基于太赫茲光譜的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)研究

張蕙 劉占軍

摘 要：本文對(duì)目前已有的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述，闡述利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)玉米中的脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的可行性，并對(duì)影響定量分析的主要因素進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：太赫茲時(shí)域光譜；玉米脂肪酸；定量分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TS210.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0136-03

Quantitative Analysis of Corn Fatty Acids Based on Terahertz Spectroscopy

ZHANG Hui LIU Zhanjun

（Patent Examination Cooperation （Henan） Center of the Patent Office， SIPO，Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： In this paper， the advantages and disadvantages of the currently corn fatty acids quantitative analyzing technologies were summarized. The feasibility of corn fatty acids quantitative analyzing based on terahertz time-domain spectroscopy （THz-TDS） was analyzed， and the main factors affecting the quantitative analysis were discussed.

Keywords： terahertz time-domain spectroscopy （THz-TDS）；corn fatty acids；quantitative analysis

據(jù)國(guó)家糧油信息中心提供的數(shù)據(jù)顯示，2017/2018年度，中國(guó)玉米消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到2.23億t。在數(shù)目如此驚人的玉米儲(chǔ)存過(guò)程中，首先面臨的就是玉米的儲(chǔ)存品質(zhì)問(wèn)題。如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)玉米的儲(chǔ)存品質(zhì)進(jìn)行測(cè)定就成為我們亟待研究解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 現(xiàn)有玉米脂肪酸值測(cè)定技術(shù)綜述

國(guó)家于2006年發(fā)布并實(shí)施了國(guó)標(biāo)《玉米儲(chǔ)存品質(zhì)判定規(guī)則》（GB/T 20570—2006）[1]，對(duì)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)鑒定的相關(guān)指標(biāo)及測(cè)定方法進(jìn)行了規(guī)定，其中除玉米的外觀指標(biāo)如色澤、氣味等，以及人為主觀指標(biāo)即品嘗評(píng)分值外，該規(guī)則將玉米中所含的脂肪酸值作為判定玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。由于外觀指標(biāo)和人為主觀指標(biāo)不易進(jìn)行量化分析，因此，對(duì)玉米中的脂肪酸值進(jìn)行檢測(cè)，可以很好地表征玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的優(yōu)劣，有助于實(shí)現(xiàn)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的快速在線檢測(cè)。

目前，對(duì)玉米中的脂肪酸值進(jìn)行測(cè)定主要采取以下兩種技術(shù)。

①滴定法。《玉米儲(chǔ)存品質(zhì)判定規(guī)則》（GB/T 20570—2006）[1]給出了采用滴定法對(duì)玉米中的脂肪酸值進(jìn)行測(cè)定的方法，即在室溫下用無(wú)水乙醇提取玉米中的脂肪酸，然后用氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，從而計(jì)算脂肪酸值。但是，滴定法由于采用的是化學(xué)方法，不可避免地會(huì)對(duì)玉米本身造成破壞，且試驗(yàn)步驟煩瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的快速在線檢測(cè)[2]。

②近紅外光譜法。近紅外光譜（Near Infrared Spectroscopy，NIRS）分析技術(shù)因具有操作簡(jiǎn)便、對(duì)樣品無(wú)損耗等特點(diǎn)，近年來(lái)引起了研究學(xué)者的注意，并建立起了針對(duì)肉類(lèi)、食用油、植物油等糧食作物中所含脂肪酸的近紅外光譜數(shù)學(xué)模型[3]。但是，由于玉米中所含脂肪酸的種類(lèi)較多，如油酸、亞油酸等，而近紅外光波的波長(zhǎng)較短，大致為780～2 526nm，僅能對(duì)分子內(nèi)部的動(dòng)態(tài)模式進(jìn)行觀察，而無(wú)法對(duì)不同種類(lèi)的脂肪酸進(jìn)行顯著區(qū)分，且定量分析的準(zhǔn)確度不高。

