近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量方法用于大米的快速分析

李跑，吳紅艷，李尚科，楊清華，蔣立文，劉霞，杜國榮

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410128；3.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站，北京101121）

大米是世界上大部分人口的主食，不同地方生產(chǎn)不同品種的大米，且同一品種不同品牌大米之間也存在差異性，因此不同產(chǎn)地以及不同品牌大米的售價(jià)也不相同。此外，人們?nèi)粘Ｊ秤玫拇竺资堑竟冉?jīng)篩選、精選、礱谷、碾米等工序后加工制成的精米。大米的主要成分是淀粉，同時(shí)含有豐富的蛋白質(zhì)，氨基酸，還含有少量的粗纖維、脂肪、鈣、磷、維生素等營養(yǎng)成分[1-2]。目前常用的大米檢測及鑒別方法為感官分析法和化學(xué)分析法。這些方法除了考察大米的形狀、氣味、色澤等外部特征，還對大米的直鏈淀粉含量、脂肪的含量、蛋白質(zhì)的含量等內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行分析。比如淀粉的測定方法主要有酸水解法、酶水解法、旋光法等；蛋白質(zhì)的測定方法多采用蛋白質(zhì)分析儀器或者化學(xué)法。但是這些方法存在耗時(shí)久、破壞樣品等問題，無法實(shí)現(xiàn)對大米的快速無損檢測。因此開發(fā)適合于快速無損檢測大米的方法，可以有效解決大米溯源以及摻偽摻假問題。

近紅外光譜技術(shù)是介于可見光譜區(qū)和中紅外光譜區(qū)之間的電磁波的技術(shù)。近紅外光譜主要是對樣品中的含氫基團(tuán)（C-H、O-H、N-H等）振動(dòng)的倍頻、合頻以及差頻的疊加吸收，包含了樣品組成狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)等信息。由于近紅外光譜存在譜帶較寬，信噪比低，吸收峰重疊嚴(yán)重等弱點(diǎn)，分析時(shí)若直接采用原始數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致后期建立的模型穩(wěn)定性差、準(zhǔn)確度低，從而影響分析結(jié)果，因此需要結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性[3-6]。近紅外光譜技術(shù)具有成本低、速度快、效率高、檢測方便、測試重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來快速發(fā)展成為了一種新興的分析與研究手段，并在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外有許多學(xué)者利用近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對不同品牌食品的鑒別，如制動(dòng)液品牌[7]、瓜類品種[8]、玉米品種[9]、咖啡品種[10]、小麥品種[11]等。近紅外光譜技術(shù)在稻米品質(zhì)檢測中也得到了廣泛應(yīng)用，如稻米蛋白質(zhì)含量的測定[12]、脂肪測定[13]、氨基酸含量測定[14]以及淀粉測定[15]。

然而，現(xiàn)階段大多數(shù)研究集中在比較不同大米中蛋白質(zhì)或淀粉含量的差異以實(shí)現(xiàn)大米品種或產(chǎn)地的鑒別，對于近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法用于大米品種及產(chǎn)地方面鑒別研究相對較少。夏立婭等[16]利用近紅外光譜和模式識(shí)別技術(shù)建立了大米產(chǎn)地的快速鑒別方法，結(jié)果表明通過篩選得到特征波段，聚類和判別分析都可實(shí)現(xiàn)響水大米和非響水大米的鑒別。周子立等[17]組合小波變換、主成分分析（principal component analysis，PCA）以及反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式鑒別方法，建立了一種基于可見-近紅外光譜技術(shù)快速、無損鑒別大米品種的新方法。然而這些方法大多需要采用較為繁瑣的化學(xué)計(jì)量方法，導(dǎo)致近紅外光譜技術(shù)在實(shí)際分析時(shí)得不到廣泛應(yīng)用。因此，本試驗(yàn)基于近紅外光譜技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，提出了一種簡單的可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地以及不同品牌大米快速無損鑒別的方法。利用連續(xù)小波變換技術(shù)（continuous wavelet transform，CWT）對大米的原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，消除背景干擾和基線漂移，提高信噪比，加強(qiáng)光譜的有效信息，并結(jié)合主成分分析對大米品種及產(chǎn)地進(jìn)行鑒別。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

