專利名稱：糧食谷物中天氣損害的評(píng)價(jià)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及糧食谷物中天氣損害的評(píng)價(jià)，并延及這種評(píng)價(jià)的方法
和裝置。本發(fā)明應(yīng)用的一個(gè)重要范圍是可能在未收割作物(standing crop)上被雨、露或霜損害的糧食谷物。為了進(jìn)行分級(jí)和對(duì)供應(yīng)商確定 合理的付款，接收地需要迅速地對(duì)接收的谷物受天氣損害的水平以容 許準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)。也需要避免將天氣損害水平不同的谷物混合在一 起，因?yàn)椴煌氖袌?chǎng)可能需要不同的水平，以保證對(duì)供應(yīng)商公平和準(zhǔn) 確地付款。
背景技術(shù)：
在接收地對(duì)谷物質(zhì)量提供迅速、準(zhǔn)確和客觀的評(píng)價(jià)長(zhǎng)期以來(lái)是工 業(yè)中的挑戰(zhàn)，因此每次交貨都要進(jìn)行定價(jià)。例如，小麥的天氣損害會(huì) 引起收獲前發(fā)芽，從而降低谷物質(zhì)量。其被認(rèn)為是由于大量(x-淀粉酶 的釋放引起的。在小麥制粉后，面粉可被制成生面團(tuán)，在烘烤過(guò)程中 有a-淀粉酶的存在會(huì)引起面粉中的淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷悺０谏鎴F(tuán)內(nèi) 的酵母，依次會(huì)將糖類轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸际股鎴F(tuán)膨脹。但是，如果a-淀粉酶太多，則結(jié)果是中間產(chǎn)物積聚，主要是糊精，這些中間產(chǎn)物會(huì) 引起面團(tuán)變粘。因此，焙烤食品工業(yè)需要避免或盡量降低收獲前受到 天氣損害的小麥的比例。因此天氣損害程度超出一定限度的小麥對(duì)于 食品生產(chǎn)者是不能接受的，可能需要降級(jí)為動(dòng)物食品，生產(chǎn)者要接受 較低的付款。
在國(guó)際貿(mào)易中公認(rèn)使用的用于天氣損害谷物的試驗(yàn)僅有由 Hagberg和Perten設(shè)計(jì)并于1964年由Perten Instruments實(shí)施的稱為沉 降值試驗(yàn)(Falling Number test)的試驗(yàn)。谷物樣品如小麥在被攪拌的 熱水中轉(zhuǎn)變?yōu)榇址蹜腋∫?。根?jù)溫度，在淀粉膠化和其被a-淀粉酶裂 解之間有競(jìng)爭(zhēng)作用，膠狀淀粉崩解程度作為ot-淀粉酶存在量的指示性 量度。cx-淀粉酶量越大，液化的速度越快。簡(jiǎn)言之，該試驗(yàn)包括測(cè)量標(biāo)
準(zhǔn)攪拌器通過(guò)懸浮液柱下沉的時(shí)間。對(duì)于完好小麥，市售系統(tǒng)標(biāo)定的 操作時(shí)間從最小可能時(shí)間62秒(將適用于嚴(yán)重?fù)p害的小麥)至更為典
型的超過(guò)300秒的較長(zhǎng)時(shí)間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同的裝置和同一操作者 在同一天內(nèi)，測(cè)量值的準(zhǔn)確度在典型試驗(yàn)值300秒左右加或減30秒。 但是，在裝置之間結(jié)果會(huì)發(fā)生變化，已發(fā)現(xiàn)變化較大。這些數(shù)據(jù)是在 實(shí)驗(yàn)室條件下獲得的，但在實(shí)踐中在谷物接收條件下需要相對(duì)不太熟 練的操作者來(lái)操作，據(jù)知在這些情況下的準(zhǔn)確度是非常差的。因此， 該系統(tǒng)具有嚴(yán)重的限制，相對(duì)很慢，并且對(duì)于所有僅在天氣損害最小 可接受程度之上的邊際處的谷物是非?？赡艽嬖跔?zhēng)議的。對(duì)于沉降值 試驗(yàn)原理的詳細(xì)描述見(jiàn)Chang等人，1999， 乂 5W. Food」gn'c.， 79 (1999)， 19-24。
因此，沉降值試驗(yàn)當(dāng)作為單一估計(jì)量實(shí)行時(shí)是樣品真實(shí)沉降值的 一種很差的預(yù)測(cè)方法，因此對(duì)谷物可能受天氣損害的程度的預(yù)測(cè)也很 差。通過(guò)進(jìn)行大量的試驗(yàn)并計(jì)算估計(jì)量的截尾平均值(trimmed mean) 能增加準(zhǔn)確度，但這種方法在有時(shí)間約束和接收檢測(cè)的條件下并不實(shí) 用。沉降值技術(shù)的細(xì)節(jié)已由S Hagberg于1960年在Orco/ C/jem., 37 (1960), 218-222，和H Perten于1964年在C畫/ C/ e/". 41 (1964), 27-140中發(fā)表。
因此， 一直以來(lái)需要一種更可靠、更快速和更合理的測(cè)量技術(shù)在 接收地對(duì)谷物進(jìn)行測(cè)定。
對(duì)谷物評(píng)價(jià)以幫助確定其質(zhì)量已成為了其他一些方法的目標(biāo)。一 個(gè)實(shí)例是美國(guó)專利第5005774號(hào)(Martin等人)，其描述了實(shí)驗(yàn)室用自 動(dòng)谷物表征系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于對(duì)小麥進(jìn)行分級(jí)和分類。該系統(tǒng)通過(guò)將 谷物加料至壓碎設(shè)備中弓I導(dǎo)至單粒表征(single kernel characterization) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有測(cè)量谷粒大小的裝置和測(cè)量谷粒電導(dǎo)率的電路。數(shù) 據(jù)采集和分析子系統(tǒng)對(duì)壓碎力、大小和電導(dǎo)率與谷物硬度進(jìn)行相關(guān)。 通過(guò)與參照樣品比較，可確定谷物的特征。
