近紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

李佳楠

[摘要]近年來(lái)，信息化發(fā)展迅猛，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷壯大與普及，化學(xué)計(jì)量學(xué)也得到了很好的發(fā)展。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，有效而便捷的糧食質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，在我國(guó)各行各業(yè)中運(yùn)用極為廣泛，近紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中也得到了采用，提高了糧食的安全性，促進(jìn)了糧食檢測(cè)的有效發(fā)展。本文對(duì)近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行研究，分析其在糧食檢測(cè)中的應(yīng)用，以期為糧食檢測(cè)的發(fā)展提供幫助。

[關(guān)鍵詞]近紅外光譜技術(shù)；糧食檢測(cè)；應(yīng)用進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TS207.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180814

我國(guó)作為人口大國(guó)，既是糧食生產(chǎn)大國(guó)又是糧食消費(fèi)大國(guó)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)更是基礎(chǔ)，糧食的產(chǎn)量與質(zhì)量等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在糧食檢測(cè)過(guò)程中尋求有效的檢測(cè)措施至關(guān)重要，現(xiàn)有的傳統(tǒng)的糧食檢測(cè)技術(shù)需投入更多的人力和物力，得不到有效的檢測(cè)效果。而近紅外光譜技術(shù)的出現(xiàn)與普及給糧食檢測(cè)帶來(lái)更高的效率與更好的效果，相關(guān)人員對(duì)這種檢測(cè)技術(shù)投入了更多的關(guān)注與研究，近紅外光譜技術(shù)在不斷更新與發(fā)展，在我國(guó)得到了普及，促進(jìn)了糧食檢測(cè)的發(fā)展。

1近紅外光譜技術(shù)簡(jiǎn)述

近紅外光譜儀（Near Infrared Spectrmn Instrument，NIRS）是介于可見(jiàn)光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定為780～2526nm，是人們?cè)谖展庾V中發(fā)現(xiàn)的-第一個(gè)非可見(jiàn)光區(qū)。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，近紅外光譜分析技術(shù)發(fā)展迅速，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、食品等諸多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。在糧食安全檢測(cè)中，不同的技術(shù)在不斷地發(fā)展，在現(xiàn)代化檢測(cè)中傳統(tǒng)的檢測(cè)方法已逐漸被淘汰，更多新型的檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用，但是現(xiàn)有的部分檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)儀存在著許多不足，如效率較低、成本較高、損失較大等，這些不足對(duì)糧食安全檢測(cè)具有阻礙作用。而近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)（O-H、N-H、C-H）振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致，通過(guò)掃描樣品的近紅外光譜，在檢測(cè)中糧食的氫基團(tuán)不同，近紅外吸收不同，以此來(lái)檢測(cè)糧食中的脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)等含有氫基團(tuán)的成分。

2近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1優(yōu)點(diǎn)

首先在利用近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)前對(duì)樣品不用進(jìn)行特殊處理，在檢測(cè)過(guò)程中可以不破壞糧食樣品、不消耗化學(xué)試劑、不污染環(huán)境，在一般情況下大約1min左右就可以完成一個(gè)樣品的檢測(cè)。同時(shí)采用模型結(jié)構(gòu)，檢測(cè)出的數(shù)據(jù)也可在很短的時(shí)間內(nèi)完成。由于檢測(cè)中的波段利用光纖，因此，無(wú)論環(huán)境的好壞都可實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食的檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)操作人員的要求也較低，無(wú)論是在物力還是人力方面，都獲得了節(jié)約、高效、便捷的效果。

2.2缺點(diǎn)

雖然近紅外光譜技術(shù)因其方便而實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)在糧食檢測(cè)中逐漸得到普及，但其也存在著一定的局限性。近紅外光譜譜帶的寬度較寬且組成復(fù)雜，在吸收和信號(hào)方面都較差。近紅外光譜技術(shù)主要是在復(fù)雜而又變動(dòng)的光譜中進(jìn)行信息整理，在這樣的情況下信息的準(zhǔn)確性就會(huì)產(chǎn)生誤差，對(duì)最終數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3近紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中的應(yīng)用

