近紅外法快速測(cè)定廣西早秈稻谷脂肪酸值的研究

黃 冬，樊菲菲，柳永英，張 斌，劉 藝，彭海亮

(1.廣西壯族自治區(qū)糧油質(zhì)量檢驗(yàn)中心，廣西 南寧 530031；2.百色市糧油質(zhì)量檢驗(yàn)中心，廣西 百色 533000；3.廣西耕保生態(tài)科技有限公司，廣西 南寧 530007)

稻谷中脂肪酸值是稻谷儲(chǔ)存品質(zhì)中評(píng)判陳化變質(zhì)的重要指標(biāo)。稻谷中脂類含量約為3%，在儲(chǔ)藏過程中，脂類極易在水解和氧化作用下分解為游離脂肪酸，從而影響其儲(chǔ)藏、加工和食用品質(zhì)。測(cè)定稻谷中的脂肪酸值對(duì)指導(dǎo)糧食收購(gòu)、儲(chǔ)備、加工、食用均有重要意義[1-2]。

通常用于測(cè)定稻谷中脂肪酸值含量的方法主要有指示劑法、電位滴定法、自動(dòng)滴定分析儀法、近紅外法等[2]，其中指示劑法為國(guó)標(biāo)GB/T 20569—2006附錄A[3]規(guī)定的方法，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，滴定終點(diǎn)難判斷，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高[4-5]，需要有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)員操作，才能得到準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果。電位滴定法和自動(dòng)滴定分析儀法[6-8]具有檢測(cè)準(zhǔn)確，操作較為簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是檢測(cè)儀器昂貴，檢測(cè)成本高。目前，廣西的基層糧庫(kù)、市縣級(jí)糧食檢測(cè)機(jī)構(gòu)存在檢驗(yàn)人員少，檢測(cè)能力弱、檢測(cè)經(jīng)費(fèi)少的現(xiàn)狀，用這三種方法進(jìn)行稻谷脂肪酸值的檢測(cè)，均存在很大的困難。

近紅外光譜技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期以來發(fā)展最迅速的一項(xiàng)快速檢測(cè)技術(shù)，已運(yùn)用于糧食領(lǐng)域中，成為糧食品質(zhì)分析、在線分析的重要手段[9]，目前已運(yùn)用到分析稻米、小麥、大豆等糧食中的水分[10]、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉[11-12]、直鏈淀粉[13]以及氨基酸[14]等品質(zhì)指標(biāo)。

近紅外法相比指示劑法、電位滴定法、自動(dòng)滴定分析儀法三種方法，有諸多優(yōu)勢(shì)。第一，檢測(cè)用時(shí)短，檢測(cè)1個(gè)樣品不到2 min，指示劑法、電位滴定法、自動(dòng)滴定分析儀法都需好幾個(gè)小時(shí)。第二，操作簡(jiǎn)單，沒有粉碎、提取、過濾、定容、滴定[15]等繁瑣的操作步驟，只需將稻谷樣品脫殼成糙米后，倒入儀器樣品槽中即可自動(dòng)檢測(cè)，也無需判斷滴定終點(diǎn)，大大降低了對(duì)使用人員的操作要求。第三，檢測(cè)成本較低，不需要用到任何試劑，為無損檢測(cè)。第四，不受場(chǎng)地限制，儀器小巧輕便，既可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，也可在田間地頭、收糧現(xiàn)場(chǎng)等室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其他三種方法，均受限于只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。第五，儀器價(jià)格便宜，近紅外便攜式谷物分析儀相比電位滴定儀和自動(dòng)滴定分析儀價(jià)格便宜很多。因此，用近紅外法檢測(cè)稻谷脂肪酸值，很適合基層糧庫(kù)、市縣級(jí)糧食檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)人員使用。

近紅外法測(cè)脂肪酸值的難點(diǎn)在于需收集大量有代表性的樣品，采集數(shù)據(jù)，建立適合該區(qū)域糧食品種的檢測(cè)模型。本實(shí)驗(yàn)通過收集廣西各地區(qū)的早秈稻谷樣品148份，利用近紅外便攜式谷物分析儀采集光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)，建立了測(cè)定廣西早秈稻谷脂肪酸值的近紅外檢測(cè)模型，為快速檢測(cè)廣西地區(qū)稻谷的儲(chǔ)藏品質(zhì)，指導(dǎo)稻谷合理儲(chǔ)藏、輪換，確保國(guó)家糧食安全提供一種可靠的檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

早秈稻谷樣品178份(從廣西14個(gè)地級(jí)市扦取)；無水乙醇、酚酞、氫氧化鉀(分析純 西隴化工)。

1.2 儀器與設(shè)備

THU35C實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)(佐竹機(jī)械(蘇州)有限公司)；G1200-E便攜式谷物分析儀(廣東星創(chuàng)眾譜儀器公司)；LM3310錘式旋風(fēng)磨(瑞典波通儀器公司)；JZDZ-1脂肪酸值專用振蕩器(成都施特威科技發(fā)展公司)；PL602E百分之一電子天平(梅特勒-托利多儀器)；5 ml微量滴定管(天津玻璃儀器廠)。

1.3 方法

1.3.1理化值的測(cè)定

將稻谷樣品進(jìn)行脫殼成糙米樣品，脫殼率在95%以上。采用GB/T 20569—2006附錄A稻谷脂肪酸值測(cè)定方法測(cè)定糙米脂肪酸值，結(jié)果以mg/100 g表示，得到148份早秈稻谷的理化值。

