基于太赫茲光譜的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)研究

張蕙 劉占軍

摘 要：本文對目前已有的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)的優(yōu)缺點進(jìn)行綜述，闡述利用太赫茲時域光譜技術(shù)對玉米中的脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的可行性，并對影響定量分析的主要因素進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：太赫茲時域光譜；玉米脂肪酸；定量分析

中圖分類號：TS210.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0136-03

Quantitative Analysis of Corn Fatty Acids Based on Terahertz Spectroscopy

ZHANG Hui LIU Zhanjun

（Patent Examination Cooperation （Henan） Center of the Patent Office， SIPO，Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： In this paper， the advantages and disadvantages of the currently corn fatty acids quantitative analyzing technologies were summarized. The feasibility of corn fatty acids quantitative analyzing based on terahertz time-domain spectroscopy （THz-TDS） was analyzed， and the main factors affecting the quantitative analysis were discussed.

Keywords： terahertz time-domain spectroscopy （THz-TDS）；corn fatty acids；quantitative analysis

據(jù)國家糧油信息中心提供的數(shù)據(jù)顯示，2017/2018年度，中國玉米消費(fèi)量預(yù)計將達(dá)到2.23億t。在數(shù)目如此驚人的玉米儲存過程中，首先面臨的就是玉米的儲存品質(zhì)問題。如何快速、準(zhǔn)確地對玉米的儲存品質(zhì)進(jìn)行測定就成為我們亟待研究解決的一個重要問題。

1 現(xiàn)有玉米脂肪酸值測定技術(shù)綜述

國家于2006年發(fā)布并實施了國標(biāo)《玉米儲存品質(zhì)判定規(guī)則》（GB/T 20570—2006）[1]，對玉米儲存品質(zhì)鑒定的相關(guān)指標(biāo)及測定方法進(jìn)行了規(guī)定，其中除玉米的外觀指標(biāo)如色澤、氣味等，以及人為主觀指標(biāo)即品嘗評分值外，該規(guī)則將玉米中所含的脂肪酸值作為判定玉米儲存品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。由于外觀指標(biāo)和人為主觀指標(biāo)不易進(jìn)行量化分析，因此，對玉米中的脂肪酸值進(jìn)行檢測，可以很好地表征玉米儲存品質(zhì)的優(yōu)劣，有助于實現(xiàn)玉米儲存品質(zhì)的快速在線檢測。

目前，對玉米中的脂肪酸值進(jìn)行測定主要采取以下兩種技術(shù)。

①滴定法?！队衩變Υ嫫焚|(zhì)判定規(guī)則》（GB/T 20570—2006）[1]給出了采用滴定法對玉米中的脂肪酸值進(jìn)行測定的方法，即在室溫下用無水乙醇提取玉米中的脂肪酸，然后用氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，從而計算脂肪酸值。但是，滴定法由于采用的是化學(xué)方法，不可避免地會對玉米本身造成破壞，且試驗步驟煩瑣，耗時較長，無法實現(xiàn)對玉米儲存品質(zhì)的快速在線檢測[2]。

②近紅外光譜法。近紅外光譜（Near Infrared Spectroscopy，NIRS）分析技術(shù)因具有操作簡便、對樣品無損耗等特點，近年來引起了研究學(xué)者的注意，并建立起了針對肉類、食用油、植物油等糧食作物中所含脂肪酸的近紅外光譜數(shù)學(xué)模型[3]。但是，由于玉米中所含脂肪酸的種類較多，如油酸、亞油酸等，而近紅外光波的波長較短，大致為780～2 526nm，僅能對分子內(nèi)部的動態(tài)模式進(jìn)行觀察，而無法對不同種類的脂肪酸進(jìn)行顯著區(qū)分，且定量分析的準(zhǔn)確度不高。

