3種顏色玉米胚乳胚芽的FTIR結(jié)合聚類分析研究

郝建明 劉剛 歐全宏 周湘萍

摘要

[目的]研究玉米胚乳胚芽的傅里葉變換紅外光譜，為鑒別不同種類玉米提供科學(xué)手段。 [方法]利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)聚類分析對3種類型的玉米實體樣本的胚乳胚芽進行研究。[結(jié)果] 原始紅外光譜700～1 800 cm-1總體特征相似，主要是由多糖、蛋白質(zhì)、脂類等吸收譜峰組成，在此范圍內(nèi)3種樣本的原始光譜存在微小的差異。對光譜進行一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)處理， 用二階導(dǎo)數(shù)光譜進行系統(tǒng)聚類分析（HCA ）， 結(jié)果表明二階導(dǎo)數(shù)光譜700～1 800 cm-1范圍按玉米胚芽和胚乳樣本聚類效果較好，52個樣本能按3個種類很好地聚類， 分類正確率達96.1%。[結(jié)論] 紅外光譜結(jié)合系統(tǒng)聚類分析方法可用于鑒別不同種玉米胚乳胚芽，具有方便、快速的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞 二階導(dǎo)數(shù); 傅里葉變換紅外光譜; 系統(tǒng)聚類分析; 玉米胚乳胚芽

中圖分類號 S513 ?文獻標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12031-04

Investigation of Yunnan corn by Characteristic spectrum of Fourier transform infrared spectroscopy combined with cluster analysis

HAO Jianming， LIU Gang， OU Quanhong et al

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract ?[Objective] The research aimed to study the germ and endosperm of corn by Fourier transform infrared spectrooscopy（FTIR） to provide scientific way for identifying germ and endosperm from different types. [Method]The infrared spectra combined with hierarchical cluster of germ and endosperm from three different types were analyzed. [Result] The results show that the original characteristic infrared spectra of samples are very similar， main absorption peak were composed by polysaccharides， proteins， and lipids.There are three samples spectral data small differences in the range of 700-1 800 cm-1.The samples were processed by first derivative and second derivative spectra.，and second derivative spectra of the cluster. The results display： the second derivative spectra give satisfactory results from the germ and endosperm of samples in the range of 700-1 800 cm-1， 52 samples can be classified with correct rate of 96.1%. [Conclusion] The FTIR combined with HCA might be a rapid， convenient simple and nondestructive method in determination of origin of agricultural products.

Key words Second derivative; Fourier transform infrared spectroscopy; Hierarchical cluster analysis; Germ and endosperm of corn

玉米屬早熟禾本科（Poaceae）玉秫黍族（Maydeae）一年生谷類植物，學(xué)名Zea mays，起源于北、中、南美洲。植株高大，莖強壯，挺直。它由果皮、胚乳、子葉、胚芽、胚軸、胚根構(gòu)成，是人類主要糧食之一。玉米素有長壽食品的美稱，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、微量元素、纖維素及多糖等。由于云南省具有獨特的地理位置和天然的氣候條件，一年四季均可種植玉米。春玉米多分布于滇東北、滇西北一熟區(qū)，夏玉米分布于滇中二熟區(qū)和南部山區(qū)，秋冬玉米分布于江邊河谷區(qū)和滇南多熟區(qū)。

玉米可按不同方式進行多種分類，在貿(mào)易中只把玉米分為粉質(zhì)和膠質(zhì)2種類型。根據(jù)顏色進行區(qū)分，常見的有黃玉米、白玉米2種或黃白兩色玉米。按籽粒形態(tài)與結(jié)構(gòu)，分為硬粒型、馬齒型、粉質(zhì)型、甜質(zhì)型、甜粉型、爆裂型、蠟質(zhì)型、有稃型、半馬齒型9個類型。 按生育期分類，分為早熟品種、中熟品種、晚熟品種。 按籽粒成分與用途，分為特用玉米、普通玉米2個品種，其中特種玉米又可分為高賴氨酸玉米、糯玉米、甜玉米[1]、爆裂玉米、高油玉米等。

