花生籽仁膳食纖維含量近紅外模型構(gòu)建

董敬超王 虹 于樹濤 張 健孫泓希尤淑麗 殷業(yè)超 張 英

（1.遼寧省沙地治理與利用研究所 遼寧阜新 123000；2.雙遼市雙英種業(yè)有限公司 吉林雙遼 136000）

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，既可以用于滿足食用油需要，又是食品加工業(yè)所需原料的重要來源[1]。膳食纖維是平衡人體膳食結(jié)構(gòu)的必須營養(yǎng)素之一，包括多糖、低聚糖、木質(zhì)素和相關(guān)的植物組織，是由若干種碳水化合物組成的混合物[2]。膳食纖維雖無營養(yǎng)價值，但能預(yù)防和治療多種疾病，對人體的正常代謝是必不可少的，在食品營養(yǎng)和臨床醫(yī)學(xué)上發(fā)揮的重要作用越來越受到人們的關(guān)注，被稱為人類“第七大營養(yǎng)元素[3]。

由于遺傳基礎(chǔ)狹窄，我國主栽花生品種膳食纖維整體含量較低，已成為我國花生出口的主要限制因素。有報道顯示，阿根廷出產(chǎn)的花生膳食纖維含量高于中國和美國[4]。膳食纖維的檢測主要通過常規(guī)的化學(xué)測定方法進(jìn)行，但具有破壞性，且耗時、費力、數(shù)據(jù)分析困難，嚴(yán)重影響了育種工作進(jìn)程。而近紅外光譜分析法在不破壞種仁的情況下能夠快速、準(zhǔn)確、高效、低成本的檢測膳食纖維含量，且可同時可檢測多種成分[5]，也可作為花生優(yōu)質(zhì)突變體的篩選鑒定和誘變方法評定的重要手段[6]。近紅外光譜分析法已在花生的品質(zhì)分析中廣泛應(yīng)用，在蛋白質(zhì)、粗脂肪、含糖量和脂肪酸方面研究報道較多，但關(guān)于花生膳食纖維的報道不多，模型建立方面的研究也未見報道。Pattee H E[7]和Gocho等[8]的研究認(rèn)為，花生甜味與花生中的膳食纖維有關(guān)；張吉民[9]等的研究認(rèn)為，烤花生的香味與花生籽仁膳食纖維含量有關(guān)；Bishi[10]探討了41份印度主栽花生品種的品質(zhì)性狀及其營養(yǎng)價值，并得出了膳食纖維含量范圍。本文作者以國內(nèi)60份優(yōu)質(zhì)花生種質(zhì)資源為材料，首次構(gòu)建建立花生膳食纖維含量的近紅外分析模型，并與化學(xué)測定方法進(jìn)行比較，在不破壞花生籽仁的情況下即可檢測到花生膳食纖維含量，且此方法具有可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

構(gòu)建膳食纖維含量近紅外模型的花生試驗材料來自從全國各地引進(jìn)的優(yōu)異食用型花生種質(zhì)資源，共計65份，60份樣品用于構(gòu)建膳食纖維含量模型，另外挑選晉花3號、豫花23、冀油9號、花育662、遠(yuǎn)雜9874這5個品種為外部檢驗樣品。花生樣品均為當(dāng)年收獲的自然風(fēng)干后的種子（表1）。

表1 參試花生品種名稱

1.2 光譜采集

采集光譜數(shù)據(jù)采用德國布魯克光譜儀器公司生產(chǎn)的傅立葉近紅外光譜儀Matrix-I。光譜儀掃描光譜范圍為3 594.9～12 489.4 cm-1，掃描次數(shù)64次，分辨率為8 cm－1。檢測樣品前開機預(yù)熱30 min后，樣品杯中裝入30～50粒種子，重復(fù)掃描3次。測定時樣品杯自動旋轉(zhuǎn)，以增加采樣面積來獲得種子的近紅外光譜信息。

1.3 膳食纖維含量的化學(xué)測定方法

按照GB 5009.88-2014中的《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測定》中的酶重量法進(jìn)行花生膳食纖維含量的測定[11]。

