杜伦小麦的智能筛选：基于近红外（NIR）便携式传感器的蛋白质和水分含量检测方法比较研究

《Microchemical Journal》：Smart screening of durum wheat: A comparative study of NIR portable sensors for protein and Moisture content

硬质小麦蛋白质和水分含量通过便携式近红外光谱仪快速无损检测研究。对比NeoSpectra Scanner和PoliSPEC-NIR两种设备在点测、旋转、扫描模式下的性能，采用PLS回归分析103个意大利样本数据。结果表明PoliSPEC-NIR扫描模式最佳，蛋白质RMSEP 0.35 g/100g，水分0.21 g/100g，验证了便携式NIR设备在农业链中快速质检的可行性。

　　
本研究聚焦于利用便携式近红外光谱技术（NIR）对意大利产硬质小麦的蛋白质和水分含量进行非破坏性检测，旨在为农业和食品加工领域的精准质量控制提供技术支撑。论文通过对比两种主流设备——NeoSpectra Scanner和PoliSPEC-NIR在不同采样模式下的分析性能，系统评估了便携式NIR光谱仪在实际应用中的可行性和优化方向。

在样本选择方面，研究团队采集了来自意大利多个地区的103个完整小麦样本，覆盖Emilia-Romagna、Marche、Tuscany等主要农业区，确保样本在地理分布和 agronomic特性上的多样性。蛋白质含量检测范围在11.12-17.28 g/100g，平均13.40 g/100g；水分含量介于8.83-12.29 g/100g，均值10.35 g/100g，样本波动性与实际田间环境高度吻合。

设备性能对比显示，PoliSPEC-NIR在扫描模式下表现尤为突出：蛋白质检测的预测误差（RMSEP）降至0.35 g/100g，水分检测误差进一步压缩至0.21 g/100g，均优于NeoSpectra Scanner的检测结果。技术差异主要体现在光学配置上——PoliSPEC-NIR采用256像素InGaAs检测器和3.25 nm光谱分辨率，其20 mm直径的采集窗口（面积314 mm2）较NeoSpectra Scanner的10 mm窗口（79 mm2）扩大近四倍，有效降低了小麦颗粒非均质性对检测结果的影响。

采样模式对设备效能产生显著影响。对于体积较大的PoliSPEC-NIR，扫描模式通过持续移动采集设备，覆盖更广的样本区域，配合二次导数处理（窗口15 nm，阶数2），在蛋白质检测中实现了0.86的R2值和0.35 g/100g的最终预测误差。而NeoSpectra Scanner的旋转模式虽未显著提升水分检测精度（RMSEP稳定在0.38 g/100g），但其轻量化设计（730 g）和快速扫描能力（单次扫描5秒）更适合现场即时检测需求。

研究特别强调标准化操作流程的重要性。通过对比不同预处理方法（如加权最小二乘法、散射校正、滑动窗口导数处理）对模型性能的影响，发现最佳预处理方案需兼顾数据稳定性和信息保留度。实验采用外部验证法（校准集73份，验证集30份），通过10折交叉验证确保模型泛化能力，最终验证集误差均控制在参考方法允许范围内（蛋白质误差0.4 g/100g，水分0.3 g/100g）。

设备成本与性能呈现显著相关性。PoliSPEC-NIR虽单价高达2.9万美元，但其高分辨率检测器和更大采样面积带来的精度优势，使得在蛋白质检测中较NeoSpectra Scanner（约0.9万美元）每克误差减少0.24 g，水分检测误差降低0.17 g。这种性能提升在扫描模式下更为突出，表明设备参数需与具体应用场景匹配。

实际应用场景分析表明，在粮食加工厂或储粮仓库等现场，设备需满足快速检测（<1分钟/样本）与操作便捷性要求。NeoSpectra Scanner的便携性（尺寸178×91×62 mm）适合单人操作，但其小窗口设计要求对同一样本进行多次重复扫描（15次/样本），可能影响检测效率。PoliSPEC-NIR虽需更大样本量（200g/次），但扫描模式通过连续移动采集，单次检测即可覆盖更广区域，特别适合处理松散颗粒状样本。

研究还揭示了光谱特征与目标参数的关联规律。在900-1700 nm范围内，PoliSPEC-NIR的检测窗口（20 mm直径）更易捕捉到与蛋白质相关的C-H振动组合频带（1370-1390 nm）和水分特征吸收带（1420 nm）。而NeoSpectra Scanner在1450-1470 nm和2050-2180 nm区域的响应，主要与小麦中淀粉晶体结构及蛋白质二硫键形成相关。这种光谱差异导致两种设备在相同采样模式下，对同一参数的预测模型优化路径不同。

值得注意的是，设备重量与检测精度呈负相关。PoliSPEC-NIR的3.2 kg重量使其在自动化流水线场景中更具优势，而NeoSpectra Scanner的轻量化设计更适合田间移动检测。这种物理特性差异与设备性能的平衡，为选择合适设备提供了理论依据。

研究结论指出，在标准化操作流程下，便携式NIR设备已具备替代传统实验室检测的潜力。建议在实际应用中优先选择扫描模式，并通过以下优化措施提升检测效能：1）样本预处理阶段增加均质化处理，减少颗粒分布不均的影响；2）建立区域专属的设备校准数据库，补偿光谱响应差异；3）开发多参数同步检测算法，结合水分和蛋白质的交互作用模型。这些改进方向已在欧盟多个农业示范区开展试点验证，初步数据显示检测效率可提升40%以上。

当前研究仍存在若干局限性：首先，样本均质性对检测精度影响显著，建议开发自适应采样系统；其次，设备成本与性能的平衡仍需市场验证，特别是中小型农场用户的设备采购意愿；最后，极端环境（如高湿度、强光照射）下的设备稳定性尚未充分验证。后续研究计划将集成多光谱传感器和边缘计算模块，开发具备自主校准能力的智能检测系统，目标是将水分检测误差控制在0.1 g/100g以内，为制定更严格的粮食质量分级标准提供技术支持。