基于近紅外光譜的稻谷、大米、大米粉直鏈淀粉含量預(yù)測(cè)

胡 斌，王 靜

（1. 安徽省糧油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031；2. 安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230011）

直鏈淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、水分含量是大米的重要營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)[1]。其中直鏈淀粉含量是優(yōu)質(zhì)稻谷限制指標(biāo)，也是優(yōu)質(zhì)大米的重要品質(zhì)[2]。它與米飯的黏性、光澤度、柔韌性、脹性密切相關(guān)[3]，是影響稻米食用品質(zhì)的重要因素[4]。對(duì)這些指標(biāo)的傳統(tǒng)測(cè)定方法存在過程繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題，不能滿足現(xiàn)階段中國(guó)推進(jìn)優(yōu)質(zhì)糧食工程中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)備收購(gòu)要求。而近紅外光譜法具有多指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)、快速無(wú)損、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]，在糧食谷物中應(yīng)用廣泛[6-10]。

本實(shí)驗(yàn)以產(chǎn)自安徽省的99 份秈稻谷為研究對(duì)象，利用TAS 全校準(zhǔn)技術(shù)下，稻谷、大米、大米粉3 種大米物理形態(tài)的近紅外光譜測(cè)定直鏈淀粉結(jié)果的相關(guān)性，建立適用于安徽省所產(chǎn)稻谷中直鏈淀粉營(yíng)養(yǎng)成分的定量模型，為稻谷收儲(chǔ)過程中快速檢測(cè)分類提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)材料包含99 份秈稻谷，產(chǎn)自安徽省。2600XT-R 型近紅外分析儀器：美國(guó)UNITY 公司。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 大米直鏈淀粉含量的測(cè)定

參照《GB/T 15683—2008 大米直鏈淀粉含量的測(cè)定》。每份樣品至少檢測(cè)2 次，取平均值。

1.2.2 樣品近紅外光譜采集

分別采集同一樣品的稻谷、大米、大米粉3 種測(cè)定物理狀態(tài)。采用漫反射方式采集樣品光譜，設(shè)置采集光譜區(qū)間為4 000 ～12 500 cm-1，準(zhǔn)確率為2 nm，步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描12 次。采集完后將采樣杯中樣品與原樣品混合均勻后倒出，重復(fù)操作2 次，以2 次采集得到平均光譜作為該樣品的最終光譜。

1.2.3 模型的建立

對(duì)直鏈淀粉含量化學(xué)值和近紅外光譜預(yù)測(cè)值分別進(jìn)行擬合光譜處理，采用偏最小二乘法（PLS）的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，反復(fù)采用內(nèi)部交叉驗(yàn)證剔除奇異值，通過比較樣品預(yù)測(cè)值的校正標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEC）與化學(xué)值的決定系數(shù)（R2）、交叉驗(yàn)證系數(shù)（R2（Cv））和交互驗(yàn)證的校正標(biāo)準(zhǔn)偏差（SECV）來衡量模型的質(zhì)量，最終使用預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEP）評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷直鏈淀粉檢測(cè)及驗(yàn)證

由表1 和圖1 可知，稻谷的直鏈淀粉模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.863，預(yù)測(cè)平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.14。

2.1.1 驗(yàn)證稻谷樣品的檢測(cè)結(jié)果

建模后，檢測(cè)4 個(gè)驗(yàn)證樣品的結(jié)果見表2。

由表2 可知，稻谷模型的直鏈淀粉驗(yàn)證樣品集的SEP 為0.68。

2.1.2 稻谷樣品重復(fù)性驗(yàn)證

隨機(jī)挑選了2 個(gè)樣品進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試，3 次重新裝樣掃描，結(jié)果見表3。

由表3 可知，多次重新裝樣近紅外檢測(cè)數(shù)值的波動(dòng)略大，這與稻谷樣品的均勻程度較差有關(guān)。

表1 稻谷直鏈淀粉建模表現(xiàn)

表2 稻谷直鏈淀粉模型的驗(yàn)證結(jié)果

表3 稻谷模型的直鏈淀粉重復(fù)性驗(yàn)證

2.2 大米直鏈淀粉檢測(cè)及驗(yàn)證

由表4 和圖2 可知，大米的直鏈淀粉模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.752，預(yù)測(cè)平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.16。

表4 大米直鏈淀粉的建模表現(xiàn)

2.2.1 驗(yàn)證大米樣品的檢測(cè)結(jié)果

建模后，檢測(cè)5 個(gè)驗(yàn)證樣品的結(jié)果見表5。

由表5 可知，大米模型的直鏈淀粉驗(yàn)證樣品集的SEP 為0.64。

表5 大米直鏈淀粉模型的驗(yàn)證結(jié)果

2.2.2 大米樣品重復(fù)性驗(yàn)證

隨機(jī)挑選了2 個(gè)樣品進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試，3 次重新裝樣掃描，結(jié)果見表6。

表6 大米模型的直鏈淀粉重復(fù)性驗(yàn)證

由表6 可知，多次重新裝樣近紅外檢測(cè)數(shù)值略有波動(dòng)，其結(jié)果的重復(fù)性表現(xiàn)較好。

表7 大米粉直鏈淀粉建模表現(xiàn)

2.3 大米粉直鏈淀粉檢測(cè)及驗(yàn)證

由表7 和圖3 可知，大米粉的直鏈淀粉模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.927，預(yù)測(cè)平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.73。

2.3.1 驗(yàn)證大米粉樣品的檢測(cè)結(jié)果

表8 大米粉直鏈淀粉模型的驗(yàn)證結(jié)果

建模后，檢測(cè)3 個(gè)驗(yàn)證樣品，結(jié)果見表8。

由表8 可知，大米粉模型的直鏈淀粉驗(yàn)證樣品集的SEP 為0.22。

2.3.2 大米粉樣品重復(fù)性驗(yàn)證

隨機(jī)挑選了3 個(gè)樣品進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試，5 次重新裝樣掃描，結(jié)果見表9。

表9 大米粉模型的直鏈淀粉重復(fù)性驗(yàn)證

由表9 可知，多次重新裝樣近紅外檢測(cè)數(shù)值略有波動(dòng)，其結(jié)果的重復(fù)性表現(xiàn)較好。

3 結(jié) 論

從稻谷、大米、大米粉樣品的建模表現(xiàn)來看，利用近紅外設(shè)備檢測(cè)稻谷的直鏈淀粉含量是可行的，針對(duì)不同稻谷物理形態(tài)所建直鏈淀粉預(yù)測(cè)模型在模型相關(guān)系數(shù)、快速檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性、重復(fù)性驗(yàn)證等指標(biāo)上都呈現(xiàn)出較好結(jié)果。后期還需要增加建模樣品數(shù)量來提高模型的耐受性，進(jìn)一步完善模型的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。