近紅外技術(shù)對(duì)南疆核桃品種的鑒定及品質(zhì)比較

摘要：新疆是中國(guó)核桃（Juglans regia L.）的起源地之一，蘊(yùn)藏著豐富的核桃種質(zhì)資源。但是不同核桃品種的品質(zhì)存在較大的差異。試驗(yàn)以阿克蘇地區(qū)主栽核桃品種新翠豐（J. regia cv. Xincuifeng）、新新2號(hào)（J. regia cv. Xinxin No. 2）、溫138（J. regia cv. Wen 138）、溫185（J. regia cv. Wen 185）、紙皮核桃（J. regia cv. Zhipi.）為研究對(duì)象，利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)不同品種核桃進(jìn)行光譜掃描，根據(jù)不同吸光度鑒定核桃品種及品質(zhì)。結(jié)果表明，在波數(shù)5 848～5 767 cm-1范圍內(nèi)，新翠豐的吸光度為0.611，新新2號(hào)的吸光度為0.554，溫138、紙皮核桃的吸光度為0.469，溫185的吸光度為0.448，此特征峰可作為核桃品種及實(shí)生后代鑒定的依據(jù)。比較紙皮核桃及溫138的品質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，在波數(shù)7 090～6 900 cm-1范圍內(nèi)，C-H的吸收峰是溫138高于紙皮核桃；在波數(shù)5 210～4 760 cm-1范圍內(nèi)，O-H的吸收峰是紙皮核桃高于溫138；在波數(shù) 4 650 cm-1，N-H的吸收峰也是紙皮核桃高于溫138。紙皮核桃的綜合品質(zhì)較好，與營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定結(jié)果相符，說(shuō)明利用近紅外光譜分析技術(shù)可以快速區(qū)別核桃品質(zhì)的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：核桃（Juglans regia L.）；近紅外光；品種鑒定；品質(zhì)比較；新疆

中圖分類(lèi)號(hào)：S664.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）10-2559-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.027

Abstract： Aas one of the origin of Chinese walnut（Juglans regia L.）， Xinjiang is rich in walnut germplasms. However， there were big differences between the quality of different walnut cultivars. Taking the main walnut cultivars in Akesu area including J. regia cv Xincuifeng，J. regia cv Xinxin No. 2，J. regia cv. Wen 138，J. regia cv. Wen 185， J. regia cv. Zhipi as material，spectral scanning of different walnut cultivars were conducted by near-infrared（NIR）. Walnut cultiver and quality was identified according to the absorbance. The results showed that in the wavelength range 5 848 to 5 767 cm-1， the absorbance of each cultivar was J. regia cv. Xincuifeng，0.611；J. regia cv. Xinxin No. 2，0.554； J. regia cv. Wen 138 and J. regia cv. Zhipi，0.469；J. regia cv. Wen 185， 0.448；and the characteristic absorption band could be used as the basis for cultivar and seedling offspring identification. For J. regia cv. Zhipi and J. regia cv. Wen 138，the C-H absorption peak in the 7 090 to 6 900 cm-1 range of J. regia cv.. Wen 138 was higher than that of J. regia cv. Zhipi；while O-H absorption peak in the 5 210 to 4 760 cm-1 range and N-H absorption peak at 4 650 cm-1 of J. regia cv. Zhipi was higher than that of J. regia cv. Wen 138. J. regia cv. Zhipi had better overall quality，same as the experimental results，indicating that NIR could be used for rapid identification of walnut quality.

Key words： walnut（Juglans regia L.）； near-infrared； species identification； quality comparison； Xinjiang

核桃（Juglans regia L.）也叫胡桃、羌桃，屬于胡桃科（Juglandaceae）胡桃屬（Juglans L.）植物，是多年生落葉果樹(shù)，與扁桃、腰果、榛子并列為世界著名的四大干果[1]。核桃為木本植物，屬于喜溫喜濕的樹(shù)種，比較適宜亞熱帶氣候條件，適宜溫暖與潮濕的環(huán)境，不耐寒冷與干燥的環(huán)境。生長(zhǎng)環(huán)境低溫不應(yīng)低于-5～-8 ℃，溫度過(guò)低容易導(dǎo)致樹(shù)木發(fā)生凍害，引起樹(shù)體死亡。