2 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)簡(jiǎn)介

太赫茲（Terahertz，THz）檢測(cè)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末開(kāi)始出現(xiàn)的一種新興光譜檢測(cè)技術(shù)。太赫茲波是電磁波譜中的一個(gè)特定波段，通常定義為0.1～10THz（1THz=1012Hz）。近年來(lái)，超快激光技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)提供了一系列理想的方式，使太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)在醫(yī)藥、毒品檢測(cè)、爆炸物檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在紅外低頻區(qū)域的光譜測(cè)量具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)：其脈沖峰值功率很高，脈寬在皮秒量級(jí)，時(shí)間分辨率很高；利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以直接得到信號(hào)的振幅和相位等信息，然后通過(guò)對(duì)信號(hào)的傅里葉變換，并經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算就可以得到物質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)等一系列光學(xué)參數(shù)。同時(shí)，THz-TDS系統(tǒng)具有對(duì)黑體輻射不敏感的特性，在頻率小于3THz時(shí)，信噪比高達(dá)105～106，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR），而且其穩(wěn)定性也更好。此外，由于太赫茲電磁輻射的能量很低，比X射線低100萬(wàn)倍，比近紅外光波低數(shù)百倍，不會(huì)對(duì)生物分子產(chǎn)生有害的電離，因而其是一種安全無(wú)損的方法。

綜上所述，玉米中所含的脂肪酸大部分為不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸等，分子量在280左右，也是生物大分子的一種，因此，利用太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)對(duì)玉米進(jìn)行檢測(cè)，不僅能對(duì)其所含的各種脂肪酸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定性識(shí)別，還可以對(duì)其含量進(jìn)行精確的定量分析。采用THz-TDS技術(shù)，不僅檢測(cè)的準(zhǔn)確度高，速度快，而且可以避免對(duì)玉米本身的損害，這對(duì)太赫茲技術(shù)的深入研究和玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的快速在線檢測(cè)具有很高的理論和實(shí)際價(jià)值，且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3 基于太赫茲光譜的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)

作為判定玉米儲(chǔ)存品質(zhì)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文選擇儲(chǔ)存玉米籽粒中所含的脂肪酸作為研究對(duì)象，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，獲取其在太赫茲波段具有“指紋”特性的折射率譜和吸收譜，并建立各類(lèi)脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。然后利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)玉米籽粒進(jìn)行檢測(cè)，得到其太赫茲吸收譜。通過(guò)對(duì)脂肪酸和玉米籽粒太赫茲吸收譜的對(duì)比分析，對(duì)玉米中所含的脂肪酸進(jìn)行定性識(shí)別，再通過(guò)定量分析算法，對(duì)脂肪酸的含量進(jìn)行計(jì)算，從而得到準(zhǔn)確的濃度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的鑒定。

圖1為本文整體的技術(shù)路線流程圖。本文以理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合為主。在理論上，一方面對(duì)水分對(duì)太赫茲波的吸收進(jìn)行分析，建立測(cè)定玉米中水分含量的模型；另一方面，設(shè)計(jì)定量分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米所含脂肪酸含量的精確計(jì)算。在試驗(yàn)上，通過(guò)采集大量樣品進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)模型和算法進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行適當(dāng)修正。

具體研究?jī)?nèi)容包括以下3方面。

3.1 對(duì)玉米中所含水分的定量分析

與其他種類(lèi)的樣品不同，玉米籽粒中含有一定量的水分（約10%～20%）。而作為一種極性分子，水對(duì)太赫茲波存在明顯而強(qiáng)烈的吸收。因此，在對(duì)玉米籽粒的脂肪酸含量進(jìn)行定量分析之前，必須要對(duì)其中所含的水分含量進(jìn)行分析，并將水分對(duì)太赫茲波的吸收去除掉，從而得到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

