于典型浑浊介质，光在其中传播涉及吸收与散射的耦合作用，其中两个关键参数是吸收系数（μa）和约化散射系数（μ's）：前者主要反映化学组成，如可溶性固形物、水分、色素和有机酸；后者主要取决于物理结构，如细胞大小、孔隙率和组织密度。病害会引起果蔬组织化学成分和微观结构的改变，从而不可避免地影响μa和μ's的数值。因此，对果蔬组织光学特性的研究不仅有助于深入理解光与病害组织的相互作用机制，也为基于光谱技术的水果内部缺陷检测提供了坚实的理论基础。

积分球结合反向倍增（IAD）算法因其系统结构相对简单、测量精度较高，被广泛用于内部缺陷对果蔬光学特性影响的研究。例如，Wang Mengyao等通过单积分球系统发现，感染柑橘果皮在部分波段μa发生显著变化，反映出类胡萝卜素的积累和叶绿素的降解；Jiang Mengwei等利用单积分球系统研究了冬枣在贮藏过程中受交链孢菌侵染后的光学特性，结果表明其μa和μ's在特定波段与叶绿素及品质指标高度相关，可实现病害的早期识别；此外，Guo Yalin等通过积分球系统分析了健康与黑心马铃薯的光学特性，指出黑心组织在500～850 nm范围内吸收与散射增强，显著降低光穿透深度，其中490 nm和805 nm对黑心病变最为敏感。然而，目前针对马铃薯黑心病缺陷的研究尚缺乏对马铃薯黑心病在1 000 nm以上波段的系统研究，并且由于马铃薯不同部位结构差异显著，其光学参数存在较大差异，而以往方法忽略了不同部位黑心程度对光学特性的影响，因此，有必要系统研究1 000 nm以上波段马铃薯黑心病组织的光学特性，并结合马铃薯不同部位的结构差异，揭示其光学参数随黑心程度变化的规律。

蒙特卡洛多层仿真（MCML）是一种基于蒙特卡洛方法的光子传播计算技术，用于模拟光在多层生物组织中的复杂行为，能够定量分析光的散射、吸收和穿透深度等关键光学特性。例如，Xiao Zhengwei等应用MCML研究了马铃薯组织的光穿透深度和扩散半径，为使用可见/近红外光谱检测马铃薯提供了参考。Zhang Mengyun等将蒙特卡洛模拟应用于蓝莓碰伤检测，发现近红外波段对损伤识别效果显著。Yu Saiwei等在‘Korla’梨的研究中也通过模拟分析了机械损伤果肉中的光子传播规律，发现1 063 nm波长对机械损伤最为敏感。这些研究表明，MCML能够有效揭示果蔬组织内部的光学行为，并为无损检测方法的优化提供理论依据。然而，现有针对马铃薯黑心病的MCML局限于单一部位的组织模型，未能充分考虑表皮与髓部不同部位在结构和光学特性上的差异，这些模型难以全面反映光在复杂多层组织中的真实传播规律，导致模拟结果与实际情况仍存在偏差。

总体而言，现有对马铃薯黑心病的研究在1 000 nm以上波段的光学特性仍缺乏系统性量化，对表皮及髓部各区域的结构差异所造成的光学参数的影响考虑不足；同时，既有MCML模型采用简化组织结构，无法准确描述光在块茎多层异质组织中的真实传播行为。因此，东北林业大学计算机与控制工程学院的李道城、于赛薇和刘大洋*等人的总体目标是分析不同程度黑心马铃薯组织的光学特性，并深入研究光在其组织中的传播行为。具体目标包括：1）系统评估不同组织部位及黑心程度对马铃薯微观结构和光学参数的影响；2）通过表皮及不同部位髓部构建蒙特卡洛多层模型，模拟光在健康与病变组织中的传播，并阐明病变对光学响应的作用机制；3）结合实验与仿真结果，揭示特征波段对病变识别的敏感性和适用性，为黑心马铃薯无损检测与分级提供理论依据。