2 太赫茲時域光譜技術(shù)簡介

太赫茲（Terahertz，THz）檢測技術(shù)是20世紀(jì)80年代末開始出現(xiàn)的一種新興光譜檢測技術(shù)。太赫茲波是電磁波譜中的一個特定波段，通常定義為0.1～10THz（1THz=1012Hz）。近年來，超快激光技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波的產(chǎn)生和探測提供了一系列理想的方式，使太赫茲檢測技術(shù)在醫(yī)藥、毒品檢測、爆炸物檢測等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，太赫茲時域光譜技術(shù)在紅外低頻區(qū)域的光譜測量具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢：其脈沖峰值功率很高，脈寬在皮秒量級，時間分辨率很高；利用太赫茲時域光譜技術(shù)可以直接得到信號的振幅和相位等信息，然后通過對信號的傅里葉變換，并經(jīng)過一系列計算就可以得到物質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)等一系列光學(xué)參數(shù)。同時，THz-TDS系統(tǒng)具有對黑體輻射不敏感的特性，在頻率小于3THz時，信噪比高達(dá)105～106，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR），而且其穩(wěn)定性也更好。此外，由于太赫茲電磁輻射的能量很低，比X射線低100萬倍，比近紅外光波低數(shù)百倍，不會對生物分子產(chǎn)生有害的電離，因而其是一種安全無損的方法。

綜上所述，玉米中所含的脂肪酸大部分為不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸等，分子量在280左右，也是生物大分子的一種，因此，利用太赫茲檢測技術(shù)對玉米進(jìn)行檢測，不僅能對其所含的各種脂肪酸實現(xiàn)準(zhǔn)確的定性識別，還可以對其含量進(jìn)行精確的定量分析。采用THz-TDS技術(shù)，不僅檢測的準(zhǔn)確度高，速度快，而且可以避免對玉米本身的損害，這對太赫茲技術(shù)的深入研究和玉米儲存品質(zhì)的快速在線檢測具有很高的理論和實際價值，且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3 基于太赫茲光譜的玉米脂肪酸定量分析技術(shù)

作為判定玉米儲存品質(zhì)優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)，本文選擇儲存玉米籽粒中所含的脂肪酸作為研究對象，利用太赫茲時域光譜技術(shù)對其進(jìn)行檢測，獲取其在太赫茲波段具有“指紋”特性的折射率譜和吸收譜，并建立各類脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫。然后利用太赫茲時域光譜技術(shù)對玉米籽粒進(jìn)行檢測，得到其太赫茲吸收譜。通過對脂肪酸和玉米籽粒太赫茲吸收譜的對比分析，對玉米中所含的脂肪酸進(jìn)行定性識別，再通過定量分析算法，對脂肪酸的含量進(jìn)行計算，從而得到準(zhǔn)確的濃度信息，實現(xiàn)對玉米儲存品質(zhì)的鑒定。

圖1為本文整體的技術(shù)路線流程圖。本文以理論分析與試驗驗證相結(jié)合為主。在理論上，一方面對水分對太赫茲波的吸收進(jìn)行分析，建立測定玉米中水分含量的模型；另一方面，設(shè)計定量分析算法，實現(xiàn)對玉米所含脂肪酸含量的精確計算。在試驗上，通過采集大量樣品進(jìn)行試驗，對模型和算法進(jìn)行驗證并進(jìn)行適當(dāng)修正。

具體研究內(nèi)容包括以下3方面。

3.1 對玉米中所含水分的定量分析

與其他種類的樣品不同，玉米籽粒中含有一定量的水分（約10%～20%）。而作為一種極性分子，水對太赫茲波存在明顯而強(qiáng)烈的吸收。因此，在對玉米籽粒的脂肪酸含量進(jìn)行定量分析之前，必須要對其中所含的水分含量進(jìn)行分析，并將水分對太赫茲波的吸收去除掉，從而得到真實有效的數(shù)據(jù)。