收集了來自五家不同超市的不同種類大米。如表1所示，A-K為不同品牌的樣品，分別為東北糙米、湖南糙米、東北米、秈米、芙蓉米、泰香米、晚米、貢米、京生緣香米、柬埔寨香米和軟香米，a-e為不同超市名稱。其中01～05分別為5個(gè)平行樣品，命名見表1。

表1 樣品命名表Table 1 Sample name list

1.2 儀器與設(shè)備

QuasIR4000近紅外光譜儀：美國GalaxyScientific。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光譜的采集

采用積分球漫反射模式采集全部茶葉光譜，本次試驗(yàn)在室溫下操作，由于大米為固體，所以將大米用直徑65 nm、高度為14 nm的圓形透明容器盛放，裝滿1個(gè)容器作為1個(gè)試驗(yàn)樣本，光譜儀經(jīng)20 min預(yù)熱并進(jìn)行白板校準(zhǔn)后開始測試。波數(shù)范圍為12 000 cm-1～4 000 cm-1，最小間隔為4 cm-1，共采集2 098個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，一共分析了11種大米，共計(jì)115個(gè)樣品。

1.3.2 光譜預(yù)處理與聚類分析

光譜預(yù)處理與聚類分析由MATLAB R2010a（The MathWorks，Natick，USA）軟件實(shí)現(xiàn)。由于儀器和環(huán)境的干擾會(huì)出現(xiàn)噪聲、基線漂移，為提高信噪比，篩選出有效數(shù)據(jù)的范圍。利用CWT技術(shù)消除背景噪聲的干擾，提高結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。PCA可以將數(shù)據(jù)從高維向低維投射，并在低維空間最大程度上保持原始數(shù)據(jù)的信息。因此，利用PCA方法對11種大米樣品進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類大米的近紅外光譜分析

2.1.1 東北大米的光譜特征

CWT技術(shù)處理前后東北大米的光譜見圖1。

圖1 CWT技術(shù)處理前后東北大米和秈米的光譜圖Fig.1 Spectra of northeastern and glutinous rice before and after CWT treatment

圖1（a）為東北糙米和不同超市東北大米的近紅外原始光譜圖，從圖中可以看出譜線的大致趨勢一致，大部分的譜線在相似波段具有明顯的吸收峰，這說明4個(gè)樣品的主要成分相近。但在6 900 cm-1和5 100 cm-1波數(shù)處的波峰存在差異，可明顯觀察到樣品被分為兩組。

由于信號(hào)中存在基線漂移和背景的干擾，因此需通過有效的預(yù)處理，消除基線干擾，提高信噪比，加強(qiáng)光譜的有效信息。圖1（b）為東北糙米和不同超市東北大米信號(hào)經(jīng)過CWT預(yù)處理后的光譜圖，從圖中可以看出背景干擾被有效扣除，基線校正，有明顯的特征譜峰，表明CWT技術(shù)是消除背景干擾和基線漂移的良好工具。在8 550 cm-1波數(shù)處光譜存在明顯差異，此波數(shù)對應(yīng)的振動(dòng)方式是C-H二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；在7 450 cm-1波數(shù)處的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻；在7 150cm-1波數(shù)處東北糙米的吸光度值明顯大于其他三種大米，該波數(shù)屬于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻和C-H變形振動(dòng)基頻。同時(shí)我們?nèi)粘Ｊ秤玫木资遣诿捉?jīng)過拋光去除米粒表面的糠粉，使米粒表面的淀粉膠質(zhì)化，呈現(xiàn)一定的光亮，糙米比精米富含更多的米胚蛋白和米糠多糖，多糖中含有較多的羥基，羥基吸收峰的存在也會(huì)導(dǎo)致7 150 cm-1處波峰存在明顯差異；6 190 cm-1波峰處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是=CH2；而在波段5 530 cm-1～5 470 cm-1之間光譜的差異對應(yīng)于O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻；在4 325 cm-1波數(shù)處和4 255 cm-1波數(shù)處，只有東北糙米存在波峰，分別屬于C-H伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻和C-H二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻，可能原因是東北糙米含較多的淀粉和纖維素。