1 马铃薯的微观结构

通过扫描电镜图像（图6）可以观察到，不同黑心程度马铃薯组织在细胞结构上存在明显差异。在健康组织中，细胞结构饱满，轮廓清晰，细胞壁完整且连续，呈现出明显的棱角形态。细胞之间间隙紧密，未见明显塌陷现象。形态圆整饱满，显示出组织结构的完整性和正常生理状态（图6A）。在轻度黑心组织中，细胞大小不均，部分区域出现轻微凹陷，但细胞壁仍保持完整连续，细胞间隙依然较紧密（图6B）。在重度黑心组织中，细胞分布明显紊乱，大小不一，多数细胞发生不同程度的塌陷，细胞轮廓模糊，棱角不清晰。细胞壁呈迂曲状，结构完整性受损严重。细胞间隙虽仍较紧密，但组织整体呈现退化趋势，在严重缺氧及代谢紊乱条件下，细胞结构已严重破坏（图6C）。3 组不同黑心程度组织在细胞形态及结构完整性方面存在显著差异，其损伤程度为重度黑心组织＞轻度黑心组织＞健康组织，这与Guo Yalin等的结果一致。这种结构变化可能显著影响马铃薯组织的光学散射特性。随着细胞结构的解体，马铃薯组织内部形成更多大小不一、排列无序的气隙，增强了光的多次散射过程，从而导致μ's升高。此外，细胞壁的迂曲、断裂以及细胞排列的紊乱进一步增加了散射路径的复杂性，可能加剧散射强度的变化。

2 双积分球系统的验证

图7展示了双积分球系统在427～1 594 nm范围内的验证结果。图7A为不同体积分数印度墨水（0.005%、0.05%、0.1%）的μa光谱。在约1 450 nm处可见明显吸收峰，且随着体积分数的升高，μa值逐渐增大，这与Ma Yunyun和He Xueming等的研究结果一致。计算得到的吸收溶液μa值与邓孺孺等报道的结果相符。对于Intralipid-20%（图7B），在相同波长处，其μ's随体积分数（10%、15%、20%）的增加而升高，而在固定体积分数下，μ's随波长的增加呈下降趋势，与Aernouts等的研究规律一致。与式（2）、（3）的计算结果相比，3 种体积分数下μ's的平均误差为8.08%。总体而言，验证结果表明所建立的双积分球系统能够稳定且准确地获得样品的光学参数。

3 马铃薯的光学特性

3.1 髓部的光学特性

图8展示了马铃薯髓部切片中心侧与边缘侧在不同黑心程度下的μa与μ's在420～1 650 nm波段内的变化趋势。如图8A所示，黑心程度相同时，中心部位与边缘部位的μa曲线走势基本一致，但中心部位的μa整体略高于边缘部位。健康马铃薯在425、451、481、976、1 205 nm和1 464 nm附近存在明显的吸收峰。其中，425、451 nm和481 nm波长处的吸收主要与β-胡萝卜素相关，976 nm附近的吸收峰主要与水分和碳水化合物中O—H键的第二倍频振动有关，是组织中水分和可溶性固形物的重要表征波段。1 205 nm附近的吸收则归因于碳水化合物中C—H 键的第二倍频与水中O—H键的倍频组合。而1 464 nm附近的吸收峰则与水分中O—H键的第一倍频振动密切相关，是组织水含量最典型的吸收指示之一。976、1 205 nm和1 464 nm波长处的吸收主要与组织中较高的水分含量有关，与苹果、猕猴桃和草莓等高含水量果蔬中观察到的特征吸收波段基本一致。然而在黑心马铃薯中，420～500 nm范围内的吸收峰逐渐减弱甚至消失，而976、1 205 nm和1 464 nm附近的水分吸收峰依然存在，说明β-胡萝卜素等色素类物质可能在病变过程中发生降解或迁移。同时，黑心组织μa的整体升高可能与糖和酚类物质的异常积累相关，其代谢紊乱导致组织化学组成显著改变，从而增强了光的吸收。