3.2 對(duì)玉米中所含各類(lèi)脂肪酸的定性識(shí)別

玉米中所含的脂肪酸大部分為不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸等，分子量在280左右，屬于生物大分子，其微觀尺度下的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)正好對(duì)應(yīng)在太赫茲波段，對(duì)太赫茲波存在特征吸收。利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)玉米中所含的各類(lèi)脂肪酸進(jìn)行檢測(cè)，可以獲取其各自不同的太赫茲吸收譜，吸收譜中存在的每一個(gè)吸收峰都同脂肪酸的微觀結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)，不同位置的吸收峰意味著不同的分子結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)。通過(guò)對(duì)提取自大量玉米樣品中的脂肪酸的檢測(cè)及分析，可以建立其特有的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。由于玉米樣品中含有脂肪酸，因此，在玉米樣品太赫茲吸收譜中的特定位置同樣可以觀察到屬于不同脂肪酸的特有吸收峰。通過(guò)對(duì)脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和儲(chǔ)存玉米的太赫茲吸收譜的對(duì)比分析，比較并確定吸收峰的位置，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米中所含各類(lèi)脂肪酸的定性識(shí)別。

3.3 在多組分的環(huán)境中對(duì)玉米中脂肪酸含量的準(zhǔn)確定量分析

隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，玉米中含有的脂肪會(huì)逐漸發(fā)生氧化酸敗，從而產(chǎn)生脂肪酸。玉米中除中含有多種脂肪酸之外，還含有大量的多糖及少量的蛋白質(zhì)、多種維生素、植物甾醇和磷脂等多種成分，這些物質(zhì)都對(duì)太赫茲波存在一定程度的特征吸收。因此，在多組分的環(huán)境中對(duì)玉米中脂肪酸的含量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析是本文最重要的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。

4 主要影響因素分析

4.1 對(duì)玉米中所含水分的定量分析研究

在這部分研究?jī)?nèi)容中，首先要獲取若干批次具有不同水分含量的玉米樣品，用水分儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，獲取準(zhǔn)確的水分含量信息。然后將玉米樣品分為兩部分，一部分作為訓(xùn)練集，尋找水分含量同樣品的太赫茲信號(hào)之間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；另一部分作為驗(yàn)證集，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。建立模型可以從時(shí)域和頻域兩方面入手。時(shí)域就是試驗(yàn)得到的玉米樣品的太赫茲時(shí)域信號(hào)的強(qiáng)度，頻域信息則包括提取出的玉米樣品的吸收系數(shù)和折射率譜等信息。通過(guò)大量不同濕度的玉米樣品的試驗(yàn)，就可以建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，最后用驗(yàn)證集對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 玉米中所含各類(lèi)脂肪酸的定性識(shí)別的研究

要建立儲(chǔ)存玉米籽粒中所含各類(lèi)脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，首先要將其從玉米籽粒中提取出來(lái)。具體方法可以參考國(guó)標(biāo)《糧油檢驗(yàn)糧食、油料脂肪酸值測(cè)定》（GB/T 5510—2011）中的規(guī)定，在室溫下用苯提取玉米籽粒中所含的游離脂肪酸。由于苯是非極性分子，對(duì)太赫茲波不具有明顯吸收，因此可以將提取得到的含有脂肪酸的苯濾液直接放入太赫茲時(shí)域光譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算得到脂肪酸在太赫茲波段的光學(xué)信息，如折射率、吸收系數(shù)等。同時(shí)作為參照，從市面上買(mǎi)回純度較高的分析純脂肪酸作為標(biāo)準(zhǔn)品，通過(guò)試驗(yàn)獲取其太赫茲光譜，并與通過(guò)苯提取法得到的脂肪酸的太赫茲光譜進(jìn)行比較驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)提取自大量玉米樣品的各類(lèi)脂肪酸進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)，獲取其太赫茲折射率譜和吸收譜，并對(duì)其進(jìn)行歸納分析，就可以建立起儲(chǔ)存的玉米籽粒中所含各類(lèi)脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了定性識(shí)別出儲(chǔ)存玉米籽粒中的各類(lèi)脂肪酸，還應(yīng)獲取玉米籽粒的太赫茲吸收譜。在這一部分研究?jī)?nèi)容中，擬計(jì)劃首先采集若干份不同儲(chǔ)存時(shí)間的玉米籽粒樣品，并將其各自編號(hào)。然后利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)分別對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，獲取具有“指紋”特性的折射率譜和吸收譜等光譜信息。通過(guò)對(duì)樣品太赫茲光譜的分析，并結(jié)合一定的化學(xué)計(jì)算方法，準(zhǔn)確找出玉米籽粒的太赫茲光譜中所蘊(yùn)含的水分、脂肪酸值等的特征峰。

