在葡萄栽培與釀酒工業(yè)中，可溶性固形物總含量（Total Soluble Solids, TSS）是衡量果實(shí)成熟度和品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。不同品種的葡萄因其遺傳特性和生長(zhǎng)環(huán)境的差異，其TSS含量存在顯著變化。準(zhǔn)確估算各品種葡萄的TSS含量，對(duì)于預(yù)測(cè)酒的品質(zhì)、調(diào)整釀造工藝以及確定最佳采收時(shí)機(jī)均具有重要意義。
那么，如何能夠準(zhǔn)確估算葡萄的TSS含量呢？跟隨小編，一起來(lái)看看下面這篇論文給出了怎樣的答案。
摘要 ·?ABSTRACT
可溶性固形物總含量（TSS）是決定葡萄最佳成熟度的關(guān)鍵變量之一。在這項(xiàng)工作中，基于漫反射光譜測(cè)量，開(kāi)發(fā)了偏最小二乘（PLS）回歸模型，用于估算Godello、Verdejo（白葡萄）、Mencía 和Tempranillo（紅葡萄）等葡萄品種的TSS含量。為了確定TSS預(yù)測(cè)的最適合光譜范圍，對(duì)四個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了回歸模型的校準(zhǔn)，其中包括以下光譜范圍：400–700 nm（可見(jiàn)光）、701–1000 nm（近紅外）、1001–2500 nm（短波紅外）和400–2500 nm（全光譜范圍）。我們還測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換技術(shù)。使用留一交叉驗(yàn)證評(píng)估了回歸模型，評(píng)估指標(biāo)包括均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）、性能與偏差比（RPD）和因子數(shù)（F）。紅葡萄品種的回歸模型通常比白葡萄品種的模型更準(zhǔn)確。最佳的回歸模型是針對(duì)Mencía（紅葡萄）得到的：R2 = 0.72，RMSE = 0.55 °Brix，RPD = 1.87，因子數(shù) n = 7。對(duì)于白葡萄，Godello取得了最佳結(jié)果：R2 = 0.75，RMSE = 0.98 °Brix，RPD = 1.97，因子數(shù) n = 7。所使用的方法和得到的結(jié)果表明，可以使用漫反射光譜和將反射值用作預(yù)測(cè)變量的回歸模型來(lái)估算葡萄中的TSS含量。
結(jié)果 ·?RESULT
葡萄的反射率是使用ASD FieldSpec 4 地物光譜儀進(jìn)行測(cè)量，該儀器可檢測(cè)350–2500 nm光譜范圍內(nèi)的反射率。葡萄樣品（每個(gè)葡萄品種60個(gè)樣品，每個(gè)樣品有100顆漿果）散布在黑色容器芯中（17 × 17 cm）。從4個(gè)不同的數(shù)據(jù)中獲取了100顆漿果的反射數(shù)據(jù)（在每次測(cè)量之前將樣品順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°）。然后對(duì)反射數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到4次數(shù)據(jù)的平均值。
圖1. 利用ASD地物光譜儀獲取光譜數(shù)據(jù)的流程
圖2展示了四種葡萄品種的平均反射值范圍以及原始數(shù)據(jù)（圖2a）和SNV轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（圖2b）的TSS反射值。在圖2a中，紅葡萄品種（Mencía和Tempranillo）具有非常相似的光譜特征。雖然在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反射值相似，但從波長(zhǎng)675 nm處可以看出一些差異，最大和最小反射值分別約為895 nm和1080 nm，以及675 nm和960 nm。白葡萄（Godello和Verdejo）的光譜特征與紅葡萄不同，但彼此非常相似。Godello和Verdejo在可見(jiàn)光-近紅外范圍的570 nm、830 nm和890 nm處具有最高的反射值。在這個(gè)范圍內(nèi)，反射值呈現(xiàn)輕微差異，盡管它們具有相同的光譜特征。從波長(zhǎng)1160 nm開(kāi)始，四種葡萄品種的反射值是相同的。
圖2 四種葡萄品種（Mencía、Godello、Tempranillo和Verdejo）采樣漿果的平均光譜范圍圖3 Godello、Mencía、Tempranillo和Verdejo葡萄品種在使用原始數(shù)據(jù)（實(shí)線）和SNV轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（虛線）進(jìn)行PLS回歸時(shí)加權(quán)回歸系數(shù)在全光譜范圍內(nèi)的分布。對(duì)四個(gè)品種的釀酒特性進(jìn)行了交叉驗(yàn)證。黑線表示零相關(guān)性，并為了清晰呈現(xiàn)而偏移了3.0單位圖4 利用原始光譜反射數(shù)據(jù)進(jìn)行每個(gè)波長(zhǎng)的簡(jiǎn)單線性相關(guān)性葡萄糖度（TSS）相關(guān)圖。圖5 利用原始（a–d）和SNV轉(zhuǎn)換（e–h）反射數(shù)據(jù)進(jìn)行的偏最小二乘回歸（PLS）的均方根誤差（RMSE）值。所有圖應(yīng)用相同的顏色刻度（請(qǐng)參閱右側(cè)圖例）。
結(jié)論 ·?CONCLUSION
采用漫反射光譜測(cè)量方法，利用偏最小二乘（PLS）回歸模型估計(jì)了四種葡萄品種（Godello、Verdejo、Mencía和Tempranillo）的總可溶性固形物（TSS）含量。基于所獲得的結(jié)果，紅葡萄品種的TSS含量估算最佳，特別是Mencía。
用于TSS預(yù)測(cè)的最適宜光譜范圍是近紅外（NIR）范圍（701–1000 nm）。在此光譜范圍內(nèi)獲得了最高的R2和RPD值，以及最低的RMSE和F值。在所有光譜范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行SNV轉(zhuǎn)換進(jìn)一步改善了模型的評(píng)估指標(biāo)結(jié)果。
用于估算TSS的最佳變量（圖5）分別位于860 nm處，波長(zhǎng)201 nm的Godello；883 nm處，波長(zhǎng)232 nm的Mencía；916 nm處，波長(zhǎng)230 nm的Tempranillo；以及1055 nm處，波長(zhǎng)230 nm的Verdejo。這些最佳點(diǎn)呈現(xiàn)出最低的RMSE值。
研究表明，通過(guò)光譜測(cè)量的反射值，可以迅速、非侵入性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，從而估算TSS含量。
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ASD | 利用新鮮葡萄漿果的反射光譜測(cè)量估算葡萄漿果中的可溶性固形物總含量