宋雪健 王欣卉 李琳

[摘要]為實(shí)現(xiàn)對(duì)小米品種的快速鑒別，試驗(yàn)采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)120份小米進(jìn)行研究，結(jié)果表明，試驗(yàn)建立的小米定性分析模型對(duì)紅谷子的正確鑒別率為100%，定量分析模型的驗(yàn)證集的RMSEP為0.176，R2為96.68。為此，采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)小米品種的快速鑒別具有一定的可行性。

[關(guān)鍵詞]小米;品種;近紅外光譜技術(shù)

中圖分類號(hào)：O657.3;TS212.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201910

谷子去殼后俗稱小米，含有豐富的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，富含人體所需的18種氨基酸，具有“易丹田，補(bǔ)虛損，開腸胃”的功效[1]。小米的品種多樣，其中紅谷子有“天下第一香米”的美稱，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)11.2%～13.40%，直連淀粉含量為15.88%，支鏈淀粉為52.48%，深受廣大消費(fèi)者青睞[2]。

近紅外光是一種介于中紅外光和可見光之間的一種電磁波，其光譜的譜區(qū)中包括的基團(tuán)信息主要以H-R為主，包括-CH、N-H、-OH和S-H等。近紅外光譜技術(shù)具有快速、高效、無損的技術(shù)特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品[3]、醫(yī)藥[4]、工業(yè)[5]、農(nóng)業(yè)[6]等領(lǐng)域。研究采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)小米品種進(jìn)行鑒別研究，旨在為豐富近紅外光譜的研究?jī)?nèi)容和為保護(hù)小米的優(yōu)質(zhì)品種提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)的材料和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)的材料

試驗(yàn)選擇在黑龍江地區(qū)小米成熟期后，采用5點(diǎn)取樣法隨機(jī)收割，編號(hào)每份小米樣品，每份樣品收集大約2kg，并記錄詳細(xì)的品種信息，具體信息見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

TENSOR II 型傅立葉變換近紅外光譜儀：德國(guó)布魯克（北京）科技有限公司;FW100高速萬能粉碎機(jī)：天津泰斯特儀器有限公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 樣品的前處理

將采集的小米進(jìn)行統(tǒng)一晾曬、去殼及粉碎處理。選取各類樣品總數(shù)的2/3作為建模樣本集，1/3作為驗(yàn)證樣本集，具體信息見表2。

2.2 光譜的采集

將傅立葉變換近紅外光譜儀進(jìn)行預(yù)熱30min后，利用OPUS7.50軟件，經(jīng)過檢查信號(hào)、保存峰位及掃描背景等操作后，將小米樣品倒入檢測(cè)杯中，測(cè)量樣品單通道采集樣品光譜。測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度為室溫25℃±1℃，相對(duì)濕度控制范圍為30%～50%。光譜波段范圍4 000～12 000cm-1。分辨率8cm-1。掃描次數(shù)為64次。

2.3 定性模型的建立及驗(yàn)證

為消除噪聲等的干擾，試驗(yàn)選取4 500～9 000 cm-1的波數(shù)范圍進(jìn)行定性研究，其中預(yù)處理方式有矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)+矢量歸一化、二階導(dǎo)數(shù)集合平滑點(diǎn)+矢量歸一化，一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)、二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)，其中平滑點(diǎn)數(shù)為5、9、13、17、21、25點(diǎn)。并利用因子化法進(jìn)行光譜“距離”的計(jì)算，“距離”的量化值為“S值”，其中數(shù)值越大，說明兩品種樣品差距越大，進(jìn)而來確定小米品種的定性分析模型。將建立好的定性模型調(diào)入軟件中，利用定性分析模塊對(duì)預(yù)測(cè)光譜進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 定量模型的建立集驗(yàn)證

