想象一下在草莓的旺季，你到食品超市去挑選草莓。 面對(duì)無(wú)數(shù)打的草莓紙箱，你要怎樣找到最好的一箱呢？
潛意識(shí)下，你可能先從賣(mài)相對(duì)草莓進(jìn)行挑選，熟的草莓也許可能會(huì)更甜，當(dāng)然一些深紅色的看上去濕軟軟的草莓所含維生素C也許沒(méi)有正常草莓的含量高。但是這些猜測(cè)準(zhǔn)確么？
現(xiàn)在我們可以使用光譜技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。在我們運(yùn)用可見(jiàn)和近紅外化學(xué)計(jì)量學(xué)分析之前我們首先利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室儀器對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量從而確定哪一些特征我們可以用光譜的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。我們把從商品超市的和佛羅里達(dá)當(dāng)?shù)剞r(nóng)場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的漿果類(lèi)進(jìn)行了一系列的相關(guān)質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)參數(shù)分析，包括糖分，酸度，維生素C和硬度的測(cè)量。
光譜技術(shù)和水果
水果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很大程度取決于生長(zhǎng)的環(huán)境條件，儲(chǔ)存的時(shí)間，采摘時(shí)間點(diǎn)和消費(fèi)者享用時(shí)間點(diǎn)水果的成熟度。無(wú)論水果來(lái)自那里，什么時(shí)間采摘，光譜技術(shù)都能夠?qū)λ臓I(yíng)養(yǎng)成分和質(zhì)量提供一個(gè)大概的分析?？梢?jiàn)光波段反映水果的顏色，并從顏色信息里獲得其他物質(zhì)的信息，比如：葉綠素（綠色），類(lèi)胡蘿卜素（橙色），黃酮醇（黃色）以及花青素（紅色）。這些物質(zhì)的比例能反映出水果的成熟度和存儲(chǔ)時(shí)間。近紅外波段能靈敏地反映出水分含量（和硬度有關(guān)）和糖分這些參數(shù)。
糖度是對(duì)水果的成熟度和風(fēng)味的重要指標(biāo)。用偏光儀對(duì)果糖、蔗糖和葡萄糖的綜合進(jìn)行測(cè)量，以濃縮果汁中“可溶解固體成分”（SSC）的總和記錄，并以糖度Brix（°Bx）表示。排在糖度或者SSC計(jì)算總和后，酸度是用來(lái)定義草莓口感和香味的第二重要因素。糖度和酸度單個(gè)參數(shù)并不能定義草莓的特質(zhì)，只有這倆者的比例才能夠用來(lái)評(píng)測(cè)一個(gè)草莓的口感和香味。
硬度作為另外一個(gè)用來(lái)評(píng)估水果成熟度和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，它反映了草莓的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)受很多因素的影響，例如品種，成熟季節(jié)，氣候和生長(zhǎng)環(huán)境及其他因素。糟糕的口感會(huì)影響消費(fèi)者對(duì)草莓的重復(fù)購(gòu)買(mǎi)，比如運(yùn)輸和加工的過(guò)程中不恰當(dāng)?shù)膬?chǔ)存方式（高于草莓保存的建議溫度）會(huì)導(dǎo)致草莓的軟化。
盡管所有的這些參數(shù)能在實(shí)驗(yàn)室里找到適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行測(cè)量，但是測(cè)量的過(guò)程是非常耗時(shí)，并且成本非常高，并且對(duì)漿果類(lèi)水果也會(huì)有損壞。而其實(shí)很多消費(fèi)者會(huì)愿意付更多的錢(qián)來(lái)購(gòu)買(mǎi)保證成熟、健康和美味的水果。光譜技術(shù)作為了一種非侵入式，不受場(chǎng)地限制的方法對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈做出有效的判斷從而使消費(fèi)者受益。
實(shí)驗(yàn)方法
我們從當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)和本地佛羅里達(dá)州農(nóng)場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)不同成熟度的草莓，并對(duì)其進(jìn)行研究。本地農(nóng)場(chǎng)提供的草莓更多的是從不成熟的到成熟的樣品，而從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的草莓都是成熟的樣品。
同時(shí)使用 Flame-S-VIS-NIR（350-1000 nm）與 Flame-NIR（950-1650 nm）對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，使用HL-2000系列鎢鹵燈作為光源和自定義探頭。光經(jīng)過(guò)探頭光纖到達(dá)樣品，漫射光再經(jīng)過(guò)探頭到達(dá)光譜儀。
如上圖中所示，我們對(duì)每個(gè)草莓進(jìn)行11 個(gè)不同部位收集光譜數(shù)據(jù)。在測(cè)量每個(gè)新的草莓之前，都需要重新進(jìn)行暗光譜扣除。
