考虑可再生能源与异构资源灵活协同的电力系统规划方法

《Processes》：Planning Method for Power System Considering Flexible Integration of Renewable Energy and Heterogeneous Resources Yuejiao Wang, Shumin Sun, Zhipeng Lu, Yiyuan Liu, Yu Zhang, Nan Yang and Lei Zhang

　　

高光谱成像（hyperspectral imaging, HSI）结合化学计量学已成为水果品质评估的一种快速且非破坏性的技术手段，能够实现采后贮藏过程中生化变化的高效监测。在品质指标中，抗氧化活性与营养价值及生理稳定性密切相关。本研究旨在建立一种基于HSI的方法，用于评估经不同预冷处理后贮藏的草莓的抗氧化能力。草莓经五种预冷方法处理后贮藏长达41天。采用2,2-二苯基-1-苦基肼（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl, DPPH)自由基清除法测定抗氧化活性。采集高光谱数据后采用多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC)进行预处理，随后采用偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR)建立预测模型。在各处理组中，浸渍真空冷却结合单次脉冲（immersion vacuum cooling combined with one-cycle pulsing, IVCWP1)处理展现出显著更高的DPPH清除活性（61.17±12.31%），高于浸渍真空冷却加水处理（immersion vacuum cooling with water, IVCW)（52.89±18.30%）（p<0.05）。采用MSC校正的平均反射光谱建立的PLSR模型表现出更优的预测性能和更高的决定系数（R²），优于基于原始光谱的模型。研究结果表明，HSI结合化学计量学是一种有效且实用的工具，可用于草莓抗氧化活性的非破坏性评估以及预冷策略的比较。

草莓（Fragaria × ananassa）富含天然抗氧化物质，包括维生素C（又称抗坏血酸，ascorbic acid）、花青素（主要为天竺葵素-3-葡萄糖苷，pelargonidin-3-glucoside）、黄酮类（flavonoids）、酚酸（phenolic acids）及鞣花单宁（ellagitannins）等化合物，这些物质在保护果实免受氧化损伤、延缓衰老进程以及维持采后营养与感官品质方面具有重要作用。然而，草莓属于极易腐烂的果实，质地柔软且果皮薄弱，在采后处理与流通过程中极易因机械损伤导致品质劣变，造成严重的经济损失与食物浪费。其中，维生素C是草莓中 predominant 的抗氧化成分，但因其对温度、氧气和光照高度敏感，在贮藏期间迅速降解；花青素虽赋予果实红色外观并贡献抗氧化潜能，但同样面临降解风险。冷却（cooling）作为维持农产品品质稳定性的关键技术，是冷链（cold chain）的初始核心环节，能够有效降低采后呼吸速率、抑制微生物增殖、降低酶活性并及时去除田间热。传统冷却方法如强制风冷（air blast cooling）和浸没冷却（immersion cooling）存在冷却速率低和潜在交叉污染等局限，增加了产品腐败风险。真空冷却（vacuum cooling, VC）基于低压环境下水分蒸发带走潜热的原理，具有冷却速度快、卫生条件好和节能等优势，尤其适用于多孔性农产品的采后预处理。浸渍真空冷却（immersion vacuum cooling, IVC）作为创新技术，通过将果实浸没于冷却介质中实现降压蒸发，冷却速率较传统方法显著提高，同时有效降低了常规真空冷却过程中的水分损失。尽管已有研究利用计算模型模拟草莓冷却过程或评估包装对冷却性能的影响，但利用高光谱成像探究不同真空冷却条件对草莓抗氧化特性影响的研究仍然匮乏。