新疆維吾爾自治區(qū)是中國(guó)核桃的起源地之一，其獨(dú)特的氣候條件與地理位置為核桃的正常生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境。新疆核桃的種植集聚在南疆，而南疆不同的地理環(huán)境又形成了阿克蘇、喀什、和田3個(gè)主要的核桃種植區(qū)域[2]。在阿克蘇地區(qū)，種植的核桃品種主要有溫138（J. regia cv. Wen 138）、新翠豐（J. regia cv. Xincuifeng）、溫185（J. regia cv. Wen 185）、新新2號(hào)（J. regia cv. Xinxin No. 2）、紙皮核桃（J. regia cv. Zhipi）5個(gè)品種。這5個(gè)品種雖然都種植于同一地域，但品質(zhì)依然存在著差異，主要是果實(shí)中碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)的含量不同。因此，在不破壞核桃硬殼的前提下，快速、簡(jiǎn)便地鑒別出各核桃品種中上述營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的差異，需要運(yùn)用近幾年發(fā)展起來(lái)的近紅外光譜（Near-infrared，NIR）分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)核桃光譜的掃描、分析，來(lái)確定各核桃品種間的差異。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，近紅外光譜技術(shù)成為了最引人注目，發(fā)展最快的分析技術(shù)之一[3]。近紅外光是介于紫外-可見(jiàn)光（UV-Vis）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍為700～2 500 nm（波數(shù)14 286～4 000 cm-1），又分為短波（700～1 100 nm）近紅外和長(zhǎng)波（1 100～2 500 nm）近紅外2個(gè)區(qū)域。近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，主要反映的是含氫基團(tuán)X-H（如C-H、N-H、O-H等）振動(dòng)的倍頻與合頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯的差異，從而使近紅外光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，這非常適合用于含氫有機(jī)物質(zhì)的物化參數(shù)測(cè)量[4]。目前，已經(jīng)普遍認(rèn)可了NIR的快速、無(wú)損的檢測(cè)特點(diǎn)；因此，將NIR的檢測(cè)分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測(cè)、品種鑒定等方面具有一定的價(jià)值。徐霞等[5]利用近紅外光譜技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肉類(lèi)品質(zhì)的評(píng)價(jià)；Xie等[6]利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因番茄葉片進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果分類(lèi)正確率達(dá)到了89.7%；韓東海等[7]通過(guò)對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)的光學(xué)特性檢測(cè)原理進(jìn)行分析，比較了規(guī)則反射、透射和漫反射3種光特性測(cè)量方法的適用性，同時(shí)分析了以近紅外技術(shù)為基礎(chǔ)的對(duì)水果品質(zhì)快速、無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用前景；何勇等[8]利用近紅外技術(shù)對(duì)5種酸奶品種進(jìn)行聚類(lèi)分析，并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立的模型進(jìn)行品種鑒別，通過(guò)主成分分析方法，發(fā)現(xiàn)建模品種的擬合率、預(yù)測(cè)品種的識(shí)別率都達(dá)到了100%；林家永[9]通過(guò)分析近紅外光譜技術(shù)在玉米品質(zhì)、玉米青貯飼料質(zhì)量以及轉(zhuǎn)基因玉米快速分析中的應(yīng)用，對(duì)近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望；張欣等[10]通過(guò)對(duì)近紅外光譜技術(shù)在解決食源性微生物新技術(shù)應(yīng)用和控制制假摻假等食品安全問(wèn)題方面的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，探討了近紅外技術(shù)在解決農(nóng)藥獸藥殘留、濫用食品添加劑以及環(huán)境中有害物質(zhì)污染導(dǎo)致食品安全問(wèn)題時(shí)所能發(fā)揮的作用，對(duì)近紅外光譜技術(shù)在食品安全問(wèn)題中的應(yīng)用作了展望。因此，將近紅外分析技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物品質(zhì)分析中，能夠高效、快速地分析出各品種的差異，也為篩選出具有良好品質(zhì)的品種提供了便利。就目前的研究狀況來(lái)看，近紅外無(wú)損檢測(cè)分析技術(shù)在核桃品質(zhì)鑒定方面鮮有報(bào)道。為此，試驗(yàn)利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)阿克蘇地區(qū)核桃主栽品種的特異光譜峰進(jìn)行了分析，比較了各品種的光譜差異，以期為核桃實(shí)生后代鑒定及不同區(qū)域引種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1..1.1 植物材料 試驗(yàn)所用核桃樣品源于阿克蘇地區(qū)溫宿縣木本糧油林場(chǎng)，以當(dāng)?shù)卦耘嗟臏?38、新翠豐、溫185、新新2號(hào)、紙皮核桃5個(gè)品種為參試材料，在2012年9月完成采樣，每個(gè)品種采30個(gè)果實(shí)。從30個(gè)果實(shí)中選取20個(gè)大小均一的樣果進(jìn)行光譜掃描。