收集了光譜數(shù)據(jù)后，每個(gè)草莓分析稱(chēng)重，然后使用各種實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)試。HI902C 自動(dòng)滴定系統(tǒng)由漢娜儀器提供維生素 C（抗壞血酸）和總酸（檸檬酸）含量，而糖（糖度/SSC）測(cè)定用同一家公司的 HI96801 數(shù)字折射儀。而硬度，比如需要多少的力度或者能量能將草莓破壞，我們使用的是TMS-Pro物質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果
首先使用實(shí)驗(yàn)室儀器獲取數(shù)據(jù)。維生素 C 值的總值與典型報(bào)告值的每 100 克的漿果含50-60 毫克維生素 C含量相當(dāng)，但我們發(fā)現(xiàn)從本地農(nóng)場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的草莓維生素 C 含量要明顯高于市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)來(lái)的。
糖度（Brix）值也都在預(yù)期的范圍︰ 5 個(gè)未熟，8個(gè)半熟和 10 個(gè)熟透。不同農(nóng)場(chǎng)的草莓糖度和穿透力（硬度）上非常類(lèi)似，而不同超市來(lái)源的差異卻非常明顯，同等條件下農(nóng)場(chǎng)草莓的糖度和硬度要明顯高于超市的產(chǎn)品，酸度也是如此，其中很大的可能因素是因?yàn)槲覀冞x取了更多的未成熟農(nóng)場(chǎng)果實(shí)。農(nóng)場(chǎng)的樣本中更多未成熟樣品，或許可以解釋為什么農(nóng)場(chǎng)草莓中維生素 C、 糖類(lèi)和硬度都具有較高的值。
接下來(lái)我們看看是否可以通過(guò)數(shù)學(xué)分析這些參數(shù)之間的關(guān)系找到他們的相關(guān)性。甜的草莓就會(huì)軟些嗎？ 它們是更酸還是更甜？ 維生素 C 含量隨著甜度越高而含量越高嗎？我們發(fā)現(xiàn)草莓總酸度與硬度很相關(guān)︰ 硬度大的草莓 （不成熟）更酸，而成熟的草莓酸度和硬度都相對(duì)比較低。
維生素 C 還與酸度有關(guān)，這表明在成熟過(guò)程中酸度不斷減少，維生素也隨之降低。糖度和硬度或酸度沒(méi)有明顯相關(guān)性，但是，糖度和維生素 C之間卻存在很細(xì)微的相關(guān)性。成熟的草莓看起來(lái)似乎不比未成熟的草莓糖度值高，因此糖度不能作為成熟度的指標(biāo)。
光譜的結(jié)果
化學(xué)計(jì)量學(xué)利用可見(jiàn)光和近紅外漫反射光譜提供快速、無(wú)損的檢測(cè)，可以替代有破壞性實(shí)驗(yàn)對(duì)水果進(jìn)行分析。我們采用主成分分析 （PCA）— 數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中標(biāo)識(shí)譜（主成分），可以分析不同的草莓譜之間的差異。數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，主成分包含在了定義的所有波長(zhǎng)多維空間的范圍內(nèi)。而草莓表面反射光譜研究可以結(jié)合主成分和對(duì)應(yīng)的光譜進(jìn)行分析，比如類(lèi)胡蘿卜素（橙色），和花色苷（紅色）和葉綠素 a和b（600-700 毫微米）的光譜組合。主成分使我們能夠獲得多維數(shù)據(jù)集和重要維度，然后從無(wú)意義的噪音中分離出有意義的信息。
我們致力開(kāi)發(fā)出的糖度模型卻出現(xiàn)預(yù)測(cè)力不足（不夠準(zhǔn)確）的結(jié)果，這可能是由于果汁自然的粘稠度和變異性影響了測(cè)量。草莓本身的成熟不均勻可能也會(huì)產(chǎn)生影響，水果的成熟一般開(kāi)始于中間（類(lèi)似于地球的赤道），然后向周?chē)?。水果糖度值和成熟度之間相關(guān)性的缺乏，導(dǎo)致糖度值并不能真正地反映并判定草莓的成熟度。相同地，維生素C的光譜模型一開(kāi)始并不成功，可能是由于含量比重較小的原因。
然而，對(duì)于酸度分析而言，化學(xué)計(jì)量學(xué)卻是可行的，指示光譜能很好地與酸度參數(shù)、模型匹配。眾所周知，酸度隨著草莓的成熟而降低，這可以作為草莓成熟的光譜指標(biāo)。
硬度也表明可以用光譜預(yù)測(cè)，實(shí)測(cè)值與模型關(guān)聯(lián)值吻合。日常中我們知道，當(dāng)草莓成熟時(shí)果肉會(huì)軟化。事實(shí)上，草莓在嘴里的咀嚼感才是吃的重要部分，太硬或太軟的口感都不被消費(fèi)者接受，即使他們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相當(dāng)。
結(jié)論
所以我們的研究真的能幫助我們選擇更好的草莓嗎？盡管深紅色草莓可能看起來(lái)更”時(shí)機(jī)成熟”，暗示有更好的營(yíng)養(yǎng)和口感？答案很明確：不一定。硬度高的漿果含有更高的維生素 C，好消息是，光譜技術(shù)看起來(lái)更像能預(yù)測(cè)水果的硬度和酸度的有前景的技術(shù)。
光譜技術(shù)在食品中的不斷運(yùn)用，更多的即時(shí)地提供了產(chǎn)品質(zhì)量和健康的、準(zhǔn)確的信息，從而使種植者和賣(mài)家快速地獲得產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并有效地增加他們的收入。