還有一個(gè)美國(guó)專利第5082141號(hào)(也是Martin等人)公開(kāi)了一種 將種子抽離(singulate)、定向和輸送至所需目的地的加料裝置。該裝 置具有輸送單一谷物的系統(tǒng)，因此可用于向第5005774號(hào)的特定裝置 提供單一谷物。 科學(xué)文獻(xiàn)包括報(bào)道關(guān)于對(duì)不同類型小麥進(jìn)行壓碎-響應(yīng)研究的文
章。~"篇文章S/"g/e A^7'"e/ C7z"rac/e">"http://o"尸廠/""》/ey J/7/ //(;"http://o/w (Osborne禾卩Anderssen: -Cewa/C7^w/W^ 80(5):613-612)提供了小麥 種子壓碎響應(yīng)曲線的分析和建模，并推薦了種子比較的實(shí)驗(yàn)室方法， 例如以幫助遺傳程序開(kāi)發(fā)。
還有一篇文章公開(kāi)了對(duì)小麥的研究結(jié)果，題目為77^ 7foW^M 抓e"/丄/"ey Osborne等人，Aust. J. Agric. Res., 2001，
52, 1275-1286。
盡管有上面公開(kāi)的內(nèi)容，仍然特別需要有效的系統(tǒng)以在接收地對(duì) 天氣損害的糧食谷物進(jìn)行快速地評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的目的是在實(shí)用的和快速的試驗(yàn)系統(tǒng)中確定谷物樣 品的各種特性，并對(duì)與測(cè)量相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提供指示谷物樣 品天氣損害程度的有用指標(biāo)。第一個(gè)試驗(yàn)是基于對(duì)近紅外(NIR)光譜 的分析。該試驗(yàn)可用作第二個(gè)試驗(yàn)的替代試驗(yàn)，或附加試驗(yàn)，第二個(gè) 試驗(yàn)是由對(duì)樣品的壓縮試驗(yàn)的響應(yīng)所表征的物理測(cè)量。
尤其對(duì)于天氣損害程度不明顯或無(wú)損害程度的谷物，使用上面所 概述的一個(gè)或另一個(gè)試驗(yàn)就足夠了，因?yàn)閿?shù)據(jù)會(huì)明顯地將樣品確定在 最小標(biāo)準(zhǔn)之上相當(dāng)高的位置。當(dāng)來(lái)自單個(gè)樣品的數(shù)據(jù)不能做出判定時(shí)， 有可能通過(guò)進(jìn)行大量的樣品檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果取截尾平均數(shù)來(lái)做出判 定，以滿足商業(yè)上容許的確定程度。但是，這樣采樣的時(shí)間和花費(fèi)以 及在運(yùn)輸和運(yùn)送谷物上的延遲將是無(wú)法被接受的。在這種情況下，使 用兩個(gè)試驗(yàn)的另一個(gè)對(duì)樣品進(jìn)行單次試驗(yàn)，將結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合， 能夠迅速地和確定性地解決這種不確定性。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明包含了一種根據(jù)天氣損害對(duì)糧食谷物
進(jìn)行分級(jí)的方法，該方法包括
(i)從下面的組中選擇第一種評(píng)價(jià)方法，包括
(a) 將谷物樣品進(jìn)行NIR分析并對(duì)來(lái)自樣品的光譜分析與谷物 的潛在天氣損害相關(guān)的表征度，并提供其指示性的輸出信號(hào)；以及
(b) 將谷物樣品在施加的力下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)對(duì)壓縮所施
加的力以提供與壓縮響應(yīng)相關(guān)的和指示樣品受天氣損害的程度的輸出
信號(hào)；
(ii)對(duì)來(lái)自所選擇的試驗(yàn)的指示性輸出進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果并且僅如果 該輸出判定在已具體確定的級(jí)別范圍內(nèi)則將糧食谷物進(jìn)行分級(jí)，但如 果指示性輸出不能判定，則進(jìn)行到試驗(yàn)的其他輸出以獲得進(jìn)一步的指 示性輸出，以及隨后
(m)對(duì)與兩個(gè)試驗(yàn)的至少一個(gè)試驗(yàn)的指示性輸出相對(duì)應(yīng)的輸出信
號(hào)進(jìn)行處理以確定谷物的級(jí)別。
實(shí)際上，已能夠在接收地使用對(duì)谷物樣品進(jìn)行的NIR檢査來(lái)評(píng)價(jià) 谷物的其他因素，如含水量和蛋白含量。因此，如在本文中所建議的 那樣選擇使用NIR試驗(yàn)用于天氣損害能夠很方便地整合到采樣過(guò)程 中，并能非?？焖俚禺a(chǎn)生結(jié)果，如果谷物很顯然極大地超過(guò)了天氣損 害的標(biāo)準(zhǔn)值或其實(shí)大大低于標(biāo)準(zhǔn)值，則結(jié)果是可判定的。如果這個(gè)試 驗(yàn)不足以做出結(jié)論，則壓縮試驗(yàn)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)能提供快速、合 理和確定的結(jié)果。