2.1.2 秈米的光譜特征

CWT技術(shù)處理前后秈米的光譜圖見圖2。

圖2（a）為不同超市秈米的原始光譜圖，從圖中可明顯觀察到在7 000 cm-1波數(shù)處4類樣品被明顯的分為兩組，屬于O-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻，這說明這兩組的CONH2的含量較高，而在波段5 500 cm-1～5 200 cm-1間，振動(dòng)方式為C=O二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻、O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻、C=O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；在4 600 cm-1波數(shù)屬于酰胺Ⅰ一級倍頻和酰胺Ⅱ的組合頻。

圖2 CWT技術(shù)處理前后東北大米和秈米的光譜圖Fig.2 Spectra of northeastern and glutinous rice before and after CWT treatment

經(jīng)過CWT技術(shù)消除背景干擾，得到圖2（b）?？梢园l(fā)現(xiàn)在10 900 cm-1和7 300 cm-1波數(shù)處光譜存在明顯差異，對應(yīng)于C-H三級倍頻伸縮振動(dòng)基頻和C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻的組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)為CH3；而在7 150 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是CH2；在5 500 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻；在5 320 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻、C=O二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；在5 050 cm-1和4 850 cm-1波數(shù)處的差異對應(yīng)于N-H不對稱伸縮振動(dòng)基頻與酰胺Ⅱ組合頻、N-H對稱伸縮振動(dòng)基頻和酰胺Ⅱ組合頻，可能原因是大米蛋白質(zhì)含量的不同；在波段4 400 cm-1～4 500 cm-1之間存在較大波峰，振動(dòng)方式為O-H伸縮振動(dòng)基頻與O-H變形振動(dòng)基頻組合頻、N-H伸縮振動(dòng)基頻與NH3變形振動(dòng)基頻組合頻；在4 150 cm-1波數(shù)處光譜的差異屬于C-H伸縮振動(dòng)基頻與C-C伸縮振動(dòng)基頻組合頻。

2.1.3 香米的光譜特征

同樣為了對不同種類和不同產(chǎn)地的香米進(jìn)行鑒別，做了近紅外光譜圖。樣品包括國外香米和國內(nèi)香米，分別為泰香米、柬埔寨香米、京升緣香米和軟香米。CWT技術(shù)預(yù)處理前后的香米光譜見圖3。

圖3 CWT技術(shù)處理前后香米和湖南本地米的光譜圖Fig.3 Spectra of fragrant and Hunan local rice before and after CWT treatment

圖3（a）為香米的原始光譜圖，在7 100 cm-1波數(shù)處開始分為兩組，振動(dòng)方式為O-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；同時(shí)在5 975 cm-1波數(shù)處和波段5 500 cm-1～5 350 cm-1之間光譜存在明顯差異，對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻、O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻和C=O二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻。

圖3（b）是CWT后的光譜圖，在7 150 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是CH2；在5 350 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻；在5 050 cm-1和4 900 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于N-H不對稱伸縮振動(dòng)頻與酰胺Ⅱ組合頻和C=O二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；在 4100、4440cm-1波數(shù)處和 4 850 cm-1～4 900 cm-1波段之間光譜的差異與C-H伸縮振動(dòng)與C-C伸縮振動(dòng)組合頻、O-H伸縮振動(dòng)與C-C伸縮振動(dòng)組合頻、NH不對稱伸縮振動(dòng)與酰胺Ⅱ組合頻和N-H對稱伸縮振動(dòng)與酰胺Ⅱ組合頻有關(guān)，這些差異可能是源自于直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量不同。而在5 468 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于O-H伸縮振動(dòng)基頻與C-O一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻組合頻。

2.1.4 湖南本地米的光譜特征

CWT技術(shù)預(yù)處理前后的湖南本地米光譜見圖4。

圖4 CWT技術(shù)處理前后香米和湖南本地米的光譜圖Fig.4 Spectra of fragrant and Hunan local rice before and after CWT treatment