定量分析的預(yù)處理方式較定性分析要豐富得多，有內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)、消除常數(shù)偏移量、多元散射矯正、減去一條直線、矢量歸一化、最小-最大歸一化、一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)、二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)、一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)+減去一條直線、一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)+矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合平滑點(diǎn)+多元散射校正。定量分析計(jì)算方法為偏最小二乘法，并采用交叉檢驗(yàn)方式進(jìn)行建模，根據(jù)校正集均方根誤差（RMSEC）及定向系數(shù)（R2）的大小來衡量模型的精度，其中RMSEC越小，R2越大越好。將建立好的定量分析模型調(diào)入軟件中，根據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)集均方根誤差（RMSEP）數(shù)值與RMSEC數(shù)值的大小來驗(yàn)證模型的檢測(cè)精度，其中RMSEP越小，RMSEC越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 原始光譜分析。

由圖1可知，在4 710cm-1處的吸收峰是由-R-NH的合頻振動(dòng)引起的;在波數(shù)為5 169cm-1處的吸收峰是由R-CO-R的合頻振動(dòng)引起的;在波數(shù)為6 826cm-1處的吸收峰是由-CONH-R二級(jí)倍頻振動(dòng)引起的;在波數(shù)為8 320cm-1處的吸收峰是由C-H鍵的二級(jí)倍頻振動(dòng)引起的[7]。

3.2 不同預(yù)處理方式對(duì)定性分析模型的影響

由表3可知，在波數(shù)為4 500～9 000 cm-1，采用二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合5點(diǎn)平滑的預(yù)處理方式結(jié)合因子化計(jì)算方法，所建立的小米品種定性分析模型能將紅谷子和非紅谷子精確分開，其S值為1.279，2D得分見圖2。針對(duì)此研究發(fā)現(xiàn)，采用多種預(yù)處理方式相結(jié)合建立的模型精度較低，可能是多種處理方式對(duì)光譜造成的過擬合現(xiàn)象導(dǎo)致的。

3.3 不同預(yù)處理方式對(duì)定量分析模型的影響

由表4可知，在波數(shù)為4 500～9 000 cm-1的范圍內(nèi)，采用一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合5點(diǎn)平滑的預(yù)處理、偏最小二乘法的計(jì)算方式建立的小米品種定量分析模型檢測(cè)精度要優(yōu)于其他方式，其RMSECV為0.243，R2為92.22，見圖3。

3.4 模型的驗(yàn)證

將兩種模型分別帶入軟件中，與預(yù)測(cè)樣品進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，定性分析模型對(duì)紅谷子和非紅谷子品種的正確鑒別率分別為100%和95.65%，見表5。定量分析模型對(duì)紅谷子和非紅谷子品種的鑒別效果為RMSEP=0.176，R2=96.68，見圖4。

4 結(jié) 論

采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)小米品種進(jìn)行鑒別，在波數(shù)為4 500～9 000cm-1，采用的計(jì)算方式為因子化法，預(yù)處理方式為二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合5點(diǎn)平滑的建立的定性模型較好，對(duì)紅谷子的正確鑒別率高達(dá)100%。采用的計(jì)算方式為偏最小二乘法，預(yù)處理方式為一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合5點(diǎn)平滑，建立的定量分析模型對(duì)紅谷子和非紅谷子檢測(cè)時(shí)，其RMSEP為0.176，R2為96.68。故采用近紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小米品種的快速檢測(cè)。0406CD72-EEA0-46EF-8985-A34B71961773

參考文獻(xiàn)

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Rapid Identification of millet varieties by near Infrared Spectroscopy

Song Xuejian1，Wang Xinhui2，Li Lin1

（1 Heilongjiang BaYi Agricultural University， College of Food Science， Daqing， Heilongjiang 163319;

2 Qiqihar University College of Food and Bioengineering， Qiqiha'er， Heilongjiang 161006）

Abstract： In order to realize the rapid identification of millet varieties， The experiment uses the near infrared spectrum technique to carry on the research to 120 millet， The results show that The correct identification rate of red gluten by qualitative analysis model was 100%， RMSEP of validation set of quantitative analysis model is 0.176， R2 is 96.68， Therefore， it is feasible to identify millet varieties quickly by near infrared spectroscopy.

Key words： millet， varieties， near infrared spectroscopy0406CD72-EEA0-46EF-8985-A34B71961773