本發(fā)明的實(shí)施方案采用了已知的生物化學(xué)通路，在糧食谷物中該 通路是由天氣損害的發(fā)生所啟動(dòng)的。該通路發(fā)生的結(jié)果是，天氣損害 改變了糊粉的彈性特性和小麥胚乳層的粘彈性響應(yīng)。這些實(shí)施方案可 采用將在下面詳述的壓縮試驗(yàn)，尤其是以選擇的方式對(duì)糊粉層或外殼 的彈性進(jìn)行流變學(xué)評(píng)價(jià)(即，流動(dòng)特性)。天氣損害也引起谷物發(fā)生化 學(xué)變化，這些實(shí)施方案采用了 NIR技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)變化。尤其是將兩 組數(shù)據(jù)合并可以為天氣損害提供非常有用的指標(biāo)。具體實(shí)施方案的目 的是在天氣損害的和完好的谷物之間提供清楚和明確的區(qū)分。
科學(xué)文獻(xiàn)已公認(rèn)對(duì)于由下雨引起發(fā)芽損害的樣品，NIR數(shù)據(jù)與沉 降值數(shù)據(jù)是部分相關(guān)的。報(bào)告此觀察資料的文章是Shashikumar等人 (1993) CewG/FooA『orW38, 364-366。 <旦該文章并不認(rèn)為單獨(dú)使用 NIR是一種有用的技術(shù)，因?yàn)榧词故褂么罅繌?fù)制品的截尾平均數(shù)，與 標(biāo)準(zhǔn)沉降值試驗(yàn)相比準(zhǔn)確度也很差，標(biāo)準(zhǔn)沉降值試驗(yàn)本身并不被認(rèn)為 是用于接收地的適合的和可應(yīng)用的有效方法。
更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提出了使用NIR光譜分析的實(shí)施方案，其中 分析是由樣品光譜的兩個(gè)最合適主成分來(lái)做出的，其計(jì)算描述在
Chapter 5,她/fhw.她Ca//Z>ra"'ow cmc C/aswy c加.0;7， Naes T， Isaksson T, Feam T and Davies T, NIR Publications, Chichester, UK，以及與儲(chǔ)存的數(shù) 值進(jìn)行比較來(lái)得出指示天氣引起谷物損害的程度的輸出信號(hào)。主成分 的計(jì)算如Chapter 5, Mw/"v"r/"/e Ca//6rato" aw<i C7aw訴c加'o"， Naes T, Isaksson T， Feam T and Davies T, NIR Publications, Chichester, UK中所 述。
應(yīng)該解釋的是該試驗(yàn)并不是要將讀數(shù)與已知的沉降值試驗(yàn)相關(guān) 聯(lián)，而是提出了一種代替方案，其觀察樣品中分子變化的效應(yīng)，而不 是間接評(píng)價(jià)與物理/化學(xué)反應(yīng)有聯(lián)系的一些參數(shù)。因此認(rèn)為本發(fā)明為其 本身提供了更為有效的具體數(shù)據(jù)，盡管認(rèn)識(shí)到這樣將有很大程度的試 驗(yàn)誤差，除非多個(gè)樣品的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均，尤其是在接近允許極限 的情況下。
本發(fā)明從幾個(gè)方面進(jìn)行了說(shuō)明，包括試驗(yàn)方法學(xué)、實(shí)施該方法的 設(shè)備和使用算法來(lái)處理NIR數(shù)據(jù)和/或壓縮響應(yīng)數(shù)據(jù)以得出指示谷物特 征的輸出信號(hào)的軟件包。而且，本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供了用于實(shí) 施這種分析的互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)或其他數(shù)據(jù)處理服務(wù)。
如下面所詳述的，本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明方面是一種新的設(shè)備，該 設(shè)備產(chǎn)生和選擇壓縮響應(yīng)曲線的重要特征作為天氣損害指示的有效數(shù) 據(jù)。盡管已發(fā)表的文獻(xiàn)(如上面提到的Osborne和Anderssen的文章) 報(bào)道了對(duì)施加于單一谷物上的壓碎力的響應(yīng)，但以前沒(méi)有被提到過(guò)的 內(nèi)容現(xiàn)在作為發(fā)明的進(jìn)步被公開(kāi)，即低于外殼屈服點(diǎn)的壓縮的大宗樣 品分析是天氣損害評(píng)價(jià)的相關(guān)數(shù)據(jù)。現(xiàn)在公開(kāi)的是，相對(duì)于合適的標(biāo) 準(zhǔn)，谷物的結(jié)構(gòu)越軟，天氣損害的程度越大，因?yàn)槿缟纤鲎兓c谷 物結(jié)構(gòu)是直接相關(guān)的。
現(xiàn)在做出的最有意義的建議是通過(guò)將來(lái)自NIR光譜分析和壓縮響 應(yīng)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，就能達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。這樣可提供準(zhǔn)確度 和敏感度，尤其是臨界于天氣損害允許程度的谷物。特別地，使用優(yōu) 選實(shí)施方案，這是因?yàn)閬?lái)自試驗(yàn)之一的不確定性程度應(yīng)用在總體上不 確定性程度不同的另一個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果上，因此結(jié)合的分析很可能具有 較高的精確程度。因此，這種組合技術(shù)對(duì)生產(chǎn)者和谷物的購(gòu)買者來(lái)說(shuō) 是合理的，該系統(tǒng)能在實(shí)踐中實(shí)施，即可在谷物接收地經(jīng)濟(jì)地和迅速