我國(guó)糧食作物主要為水稻、小麥、玉米、大豆等，因而近紅外光譜技術(shù)在這些農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用較為廣泛。本文主要對(duì)小麥和水稻在檢測(cè)中應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行研究分析。

3.1在小麥檢測(cè)中的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代已經(jīng)開(kāi)始利用近紅外光譜對(duì)谷物的蛋白質(zhì)及其他成分進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)研究人員還采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)小麥的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等多種檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與分析。近紅外光譜技術(shù)有效地提高了小麥的檢測(cè)，對(duì)小麥的檢測(cè)具有重要意義。近年來(lái)，近紅外光譜技術(shù)在脫氧萎鐮菌醇與小麥優(yōu)良品種篩選檢測(cè)中有了新的發(fā)展。

3.1.1小麥中蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)

小麥因蛋白質(zhì)含量豐富，成為人類極為重要的蛋白質(zhì)來(lái)源，小麥蛋白質(zhì)含量的高低在很大程度上決定了小麥的質(zhì)量。隨著近紅外光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，在小麥蛋白質(zhì)的含量與質(zhì)量檢測(cè)中得到了進(jìn)一步的運(yùn)用發(fā)展。在對(duì)小麥進(jìn)行蛋白質(zhì)含量檢測(cè)時(shí)，運(yùn)用監(jiān)督主成分回歸法建立了隨機(jī)選擇的小麥試驗(yàn)樣品的蛋白質(zhì)含量近紅外光譜定量分析模型，這種方法誤差小，可從大量光譜數(shù)據(jù)中篩選出最重要的部分波長(zhǎng)信息。

近紅外光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與出現(xiàn)，有助于更好地檢測(cè)小麥中蛋白質(zhì)的含量，同時(shí)采用MPA光譜儀驗(yàn)證了近紅外光譜分析方法用于谷物品質(zhì)檢測(cè)的可行性。然后利用CA-06光柵光譜分析儀建立小麥蛋白、水分的偏最小二乘法模型，使得儀器性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性大大提高。利用凱氏定氮、DA 7200和8620近紅外光譜儀這三種方法研究小麥面粉蛋白質(zhì)含量的快速測(cè)定方法，測(cè)定出籽粒蛋白質(zhì)差異較大的60個(gè)小麥品種（系）蛋白質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)可以用8620、DA 7200近紅外光譜儀對(duì)育種材料進(jìn)行早期測(cè)定。

3.1.2小麥中其他重要成分的檢測(cè)

在小麥檢測(cè)中，對(duì)于近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)中，同時(shí)對(duì)麥麩的成分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)模型可以對(duì)小麥中的淀粉、膳食纖維等成分很好地進(jìn)行測(cè)定。直鏈淀粉含量的改變決定了小麥的糯性，與普通的小麥淀粉在一定程度上存在著差異，在生產(chǎn)制作中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

另一方面，經(jīng)研究小麥株枯病的發(fā)生與脫氧萎鐮菌醇的存在有關(guān)系，在對(duì)小麥進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中可以及時(shí)預(yù)防與診斷小麥發(fā)病。近紅外光譜技術(shù)在自動(dòng)分離技術(shù)上也取得了很大的進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糯麥、偏糯麥、野生型麥粒的精準(zhǔn)分離，因此，利用近紅外光譜技術(shù)可以促進(jìn)小麥優(yōu)良品種的培育。在快速無(wú)損分析硬質(zhì)小麥和普通小麥中的小麥鐮刀菌毒素（DON）中取得了新的收獲，通過(guò)偏最小二乘法回歸建立的硬質(zhì)小麥、普通小麥與兩種小麥混合樣品的DON分析模型，研究結(jié)果顯示，測(cè)定未加工小麥的DON近紅外光譜技術(shù)是一種創(chuàng)新而高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。在這樣的技術(shù)下，不需要準(zhǔn)備樣品，在分析過(guò)程中成本低，對(duì)環(huán)境也有保護(hù)作用。因其良好的發(fā)展符合現(xiàn)代化的糧食檢測(cè)的要求，近紅外光譜技術(shù)在我國(guó)糧食檢測(cè)與控制中十分受歡迎。