图8B显示了μ's的变化规律。相同病害程度下，中心部位的μ's远低于边缘部位，表明不同部位组织结构对散射影响显著。整个光谱范围内μ's值总体呈下降趋势，这是生物组织的典型特征，但在1 464 nm处出现明显波峰，为水分强吸收引起的散射和吸收串扰现象。进一步结合扫描电镜结果可以发现，随着黑心程度加重，细胞由饱满清晰逐渐退化至塌陷紊乱，形成更多无序气隙并导致散射路径复杂化，从而增强光的多次散射效应，使μ's值升高。此外，黑心组织中干物质浓度的升高（可能由水分流失或淀粉降解引起）增加了组织的光学不均匀性，从而共同导致了更强的光吸收和散射。

综合来看，随着马铃薯黑心程度的加重，μa显著升高，在约530 nm处差异最为显著，重度黑心中心组织的μa约为健康组织的5.7 倍，轻度黑心约为2.2 倍；随着波长增加，三者差距逐渐缩小，在1 000 nm以上波段仅表现出轻微差异，μ's随病变加重也有所增加。μa的升高主要与组织中化学成分的异常积累有关，如色素、糖类和酚类等物质，不同部位之间差异相对较小；而μ's主要受组织结构影响，不同部位间差异明显，在相同黑心程度下，边缘部位的μs′通常为中心部位的约1.5～2.0 倍。

3.2 薯皮的光学特性

图9展示了马铃薯表皮在420～1 650 nm波段内的μa和μ's的变化规律。μa在420～915 nm范围内呈持续下降趋势，并在976、1 205 nm和1 464 nm附近出现明显吸收峰，其位置与髓部一致，主要受水分和碳水化合物中相关化学键振动影响。整体上，表皮的μa高于髓部，仅在1 464 nm峰值附近略低于髓部，这可能与表皮中色素和酚类化合物含量较高而吸收增强有关。表皮与髓部的μ's光谱变化趋势相似，均随波长增加而逐渐下降，并在1 464 nm处出现由水分强吸收引起的散射与吸收串扰峰，但表皮μ's数值显著高于髓部，源于表皮组织结构更致密，含有更多微细散射颗粒和复杂的细胞结构，从而增强了光的多次散射。类似现象也见于其他果蔬研究，例如Zhang Mengyun等在蓝莓中发现果皮的吸收和散射系数均显著高于果肉；Saeys等利用双积分球测得果皮散射系数约为果肉的3 倍。

4 马铃薯组织的光穿透深度

在420～1 650 nm的光谱范围内，根据各波长光学特性的平均值计算出的马铃薯髓部与表皮的穿透深度如图10 所示。整体来看，光在健康髓部组织中的穿透深度显著高于表皮组织，这是由于表皮具有更强的吸收与散射特性。在1 464 nm附近，所有组织的穿透深度均出现明显下降，最低约为0.27 mm。这主要归因于水分子中O—H 键在1 464 nm处的强吸收，消耗了大部分能量，从而显著降低了穿透深度。在相同黑心程度下，髓部中心部位的穿透深度大于边缘部位，值得注意的是，尽管中心部位的 μ a 较高，但边缘部位具有更强的散射作用，从而导致其穿透深度更低。总体而言，健康马铃薯组织的穿透深度为中心部位＞边缘部位＞表皮。

在420～500 nm波段内，健康马铃薯的穿透深度曲线呈现与2.3.1节相似的明显波峰与波谷，而黑心组织几乎不再表现出此类特征，其余波段的整体变化趋势基本一致。随着黑心程度加重，同一部位的穿透深度均显著下降，这反映出病变组织中更强的吸收与散射效应限制了光的传播距离。健康髓部中心部位的最大穿透深度出现在约818 nm处，达到约2.3 mm。值得注意的是，不同黑心程度组织间的穿透深度差异会随着波长的增加而逐渐减小，在可见光区（420～750 nm）差异较为突出，这表明可见光波段对组织黑心病变的光学响应更为敏感。在750 nm以下的可见光范围内，相同组织部位中健康组织的穿透深度均大于轻度黑心组织的1.5 倍和重度黑心组织的2.5 倍，而在750 nm以上的近红外区域，这些差异明显减弱。Guo Yalin等研究表明，黑心马铃薯在500～850 nm波段内表现出增强的吸收与散射特性，且最大光穿透深度位于约805 nm，与本实验结果具有良好的一致性。