地進(jìn)行操作。因此，與沉降值系統(tǒng)相比較，關(guān)于測(cè)量的準(zhǔn)確度和谷物 分級(jí)的爭(zhēng)論應(yīng)該會(huì)大大降低。
在方法方面， 一個(gè)特定的實(shí)施方案包括分析谷物樣品的NIR光譜， 提供表明谷物損害的指示光譜元素的數(shù)據(jù)，在谷物樣品上進(jìn)行壓縮試 驗(yàn)，并確定其對(duì)壓縮的彈性響應(yīng)，并提供指示與天氣損害相關(guān)的物理 特征的數(shù)據(jù)，并最后將兩組數(shù)據(jù)互相關(guān)來(lái)提供指示谷物質(zhì)量的輸出信 號(hào)。
更具體來(lái)說(shuō)，這種方法學(xué)適合在將NIR光譜的兩種最合適主成分
結(jié)合，并通過(guò)確定低于谷物外殼的壓碎點(diǎn)或屈服點(diǎn)的壓縮響應(yīng)來(lái)進(jìn)行 壓縮試驗(yàn)時(shí)使用。
更具體來(lái)說(shuō)，各個(gè)實(shí)施方案能進(jìn)行小批樣品的評(píng)價(jià)，例如100克 的數(shù)量級(jí)，其有助于在谷物接收設(shè)備處進(jìn)行物理處理并避免了使用復(fù) 雜機(jī)械，如上面所述的用于單粒處理和分析的現(xiàn)有技術(shù)機(jī)械。
總之，在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)，谷物就能被采樣和分析以確定其是否 滿足天氣損害的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，常規(guī)上己經(jīng)有不同的通過(guò)/不通過(guò) 試驗(yàn)，但本發(fā)明的實(shí)施方案表明可使其本身成為一種新的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)， 其中不同級(jí)別的谷物可以用容許的確定程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，對(duì)于人 類食品的制造商，對(duì)于一些如面條的產(chǎn)品需要特別高標(biāo)準(zhǔn)的谷物，但 對(duì)于其他產(chǎn)品可接受較低的標(biāo)準(zhǔn)，g卩，較高程度的天氣損害可以是可 接受的。
一種實(shí)施方案可被規(guī)定為糧食谷物的評(píng)價(jià)方法，該方法包括
(i) 下面的步驟可以任何順序或同時(shí)進(jìn)行；
(a) 將谷物樣品進(jìn)行NIR分析并對(duì)來(lái)自樣品的光譜分析與谷物 的潛在天氣損害相關(guān)的表征度，并提供其指示性輸出信號(hào)；
(b) 將谷物樣品進(jìn)行壓縮并監(jiān)測(cè)對(duì)壓縮的反作用力以提供與壓 縮響應(yīng)相關(guān)并指示樣品受天氣損害的程度的輸出信號(hào)；以 及
(ii) 處理來(lái)自歩驟(a)和(b)的輸出信號(hào)來(lái)提供指示谷物樣品是否受 天氣損害的結(jié)合的輸出信號(hào)。
本發(fā)明也提供了用于提供上述方法學(xué)的裝置。
本發(fā)明進(jìn)一步表現(xiàn)在用于數(shù)據(jù)處理的信號(hào)處理方法學(xué)或設(shè)備或計(jì)
算機(jī)軟件包，該數(shù)據(jù)處理用來(lái)接收根據(jù)上述步驟(a)或(b)獲得的信號(hào)并
執(zhí)行上述步驟(ii)中所述的處理。
本發(fā)明也提供了數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其包括互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)，并具體適于 執(zhí)行上面步驟(ii)的處理。
在一個(gè)形式更特定的實(shí)施方案中具有可能為100克數(shù)量級(jí)的小批 谷物樣品用于NIR光譜評(píng)價(jià)和壓縮試驗(yàn)。NIR光譜導(dǎo)出可以適合作為 第一個(gè)步驟，并可與其他的NIR分析如蛋白含量和含水量分析同時(shí)進(jìn) 行。如果天氣損害有可能需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)，則可進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，然后 將結(jié)果進(jìn)行結(jié)合。
一種有效的方法是使用NIR反射系數(shù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可從谷物接收 地使用的試驗(yàn)室獲得，因此可以是整體自備的。因此就兩個(gè)最合適的 主成分而言，可使用微處理器來(lái)分析光譜，在本實(shí)施例中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通 過(guò)將第一主成分對(duì)第二主成分繪圖，能獲得明顯有用的數(shù)據(jù)。然后還 有一個(gè)最有用的步驟是為從前面的將第一主成分對(duì)第二主成分繪圖的 歩驟中獲得的樣品值確定極坐標(biāo)e值，然后樣品的極坐標(biāo)e值本身提 供單一數(shù)字，其很方便地對(duì)2維圖表中觀察的情況進(jìn)行表征。
實(shí)際上，能迅速地從單個(gè)樣品中獲取多個(gè)光譜并進(jìn)行處理以便于 取平均并由此提高精度。在樣品處于邊際的情況下，通常將存在在符 合議定標(biāo)準(zhǔn)或限制的數(shù)據(jù)附近的一定范圍的輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)與壓縮試驗(yàn) 數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合時(shí)，無(wú)疑能在一定程度上解決不確定性。
