单粒大豆的近红外光谱特征及品种鉴别研究-中国科学技术协会.docVIP

单粒大豆的近红外光谱特征及品种鉴别研究 朱大洲，王 坤，周光华，侯瑞锋，王 成* 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097 摘 要 随着大豆生产及豆制品加工业的发展,大豆的品质育种已越来越被育种家所重视。传统的破坏性抽样检测方法已难以满足育种过程中早代材料的快速筛选要求。近红外光谱技术已在大豆品质检测中得到了广泛应用，但都是针对大量样本的，不能满足育种过程中对少量甚至单粒大豆品质检测的需求。文章采用AOTF近红外光谱仪对单粒大豆的漫反射光谱进行了研究。实验中测定了两个品种的大豆，分别是60粒“垦鉴豆43”和60粒“中黄13”。根据单粒大豆的近红外光谱，结合软独立建模分类法（SIMCA）建立定性分析模型，可准确鉴别大豆的品种。其研究中对“垦鉴豆43”和“中黄13”的识别正确率为100%。通过在不同部位多次测定单粒大豆的光谱，表明对于单粒种子的测定，光谱的准确获取及光谱的代表性是关键。大豆籽粒的表面形态对光谱扫描影响很大。对于表面光滑的大豆，光谱的重复性较好，而存在表面缺陷的种子，多次扫描得到的光谱存在明显差异。作为育种中快速筛选方法的需要，可在外观鉴定剔除表面缺陷的种子后，采用近红外光谱对内部成分进行检测，从而降低外部形态对光谱扫描的影响。 关键词 近红外光谱；单粒；大豆；种子 中图分类号： TP391 文献标识码： A DOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2010)12-3217-05 引言 近红外光谱技术具有无损、操作简单、处理量大、客观准确、快速无污染等优点,在大豆等谷物品质分析中得到了广泛的应用。Pazdernik 等［1］利用大豆粉沫和混合籽粒样品研究五种脂肪酸的NIRS 预测模型。Kovalenko 等［2］对大豆中的氨基酸组分进行了近红外光谱的研究。Delwiche小组试图通过测定整颗大豆的近红外透射谱图来确定其中的蛋白质含量［3］和磷含量［4］。近几年来，国内大豆的近红外检测技术也得到了深入研究，测量方式包括透射分析、漫反射分析，测量对象也分大豆粉末测量和整粒大豆直接测定。赵武善等用FOSS 公司生产的Infratec 1255型近红外光谱透射仪扫描样品, 主要检测大豆籽粒的水分、蛋白、脂肪。韩熹等［5］利用国产近红外谷物分析仪建立了短波透射型近红外光谱对大豆样品中的粗蛋白和粗脂肪的快速测定方法。薛雅琳等［6］将粉粹过的样品过40目筛后扫描其光谱，用于测定大豆的水分含量。柴玉华等［7］使用Perten公司带有0.8 mm筛子的3100型实验室磨将大豆样品经过研磨以达到颗粒大小一致，用于检测大豆脂肪酸含量。孙君明等将30 g左右大豆粉末样品盛于直径50 mm的旋转样品池中,测定其漫反射光谱。上述研究表明，近红外光谱分析可用于测定大豆的水分、蛋白、脂肪、脂肪酸等成分。随着大豆生产的发展,大豆的品质育种已越来越被育种家所重视。育种过程中大豆品质的检测更加 频繁，传统检测方法存在时间长、费用高、只能抽样检测等缺点。近红外光谱技术有望解决该问题。上述研究均是针对一定量的样本进行测定的，样品量在10～50g。然而在育种过程中，针对早代材料的快速筛选，育种家迫切需要针对少量样品甚至单粒样品的无损检测技术。单粒大豆的近红外检测涉及一系列光谱扫描、定标模型开发的新问题。本研究尝试采用近红外光谱漫反射测量技术对单粒大豆的品种鉴别进行探讨。 1 材料与方法 1.1 实验材料 选取了60粒“恳鉴豆43”和60粒“中黄13”，共计120粒大豆。这些样品已经过正常风干处理，分装于封口塑料袋中, 编号保存于4 ℃冰箱中。这120粒大豆在选取时已经剔除了具有严重损伤、瘪粒的种子。为了使样品更具代表性，各样品具有不同的大小尺寸。 1.2 光谱测量 采用美国Brimrose公司的limia5030便携式AOTF近红外光谱仪测定大豆的近红外光谱。将大豆水平放置在光谱仪的漫反射测量探头上，探头的出光孔是针对大豆的尺寸定制的。光谱仪的测量范围为1300～2500nm，分辨率2nm，每次测量时扫描300次取平均光谱作为输出。每粒大豆扫描完底面时，将其翻转180°，测量其背面的光谱。将两次测量的光谱取平均作为该粒大豆的近红外光谱。测量上下两个位置是为了消除样本不均匀引起的散射误差。 为了研究单粒大豆近红外光谱的采集方法，选取了两粒特殊的大豆，见图1。其中一粒大豆（a）的其中一面是光滑的，而另外一面存在凸凹不平的缺陷，见图1（a）上表面；另外一粒（b）的上下两个表面都非常光滑、饱满。针对这两粒大豆，将其水平放置，用镊子夹住，调整其水平放置的角度，在十个不同的角度放置时分别测量其漫反射光谱。探讨不同放置角度时光谱扫描的重复性。用镊子夹的过程中避免用手接触大豆，防止手上的水