5 马铃薯组织多层蒙特卡洛模拟

5.1 蒙特卡洛仿真结果验证

MCML模拟得到的马铃薯组织的Rd与Tt在整个波长范围内与实测结果总体一致（图11），平均相对误差分别为6.64%和4.85%，低于Zhang Mengyun等报道的20%和19%，以及Yu Saiwei等报道的11.1%和5.7%。值得注意的是，在不同波段中，模拟值与实测值的数值关系呈交替变化，即部分波长范围内模拟值高于实测值，而在另一些波长范围内则低于实测值。这种交替变化现象与Hammer等的研究结果一致，主要归因于实验与模拟过程中的多种误差来源。一方面，样品制备过程中的厚度偏差、表面状态差异以及实验装置的校准误差，可能引入系统性偏差；另一方面，输入光学参数的不确定性会进一步影响模拟精度。此外，蒙特卡洛方法本身具有统计性质，不可避免地在不同波长处引入随机波动，从而造成模拟与实测结果在波长维度上交替高低的表现。总体而言，这些误差来源共同导致了模拟值与实测值之间的细微差异，但不影响本研究模拟结果的可靠性。

5.2 有效波段范围内多层马铃薯组织的仿真结果

MCML模拟结果表明，在420～1 650 nm光谱范围内，5 层马铃薯组织中入射光大部分被吸收，少部分发生漫反射，而透射能量几乎为0（图12）。这说明马铃薯组织对光的穿透极为有限，能量主要在组织内部被吸收，仅有少量发生反射与散射。在420 nm附近，漫反射率最低而吸收率最高；在890 nm附近，漫反射率最高而吸收率最低；在1 458 nm附近则因水分的强吸收作用，导致反射率显著下降、吸收率明显增加。与健康组织相比，黑心组织在整个波段范围内表现出更强的吸收，使得光在其组织中的传播深度进一步减小。这一能量分布特征与Guo Yalin等的研究结果一致，其研究发现黑心马铃薯组织中吸收能量显著增强、漫反射降低，透射比例在400～1 000 nm波段内始终低于0.1%。基于890 nm处最低吸收和420 nm处最高吸收的特征，选择这两个波长用于CONV运算，以探究光与黑心马铃薯组织的相互作用。

5.3 多层马铃薯组织中的能量密度分布

图13展示了不同黑心程度马铃薯在420 nm和890 nm波长处的能量吸收密度等高线分布。结果表明，在890 nm波长处，5 层马铃薯组织模型的吸收较弱，光在组织内传播更为容易；而在420 nm波长处，能量密度随深度迅速衰减，光的穿透显著受限。与420 nm相比，890 nm波长处的扩散半径和穿透深度均更大。当光能密度衰减至约0.1%时（参考阈值），重度黑心马铃薯在420 nm波长处的穿透深度和扩散半径最低，分别为2.8 mm和3.1 mm，扩散半径仅略高于光源半径（1.8 mm）；而在890 nm波长处，健康马铃薯的穿透深度和扩散半径最大，分别达到8.7 mm和7.8 mm（表3）。同一波段下，黑心程度越高，其吸收和散射系数越大，导致穿透深度显著减小，径向传播范围明显缩短。因此，不同黑心程度的马铃薯可通过特定波长处的光子吸收分布有效区分。

反射能量密度分布随径向距离增加而逐渐减小（图14）。在890 nm波长处，样品的反射能量密度较高，并在径向约0.8 cm处衰减至接近0；而在420 nm波长处，反射能量密度整体较低且下降更快。值得注意的是，在890 nm波长处径向距离约0.4 cm（约为光源半径的2 倍）以内，健康马铃薯、轻度黑心和重度黑心之间的反射能量密度差异较为显著，依次表现为健康＞轻度黑心＞重度黑心；然而，在径向0.4 cm以外，以及在420 nm波长的所有径向距离下，各类组织间的反射能量密度差异均不明显。这表明，在890 nm波长处的漫反射特征可用于黑心马铃薯边缘区域的定量分析。相比之下，透射能量密度始终接近0，远低于反射能量密度，这与Xiao Zhengwei等在马铃薯和Zhang Mengyun等在蓝莓的研究中的结果一致。其主要原因在于马铃薯表皮及黑心组织的 μ a 和 μ ' s 较高，使得光子极难穿透表皮进入内部。因此，采用透射模式检测整块马铃薯的内部品质存在显著挑战，对光源功率和传感器灵敏度等提出了更高的要求。