1.3.2樣品光譜數(shù)據(jù)采集

利用G1200-E近紅外便攜式谷物分析儀采集脫殼后的糙米樣品光譜數(shù)據(jù)，采取的原理是光柵透射型技術(shù)，波長(zhǎng)范圍是660～1 080 nm，設(shè)置每次采集糙米樣本的子樣本是20，每個(gè)樣品重復(fù)裝樣3次采集光譜，最終取3次重復(fù)裝樣光譜的平均光譜用于建模及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

每個(gè)糙米樣品的脂肪酸值檢測(cè)結(jié)果均需進(jìn)行平行樣的檢測(cè)，平行結(jié)果需滿足國(guó)標(biāo)的要求。148份糙米脂肪酸值檢測(cè)分布范圍13.70～42.70 mg/100 g，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1及圖1所示。

表1 糙米脂肪酸值理化值統(tǒng)計(jì)表

圖1 糙米脂肪酸值含量分布圖

采用SNV預(yù)處理方法對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用于消除糙米樣本顆粒大小、表面散射對(duì)光譜的影響。糙米原始光譜如圖2所示，SNV處理后光譜如圖3所示。

圖2 糙米原始樣本光譜圖

圖3 原始光譜SNV后光譜圖

利用糙米的光譜數(shù)據(jù)(X)結(jié)合糙米的脂肪酸值理化值數(shù)據(jù)(Y)進(jìn)行模型的建立及優(yōu)化驗(yàn)證。通過對(duì)光譜波段的選擇、預(yù)處理方法的使用及模型的獨(dú)立預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

將148份糙米樣本按照脂肪酸值含量梯度進(jìn)行分類，分類按照2∶1進(jìn)行定標(biāo)集和預(yù)測(cè)集進(jìn)行。模型效果如表2所示。

表2 模型獨(dú)立預(yù)測(cè)效果

通過對(duì)建模光譜的波段優(yōu)選(700～1 050 nm)、預(yù)處理SNV的使用及蒙特卡洛交叉檢驗(yàn)剔除異常樣本，最終模型的綜合效果如表3所示，模型相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.88，交叉檢驗(yàn)均方根偏差SECV達(dá)到2.50 mg/100 g。模型預(yù)測(cè)分布如圖4所示。

表3 糙米脂肪酸值模型結(jié)果

圖4 糙米脂肪酸值模型預(yù)測(cè)分布圖

通過對(duì)模型的優(yōu)化，最終廣西早秈稻谷脂肪酸值模型的相關(guān)系數(shù)接近0.9，模型預(yù)測(cè)偏差為2.5 mg/100 g。

3 模型驗(yàn)證

重新扦取早秈稻谷樣品30份，用GB/T 20569—2006附錄A稻谷脂肪酸值測(cè)定方法測(cè)得理化值，利用該模型結(jié)合儀器對(duì)該30份早秈稻谷樣品測(cè)試驗(yàn)證，每個(gè)樣品重復(fù)裝樣3次進(jìn)行掃描，比較3次的重復(fù)性誤差及準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)偏差(與樣品的國(guó)標(biāo)理化值比較)，其中重復(fù)性誤差100%在2 mg/100 g以內(nèi)，準(zhǔn)確性誤差90%數(shù)量在3 mg/100 g以內(nèi)，見表4。

表4 模型預(yù)測(cè)效果 mg/(100 g)

4 結(jié)論與展望

綜上，結(jié)合建模數(shù)據(jù)及未知樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有早秈稻谷脂肪酸值模型在16～30 mg/100 g區(qū)間有較好的測(cè)試效果，重復(fù)性基本達(dá)到2 mg/100 g以內(nèi)，準(zhǔn)確性基本接近國(guó)標(biāo)理化檢測(cè)水平，作為快速篩查已具有一定的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)可以用于檢測(cè)判定早秈稻谷為宜存還是輕度不宜存。因部分區(qū)間代表性樣品數(shù)量較少，無法滿足建模要求，導(dǎo)致目前對(duì)應(yīng)區(qū)間模型預(yù)測(cè)偏差稍大，相關(guān)系數(shù)較小，后續(xù)可以通過補(bǔ)充樣品豐富模型的方法進(jìn)一步完善，使廣西早秈稻谷脂肪酸值模型檢測(cè)效果達(dá)到最優(yōu)。

目前的建模及預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，廣西早秈稻谷脂肪酸值模型已有一定的效果，作為快速質(zhì)量篩查設(shè)備，穩(wěn)定性是第一要素，目前重復(fù)性測(cè)試均在2 mg/100 g以內(nèi)，達(dá)到國(guó)標(biāo)精密度的要求，準(zhǔn)確性方面，脂肪酸值在16～30 mg/100 g區(qū)間已能滿足要求，后續(xù)可以通過豐富代表性樣品，如增加低、高脂肪酸值含量的樣品、區(qū)域性樣品、不同品種樣品等，完善近紅外檢測(cè)參數(shù)，包括樣品量、檢測(cè)次數(shù)、檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)等，進(jìn)一步提升廣西早秈稻谷脂肪酸值模型效果，接近或者達(dá)到國(guó)標(biāo)理化檢測(cè)水平，為廣西廣大基層糧庫(kù)、市縣糧食檢測(cè)機(jī)構(gòu)監(jiān)控稻谷的脂肪酸值提供準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)方法。