通過(guò)將樣品裝在圓筒內(nèi)，振動(dòng)圓筒使樣品迅速地自然沉降，并通 過(guò)活塞施加的力對(duì)圓筒中的谷物進(jìn)行軸向壓縮，從而最有效地獲得壓 縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常關(guān)于時(shí)間對(duì)達(dá)到規(guī)定的抵抗壓縮的力的響應(yīng)進(jìn)行作 圖。
這些具體的實(shí)施方案利用了以下的實(shí)現(xiàn)方式。糧食谷物當(dāng)受到天 氣損害時(shí)會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，因而每一種變化都能在一定程度上 指示天氣損害，且兩者是相關(guān)的，因此通過(guò)確定和結(jié)合測(cè)量的參數(shù)， 本發(fā)明所提出的方法能迅速地，例如在幾分鐘內(nèi)，進(jìn)行確定性地評(píng)價(jià)。 這樣在谷物接收地有可能不需要熟練的操作者，在該處也不需要有復(fù) 雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。因此，可盡量減少接收地重型運(yùn)輸車輛的等待時(shí)間。


下面對(duì)附圖進(jìn)行說(shuō)明，其中
圖1顯示了對(duì)小批谷物樣品分別實(shí)現(xiàn)NIR光譜分析和壓縮導(dǎo)出數(shù) 據(jù)的結(jié)合的示意圖。結(jié)合的互相關(guān)的數(shù)據(jù)解決了在任意一個(gè)單獨(dú)試驗(yàn)
評(píng)價(jià)中的不確定性；
圖2是使用上面提到的SKCS 4100設(shè)備在單一的小麥谷粒上施加 壓縮力的平均壓碎響應(yīng)的圖示；
圖3是用于產(chǎn)生圖4的數(shù)據(jù)的壓縮機(jī)器的示意圖4是代表本發(fā)明的實(shí)施方案的數(shù)據(jù)，其包括小批小麥谷粒樣品 的壓縮-響應(yīng)曲線；
圖5是測(cè)量的抵抗壓縮的力隨時(shí)間變化的圖表，從該圖中能有用 地推算出第一次壓縮和第七次壓縮之間的時(shí)差；
圖6是從小批小麥谷粒樣品獲得的一組NIR光譜；
圖7是從圖6的光譜獲得的數(shù)值繪制的第二主成分對(duì)第一主成分 的圖表。這是一個(gè)如Section 18.5.1, A/w///vm7'(3fe Ca//Z ra"o" flwd C7"wy ca//o"， Naes T， Isaksson T, Feam T and Davies T, NIR Publications, Chichester, UK中所述的對(duì)各主成分分類的實(shí)施例；
圖8是徑向距離隨著通過(guò)將笛卡爾坐標(biāo)根據(jù)指定的原點(diǎn)轉(zhuǎn)換為極 坐標(biāo)從圖7的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的極坐標(biāo)e值(弧度)而變化的圖表，用 作將兩個(gè)主成分(顯示在圖7中)中的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閱我粩?shù)值的方法；
圖9是圖8中所顯示的極坐標(biāo)e值隨同一樣品的壓縮-響應(yīng)曲線數(shù) 據(jù)變化的圖表，該圖進(jìn)行了標(biāo)記顯示了多條表示線，線之間的區(qū)域?qū)?是完好的谷粒與天氣損害谷粒之間的有些隨意的分界線。這是通過(guò)對(duì) 兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量模式進(jìn)行聯(lián)合反演(jointinversion)復(fù)原信息的實(shí)施例， 兩種獨(dú)立的測(cè)量模式如Anderssen R S, Carter E, Osborne B G and Wesley I J (2005》Joint inversion of multi-modal spectroscopic data of wheat flours, j; ; //^/ 5^e"rascop乂 59, 920-925中所述；禾口
圖10是時(shí)間/SNV值隨cc淀粉酶變化的圖表；時(shí)間相對(duì)于如圖5 中所標(biāo)出的第七次壓縮和標(biāo)準(zhǔn)正常變量散射系數(shù)(SNV)(作為可選的 預(yù)處理方法，使用Barnes R J， Dhanoa M S and Lister S J (1989) "Standard normal variate transformation and detrending of near infrared diffuse
reflectance" J/^/Z^^peCmscopy, 43, 772-777中所述的方、法從數(shù)據(jù)中計(jì) 算而來(lái))。
具體實(shí)施例方式
