現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)在小麥領(lǐng)域的應(yīng)用

曹文昕，張平治，萬映秀，張琪琪，李 炎

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，安徽合肥 230031；2.國家小麥改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)在小麥領(lǐng)域的應(yīng)用

曹文昕1，2，張平治1，2，萬映秀1，2，張琪琪1，2，李 炎1

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，安徽合肥 230031；2.國家小麥改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

摘要闡述了現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)的原理，介紹了近紅外光譜分析技術(shù)在當前小麥品質(zhì)育種、生產(chǎn)加工、籽粒和病害識別、抗性鑒定及網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)監(jiān)測技術(shù)方面的應(yīng)用進展，并展望了未來的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞小麥；近紅外技術(shù)；應(yīng)用

現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)是20世紀中葉首先從農(nóng)業(yè)分析開始發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，近年來得到了快速發(fā)展，其所受關(guān)注程度也越來越高[1]。該技術(shù)可在很短時間內(nèi)無需復(fù)雜的樣品制備過程即可完成物質(zhì)成分多組分的同步快速定量分析，有很高的分析精確度，不產(chǎn)生任何化學(xué)污染，分析成本很低，易于在實驗室尤其是工業(yè)現(xiàn)場或在線分析領(lǐng)域推廣使用。因此，在一些常規(guī)物品的品質(zhì)快速分析和監(jiān)控需求方面，近紅外光譜分析技術(shù)扮演著重要角色，已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石油化工、生物制藥、食品加工等多個領(lǐng)域中得到深入發(fā)展，其帶來的經(jīng)濟效益和社會效益非常巨大。該技術(shù)在小麥領(lǐng)域也得到快速發(fā)展，已在小麥品質(zhì)育種、生產(chǎn)加工以及病菌鑒定、蟲害識別、抗性鑒定及網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)監(jiān)測上得到深入發(fā)展，并且扮演著越來越重要的角色。為了進一步促進現(xiàn)代紅外光譜分析技術(shù)在小麥領(lǐng)域的應(yīng)用，筆者闡述了該技術(shù)的原理，介紹了該技術(shù)在當前小麥品質(zhì)育種、生產(chǎn)加工、籽粒和病害識別、抗性鑒定及網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)監(jiān)測技術(shù)方面的應(yīng)用進展，并展望了未來的應(yīng)用前景。

1近紅外光譜分析技術(shù)的原理

近紅外光譜(NIR)是一種波長介于可見光與中紅外光區(qū)間的電磁波，其波長范圍在780～2 526 nm，習(xí)慣上又將近紅外光譜區(qū)域分為近紅外短波(780～1 100 nm)和近紅外長波(1 100～2 526 nm)2個區(qū)域。有機物以及部分無機物分子的氫基團(如0=H，N=H，C=H，S=H，P=H)的運動都有其固定的振動頻率，在紅外光照射下受到激發(fā)而產(chǎn)生共振，此時近紅外光的一部分能量被吸收。近紅外光譜分析技術(shù)正是基于通過測量近紅外光的吸收情況，得到復(fù)雜的近紅外圖譜，它表示被測物質(zhì)的特征，不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有不同的吸收光譜，并且每種物質(zhì)的成分都有特定的吸收特征，這為近紅外光譜分析技術(shù)提供了技術(shù)支持[2]。

2近紅外光譜分析技術(shù)在小麥領(lǐng)域的應(yīng)用進展

2.1近紅外光譜分析技術(shù)在小麥品質(zhì)育種上的應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)最早在小麥上的應(yīng)用是美國谷物化學(xué)協(xié)會批準用于小麥蛋白質(zhì)的測定方面，同時還規(guī)定了近紅外測定小麥及面粉蛋白質(zhì)和水分含量的詳細程序[3]。以化學(xué)計量學(xué)為基礎(chǔ)的定性與定量分析標準實用細則由美國ASTM分別在1995、1996年發(fā)表公布[4]。彭玉魁等[5]利用近紅外光譜分析技術(shù)對120多份小麥品種籽粒品質(zhì)成分進行了測定，研究發(fā)現(xiàn)用近紅外光譜分析技術(shù)測得小麥樣品的水分、賴氨酸含量、粗纖維、粗蛋白與化學(xué)分析方法測定結(jié)果有較高的相關(guān)度。Delwiche等[6]研究了利用近紅外光譜分析技術(shù)非破壞性測定小麥單粒種子蛋白質(zhì)含量，結(jié)果表明該方法具有可行性。梁曉艷等[7]基于近紅外光譜分析技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)研發(fā)了一種快速檢測整粒小麥各成分含量的分析模型，可在現(xiàn)場對小麥各營養(yǎng)成分進行無損檢測。王衛(wèi)東等[8]以整粒小麥為材料利用近紅外光譜分析技術(shù)構(gòu)建了小麥單株蛋白質(zhì)含量分析方法，其分析速度快、準確度高，尤其適合小麥品質(zhì)育種的早代選擇。目前，人們已利用近紅外光譜分析技術(shù)對小麥淀粉、蛋白質(zhì)、水分、灰分、軟硬質(zhì)、損傷淀粉、銹病、SDS沉降值、淀粉酶、麩皮混入率、品種判別、氨基酸、制作面包適應(yīng)性等多方面指標進行預(yù)測[9]。