由于玉米籽粒表面形態(tài)不規(guī)則，在受到太赫茲波照射時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，對(duì)太赫茲光譜的準(zhǔn)確獲取造成干擾，所以需要對(duì)玉米樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。首先使用錘式旋風(fēng)磨，將一定量的玉米籽粒進(jìn)行粉碎，并且混合均勻。其次，將適量的粉碎后的玉米放入事先準(zhǔn)備好的由聚乙烯制成的上下表面平行的模具里，并且填充緊實(shí)。最后，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，并利用相應(yīng)的公式，經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算得到玉米籽粒的太赫茲光譜。

4.3 儲(chǔ)存玉米中所含脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的研究

在對(duì)儲(chǔ)存玉米中所含脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的過(guò)程中，首先最重要的是針對(duì)要解決的問(wèn)題設(shè)計(jì)出最適合的定量分析算法，并通過(guò)大樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，建立適當(dāng)?shù)膶?duì)脂肪酸含量進(jìn)行預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。本文中定量分析的基礎(chǔ)是分析化學(xué)領(lǐng)域中著名的光的朗伯-比爾定律（Lambert-Beer Law），根據(jù)上述定律的描述，物質(zhì)對(duì)光的吸收與其濃度成正比例關(guān)系，可以用式（1）表示：

[A=lgIoI=lg1T=kcd] （1）

其中，[A]為吸光度，[I]和[Io]分別為入射光穿透樣品前后的光強(qiáng)度，[k]為光的吸收系數(shù)（與入射光的頻率有關(guān)），[c]為樣品的濃度，[d]為入射光在樣品中傳播的距離。

由于玉米中含有的成分較為復(fù)雜，僅依靠朗伯比爾定律，采用簡(jiǎn)單的最小二乘算法進(jìn)行計(jì)算難以取得理想的效果。因此，本文在依據(jù)朗伯比爾定律的基礎(chǔ)上，擬采用線性回歸算法對(duì)玉米中含有的脂肪酸含量進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)有的線性回歸算法很多，有主成分回歸法、偏最小二乘回歸法和多元線性回歸等。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的玉米樣品的太赫茲吸收譜，采用適當(dāng)?shù)木€性回歸算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米中所含脂肪酸濃度的定量計(jì)算。該計(jì)算過(guò)程主要包括兩方面：一是采用大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立數(shù)學(xué)模型；二是對(duì)其進(jìn)行脂肪酸含量計(jì)算準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)不同線性回歸算法效果的比較，從中挑選出最適合本文的一種，并根據(jù)本文的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，從而得到準(zhǔn)確度較高的定量分析算法。此前，已經(jīng)有大量的關(guān)于利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)氨基酸、糖類(lèi)等大分子進(jìn)行定量分析的試驗(yàn)報(bào)道，對(duì)本文具有較大借鑒意義。

5 結(jié)語(yǔ)

玉米中所含的脂肪酸是判定玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文以其為研究對(duì)象，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)玉米中的脂肪酸含量進(jìn)行檢測(cè)。由于太赫茲波段與各種生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)，且具有能量低、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，較之傳統(tǒng)的滴定法和近紅外光譜法等更適合對(duì)玉米中脂肪酸的含量進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)。本文的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)的快速無(wú)損在線檢測(cè)具有重要意義。

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