3.2在稻谷檢測(cè)中的應(yīng)用

作為水稻的生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)水稻的種植面積占很大比例。本文采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)水稻的種類進(jìn)行識(shí)別，對(duì)水稻所含成分及其是否純正進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.1水稻品種識(shí)別

隨著水稻種類的增多，更多的先進(jìn)技術(shù)的研究與出現(xiàn)對(duì)水稻識(shí)別工作具有促進(jìn)作用，其中近紅外光譜技術(shù)已屢見(jiàn)不鮮。在利用近紅外光譜技術(shù)時(shí)，采取全波段與特征波段兩種方法進(jìn)行模型建立，收集純度高的雜交水稻光譜數(shù)據(jù)，隨后對(duì)其純度進(jìn)行鑒定，這種模型測(cè)定的準(zhǔn)確率極高，據(jù)研究表明，可以達(dá)到100%的效果。因而，采用這種方法是有效的，與全波段模型相比，特征波段模型的預(yù)測(cè)精度更高。

3.2.2水稻蛋白質(zhì)的檢測(cè)

水稻作為大多數(shù)人的主食，為人類提供能量以實(shí)現(xiàn)正常活動(dòng)。在水稻的檢測(cè)中，蛋白質(zhì)含量為重要的檢測(cè)指標(biāo)，人類在攝取米飯時(shí)，主要受直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量的影響。蛋白質(zhì)含量較低的水稻為良好的儲(chǔ)備糧，適合用于長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)；蛋白質(zhì)含量較高的水稻對(duì)水稻中的蛋白質(zhì)含量檢測(cè)具有重要作用。對(duì)不同種類的水稻進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)立近紅外光譜法回歸預(yù)測(cè)模型，這樣的模型對(duì)早代的水稻檢測(cè)具有促進(jìn)作用，一方面不會(huì)危害到水稻種子的生長(zhǎng)能力，另一方面又能便捷而迅速地達(dá)到檢測(cè)要求。不同類型的水稻其離散度不同，對(duì)于糙米、精米、精米粉來(lái)說(shuō)，它們的離散度是逐漸降低的，實(shí)驗(yàn)表明它們的粉樣均勻性良好，在掃描過(guò)程中產(chǎn)生的誤差低，從而實(shí)現(xiàn)較高的精度。

3.2.3水稻其他成分的檢測(cè)

利用近紅外光譜技術(shù)也可檢測(cè)水稻的品質(zhì)、口感及其他成分的含量。在運(yùn)用傳統(tǒng)方法對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其他因素的干擾性強(qiáng)，不利于準(zhǔn)確的檢測(cè)。而采用近紅外透射光譜分析儀對(duì)水稻進(jìn)行光譜掃描，結(jié)合黏度分析儀測(cè)定的黏滯特性值消減值及水稻淀粉崩解值十分有效，水平極高，大大促進(jìn)了對(duì)黏滯特性測(cè)定的準(zhǔn)確度。在研究中利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)稻谷千粒質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定和研究，選取多種不同種類的水稻進(jìn)行檢測(cè)，研究結(jié)果顯示，近紅外光譜分析技術(shù)可以對(duì)稻谷千粒質(zhì)量進(jìn)行高效而準(zhǔn)確的檢測(cè)。

4結(jié)論

本文對(duì)小麥和玉米在應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用做了研究與分析，現(xiàn)實(shí)中還有更多的農(nóng)作物利用這種技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)并取得了良好的檢測(cè)效果。在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同的農(nóng)作物、環(huán)境、品種，結(jié)合實(shí)際情況來(lái)建立不同的模型，以實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果及準(zhǔn)確性。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光譜學(xué)和化學(xué)計(jì)量可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步融合發(fā)展，因此，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)對(duì)糧食進(jìn)行檢測(cè)的前景十分廣闊，近紅外光譜技術(shù)應(yīng)該不斷更新，更好地服務(wù)于糧食檢測(cè)，以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。另外，在其他領(lǐng)域也可對(duì)近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用與研究，使此技術(shù)造福于人類。