最為簡單、直觀的分類就是根據(jù)外表種皮顏色鑒別，但對其含量、營養(yǎng)成分等信息無法獲取。玉米種子成分的分析方法有近紅外分析、核磁共振、化學(xué)分析方法和紅外分析法等。這些方法各有優(yōu)缺點。傅里葉變換紅外光譜法能快速、準(zhǔn)確地檢測出玉米主要成分方面的信息， 具有快速、簡單、無損、易操作等優(yōu)點。目前，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物、化工、食品、農(nóng)林、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域， 近年來FTIR在植物、中草藥、堅果等鑒別和分類研究方面也有不少文獻報道[2-8]。孫素琴等[9-10] 對靈芝做了紅外光譜研究。劉剛等[11-12] 用FTIR光譜對野生食用菌進行了鑒別研究。周在進等[13-14]對不同產(chǎn)地小美牛肝菌、黑木耳的FTIR做鑒別及聚類分析研究。李占龍等[15]對玉米種子的成分做紅外光譜及拉曼光譜分析。晏翠瓊等[16]做了玉米胚乳、胚芽的傅里葉紅外光譜特征分析。時有明等[17]做了5種雜交玉米籽粒品質(zhì)的FTIR光譜研究。

為此，筆者利用傅里葉變換紅外光譜結(jié)合系統(tǒng)聚類分析（HCA ） 方法對云南省3種不同顏色玉米的胚乳、胚芽進行了對比分析，并且對不同顏色玉米胚乳、胚芽進行了聚類研究。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備和測試條件

紅外光譜儀為美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的FTIR Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，掃描次數(shù)為16次，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～400 cm-1。所有光譜采集利用Spectrum software version 10.3.4，光譜處理采用Omnic8.0軟件，聚類分析處理采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

1.2 樣品、制備

3種玉米樣本共計52個樣品，分別來自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，測試的所有樣品都經(jīng)清水清洗表面、晾干水汽后待測。試驗時，分別取出3種玉米52個樣品的胚芽、胚乳樣品一起放入80 ℃烤箱進行烘干去水分處理，然后取少許胚芽、胚乳放入2個瑪瑙研缽磨細，再加入KBr，按1∶100比例研磨均勻，然后壓片測定傅里葉變換紅外光譜。在正式測試樣品前，所有光譜都已用Spectrum software version 10.3.4軟件自動扣除背景光譜。所有光譜均經(jīng)過9點平滑、基線校正和歸一化的預(yù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 ?3種玉米的紅外光譜特征

圖1為3種玉米胚芽的原始紅外光譜，其中a是編號bnby（白色糯玉米胚芽）的紅外光譜平均光譜圖，b是編號為htby（黃甜脆玉米胚芽）的紅外光譜平均光譜圖，c是編號為lsby（兩色甜脆玉米胚芽）的紅外光譜平均光譜圖。圖2為3種玉米胚乳的傅里葉變換紅外光譜圖，其中d是編號bnb（白色糯玉米胚乳）的紅外光譜平均光譜圖，e是編號htb（黃甜脆玉米胚乳）的紅外光譜平均光譜圖，f是編號lsb（兩色甜脆玉米胚乳）的紅外光譜平均光譜圖。

圖1 3種玉米胚芽（左）、胚乳（右）的紅外光譜平均光譜圖

從圖1可以看出，玉米胚芽主要為3 367、2 928、1 653、1 671、1 246 cm-1，玉米胚乳主要為3 410、2 930、1 571、1 420、1 246 cm-1。其中，3 367 cm-1附近的寬峰主要為來自多糖、蛋白質(zhì)的羥基和氨基的伸縮振動;2 928、2 930 cm-1附近譜峰主要為來自脂類、多糖、蛋白質(zhì)等甲基、亞甲基的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動，1 653、1 571 cm-1附近譜峰為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶吸收峰，歸屬為C = O 伸縮振動和N-H 彎曲振動;1 500～1 200 cm-1范圍為蛋白質(zhì)、脂肪酸和多糖的混合振動吸收區(qū);胚芽的最強鋒出現(xiàn)在2 928 cm-1附近歸屬為脂類，胚乳的最強鋒出現(xiàn)在1 000 cm-1附近歸屬為碳水化合物。

2.2 3種玉米胚乳胚芽紅外光譜差異

對圖1中52個樣本玉米胚乳、胚芽的紅外光譜進行比較，原始光譜整體上比較相似，表明它們所含的主要化學(xué)組分非常相似。但是，3種顏色玉米在1 800～700 cm-1范圍光譜在峰數(shù)、峰位、峰強上存在一定的差異，具有指紋性和特征性。從玉米胚芽（圖1左）和胚乳（圖1右）的平均光譜圖也可以看出它們的一些差異。圖1右在3 367 cm-1附近的寬峰強度比圖1左要強，說明玉米胚乳的多糖含量高于胚芽;在波數(shù)為2 928 cm-1附近，圖1右的峰要高于圖1左，說明玉米胚芽的脂類含量高于玉米胚乳;在波數(shù)為1 000 cm-1附近圖1右的峰要高于圖1左，說明胚乳的碳水化合物較胚芽要豐富。圖1光譜圖存在的這些差異可能與各色玉米主要化學(xué)成分含量有關(guān)， 但總體上差異不是十分明顯。為了能夠更好地顯示1 000～1 800 cm-1之間樣本光譜的差異，對該范圍3種顏色玉米胚芽、胚乳光譜求一階導(dǎo)數(shù)（圖2）和二階導(dǎo)數(shù)光譜（圖3）。

