現代近紅外光譜分析技術在小麥領域的應用

曹文昕，張平治，萬映秀，張琪琪，李 炎

(1.安徽省農業科學院作物研究所，安徽合肥 230031；2.國家小麥改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

現代近紅外光譜分析技術在小麥領域的應用

曹文昕1，2，張平治1，2，萬映秀1，2，張琪琪1，2，李 炎1

(1.安徽省農業科學院作物研究所，安徽合肥 230031；2.國家小麥改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

摘要闡述了現代近紅外光譜分析技術的原理，介紹了近紅外光譜分析技術在當前小麥品質育種、生產加工、籽粒和病害識別、抗性鑒定及網絡品質監測技術方面的應用進展，并展望了未來的應用前景。

關鍵詞小麥；近紅外技術；應用

現代近紅外光譜分析技術是20世紀中葉首先從農業分析開始發展起來的一項高新技術，近年來得到了快速發展，其所受關注程度也越來越高[1]。該技術可在很短時間內無需復雜的樣品制備過程即可完成物質成分多組分的同步快速定量分析，有很高的分析精確度，不產生任何化學污染，分析成本很低，易于在實驗室尤其是工業現場或在線分析領域推廣使用。因此，在一些常規物品的品質快速分析和監控需求方面，近紅外光譜分析技術扮演著重要角色，已在農業生產、石油化工、生物制藥、食品加工等多個領域中得到深入發展，其帶來的經濟效益和社會效益非常巨大。該技術在小麥領域也得到快速發展，已在小麥品質育種、生產加工以及病菌鑒定、蟲害識別、抗性鑒定及網絡品質監測上得到深入發展，并且扮演著越來越重要的角色。為了進一步促進現代紅外光譜分析技術在小麥領域的應用，筆者闡述了該技術的原理，介紹了該技術在當前小麥品質育種、生產加工、籽粒和病害識別、抗性鑒定及網絡品質監測技術方面的應用進展，并展望了未來的應用前景。

1近紅外光譜分析技術的原理

近紅外光譜(NIR)是一種波長介于可見光與中紅外光區間的電磁波，其波長范圍在780～2 526 nm，習慣上又將近紅外光譜區域分為近紅外短波(780～1 100 nm)和近紅外長波(1 100～2 526 nm)2個區域。有機物以及部分無機物分子的氫基團(如0=H，N=H，C=H，S=H，P=H)的運動都有其固定的振動頻率，在紅外光照射下受到激發而產生共振，此時近紅外光的一部分能量被吸收。近紅外光譜分析技術正是基于通過測量近紅外光的吸收情況，得到復雜的近紅外圖譜，它表示被測物質的特征，不同物質在近紅外區域有不同的吸收光譜，并且每種物質的成分都有特定的吸收特征，這為近紅外光譜分析技術提供了技術支持[2]。

2近紅外光譜分析技術在小麥領域的應用進展

2.1近紅外光譜分析技術在小麥品質育種上的應用近紅外光譜分析技術最早在小麥上的應用是美國谷物化學協會批準用于小麥蛋白質的測定方面，同時還規定了近紅外測定小麥及面粉蛋白質和水分含量的詳細程序[3]。以化學計量學為基礎的定性與定量分析標準實用細則由美國ASTM分別在1995、1996年發表公布[4]。彭玉魁等[5]利用近紅外光譜分析技術對120多份小麥品種籽粒品質成分進行了測定，研究發現用近紅外光譜分析技術測得小麥樣品的水分、賴氨酸含量、粗纖維、粗蛋白與化學分析方法測定結果有較高的相關度。Delwiche等[6]研究了利用近紅外光譜分析技術非破壞性測定小麥單粒種子蛋白質含量，結果表明該方法具有可行性。梁曉艷等[7]基于近紅外光譜分析技術和虛擬儀器技術研發了一種快速檢測整粒小麥各成分含量的分析模型，可在現場對小麥各營養成分進行無損檢測。王衛東等[8]以整粒小麥為材料利用近紅外光譜分析技術構建了小麥單株蛋白質含量分析方法，其分析速度快、準確度高，尤其適合小麥品質育種的早代選擇。目前，人們已利用近紅外光譜分析技術對小麥淀粉、蛋白質、水分、灰分、軟硬質、損傷淀粉、銹病、SDS沉降值、淀粉酶、麩皮混入率、品種判別、氨基酸、制作面包適應性等多方面指標進行預測[9]。