3.2 對玉米中所含各類脂肪酸的定性識別

玉米中所含的脂肪酸大部分為不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸等，分子量在280左右，屬于生物大分子，其微觀尺度下的振動和轉(zhuǎn)動能級正好對應(yīng)在太赫茲波段，對太赫茲波存在特征吸收。利用太赫茲時域光譜技術(shù)對玉米中所含的各類脂肪酸進(jìn)行檢測，可以獲取其各自不同的太赫茲吸收譜，吸收譜中存在的每一個吸收峰都同脂肪酸的微觀結(jié)構(gòu)所對應(yīng)，不同位置的吸收峰意味著不同的分子結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)。通過對提取自大量玉米樣品中的脂肪酸的檢測及分析，可以建立其特有的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫。由于玉米樣品中含有脂肪酸，因此，在玉米樣品太赫茲吸收譜中的特定位置同樣可以觀察到屬于不同脂肪酸的特有吸收峰。通過對脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫和儲存玉米的太赫茲吸收譜的對比分析，比較并確定吸收峰的位置，就能實現(xiàn)對玉米中所含各類脂肪酸的定性識別。

3.3 在多組分的環(huán)境中對玉米中脂肪酸含量的準(zhǔn)確定量分析

隨著儲存時間的增加，玉米中含有的脂肪會逐漸發(fā)生氧化酸敗，從而產(chǎn)生脂肪酸。玉米中除中含有多種脂肪酸之外，還含有大量的多糖及少量的蛋白質(zhì)、多種維生素、植物甾醇和磷脂等多種成分，這些物質(zhì)都對太赫茲波存在一定程度的特征吸收。因此，在多組分的環(huán)境中對玉米中脂肪酸的含量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析是本文最重要的一項研究內(nèi)容。

4 主要影響因素分析

4.1 對玉米中所含水分的定量分析研究

在這部分研究內(nèi)容中，首先要獲取若干批次具有不同水分含量的玉米樣品，用水分儀對其進(jìn)行檢測，獲取準(zhǔn)確的水分含量信息。然后將玉米樣品分為兩部分，一部分作為訓(xùn)練集，尋找水分含量同樣品的太赫茲信號之間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；另一部分作為驗證集，檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性。建立模型可以從時域和頻域兩方面入手。時域就是試驗得到的玉米樣品的太赫茲時域信號的強(qiáng)度，頻域信息則包括提取出的玉米樣品的吸收系數(shù)和折射率譜等信息。通過大量不同濕度的玉米樣品的試驗，就可以建立相應(yīng)的預(yù)測數(shù)學(xué)模型，最后用驗證集對模型的正確性進(jìn)行驗證。

4.2 玉米中所含各類脂肪酸的定性識別的研究

要建立儲存玉米籽粒中所含各類脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫，首先要將其從玉米籽粒中提取出來。具體方法可以參考國標(biāo)《糧油檢驗糧食、油料脂肪酸值測定》（GB/T 5510—2011）中的規(guī)定，在室溫下用苯提取玉米籽粒中所含的游離脂肪酸。由于苯是非極性分子，對太赫茲波不具有明顯吸收，因此可以將提取得到的含有脂肪酸的苯濾液直接放入太赫茲時域光譜儀中進(jìn)行檢測，然后通過相應(yīng)的算法計算得到脂肪酸在太赫茲波段的光學(xué)信息，如折射率、吸收系數(shù)等。同時作為參照，從市面上買回純度較高的分析純脂肪酸作為標(biāo)準(zhǔn)品，通過試驗獲取其太赫茲光譜，并與通過苯提取法得到的脂肪酸的太赫茲光譜進(jìn)行比較驗證。通過對提取自大量玉米樣品的各類脂肪酸進(jìn)行太赫茲時域光譜檢測，獲取其太赫茲折射率譜和吸收譜，并對其進(jìn)行歸納分析，就可以建立起儲存的玉米籽粒中所含各類脂肪酸的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫。

為了定性識別出儲存玉米籽粒中的各類脂肪酸，還應(yīng)獲取玉米籽粒的太赫茲吸收譜。在這一部分研究內(nèi)容中，擬計劃首先采集若干份不同儲存時間的玉米籽粒樣品，并將其各自編號。然后利用太赫茲時域光譜技術(shù)分別對其進(jìn)行檢測，獲取具有“指紋”特性的折射率譜和吸收譜等光譜信息。通過對樣品太赫茲光譜的分析，并結(jié)合一定的化學(xué)計算方法，準(zhǔn)確找出玉米籽粒的太赫茲光譜中所蘊(yùn)含的水分、脂肪酸值等的特征峰。