当前研究面临的关键问题在于，常规光谱技术仅能提供检测位点的平均光谱信息，无法反映草莓表面因机械损伤、水分迁移和局部生化变化而产生的品质异质性分布。高光谱成像将光谱学与数字成像相结合，可同时获取被测对象的光谱信息与空间信息，形成三维数据立方体（three-dimensional data cube），从而实现像素级（pixel-wise）分析与品质属性空间分布可视化。化学计量学（chemometrics）是应用多元统计和数学方法从复杂光谱数据集中提取化学与物理信息的学科，涵盖光谱预处理、特征提取和多变量建模等技术手段。偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）通过寻找预测变量矩阵（predictor matrix，X）与响应变量矩阵（response matrix，Y）之间协方差最大的潜变量（latent variables），在降维的同时建立定量关系，尤其适用于处理高维共线性的光谱数据。尽管HSI已广泛用于果蔬品质评估，但将其与化学计量建模相结合以动态监测不同预冷处理下草莓品质演变的研究仍显不足，且缺乏非破坏性的空间分辨监测工具来深入理解冷却诱导的品质变异机制。

鉴于此，研究人员旨在利用高光谱成像技术检测不同预冷处理草莓在4 °C贮藏41天期间的抗氧化活性变化。该研究不仅评估了HSI的预测性能，还揭示了光谱特征与不同冷却策略相关抗氧化能力之间的生理联系，为智能采后品质监测与精准冷链管理提供科学依据。

在关键技术方法层面，研究人员以日本农业协同组合（Japan Agricultural Cooperative, JA）函馆的Suzukakane品种草莓为研究对象，共240个果实，分为五组预冷处理：浸渍真空冷却加水（IVCW）、浸渍真空冷却单次脉冲（IVCWP1，即压力达到4 °C时进行一次 atmosphere–vacuum–atmosphere 循环）、浸渍真空冷却5%盐水（IVCS）、真空冷却（VC）及无预冷对照组，预冷后在4 °C条件下贮藏长达41天。高光谱数据采集采用推扫式线扫描模式（push-broom line-scanning mode）的相机系统（NH-4-KIT），在350–1100 nm范围内获取151个连续波段，曝光时间11.09 ms，扫描速度为每秒90条线，光谱分辨率覆盖可见光到近红外区域。成像校准通过黑白参考板进行反射率校正，以消除光照不均匀和仪器噪声的影响。光谱提取时利用HSAnalyzer软件手动选择感兴趣区域（region of interest, ROI），排除背景和阴影像素后计算平均光谱，仅采用属于样本区域的像素计算每个样本的平均光谱。建模前采用归一化、标准正态变量变换（standard normal variate, SNV）、多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC）及导数处理等多种预处理方法，采用PLSR建立光谱数据与DPPH测定抗氧化活性之间的定量模型。数据集按2:1比例分为校正集和预测集。模型性能通过校正决定系数（R_c²）、预测决定系数（R_p²）、交互验证决定系数（R_cv²）及对应的均方根误差（root mean square error of calibration, RMSEC；root mean square error of prediction, RMSEP；root mean square error of cross-validation, RMSECV）进行综合评价。抗氧化活性采用DPPH（2,2-二苯基-1-苦基肼）自由基清除法在517 nm处测定吸光度并计算抑制率。组间差异采用Tukey法进行单因素方差分析。

研究结果显示，在不同预冷处理的光谱特征方面，草莓反射率从第1天至第28天总体呈下降趋势，研究人员认为这与贮藏期间色素积累、酶促褐变及果实表面结构变化有关；第35天后反射率出现上升，推测与严重衰老导致的细胞降解、组织软化和水分损失改变光学特性有关。真空冷却相关处理组的光谱变异较对照组更为显著，可能源于真空过程中水分损失和内部结构变化。680 nm及750–850 nm处的吸收特征与叶绿素吸收相关，而近红外区域的吸收主要源于C–H、N–H和O–H官能团的倍频与合频振动。