2.2近紅外光譜分析技術(shù)在小麥生產(chǎn)加工上的應(yīng)用在質(zhì)量監(jiān)控方面，近紅外分析技術(shù)相對于普通的標準分析方法有著一定的優(yōu)勢，例如，小麥收購工作的理想目標是實現(xiàn)按質(zhì)論價和按質(zhì)分類儲存，但現(xiàn)行的常規(guī)收購指標如蛋白質(zhì)含量、水分含量需要定氮儀、烘箱這些實驗室儀器，需要耗費大量的時間且分析場所有局限性。近紅外光譜分析技術(shù)可較好地解決上述問題，其給用戶帶來較大的便利性，尤其是對小麥商品糧收購和交易十分明顯。目前，很多大型的小麥加工企業(yè)和收購場所都在小麥收購的傳送帶上設(shè)置在線近紅外光譜分析儀器，它可實時分析小麥原料的蛋白質(zhì)、硬度、水分、灰分、面筋等多項數(shù)據(jù)，及時獲取收購小麥的質(zhì)量，這為糧食企業(yè)節(jié)約了大量的時間成本和人力成本，因此，在線近紅外分析技術(shù)對連續(xù)接收小麥是非常適合的。此外，小麥在存放期間易受溫度、濕度、蟲害、鼠害的影響，其品質(zhì)會發(fā)生劣變，其營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)也會受到影響，在線近紅外光譜儀通過不定期收集小麥數(shù)據(jù)進行分析，可獲知該批小麥的霉變、蟲害程度，對小麥的品質(zhì)進行實時監(jiān)測[10]。

2.3近紅外光譜分析技術(shù)在小麥病菌鑒定、蟲害識別、抗性鑒定上的應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)除了輔助于小麥品質(zhì)育種以及小麥生產(chǎn)加工監(jiān)測外，近些年還在小麥籽粒識別、蟲害、抗性鑒定上得到發(fā)展。Delwiche等[11]研究表明，近紅外光譜分析技術(shù)可用于判斷小麥籽粒受赤霉病侵染后籽粒病菌的嚴重度，為識別小麥病害籽粒帶來很大的便利性；Girolamo等[12]利用近紅外光譜分析技術(shù)判斷小麥籽粒中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的含量；Singh等[13]研究認為利用近紅外光譜分析技術(shù)可鑒別出正常的小麥籽粒和蟲噬過的小麥籽粒；Perez-Mendoza等[14]利用近紅外光譜分析技術(shù)鑒定出小麥粉中的昆蟲片段；馮偉森等[15]研究發(fā)現(xiàn)小麥種子的近紅外吸光度值與其抗旱指數(shù)相關(guān)系數(shù)2個年度均超過0.856，表明可用小麥籽粒近紅外全光譜吸光度值來預(yù)測小麥的抗旱性，為小麥抗旱性評價提供了一種能夠在育種早代進行的快速、簡單易行的鑒定技術(shù)。

2.4基于近紅外網(wǎng)絡(luò)的小麥品質(zhì)監(jiān)測技術(shù)近年來，以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托的近紅外光譜分析技術(shù)已成為近紅外分析的一個重要發(fā)展方向，它將近紅外光譜分析的優(yōu)勢在實際應(yīng)用中得到充分發(fā)揮。Williams[16]在第十四屆國際近紅外大會上提出近紅外技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化將是近紅外在未來的一個重要發(fā)展方向。朱大洲等[17]結(jié)合 GIS 技術(shù)和GPS 定位采樣技術(shù)，利用近紅外網(wǎng)絡(luò)對我國小麥主產(chǎn)區(qū)收集的不同小麥樣品品質(zhì)分布進行監(jiān)測，繪制了我國小麥不同生態(tài)區(qū)品質(zhì)分布圖，可實現(xiàn)對小麥品質(zhì)進行監(jiān)測和管理，并建立小麥的品種鑒別及種植省份識別模型，結(jié)合近紅外網(wǎng)絡(luò)不斷收集的數(shù)據(jù)，可對模型進行擴展，識別正確率較高。

3近紅外光譜分析技術(shù)在小麥領(lǐng)域上的應(yīng)用前景

隨著計算機技術(shù)、光譜學(xué)、化學(xué)計量學(xué)以及圖像識別技術(shù)的深入發(fā)展，人們對近紅外光譜分析技術(shù)特點和儀器性能將有更深入的了解和認識，結(jié)合不斷完善的數(shù)理統(tǒng)計方法，近紅外光譜分析技術(shù)在小麥種質(zhì)資源評價、品質(zhì)育種、品質(zhì)分析以及生物學(xué)研究中的應(yīng)用前景將更加廣闊。在小麥領(lǐng)域應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)時，除了需要對該技術(shù)有全面了解外，還需要應(yīng)用者在小麥領(lǐng)域內(nèi)有豐富的專業(yè)知識相配合，從而充分利用該技術(shù)。育種家、農(nóng)學(xué)家應(yīng)充分利用近紅外光譜分析技術(shù)，為我國的糧食生產(chǎn)和小麥品質(zhì)改良進一步做貢獻。

參考文獻

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The Application of Near Infrared Spectroscopy Analysis Technique in Wheat Field

CAO Wen-xin1,2, ZHANG Ping-zhi1,2, WAN Ying-xiu1,2et al

(1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, Anhui 230031; 2. Hefei Branch of National Wheat Improvement Center, Hefei, Anhui 230031)

AbstractThe principle of near infrared spectroscopy analysis technique was elaborated, and application advances of the technique in wheat quality breeding, production and processing, identification of grain and disease, resistance identification and network monitoring were introduced. The application prospect was forecasted.

Key wordsWheat; Near infrared technique; Application

基金項目國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-3-2-14)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)項目(14A0214)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團隊項目(13C0202)。

作者簡介曹文昕(1982- )，男，安徽懷寧人，助理研究員，碩士，從事小麥遺傳育種研究。

收稿日期2016-03-10

中圖分類號S 5-39

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-010-02