1.4 模型構(gòu)建與優(yōu)化

采用布魯克光譜儀Matrix-I型近紅外光譜儀自帶的OPUS 7.8軟件進(jìn)行光譜處理和模型構(gòu)建。將采集的近紅外光譜數(shù)據(jù)與常規(guī)化學(xué)測定的膳食纖維含量化學(xué)值進(jìn)行擬合光譜處理，用偏最小二乘法建立模型，自動剔除奇異點，選擇最佳光譜預(yù)處理方法、最佳譜區(qū)、維數(shù)，做進(jìn)一步驗證。并通過比較樣品中預(yù)測值與真值的決定系數(shù)（R2）和定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSECV）衡量模型質(zhì)量，篩選最佳模型。模型驗證采用外部交叉驗證，即隨機挑選驗證樣品，利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對樣品的預(yù)測值和真值進(jìn)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 花生樣品膳食纖維含量近紅外光譜采集

本研究所采集的自然風(fēng)干多粒種子花生樣品的近紅外光譜見圖1。 參試樣品的光譜范圍在3 594.9～12 489.4 cm-1之間曲線趨勢大致相同，每個樣品存在多處吸收峰，但不同樣品在同一吸收峰的峰值不同。表明花生籽仁的近紅外吸收光譜可以用于膳食纖維含量的定性定量分析，符合花生種子近紅外光譜特征。

圖1 花生籽仁樣品的近紅外掃描光譜

2.2 花生籽仁中膳食纖維含量的化學(xué)分析

依據(jù)GB 5009.88-2014中的《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測定》中的酶重量法對60份花生種質(zhì)的總膳食纖維含量進(jìn)行化學(xué)測定，結(jié)果見表2。由表2可知，總膳食纖維含量范圍在17.38%～21.59%之間，平均值為19.42%，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.133，變異系數(shù)為6.26。本試驗選取的花生品種的膳食纖維含量的變異系數(shù)較大，分布范圍較廣，代表性較好，可進(jìn)行近紅外光譜定標(biāo)預(yù)測。

表2 樣品的化學(xué)測定值

2.3 膳食纖維含量的近紅外模型構(gòu)建

模型構(gòu)建采用Matrix-I型近紅外光譜儀自帶的OPUS 7.8軟件，采用偏最小二乘法（Modified PLS）構(gòu)建膳食纖維近紅外光譜定標(biāo)模型，經(jīng)內(nèi)部交叉檢驗和優(yōu)化，確定最佳光譜預(yù)處理方法為，最小–最大歸一化法，光譜范圍在3 594.9～12 489.4 cm-1，維數(shù)為9，所建模型中膳食纖維含量的定標(biāo)決定系數(shù)（R2）為83.04，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差較小為0.42，PRD為2.43（大于2.4），表明所建模型較好（圖2）。

圖2 膳食纖維含量的近紅外與化學(xué)測定散點

2.4 膳食纖維含量的預(yù)測效果驗證

另取5份花生樣品對所建模型效果進(jìn)行外部驗證，膳食纖維含量預(yù)測值與真值的偏差范圍為-0.051 1～0.076 5，值較小（表3）。將預(yù)測值與真值進(jìn)行配對樣本t檢驗，結(jié)果表明，預(yù)測值和真值的均值差為0.098，自由度為4，t檢驗值為-0.930

表3 花生樣品膳食纖維含量預(yù)測值與真值比較

3 討論與結(jié)論

為了縮短對品質(zhì)指標(biāo)的分析時間及縮短育種進(jìn)程，已利用近紅外光譜分析技術(shù)建立了品質(zhì)的定量分析模型。為了充實其他品質(zhì)指標(biāo)的定量分析，本研究利用近紅外光譜儀掃描的近紅外光譜信息，構(gòu)建了花生膳食纖維含量的測定模型，維數(shù)是9，模型的內(nèi)部交叉檢驗決定系數(shù)（R2）83.04，R2較高，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSECV）為0.42，PRD為2.43。經(jīng)外部驗證，預(yù)測值和真值差異不顯著，所建模型的建模效果較好，盡管該模型的構(gòu)建存在一定的誤差，也有待進(jìn)一步優(yōu)化，但證實可以替代復(fù)雜的化學(xué)分析，實現(xiàn)膳食纖維含量的準(zhǔn)確預(yù)測，解決了常規(guī)品質(zhì)育種過程中大規(guī)模品質(zhì)分析檢測的難題，縮短了育種進(jìn)程，提高了育種效率，為花生的品質(zhì)鑒定和篩選提供了理論依據(jù)。