圖2 3種玉米胚芽胚乳的-階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖

圖3 3種玉米芽胚乳的二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖

從圖2的3種玉米胚芽胚乳的一階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖可以看出，玉米胚芽（左圖）在1 748 cm-1附近有一個很強的尖峰出現(xiàn)，歸屬為脂類羰基振動吸收，玉米胚乳此處無明顯尖峰，在酰胺Ⅰ帶的吸收帶上胚芽胚乳吸收峰不明顯。但是，在1 000 cm-1附近圖2右的譜峰明顯強于圖2左，也說明胚乳的碳水化合物含量多于胚芽。

在圖3的3種玉米胚芽胚乳的二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖中，胚芽（左圖）在1 748 cm-1附近出現(xiàn)了一個很強的反峰，胚乳（右圖）中e、f譜圖雖有反峰，但明顯弱于左圖，而d圖無明顯反峰，同樣說明胚芽的脂類含量要多于胚乳，在1 000 cm-1附近圖3右的譜峰明顯強于圖2左，再次有力地說明胚乳的碳水化合物含量多于胚芽。

2.3 3種玉米相關(guān)性分析及系統(tǒng)聚類分析（HCA）

通過計算相關(guān)系數(shù)對樣品進行相關(guān)分析，可以衡量變量之間線性相關(guān)程度的強弱，進而可以得到兩樣品之間的相似程度。在700～1 800 cm-1范圍內(nèi)，利用以下公式對3種玉米的胚乳、胚芽二階導(dǎo)數(shù)平均光譜進行相關(guān)系數(shù)計算，其中r為相關(guān)系數(shù)，xi和yi分別為光譜x和y在頻率i時所對應(yīng)的吸光度，x和y分別為吸光度的平均值。

r=

∑1 800i=700（xi-x）（yi-y）

∑1 800i=700（xi-x）2（yi-y）2

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，同種玉米胚乳之間、胚芽之間的一階、二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖的相關(guān)系數(shù)都在0.908以上，表明不同種樣品的胚芽之間和胚乳之間的化學(xué)成分相同或化學(xué)成分的相對含量相近，同種樣品的胚芽與胚乳之間以及不同種樣品的胚芽與胚乳之間的一階、二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖的相關(guān)系數(shù)相差較大，如白糯玉米胚芽與胚乳的一階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)為0.364～0.989，黃甜脆玉米胚芽與胚乳的一階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)在0.364～0.988之間變動;兩色甜脆玉米胚芽與胚乳的一階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)在0.435～0.996之間變動。白糯玉米胚芽間或胚乳間、胚芽與胚乳間的二階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)在-0.298～0.994之間變動;黃甜脆玉米胚芽間或胚乳間、胚芽與胚乳間的二階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)在-0.282～0.987之間變動;兩色甜脆玉米胚芽間或胚乳間、胚芽與胚乳間的二階導(dǎo)數(shù)譜的相關(guān)系數(shù)在-0.268～0.990之間變動?？傮w來說，同種顏色玉米胚芽間、胚乳間、胚芽與胚乳間和不同種顏色玉米胚芽間、胚乳間、胚芽與胚乳間的相關(guān)系數(shù)各不相同，表明玉米的化學(xué)成分或者說各成分的相對含量發(fā)生了一定的變化。