由于下雨在未收割谷物作物如小麥中產(chǎn)生的天氣損害會(huì)引起發(fā)芽 產(chǎn)生，發(fā)芽是當(dāng)谷物種植在土壤中后，濕度條件適合萌芽時(shí)發(fā)生的一 種自然現(xiàn)象。其中的生化通路是，水與谷物中的麥芽發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生 赤霉酸，赤霉酸反過(guò)來(lái)引起ci-淀粉酶的合成，同時(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)被酶破壞 使谷物中的淀粉被(x-淀粉酶破壞，產(chǎn)生糖類用于胚芽生長(zhǎng)。這種生化 通路與小麥糊粉層的彈性強(qiáng)度和胚乳層的粘彈性強(qiáng)度的顯著變化是一 致的，這些化學(xué)變化可通過(guò)NIR來(lái)監(jiān)測(cè)，相關(guān)的物理變化可通過(guò)對(duì)糊 粉層的彈性進(jìn)行流變學(xué)評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，糊粉層能為每個(gè)小麥谷粒有 效地形成外殼。這樣，能獲得兩個(gè)單獨(dú)的和獨(dú)立的測(cè)量模式，它們可 以結(jié)合在一起清晰地和明確地區(qū)別完好的和天氣損害的小麥。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，觀察到的單粒特征被上面提到的Osborne and Anderssen的文章所確認(rèn)。要注意的是將壓縮力施加較長(zhǎng)的時(shí)間，開(kāi)始 谷粒外殼的響應(yīng)達(dá)到屈服點(diǎn)，在此點(diǎn)上外殼破裂，隨后，隨著力量的 繼續(xù)施加，如圖所示的就是胚乳的反應(yīng)。
本實(shí)施方案使用了對(duì)達(dá)到指定最大力的壓縮作用的響應(yīng)數(shù)據(jù)，確 定該力明顯小于可能引起外殼破碎的力。
圖3圖示了用于執(zhí)行壓縮試驗(yàn)的設(shè)備10，其包括具有合適尺寸的 圓柱形容器12以容納大約100克的谷物樣品，并通過(guò)活塞14以穩(wěn)定 的壓縮速率被壓縮?；钊源蠹s5mm/min的恒定速率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖4提供了具有不同程度天氣損害的小麥樣品的大量實(shí)施例的壓 縮反應(yīng)數(shù)據(jù)。A組是具有顯著天氣損害的樣品(相應(yīng)的平均沉降值低 于300秒)，B組是天氣損害很小或沒(méi)有天氣損害的樣品(對(duì)應(yīng)的平均 沉降值高于300秒)。兩組之間的分隔是很明顯的。在此壓力受控的壓 縮協(xié)定中，完好的小麥樣品和天氣損害的小麥樣品之間的差異可很簡(jiǎn) 單地評(píng)價(jià)為達(dá)到第一次壓力最大值所用的時(shí)間(以秒計(jì)算)。
但在圖5中圖示了一種可替代方法，其中評(píng)價(jià)天氣損害的表征時(shí) 間來(lái)自對(duì)7次壓縮周期的監(jiān)測(cè)，該時(shí)間是從第一次壓縮峰值至第七次
壓縮峰值所消耗的時(shí)間。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，顯示了對(duì)具有大量不同程度雨水損害的樣品記錄的 反射光譜(以其倒數(shù)的對(duì)數(shù)進(jìn)行作圖)，在兩組之間的總體區(qū)別是很顯
然的。但是，圖6的數(shù)據(jù)和圖4的數(shù)據(jù)都不能清晰地區(qū)別天氣損害程
度很小的樣品，除非通過(guò)進(jìn)一步處理，才能出現(xiàn)更為顯著的增強(qiáng)的區(qū) 別。
如圖6所示在400-2500 nm范圍內(nèi)的NIR反射光譜是散射校正的 二階導(dǎo)數(shù)光譜。這是獲得的第一主成分和第二主成分，然后如圖7中 所示進(jìn)行作圖。
在主成分圖中的主要變化反映了樣品反射系數(shù)由于天氣損害所引 起的變化。因此，光譜數(shù)據(jù)的可選預(yù)處理方法是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)正常變量散 身寸系數(shù)[見(jiàn)Barnes, R. J., M. S. Dhanoa and S.丄Lister (1989): "Standard normal variate transformation and de-trending of near infrared diffUse reflectance spectra" Applied Spectroscopy 43(5): 772-777]。該值巧妙i也綜 合了由于樣品散射系數(shù)變化所引起的光譜差異。
圖8圖示了圖7的數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的表示方式，從該極坐標(biāo)能獲得 NIR主成分極坐標(biāo)0的弧度。因此樣品的NIR光譜數(shù)據(jù)可表示為單一 數(shù)字。
當(dāng)壓縮數(shù)據(jù)(達(dá)到第一次壓縮峰值的平均時(shí)間)和NIR數(shù)據(jù)(NIR 主成分極坐標(biāo)e弧度值)如圖9進(jìn)行作圖時(shí)，很明顯"天氣損害"和 "未天氣損害"的兩組是明顯分開(kāi)的。這種協(xié)同能使用對(duì)天氣損害的 不同物理響應(yīng)進(jìn)行判定性分析。
一種可替代方法是NIR光譜可被計(jì)算為樣品光譜的標(biāo)準(zhǔn)正常變量 系數(shù)，并根據(jù)如圖10所示的時(shí)間/SNV隨a淀粉酶水平(其隨天氣損 害量的增加而增加)的增加而增加的關(guān)系來(lái)提供指示天氣損害程度的 輸出信號(hào)。獲得的值可相對(duì)于壓縮數(shù)據(jù)來(lái)作圖以確定天氣損害的程度。
權(quán)利要求
1.一種評(píng)價(jià)糧食谷物樣品的方法，其包括從所述樣品獲得和分析NIR光譜，并從該光譜推導(dǎo)出所述樣品與天氣損害相關(guān)的特征。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)對(duì)樣品光譜的一個(gè)合適 的主成分相對(duì)于另一個(gè)合適的主成分進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存的值 相比較從而提供指示所述谷物已經(jīng)受天氣損害的程度的輸出信號(hào)來(lái)對(duì) 所述NIR光譜進(jìn)行分析。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過(guò)將所述光譜的所述第一 主成分與所述光譜的所述第二主成分結(jié)合以提供結(jié)合的輸出來(lái)對(duì)所述 NIR光譜進(jìn)行分析。