1.1.2 儀器 光譜儀為An-taris Ⅱ FT-NIR，美國(guó)Thermo Fisher公司生產(chǎn)，型號(hào)是傅里葉變換型，帶有漫反射積分球采樣附件，自帶TQ-Analyst軟件。

1.2 方法

1.2.1 核桃殼厚度測(cè)定 利用游標(biāo)卡尺，對(duì)各品種的20個(gè)核桃樣果進(jìn)行殼厚度測(cè)定，取20個(gè)樣果殼厚的平均值。

1.2.2 核桃仁內(nèi)營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定 對(duì)不同核桃品種進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分含量的測(cè)定，核仁中還原糖的測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸法[11]；總糖、纖維素的測(cè)定采用蒽酮比色法[12]；蛋白質(zhì)的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法[13]；總酚的測(cè)定采用普魯士藍(lán)法[14]；單寧含量的測(cè)定采用分光光度法[15]。

1.2.3 光譜采集 光譜采集前，先將核桃樣品放入室內(nèi)12 h，然后將儀器打開(kāi)預(yù)熱15 min，測(cè)量溫度為室溫，采用漫反射方式采集光譜，以?xún)x器內(nèi)部空氣為背景。光譜采集范圍是10 000～4 000 cm-1；光譜分辨率8 cm-1；掃描次數(shù)32 次，增益為2 x。將20個(gè)大小均一的樣品放置在積分球窗口上進(jìn)行光譜掃描，掃描完后取20個(gè)核桃樣果光譜的均值進(jìn)行分析。

1.2.4 光譜的處理 在光譜掃描過(guò)程中，對(duì)每個(gè)品種的20個(gè)核桃樣果進(jìn)行掃描后最終得到20條光譜；而在對(duì)不同品種間進(jìn)行光譜比較時(shí)，應(yīng)先求出這20條光譜的平均光譜，得到每個(gè)品種的光譜圖；再利用各品種的光譜圖進(jìn)行分析比較。所以在完成光譜采集后，利用TQ Ana-lyst軟件對(duì)采集的光譜進(jìn)行預(yù)處理，使得光譜趨于平滑，再計(jì)算出不同核桃品種的平均光譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 各品種20個(gè)樣果及品種的光譜

在樣品光譜掃描過(guò)程中，除樣品本身的化學(xué)信息之外，電噪聲、樣品背景和雜散光等其他因素都會(huì)或多或少地影響光譜成分，從而導(dǎo)致光譜出現(xiàn)較為復(fù)雜的重疊信息。5個(gè)核桃品種各20個(gè)樣果的光譜掃描情況見(jiàn)圖1，各個(gè)核桃品種的平均光譜見(jiàn)圖2。從圖1、圖2可見(jiàn)，不同的核桃品種由于含有相同的物質(zhì)組成（脂肪、蛋白質(zhì)、單寧、酚類(lèi)和糖類(lèi)等有機(jī)物），所以從光譜的整體走向來(lái)看呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，如5個(gè)品種核桃近紅外光譜曲線非常相似，共出現(xiàn)了6個(gè)吸收峰，并且6個(gè)吸收峰出現(xiàn)的波數(shù)范圍相同。每個(gè)吸收峰的出現(xiàn)源于不同的官能團(tuán)，而每個(gè)官能團(tuán)存在于不同的物質(zhì)中，因此可以通過(guò)吸收峰對(duì)核桃品種進(jìn)行成分分析。

近紅外光譜的吸收過(guò)程是基于一束紅外單色或復(fù)合光照射穿過(guò)樣品時(shí)，樣品的分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段的光，引起分子中化學(xué)鍵的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生光譜。而不同的化學(xué)鍵又會(huì)在不同的波段被吸收，如C-H的合頻吸收出現(xiàn)在7 090～6 900 cm-1（1 410～1 450 nm）區(qū)域；O-H的合頻出現(xiàn)在5 210～4 760 cm-1（1 920～2 100 nm）區(qū)域；N-H的合頻吸收出現(xiàn)在4 650 cm-1（2 150 nm）附近。因此，可以根據(jù)不同的吸收峰區(qū)域來(lái)判斷該樣品所含有的化學(xué)鍵類(lèi)型。