2.2近紅外光譜分析技術在小麥生產加工上的應用在質量監控方面，近紅外分析技術相對于普通的標準分析方法有著一定的優勢，例如，小麥收購工作的理想目標是實現按質論價和按質分類儲存，但現行的常規收購指標如蛋白質含量、水分含量需要定氮儀、烘箱這些實驗室儀器，需要耗費大量的時間且分析場所有局限性。近紅外光譜分析技術可較好地解決上述問題，其給用戶帶來較大的便利性，尤其是對小麥商品糧收購和交易十分明顯。目前，很多大型的小麥加工企業和收購場所都在小麥收購的傳送帶上設置在線近紅外光譜分析儀器，它可實時分析小麥原料的蛋白質、硬度、水分、灰分、面筋等多項數據，及時獲取收購小麥的質量，這為糧食企業節約了大量的時間成本和人力成本，因此，在線近紅外分析技術對連續接收小麥是非常適合的。此外，小麥在存放期間易受溫度、濕度、蟲害、鼠害的影響，其品質會發生劣變，其營養品質和加工品質也會受到影響，在線近紅外光譜儀通過不定期收集小麥數據進行分析，可獲知該批小麥的霉變、蟲害程度，對小麥的品質進行實時監測[10]。

2.3近紅外光譜分析技術在小麥病菌鑒定、蟲害識別、抗性鑒定上的應用近紅外光譜分析技術除了輔助于小麥品質育種以及小麥生產加工監測外，近些年還在小麥籽粒識別、蟲害、抗性鑒定上得到發展。Delwiche等[11]研究表明，近紅外光譜分析技術可用于判斷小麥籽粒受赤霉病侵染后籽粒病菌的嚴重度，為識別小麥病害籽粒帶來很大的便利性；Girolamo等[12]利用近紅外光譜分析技術判斷小麥籽粒中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的含量；Singh等[13]研究認為利用近紅外光譜分析技術可鑒別出正常的小麥籽粒和蟲噬過的小麥籽粒；Perez-Mendoza等[14]利用近紅外光譜分析技術鑒定出小麥粉中的昆蟲片段；馮偉森等[15]研究發現小麥種子的近紅外吸光度值與其抗旱指數相關系數2個年度均超過0.856，表明可用小麥籽粒近紅外全光譜吸光度值來預測小麥的抗旱性，為小麥抗旱性評價提供了一種能夠在育種早代進行的快速、簡單易行的鑒定技術。

2.4基于近紅外網絡的小麥品質監測技術近年來，以計算機網絡技術為依托的近紅外光譜分析技術已成為近紅外分析的一個重要發展方向，它將近紅外光譜分析的優勢在實際應用中得到充分發揮。Williams[16]在第十四屆國際近紅外大會上提出近紅外技術網絡化將是近紅外在未來的一個重要發展方向。朱大洲等[17]結合 GIS 技術和GPS 定位采樣技術，利用近紅外網絡對我國小麥主產區收集的不同小麥樣品品質分布進行監測，繪制了我國小麥不同生態區品質分布圖，可實現對小麥品質進行監測和管理，并建立小麥的品種鑒別及種植省份識別模型，結合近紅外網絡不斷收集的數據，可對模型進行擴展，識別正確率較高。

3近紅外光譜分析技術在小麥領域上的應用前景

隨著計算機技術、光譜學、化學計量學以及圖像識別技術的深入發展，人們對近紅外光譜分析技術特點和儀器性能將有更深入的了解和認識，結合不斷完善的數理統計方法，近紅外光譜分析技術在小麥種質資源評價、品質育種、品質分析以及生物學研究中的應用前景將更加廣闊。在小麥領域應用近紅外光譜技術時，除了需要對該技術有全面了解外，還需要應用者在小麥領域內有豐富的專業知識相配合，從而充分利用該技術。育種家、農學家應充分利用近紅外光譜分析技術，為我國的糧食生產和小麥品質改良進一步做貢獻。

參考文獻

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The Application of Near Infrared Spectroscopy Analysis Technique in Wheat Field

CAO Wen-xin1,2, ZHANG Ping-zhi1,2, WAN Ying-xiu1,2et al

(1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, Anhui 230031; 2. Hefei Branch of National Wheat Improvement Center, Hefei, Anhui 230031)

AbstractThe principle of near infrared spectroscopy analysis technique was elaborated, and application advances of the technique in wheat quality breeding, production and processing, identification of grain and disease, resistance identification and network monitoring were introduced. The application prospect was forecasted.

Key wordsWheat; Near infrared technique; Application

基金項目國家現代農業產業技術體系項目(CARS-3-2-14)；安徽省農業科學院學科建設項目(14A0214)；安徽省農業科學院科技創新團隊項目(13C0202)。

作者簡介曹文昕(1982- )，男，安徽懷寧人，助理研究員，碩士，從事小麥遺傳育種研究。

收稿日期2016-03-10

中圖分類號S 5-39

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-010-02