圖4（a）為湖南本地米的原始光譜圖，從圖中可以明顯的觀察到，湖南糙米與其他種類的大米自開始就被明顯的分隔開，表明湖南糙米與其他種類的米的差異較大；而在7 050 cm-1波數(shù)處光譜被分為兩組，屬于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是苯環(huán)；在4 500 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于N-H伸縮振動(dòng)基頻與NH3變形振動(dòng)基頻組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是氨基酸。

圖4（b）是 CWT后的光譜圖，在 8 550 cm-1波數(shù)處，湖南糙米存在一個(gè)小的波峰，其他大米則不存在，此波數(shù)的振動(dòng)方式是C-H二級倍頻伸縮振動(dòng)基頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是乙烯基（HC=CH）；在7 150 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻與C-H變形振動(dòng)基頻組合頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是CH2；在5 850 cm-1波數(shù)處，湖南糙米沒有明顯波峰，而其他大米則存在明顯波峰，屬于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻；在5770cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻有關(guān)。湖南糙米，蛋白質(zhì)含量比較多，主要是米精蛋白，氨基酸組成也比較完全，有利于人體消化吸收，但是賴氨酸含量較少，可能導(dǎo)致出現(xiàn)其與其它大米光譜的差異。在5 650 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于C-H一級倍頻伸縮振動(dòng)基頻，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是CH2；而在5 300 cm-1波數(shù)處，湖南糙米的波峰高于其他種類大米的波峰，主要與C=O基頻有關(guān)。在4 880 cm-1和4 440 cm-1波數(shù)處光譜的差異對應(yīng)于N-H不對稱伸縮振動(dòng)與酰胺Ⅱ組合頻、N-H對稱伸縮振動(dòng)與酰胺Ⅱ組合頻和O-H伸縮振動(dòng)與O-H變形振動(dòng)組合頻。

2.2 不同品牌大米的聚類分析

2.2.1 東北大米的聚類分析

CWT預(yù)處理前后東北大米原始光譜的PCA結(jié)果見圖5。

圖5 CWT技術(shù)處理前后東北大米和秈米的PCA圖Fig.5 PCA results of northeastern and glutinous rice before and after CWT treatment

由于前兩個(gè)主成（PC1和PC2）的方差貢獻(xiàn)率之和在80%以上，因此選取PC1和PC2進(jìn)行PCA分析。為了區(qū)分東北大米，采用PCA方法對原始光譜進(jìn)行聚類分析。圖5（a）為未經(jīng)過CWT的PCA圖，從圖中可以看出，東北糙米與d超市的東北大米不能得到良好的區(qū)分，可能原因是d超市東北大米的加工工序不合理，導(dǎo)致稻米有部分外殼殘留；而a、b兩家超市的東北大米可以被有效的分辨，可能原因是這兩家超市的加工方式不同或者大米產(chǎn)地不同，導(dǎo)致大米的某些成分存在差異。為了進(jìn)一步提高東北大米的聚類效果，采用CWT預(yù)處理的方法消除背景干擾。圖5（b）是CWT預(yù)處理之后的PCA圖，由圖可知，預(yù)處理之后的聚類效果明顯優(yōu)于圖5（a），可明顯觀察到未能分開的兩種大米被有效的分辨開，這就更好的證明了CWT可以有效的消除背景干擾，進(jìn)一步提高了聚類分析的效果。

2.2.2 秈米的聚類分析

CWT預(yù)處理前后秈米原始光譜的PCA結(jié)果見圖6。

圖6 CWT技術(shù)處理前后東北大米和秈米的PCA圖Fig.6 PCA results of northeastern and glutinous rice before and after CWT treatment