4. 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其還包括將所述谷物樣 品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)并使用低于外殼屈服點(diǎn)的壓縮響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)確定樣品的 特征。
5. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其包括基于NIR采樣建立一組數(shù) 據(jù)，基于壓縮試驗(yàn)響應(yīng)采樣建立第二組數(shù)據(jù)，并將兩組數(shù)據(jù)結(jié)合來(lái)提 供指示谷物樣品中天氣損害程度的輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中來(lái)自所述壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)監(jiān) 測(cè)彈性響應(yīng)，并且選擇所述NIR光譜的數(shù)據(jù)來(lái)指示谷物損害的特征， 兩組數(shù)據(jù)被結(jié)合來(lái)提供指示谷物質(zhì)量的輸出信號(hào)。
7. —種評(píng)價(jià)糧食谷物的方法，其包括以任何順序或同時(shí)進(jìn)行的下 列步驟(a) 將谷物樣品進(jìn)行NIR分析并對(duì)來(lái)自所述樣品的光譜分析與所 述谷物的潛在天氣損害相關(guān)的表征度，并且提供其指示性的輸出信號(hào)；(b) 將所述谷物樣品壓縮并監(jiān)測(cè)對(duì)壓縮的反作用力以提供與壓縮 響應(yīng)相關(guān)并指示所述樣品受天氣損害的程度的輸出信號(hào)；以及 處理來(lái)自步驟(a)和(b)的輸出信號(hào)來(lái)提供指示所述谷物樣品 受天氣損害程度的結(jié)合的輸出信號(hào)。
8. —種評(píng)價(jià)糧食谷物受天氣損害的方法，其包括將樣品進(jìn)行壓縮 試驗(yàn)，并使用低于外殼屈服點(diǎn)的壓縮響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)確定所述樣品的特征。
9. 一種對(duì)糧食谷物根據(jù)天氣損害進(jìn)行分級(jí)的方法，其包括(i) 從下面的組中選擇第一種評(píng)價(jià)方法(a) 對(duì)谷物樣品進(jìn)行NIR分析并對(duì)來(lái)自所述樣品的光譜分析與 谷物的潛在天氣損害相關(guān)的特征度，并提供其指示性的輸出信號(hào)；和(b) 將所述谷物樣品在施加的力下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)對(duì)于壓 縮所施加的力以提供與壓縮響應(yīng)相關(guān)的并指示樣品受天氣損害的程度 的輸出信號(hào)；(ii) 對(duì)來(lái)自所選擇的試驗(yàn)的指示性輸出進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果且僅如果輸 出判定落在具體設(shè)立的級(jí)別內(nèi)則將所述糧食谷物進(jìn)行分級(jí)，但如果指 示性輸出不能判定，則前進(jìn)到所述試驗(yàn)的其他輸出以獲得進(jìn)一步的指 示性輸出和(iii) 對(duì)與至少一個(gè)試驗(yàn)的指示性輸出相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)進(jìn)行處理 以確定所述谷物的級(jí)別。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法是在100克數(shù)量級(jí) 的糧食谷物樣品上實(shí)現(xiàn)的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在使用試驗(yàn)(a)的情況下， 所述方法包括通過(guò)將光譜的一個(gè)主成分與光譜的另一個(gè)主成分結(jié)合以 提供結(jié)合的輸出來(lái)分析NIR。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一主成分與來(lái)源于 反射系數(shù)數(shù)據(jù)的NIR光譜的第二主成分是相關(guān)的，極坐標(biāo)e的特征根 據(jù)具體的原點(diǎn)來(lái)確定，與這些特征相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用在與來(lái)自壓縮試驗(yàn) 的數(shù)據(jù)的相關(guān)中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中在使用試驗(yàn) (b)的情況下，該方法包括將糧食谷物的試驗(yàn)樣品提供給具有接收腔的試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)所述腔進(jìn)行振動(dòng)使樣品下沉，通過(guò)應(yīng)用元件在所述樣 品上施加壓力而施加壓縮，并監(jiān)測(cè)隨時(shí)間變化的反應(yīng)響應(yīng)，并使用來(lái) 自所述壓縮試驗(yàn)的低于谷物外殼屈服點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1、 7、 8、 9、 IO中任一項(xiàng)所述的方法，其中通 過(guò)計(jì)算所述樣品光譜的標(biāo)準(zhǔn)正常變量系數(shù)，并將數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存的值相比 較以提供指示所述谷物已經(jīng)被天氣損害的程度的輸出信號(hào)來(lái)對(duì)所述 NIR光譜進(jìn)行分析。