在PLSR模型性能方面，相较于原始光谱（R_p² = 0.324，RMSEP = 10.841%），经MSC预处理后的模型R_p²提高至0.331，RMSEP降至10.788%，且校正均方根误差与交互验证均方根误差之差较小。MSC通过补偿光谱中的加性和乘性效应，在降低物理性变异的同时保留了化学相关信息，从而提升了模型的稳健性。然而整体预测性能仍相对有限，研究人员分析这可能归因于DPPH测定反映的是多酚、黄酮、花青素和维生素C等多种组分的综合抗氧化效应，而非单一具有明确光谱特征的化学成分；且草莓中抗氧化成分浓度相对较低，其光谱特征易被水分和糖类等主导组分掩盖。此外，样本DPPH值变异范围较窄（47.82%–71.5%）也可能限制了光谱信息与抗氧化活性之间相关性的建立。HSI相较于传统紫外-可见-近红外光谱的优势在于，其为图像中每个像素点获取完整光谱信息，保留了空间分辨能力，未来可发展像素级品质映射。

在不同预冷处理与贮藏时间对抗氧化活性的影响方面，DPPH自由基清除活性从第1天的71.50%显著下降至第41天的47.82%，差异具有统计学意义。草莓富含酚类化合物，包括花青素、黄酮类和酚酸，这些物质对自由基清除能力贡献显著；但在贮藏过程中，氧化反应、酶降解和聚合作用逐渐降低酚类物质浓度。多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）和过氧化物酶（peroxidase, POD）活性随贮藏时间延长而增强，促使酚类物质氧化为醌类，导致可检测的抗氧化能力下降。就预冷处理效应而言，IVCW处理组DPPH值（52.89%）显著低于对照组（62.44%），研究人员认为持续的水-果接触在真空条件下促进了酚类抗氧化物的流失和氧化降解，质量传递和组织破坏加剧了内部抗氧化物质的减少。相反，IVCWP1处理组表现出显著更高的抗氧化活性（61.17%），脉冲操作通过引入 atmosphere–vacuum–atmosphere 循环，可能减少了持续接触带来的负面影响，缓解了酚类物质的溶出损失。VC处理组表现出较好的抗氧化活性保持效果。

在可视化表征方面，第41天时各处理组草莓的RGB图像和680 nm处反射率标度图像呈现出显著差异。IVCS处理组果实左侧出现明显暗化区域，对应反射率标度图像中的低反射率区域，表明盐胁迫引发的渗透和生理损伤最为严重。研究人员解释，5% NaCl溶液的高渗环境造成细胞水分快速外渗、细胞膨压丧失和膜完整性破坏，导致细胞内糖类、有机酸和酚类化合物外泄，不仅促进微生物滋生，还加剧了酚类底物与PPO、POD等氧化酶的接触，从而加速酶促褐变和氧化降解。

综合讨论可见，研究人员首次建立了不同预冷处理草莓的DPPH测定值与高光谱数据之间的PLSR定量关系，揭示了冷却策略、贮藏时间与抗氧化活性之间的关联机制。从工业应用视角分析，VC虽冷却迅速但表面水分损失较大，IVC可减少脱水但存在溶质转移风险，传统风冷避免了过度失水和溶质吸收但效率较低，各技术之间在冷却效率、水分保持和成分变化之间存在权衡。IVCWP1处理因脉冲循环优化了冷却介质与果实的相互作用，在保持抗氧化活性方面展现出优势；而盐水浸渍因渗透胁迫加速了品质劣变，提示在实际应用中需谨慎选择冷却介质。尽管当前建模采用平均光谱导致空间信息的平均化损失，但HSI固有的空间分辨率优势为未来像素级品质映射和局部劣变检测提供了技术基础，且HSI系统正逐步适配于工业分选和在线检测，具有实际采后品质控制的应用前景。

结论部分指出，该研究评估了高光谱成像结合化学计量学分析监测不同预冷处理草莓在4 °C冷藏期间抗氧化活性的能力。结果表明，抗氧化活性对不同的预冷方法具有显著差异性响应，预冷策略的选择显著影响贮藏期间抗氧化相关品质属性的保持。特别是，真空冷却处理的草莓表现出比其他预冷方法更好的抗氧化活性保持效果，表明其作为有效采后技术维持果实品质的潜力。此外，研究人员基于高光谱数据开发了多元校正模型，尽管该技术显示出应用前景，但未能提供对抗氧化活性的稳健预测。未来仍需结合微生物、质地、感官和理化分析，全面评估不同预冷处理的整体效应。