6 结 论

本研究系统揭示了黑心病对马铃薯光学特性的影响。实验结果表明，随着黑心程度加重，μa显著升高，在约530 nm处重度和轻度黑心组织分别约为健康组织的5.7 倍和2.2 倍，且随波长增加差异逐渐减小；在相同黑心程度下，边缘组织的μ's明显高于中心组织，约为其1.5～2.0 倍。穿透深度结果进一步显示，在750 nm以下的可见光区，健康组织显著高于黑心组织，表明该波段对病变更为敏感，而在750 nm以上的近红外波段，该差异明显减弱。

基于5 层蒙特卡洛多层模型的模拟进一步揭示了不同病变组织内的光传播规律。结果表明，入射光在马铃薯组织中以吸收为主，透射能量几乎为0，黑心组织整体吸收增强并显著降低光的传播深度。能量吸收密度分析显示，当光能密度衰减至0.1%时，重度黑心组织在420 nm高吸收波长处的穿透深度和扩散半径仅为2.8 mm和3.1 mm，而健康组织在890 nm低吸收波长处可达8.7 mm和7.8 mm，差异显著。反射能量密度随径向距离增加而衰减，在890 nm波长处径向约4 mm（约二倍光源半径）范围内呈现健康＞轻度黑心＞重度黑心的梯度分布，这表明相对较低吸收的890 nm波长具有更强的组织穿透性和对病变差异的表征能力。

本研究表明，不同波段对黑心病变的表征能力存在明显差异，可见光区对病变变化更为敏感；同时，透射能量整体较弱，表明表皮及黑心组织较高的吸收与散射显著限制了光的穿透，使基于透射方式检测整块马铃薯内部病变面临更高的光源与传感器要求。本研究结果为基于光谱技术的马铃薯黑心病无损检测与分级提供了理论依据和方法参考，并为光学模型优化与波段选择提供了实验支撑。后续研究中，可在本实验光学参数与传播规律分析的基础上，进一步设计并优化透射检测装置，通过提高光源强度与探测灵敏度，实现马铃薯黑心病的高效检测与分级。

作者简介

通信作者：

刘大洋 副教授

东北林业大学控制与信息工程学院

刘大洋，男，吉林四平人，博士/副教授/博导，东北林业大学控制与信息工程学院自动化专业副主任。主要从事模式识别与智能系统、智能化检测技术领域的研究。核心研究方向涉及机器学习与计算机视觉技术、光电检测技术等理论与方法，尤其深耕于基于光谱技术的农产品与果品品质无损检测技术研发。近年来，先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校青年教师自主创新基金等科研项目。在国内外权威学术期刊发表SCI/EI收录论文40余篇，获授权专利10余项。现兼任黑龙江省仪器仪表学会理事、黑龙江省自动化学会会员，担任Journal of Food Science期刊青年编委、Frontiers in Plant Science、Plants等期刊客座编辑，担任Innovative Food Science & Emerging Technologies、Postharvest Biology and Technology、Infrared Physics & Technology, Measurement、《农业工程学报？等期刊审稿人。

第一作者：

李道城 硕士研究生

东北林业大学控制与信息工程学院

李道城，男，东北林业大学控制工程专业硕士研究生，主要研究方向为农产品光学特性分析与智能无损检测技术。

引文格式：

李道城, 于赛薇, 陈国良, 等. 黑心病对马铃薯光学特性的影响及蒙特卡洛多层光传输模拟[J]. 食品科学, 2026, 47(9): 312-323. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251101-001.

LI Daocheng, YU Saiwei, CHEN Guoliang, et al. Effect of blackheart on optical properties of potato flesh and Monte Carlo simulation of light transport in multilayered potato tissues[J]. Food Science, 2026, 47(9): 312-323. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251101-001.

实习编辑：普怡然；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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