15. —種用于權(quán)利要求9至14所述的方法所進(jìn)行的試驗(yàn)的輸出數(shù) 據(jù)的計(jì)算機(jī)軟件，所述計(jì)算機(jī)軟件適于對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和互相關(guān) 來(lái)提供天氣損害程度的輸出指示。
16. —種具有數(shù)據(jù)分析程序的互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)，其用于接收來(lái)自根據(jù)權(quán) 利要求9至14所定義的方法的數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)來(lái)提供指示天氣損害 的輸出。
17. —種用于對(duì)可能受天氣損害的糧食谷物樣品進(jìn)行采樣的設(shè)備， 其包括第一數(shù)據(jù)處理器，用于接收與從糧食谷物樣品檢驗(yàn)得到的NIR 光譜相關(guān)的數(shù)據(jù)并且處理所述數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生與涉及谷物天氣損害的分級(jí) 系統(tǒng)相關(guān)的指示谷物表征度的輸出，第二數(shù)據(jù)處理器，適于接收來(lái)自 測(cè)量在受到低于谷物外殼的屈服點(diǎn)的值的所述糧食谷物樣品上壓力隨 時(shí)間的響應(yīng)的壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，以及用于對(duì)所述第一和第二數(shù)據(jù)處理 器的輸出值進(jìn)行互相關(guān)以指示所述糧食谷物的已確定級(jí)別的裝置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其包括糧食谷物樣品接收裝置、 用于產(chǎn)生NIR光譜并監(jiān)測(cè)所述光譜用于進(jìn)行分析并將數(shù)據(jù)提供給所述 第一處理器的NIR監(jiān)測(cè)裝置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括壓縮試驗(yàn)裝 置，所述壓縮試驗(yàn)裝置具有用于接收糧食谷物樣品、隨時(shí)間變化對(duì)所 述樣品進(jìn)行壓縮的接收腔，和用于監(jiān)測(cè)對(duì)施加的低于谷物外殼屈服點(diǎn) 的壓縮的反應(yīng)響應(yīng)并且將輸出信號(hào)提供給所述第二處理器的裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其進(jìn)一步具有信 號(hào)處理功能以根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析。
21. —種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其具有輸入裝置以接收指示谷物可能的天 氣損害的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行互相關(guān)，所述輸入裝置包括第一輸入單元， 其用于通過(guò)將谷物樣品進(jìn)行NIR分析、分析來(lái)自所述樣品的光譜的與 所述谷物的潛在天氣損害相關(guān)的表征度，并提供其指示性輸出信號(hào)所 得到的數(shù)據(jù)，以及第二輸入單元，其用于通過(guò)將所述谷物樣品在施加 壓縮的條件下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)對(duì)壓縮的反作用力以提供與壓縮響 應(yīng)相關(guān)的和指示所述樣品受天氣損害程度的輸出信號(hào)所得到的數(shù)據(jù)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用于對(duì) 來(lái)自所述第一和第二數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)以確定所述谷物樣品 中天氣損害程度的數(shù)據(jù)處理器。
全文摘要
從谷物樣品獲得NIR(近紅外線)光譜，進(jìn)行處理以推導(dǎo)與可能的天氣損害相關(guān)的特征，從而評(píng)價(jià)樣品質(zhì)量。另外或可選的是，對(duì)糧食谷物進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，例如在谷物外殼的屈服點(diǎn)以下獲得數(shù)據(jù)來(lái)確定任何天氣損害的狀態(tài)。一種實(shí)施方案包括數(shù)據(jù)處理以從NIR光譜分析數(shù)據(jù)和/或壓縮試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)天氣損害；互相關(guān)在NIR和壓縮試驗(yàn)任一單獨(dú)的試驗(yàn)都不足以獲得結(jié)論時(shí)是有用的。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101175987SQ200680016516
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者B·G·奧斯本, I·J·韋斯利, J·卡利斯, L·B·惠特布恩, R·S·安德森 申請(qǐng)人:Bri澳大利亞有限公司;谷物研究和開(kāi)發(fā)有限公司