為了明顯地看出秈米之間的差別，對秈米的原始光譜做了聚類分析。圖6（a）為秈米原始PCA圖，由圖可知，a超市和d超市的秈米幾乎完全重合在一起，可能是因?yàn)檫@兩家超市的大米產(chǎn)地一樣；而c超市和e超市的秈米呈良好的聚類分析效果，可能原因是這兩家超市的大米產(chǎn)地不同或是加工方式不同導(dǎo)致大米成分存在差異。為了進(jìn)一步提高秈米的聚類分析效果，采用CWT預(yù)處理消除背景干擾。圖6（b）為CWT預(yù)處理后的秈米PCA圖。由圖可知，a、d兩家超市的大米仍然沒有被效的分辨開，且a超市包含于d超市，這表明，兩家超市的秈米無明顯差異，相似度較大，應(yīng)該來自于同一廠家；而b、c兩家超市的秈米分辨率較高，差別較大，可能原因是產(chǎn)地不同或者不同廠家的加工方式、生產(chǎn)工藝上的差別，導(dǎo)致大米的淀粉、蛋白質(zhì)等含量存在差異，所以可以被有效的分辨開。

2.2.3 香米的聚類分析

為了直觀地看出香米之間的差別，采用PCA方法對香米的原始光譜進(jìn)行聚類分析。CWT預(yù)處理前后香米原始光譜的PCA結(jié)果見圖7。

圖7 CWT技術(shù)處理前后香米和湖南本地米的PCA圖Fig.7 PCA results of fragrant and Hunan local rice before and after CWT treatment

圖7（a）為香米的原始PCA圖，從圖中可以看到4組樣品都有一定程度的交叉，柬埔寨香米與其他3種大米交叉程度最小，但是相關(guān)度較差，京升緣香米、軟香米和泰香米3組大米存在嚴(yán)重的重疊，其中京升緣香米、軟香米兩組大米幾乎重合。為了進(jìn)一步提高香米的聚類分析效果，采用CWT預(yù)處理方法消除背景干擾。圖7（b）為預(yù)處理后的PCA圖，由圖可知，京升緣香米、軟香米兩組還是很接近，但是柬埔寨香米和泰香米已經(jīng)被有效的分辨開來，且京升緣香米的相關(guān)性提高，結(jié)果顯示兩組國外香米與兩組國內(nèi)香米在經(jīng)過CWT之后被有效的分辨開來，說明國內(nèi)外大米在成分上存在一定的差異。

2.2.4 湖南本地米的聚類分析

為了能夠明顯地觀察到湖南本地米之間的差別，做了原始光譜的聚類分析。CWT預(yù)處理前后湖南本地米原始光譜的PCA結(jié)果見圖8。

圖8 CWT技術(shù)處理前后香米和湖南本地米的PCA圖Fig.8 PCA results of fragrant and Hunan local rice before and after CWT treatment

圖8（a）是湖南本地米的原始PCA圖，由圖可知，湖南糙米和e超市的秈米被有效的分辨開來，其他種類的大米則不同程度的重疊在一起，就不同種類大米的鑒別而言，湖南糙米、e超市的秈米、晚米和貢米呈良好的聚類分析效果。就不同超市大米的鑒別而言，c、e兩家超市被有效的分辨開來，而其他兩家超市則呈現(xiàn)較大的重疊效果。為了進(jìn)一步提高湖南本地米的聚類效果，采用CWT預(yù)處理方法消除背景干擾。圖8（b）為預(yù)處理后的湖南本地米的PCA圖，由圖可知，雖然沒有將所有大米有效的分辨開來，但是可明顯的觀察到聚類效果已經(jīng)明顯提高。其中a和d兩家超市的秈米較大程度的重疊在一起，其他兩家超市的秈米則可以正確分辨開來，貢米和c超市的秈米成分上很接近，與其他種類的湖南米相比被明顯的分辨開來，其中晚米、芙蓉米和a和d兩家超市的秈米重疊在一起。以上結(jié)果表明：相同產(chǎn)地不同的加工方式也會(huì)導(dǎo)致大米之間較大的差別。

3 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)可知，近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法用于大米的快速無損分析是有效的，可以實(shí)現(xiàn)對不同產(chǎn)地和不同種類的大米的鑒別分析。根據(jù)不同的產(chǎn)地及種類將樣品分為4組，對原始光譜進(jìn)行CWT預(yù)處理后，提高了信噪比，有效的消除了背景干擾和基線漂移，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行PCA分析，得到滿意的聚類分析效果。綜上所述，近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法快速無損分析大米是一種環(huán)保、高效的試驗(yàn)方法，并且可以在食品的其他領(lǐng)域得到很好的推廣利用。