對(duì)于樣品的光譜吸收，其過(guò)程符合Lambert-Beer定律：

A=Klc。

式中，A為吸光度，K為光被吸收的比例系數(shù)，l為吸收介質(zhì)的厚度或稱(chēng)光程，c為吸光物質(zhì)的濃度。當(dāng)光程一定時(shí)，吸光度A與濃度c呈線性關(guān)系；當(dāng)濃度一定時(shí)，吸光度A與光程l呈線性關(guān)系，即呈正比關(guān)系。因此，可以根據(jù)各樣品在不同波數(shù)范圍內(nèi)吸光度的大小，來(lái)估計(jì)各樣品中某種物質(zhì)的含量關(guān)系。所以，結(jié)合光譜峰的區(qū)域與Lambert-Beer定律，可以估計(jì)出各樣品中物質(zhì)含量的多少以及相互關(guān)系，從而為選取較好的樣品提供簡(jiǎn)便的方法。

2.2 集合光譜

將圖2各品種原始光譜得到的平均光譜放在一個(gè)圖譜中，得到5個(gè)核桃品種的集合光譜，具體見(jiàn)圖3。由圖3可知，不同核桃品種在不同的波數(shù)范圍內(nèi)具有相同的吸收峰，但各吸收峰的吸光度存在著差異，說(shuō)明在某些物質(zhì)含量上不同。如在7 000～6 800 cm-1范圍內(nèi)，主要被吸收的官能團(tuán)是C-H，在核桃中含有C-H官能團(tuán)的物質(zhì)主要是糖類(lèi)；通過(guò)對(duì)不同核桃品種營(yíng)養(yǎng)成分含量的測(cè)定，表明核桃總糖的含量高低順序是新翠豐、新新2號(hào)、溫138、溫185、紙皮核桃。不過(guò)在光譜中，溫185的吸光度大于溫138，但這并不是因?yàn)闇y(cè)定結(jié)果或者光譜有誤，根據(jù)Lambert-Beer定律可知，吸光度A與光程l、物質(zhì)濃度c都有一定的關(guān)系，影響光程的主要因素是核桃殼的厚度。游標(biāo)卡尺對(duì)各品種樣果進(jìn)行殼厚度測(cè)定結(jié)果表明，溫185核桃殼要比溫138、紙皮核桃的殼厚，故溫185核桃的光程要長(zhǎng)于溫138，因而出現(xiàn)圖3的結(jié)果。因此，圖3光譜所示結(jié)果具有一定的實(shí)際意義。圖3的光譜結(jié)果還顯示，在陰影區(qū)域內(nèi)（波數(shù)5 848～5 767 cm-1）只出現(xiàn)了4個(gè)峰，而且不同的峰之間差異較為明顯。其中紙皮核桃與溫138的峰重疊，這是由于紙皮核桃是溫138核桃的突變體緣故，即這2種核桃的遺傳基礎(chǔ)相同；所以，可以將此處峰作為品種鑒定的關(guān)鍵峰。另外在陰影區(qū)域內(nèi)，新翠豐的吸光度為0.611，新新2號(hào)的吸光度為0.554，溫138、紙皮核桃的吸光度為0.469，溫185的吸光度為0.448。因此，在核桃的光譜掃描過(guò)程中，可以根據(jù)掃描核桃的平均光譜在該區(qū)域內(nèi)的吸光度大小進(jìn)行品種鑒定。

2.3 紙皮核桃與溫138光譜比較

鑒于溫138與紙皮核桃有著同源遺傳基礎(chǔ)和相同的吸光度，因此試驗(yàn)又對(duì)溫138和紙皮核桃的品質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，在區(qū)域Ⅰ內(nèi)，即C-H官能團(tuán)的合頻吸收峰7 090～6 900 cm-1（1 410～1 450 nm）區(qū)域，溫138的吸光度高于紙皮核桃，考慮到光程，溫138比紙皮核桃的殼厚，其光程要長(zhǎng)；在不考慮濃度的情況下，其吸光度是比紙皮核桃高，這與圖3的結(jié)果相符；接著考慮物質(zhì)濃度，根據(jù)Lambert-Beer定律可知，物質(zhì)濃度越高則吸光度越大。測(cè)定結(jié)果表明，溫138的吸光度高于紙皮核桃，說(shuō)明在溫138內(nèi)含C-H官能團(tuán)的物質(zhì)濃度要高于紙皮核桃。在核桃中，含有C-H官能團(tuán)的大多數(shù)為糖類(lèi)物質(zhì)（包括還原糖、總糖、纖維素等），所以，可以得出溫138比紙皮核桃中的糖類(lèi)物質(zhì)含量稍高一些。