由于玉米籽粒表面形態(tài)不規(guī)則，在受到太赫茲波照射時會發(fā)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，對太赫茲光譜的準(zhǔn)確獲取造成干擾，所以需要對玉米樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。首先使用錘式旋風(fēng)磨，將一定量的玉米籽粒進(jìn)行粉碎，并且混合均勻。其次，將適量的粉碎后的玉米放入事先準(zhǔn)備好的由聚乙烯制成的上下表面平行的模具里，并且填充緊實。最后，利用太赫茲時域光譜技術(shù)對其進(jìn)行檢測，并利用相應(yīng)的公式，經(jīng)過一系列的計算得到玉米籽粒的太赫茲光譜。

4.3 儲存玉米中所含脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的研究

在對儲存玉米中所含脂肪酸含量進(jìn)行定量分析的過程中，首先最重要的是針對要解決的問題設(shè)計出最適合的定量分析算法，并通過大樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，建立適當(dāng)?shù)膶χ舅岷窟M(jìn)行預(yù)測的數(shù)學(xué)模型。本文中定量分析的基礎(chǔ)是分析化學(xué)領(lǐng)域中著名的光的朗伯-比爾定律（Lambert-Beer Law），根據(jù)上述定律的描述，物質(zhì)對光的吸收與其濃度成正比例關(guān)系，可以用式（1）表示：

[A=lgIoI=lg1T=kcd] （1）

其中，[A]為吸光度，[I]和[Io]分別為入射光穿透樣品前后的光強(qiáng)度，[k]為光的吸收系數(shù)（與入射光的頻率有關(guān)），[c]為樣品的濃度，[d]為入射光在樣品中傳播的距離。

由于玉米中含有的成分較為復(fù)雜，僅依靠朗伯比爾定律，采用簡單的最小二乘算法進(jìn)行計算難以取得理想的效果。因此，本文在依據(jù)朗伯比爾定律的基礎(chǔ)上，擬采用線性回歸算法對玉米中含有的脂肪酸含量進(jìn)行計算?，F(xiàn)有的線性回歸算法很多，有主成分回歸法、偏最小二乘回歸法和多元線性回歸等。根據(jù)試驗測得的玉米樣品的太赫茲吸收譜，采用適當(dāng)?shù)木€性回歸算法，可以實現(xiàn)對玉米中所含脂肪酸濃度的定量計算。該計算過程主要包括兩方面：一是采用大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立數(shù)學(xué)模型；二是對其進(jìn)行脂肪酸含量計算準(zhǔn)確度的檢驗。在試驗過程中，通過對不同線性回歸算法效果的比較，從中挑選出最適合本文的一種，并根據(jù)本文的實際情況，對其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，從而得到準(zhǔn)確度較高的定量分析算法。此前，已經(jīng)有大量的關(guān)于利用太赫茲時域光譜技術(shù)對氨基酸、糖類等大分子進(jìn)行定量分析的試驗報道，對本文具有較大借鑒意義。

5 結(jié)語

玉米中所含的脂肪酸是判定玉米儲存品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。本文以其為研究對象，利用太赫茲時域光譜技術(shù)對玉米中的脂肪酸含量進(jìn)行檢測。由于太赫茲波段與各種生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級相對應(yīng)，且具有能量低、信噪比高等優(yōu)點，較之傳統(tǒng)的滴定法和近紅外光譜法等更適合對玉米中脂肪酸的含量進(jìn)行快速無損檢測。本文的研究對實現(xiàn)玉米儲存品質(zhì)的快速無損在線檢測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]田笑，冀圣江，李明奇.提取過程對玉米脂肪酸值影響的探討[J].糧食儲藏，2014（1）：53-55.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.玉米儲存品質(zhì)判定規(guī)則：GB/T 20570—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]Mba O，Adewale P，Dumont M J，et al. Application of Near-infrared Spectroscopy to Characterize Binary Blends of Palm and Canola Oils[J]. Industrial Crops & Products，2014（61）：472-478.