在比較了3種玉米胚芽間、胚乳間以及胚芽胚乳間的一、二階平均光譜圖的相關(guān)系數(shù)后，筆者進一步做了二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)的聚類分析。系統(tǒng)聚類分析是采用定量數(shù)學(xué)方法，根據(jù)一批樣本的多個觀測指標(biāo)具體找出一些能夠度量樣本之間相似程度的統(tǒng)計量。以這些統(tǒng)計量為劃分類型的依據(jù)，其基本分類思想是把一些相似程度較大的樣本聚合為一類，把另外一些彼此之間相似程度較大的樣本又聚合為另一類，關(guān)系密切的聚合到一個小的分類單位，關(guān)系疏遠的聚合到一個大的分類單位，直到把所有的樣本聚合完畢。這種化學(xué)計量學(xué)方法具有很大的實用價值，近年來應(yīng)用比較廣泛。郝朝運等[18]應(yīng)用聚類分析對忍冬科植物進行了分類研究。洪慶紅等[19]應(yīng)用聚類分析對菟絲子真?zhèn)芜M行鑒別研究。李志永等[20]對蠶豆病害葉做了紅外光譜與聚類分析。

42卷34期

郝建明等 3種顏色玉米胚乳胚芽的FTIR結(jié)合聚類分析研究

圖4 700～1 800 cm-1范圍3種玉米胚乳和胚芽三階導(dǎo)數(shù)光譜系統(tǒng)聚類圖

這里選取所有樣本二階導(dǎo)數(shù)光譜在700～1 800 cm-1范圍的吸光度值，構(gòu)成各自的吸光度矩陣，采用歐氏距離（ Euclidean distance），應(yīng)用聚類分析中的離差平方和法（Wards method），對不同顏色玉米進行系統(tǒng)聚類分析。結(jié)果顯示，二階導(dǎo)數(shù)光譜在此范圍按不同產(chǎn)地聚類效果較好。從圖4可以看出，3種顏色玉米胚乳胚芽的樣本能夠按種類各自聚合在一起，與實際情況比較相符，品種與分類存在有一定的相關(guān)性。在聚類圖中，若按不同分類水平，可以劃分為不同的類群。從圖中可以看出，不同產(chǎn)地52個玉米胚芽、胚乳的樣本能夠按6個分類各自聚合在一起，與玉米顏色按胚芽、胚乳進行分類比較相符。聚類圖顯示了不同分類水平可按不同類群劃分，但明顯地可以看出，按6類水平來分，3種不同顏色類玉米按照胚乳、胚芽被很好地歸類，分類正確率達96.1%，取得滿意的分類效果。

3 ?結(jié)論與討論

研究表明，3種玉米胚乳、胚芽原始紅外光譜峰形和峰位整體上比較相似，表明它們含有相同的化學(xué)組分，主要為多糖、蛋白質(zhì)、脂類及碳水化合物。但是，在700～1 800 cm-1范圍，峰數(shù)、峰位、峰形存在一定差異，波數(shù)在3 367 cm-1附近的寬峰強度說明3種玉米胚乳的多糖含量高于胚芽;波數(shù)在2 928 cm-1附近的峰強度說明3種玉米胚芽的脂肪含量高于胚乳;波數(shù)在1 000附近的峰高說明胚乳的碳水化合物含量高于胚芽。波數(shù)在1 748 cm-1附近的反峰強度也表明胚芽的脂肪含量高于胚乳;1 000 cm-1附近反峰強度顯示，胚乳的碳水化合物高于胚芽。在700～1 800 cm-1范圍內(nèi)對3種玉米進行聚類與相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)同種玉米胚乳之間、胚芽之間的一階、二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖的相關(guān)系數(shù)都在0.908以上，表明不同種樣品之間的胚乳、胚芽有相同或化學(xué)成分的相對含量相近;同種樣品胚乳與胚芽之間一階、二階導(dǎo)數(shù)平均光譜圖的相關(guān)系數(shù)存在較大差異，表明玉米的化學(xué)成分或者說各成分的相對含量發(fā)生一定的變化。應(yīng)用聚類分析中的離差平方和法（Wards method）對不同顏色玉米（52個胚乳、胚芽樣本）進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果得出同色玉米能按胚乳、胚芽各自聚合在一起，與玉米顏色按胚乳、胚芽進行分類比較相符。分類正確率達到96.1%，分類效果較滿意。

研究中，紅外光譜反映不同色玉米胚乳、胚芽的基本成分是一樣的，但是各成分的含量有一定的差異，人們食用時的口感有一定差別。該研究中的樣品數(shù)量有限，其結(jié)果有一定的參考價值。要得出一般性結(jié)論，還應(yīng)選用大量的樣品進行進一步的研究。另外，不同色玉米在食用方面的口味、口感是有差異的。這可能與白色糯玉米、黃甜脆玉米、兩色甜脆玉米中基本成分所占的比例不同有關(guān)。通過定量地分析紅外吸收光譜，還可以得出各樣品基本成分所占的比例。這有待進一步研究。

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