花生自然風干種子芥酸含量近紅外分析模型構(gòu)建

張欣，唐月異，胡東青，王秀貞，吳琪，孫全喜，王志偉，宋國生，石程仁，殷冬梅，王傳堂

(1. 山東省花生研究所，山東 青島 266100；2.青島出入境檢驗檢疫局，山東 青島 266002；3.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南 鄭州 450002)

花生是世界上主要的經(jīng)濟作物、蛋白質(zhì)來源和油料作物，其脂肪酸品質(zhì)不僅會影響其產(chǎn)品的貨架期，而且與人體營養(yǎng)健康密切相關(guān)[1]。芥酸是一種對人體有害的脂肪酸，不僅營養(yǎng)價值較低，而且難以被消化吸收，過量食用會對機體造成一定的影響。動物實驗表明，食用芥酸含量過高的菜籽油會引起心肌脂肪沉淀并導(dǎo)致心肌脂肪代謝障礙[2，3]；對心臟病患者的調(diào)查研究表明，心臟病患者體內(nèi)若是每天積累一些芥酸，會使機體的心血管功能超負載，加重心肌脂肪的沉積，從而危害到身體健康[4]。2003年，澳大利亞食品標準就設(shè)定了人體每天攝入的芥酸上限為500 mg[5]。芥酸主要存在于菜籽油中，在花生中含量少乃至低于檢測限，因此過去甚少關(guān)注。但有資料表明，不少阿根廷高油酸花生樣品芥酸含量偏高，其脂肪酸占比可超過0.3%，有的甚至高于0.4%[1]，若用這樣的花生原料榨取食用油，無疑會超出國標推薦許可范圍(0.3%)[6]。由于不同花生品種間芥酸含量的差別較大，加強對花生中芥酸含量的檢測和培育低芥酸乃至無芥酸的花生品種是極為重要的。

芥酸傳統(tǒng)測定方法有碘量法、氣相色譜法等，成本高、費時間、有一定破壞性，不利于花生低芥酸育種的開展。而近紅外技術(shù)具有成本低、無損、快速等優(yōu)點，且已應(yīng)用于油菜、玉米、大豆、芝麻等多種作物的品質(zhì)改良[7-10]，在花生上也已成功建立了能準確預(yù)測油酸、脂肪、蛋白、蔗糖、水分含量等的近紅外模型[11-15]，但有關(guān)花生芥酸含量的近紅外模型迄今未見報道。本研究旨在建立花生種子芥酸含量近紅外模型，以用于花生無芥酸育種以及榨油和食品企業(yè)對原料花生質(zhì)量的控制，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)健康的花生產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

構(gòu)建芥酸含量近紅外模型的花生樣品和用于模型檢驗的外部樣品見表1。隨機挑選第36、55、65、68、69號樣品為外部檢驗樣品，其余67份樣品用于構(gòu)建芥酸含量模型。所有樣品花生種子均為自然風干。

1.2 試驗方法

1.2.1 光譜采集 建模所用光譜數(shù)據(jù)在德國布魯克光譜儀器公司生產(chǎn)的Matrix-Ⅰ型傅立葉變換近紅外光譜儀上采集。掃描譜區(qū)范圍4 000～12 000 cm-1，掃描次數(shù)64次，分辨率8 cm-1。開機預(yù)熱30 min后檢測樣品。光譜采集時每份材料約30～50粒，重復(fù)掃描3次。

1.2.2 芥酸含量測定 按 GB 5009.168-2016《食品安全國家標準 食品中脂肪酸的測定》[16]中的內(nèi)標法進行花生芥酸含量的氣相色譜測定。

表1 試驗所用花生樣品

1.2.3 模型構(gòu)建與優(yōu)化 光譜處理和模型構(gòu)建采用Matrix-Ⅰ型近紅外光譜儀自帶的OPUS 5.5軟件，用NIR選項自動尋優(yōu)，采用內(nèi)部交叉驗證剔除奇異點，選擇最佳光譜預(yù)處理辦法、最佳譜區(qū)、維數(shù)，并作進一步驗證。通過比較樣品預(yù)測值與化學值的決定系數(shù)(R2)和根均方差(RMSECV)衡量模型質(zhì)量，篩選最佳模型。所建模型的驗證采用外部交叉驗證，即隨機挑選驗證樣品，然后利用DPS 14.50數(shù)據(jù)分析軟件對樣品的預(yù)測值和化學值進行配對t測驗分析，根據(jù)分析結(jié)果來判斷模型的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生樣品近紅外光譜采集

本研究所采集的各花生樣品自然風干多粒種子的近紅外光譜見圖1，符合花生種子近紅外光譜典型特征。

2.2 花生樣品芥酸含量的化學值

67份花生種子的芥酸含量如表2所示。芥酸含量均值為0.0904%，變異范圍為0～0.2329%，變異系數(shù)66.2971%(表3)。表明建模花生樣品芥酸含量變幅較大，可用于近紅外光譜分析模型的構(gòu)建。

圖1 花生樣品的近紅外掃描光譜

表2氣相色譜法測得67份花生種子芥酸含量化學值

表3 花生種子芥酸含量化學值相關(guān)統(tǒng)計參數(shù) (%)

2.3 近紅外模型建立

經(jīng)NIR自動優(yōu)化處理，并經(jīng)多次內(nèi)部交叉檢驗除掉奇異點，得到自然風干花生種子芥酸含量的最佳光譜預(yù)處理方法為“消除常量偏移法”，譜區(qū)范圍為 4 242.8～11 980.2 cm-1，維數(shù)為10，模型的決定系數(shù)(R2)為80.08，根均方差(RMSECV)為0.0238(圖2)。

注：橫坐標為真值即化學值，縱坐標為預(yù)測值。

2.4 預(yù)測效果驗證

取前述5份外部檢驗花生樣品，對模型預(yù)測效果進行驗證，結(jié)果如表4所示。芥酸含量預(yù)測值與化學值的偏差為-0.0185%～0.0174%，值較低。將預(yù)測值與化學值進行成對數(shù)據(jù)t測驗，結(jié)果表明兩組數(shù)據(jù)的均值差為0.0035，自由度為4，t檢驗值為0.0139

3 結(jié)論

作為一種新興技術(shù)，近紅外光譜分析技術(shù)因其無損、快捷、操作簡便等優(yōu)點，在作物成分檢測及食品品質(zhì)安全等領(lǐng)域已進行了較多的研究及應(yīng)用。花生也建立了關(guān)于油酸、亞油酸、棕櫚酸、蛋白質(zhì)、蔗糖、水分含量等品質(zhì)指標的近紅外模型[11-15]，但是關(guān)于花生中芥酸含量的近紅外模型尚未見報道。

本研究通過對花生自然風干種子芥酸含量的測量，探討了基于近紅外光譜技術(shù)的花生種子芥酸含量快速無損檢測的可行性，并建立了相關(guān)預(yù)測模型。該模型的最佳光譜預(yù)處理方法為“消除常量偏移法”，維數(shù)是10，決定系數(shù)為80.08，根均方差為0.0238。5份外部檢驗樣品預(yù)測值與化學值成對數(shù)據(jù)t測驗顯示，預(yù)測值與化學值結(jié)果相近，兩組數(shù)據(jù)間差異不顯著。這說明模型質(zhì)量尚可，也證明通過近紅外光譜分析技術(shù)預(yù)測花生中芥酸含量具有可行性。盡管模型還存在一定的誤差，但為花生低芥酸品質(zhì)遺傳改良和原料花生質(zhì)量控制提供了方便、快捷的檢測手段。之后將通過補充樣品數(shù)據(jù)，不斷完善模型。