在區(qū)域Ⅱ、Ⅲ內(nèi)可以看到，溫138的吸光度低于紙皮核桃，當(dāng)考慮光程時(shí)，在濃度一定時(shí)，溫138比紙皮核桃的吸光度大，因此可以肯定，在區(qū)域Ⅱ、Ⅲ內(nèi)，紙皮核桃中的物質(zhì)含量要高于溫138。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)，即O-H官能團(tuán)的吸收峰5 210～4 760 cm-1（1 920～2 100 nm）區(qū)域主要是酚類(lèi)物質(zhì)，如總多酚、單寧等。對(duì)于酚類(lèi)物質(zhì)而言，主要影響核桃的口感及抗氧化性能，如單寧含量越多，核桃口感澀味越重，不利于核桃品質(zhì)的提高；總多酚含量越高，則抗氧化性能越強(qiáng)，品質(zhì)越好。因此，在口感方面，紙皮核桃較溫138的口感澀味重，但紙皮核桃比溫138的抗氧化能力強(qiáng)。在區(qū)域Ⅲ內(nèi)，即N-H官能團(tuán)的吸收峰在4 650 cm-1（2 150 nm）附近，仍是紙皮核桃高于溫138的吸光度，在核桃中含有N-H官能團(tuán)的主要是蛋白質(zhì)，因此，可以肯定，紙皮核桃中的蛋白質(zhì)含量要比溫138高。

對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定結(jié)果表明，溫138的還原糖的含量為0.664 5%、總糖的含量為0.499 4%、纖維素的含量為0.270 1%，紙皮核桃的還原糖含量為0.663 9%、總糖含量為0.456 1%、纖維素含量為0.256 3%，溫138的含C-H官能團(tuán)的物質(zhì)均高于紙皮核桃。紙皮核桃的蛋白質(zhì)含量為0.893 4 mg/g、總多酚含量為0.079 mg/g、單寧含量為0.801 mg/g，均高于溫138的蛋白質(zhì)含量0.709 9 mg/g、總多酚含量0.050 mg/g、單寧含量0.570 mg/g，紙皮核桃的N-H、O-H官能團(tuán)物質(zhì)均高于溫138，這與光譜分析結(jié)果相符。

3 小結(jié)

試驗(yàn)利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)阿克蘇地區(qū)核桃主栽品種的特異光譜峰進(jìn)行了分析，比較了當(dāng)?shù)卦耘嗟臏?38、新翠豐、溫185、新新2號(hào)、紙皮核桃5個(gè)品種的光譜差異，并依據(jù)不同吸光度鑒定核桃品種及品質(zhì)。光譜分析結(jié)果表明，在波數(shù)5 848～5 767 cm-1范圍內(nèi)，新翠豐的吸光度為0.611，新新2號(hào)的吸光度為0.554，溫138、紙皮核桃的吸光度為0.469，溫185的吸光度為0.448，此特征峰可作為各品種及實(shí)生后代鑒定的依據(jù)。

經(jīng)比較紙皮核桃及溫138的品質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，在波數(shù)7 090～6 900 cm-1范圍內(nèi)，C-H的吸收峰是溫138高于紙皮核桃；在波數(shù)5 210～4 760 cm-1范圍內(nèi)， O-H的吸收峰是紙皮核桃高于溫138核桃；在波數(shù)4 650 cm-1，N-H的吸收峰也是紙皮核桃高于溫138。營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定結(jié)果表明，溫138的還原糖含量為0.664 5%、總糖含量為0.499 4%、纖維素含量為0.270 1%，紙皮核桃的還原糖含量為0.663 9%、總糖含量為0.456 1%、纖維素含量為0.256 3%，溫138的含C-H官能團(tuán)物質(zhì)均高于紙皮核桃。紙皮核桃的蛋白質(zhì)含量為0.893 4 mg/g、總多酚含量為0.079 mg/g、單寧含量為0.801 mg/g，溫138的蛋白質(zhì)含量為0.709 9 mg/g、總多酚含量為0.050 mg/g、單寧含量為0.570 mg/g，紙皮核桃的N-H、O-H官能團(tuán)物質(zhì)均高于溫138。反映出2種分析方法結(jié)果是相符的，說(shuō)明利用近紅外光譜分析技術(shù)可以快速區(qū)別核桃品質(zhì)的優(yōu)劣。同時(shí)說(shuō)明紙皮核桃比溫138核桃的糖類(lèi)物質(zhì)含量少，酚類(lèi)物質(zhì)含量多，抗氧化性能強(qiáng)；但口感澀味重，蛋白質(zhì)含量也比溫138高。綜合各營(yíng)養(yǎng)成分后確認(rèn)，紙皮核桃比溫138核桃的品質(zhì)好。

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