国外粮食近红外光谱检验近况

国外掖食近红外光谱检验近况 吴存荣周展明唐怀建 河南工 业大学 粮油储藏 及物流 标准组 郑州 4 5 0 0 5 2 摘 要 在快速检测技术方面 近红外技术是目前惟一能够同时 快速进行粮食多项品质 指标检测的技术 国外 近红外 技术已经成为粮食品 质检测的标准方法 满足了 粮食流通环节的 需要 本文介绍了国外近红外 在谷物 硬度测定 最终使用品 质预测 虫害检测等方面的 研究 关键词粮食品质 近红外光谱 最终品质 为了 保证粮食在市场上快速的流 通 提高 粮食的质 量 加强粮食质量管 理 对粮 食最终 使用品 质和 粮食质量及安全做出客观的评价 各国制订了 相应标准 研 究了相关的 检测方 法 从收购 流通 储藏 加工到最 终消费 全过程保 证粮食的质量和安 全 保证粮食 及其制 品在市场 上快速流通和取得更大的效 益 2 0 0 5 年2 月2 3日 到2 4日 的 美国粮食质量年会上 会议主 席T i m H e 二和C h a r l e n e W o l f H a ll 认为 只有对 粮食品质进行基础研 究 在 科学研 究基础 之上建立起粮食标准和相关检测技术 才能保证市场中粮食和粮食食品的 质量和安 全 以 美国为 代表的 发达国家 加强了 有关粮 食的基础研 究 建立了 一系 列客 观 准确的 测 定粮食 质量和 安全指标的技术 特别 是粮食质量安全 快速的 检测方法的开 发 促进了 粮食在 市场上的快速流通 在 快速检测技术方面 近红外技 术是目 前惟一能够同 时 快速进 行粮食多 项品质 指标检 测的技 术 事实上 在美国等先进国 家 近红外技术已 经成为粮食品 质检测的 标准方 法 满 足了粮食流通环节的需要 1 近红外测 定粮食品 质指标的新进展 在 粮食作物品 质鉴定方面 近红 外使用最为成功 应用最为广泛的 是分析小麦 大 麦中 的粗蛋白 质 这一技术已应用到小麦 商品 粮收购中 B la c k 和P a n o z z o 利用近红外漫反 射光谱 技 术建 立了 小麦籽粒硬度的定标模型 获得预测集决定系数 为0 7 2 标准误差为4 3 1 虽 然采用的 定标集样品数量较少 定标范围较为狭窄 样品数为6 5 硬度 P S I 值为1 4 1 2 8 1 但却为近红 外光谱技术测试籽粒硬度提 供了 有力证据 结果见图1 0 用 傅里叶 变换近红外光谱法测 定完整的 单粒玉米中 油分的含量 在2 0 0 5 年3 月1 3 日 1 5日 美国最新粮食前沿测定技术和信息圆桌会议上 伊利诺斯州 I l li n o i s 大学的M a r v i n P a u l s e n 介绍了 傅里 叶近红外技术测 定大豆中的 脂肪酸 美国 农业部计划2 0 0 5 一 2 0 0 7 年利用近红外光谱研究单籽粒玉米品质 开发玉米处理系 作者简介 吴存荣 男 1 9 6 4 年出 生 粕食品质分析和 标准专家 河南工业大学植油储藏及物流工作组主任 河南 工业大学标准研究所主任 从事校油标准工作多年 参与 多项国际标准化组织 I S O 谷物标准的审定工作 正在制定多项 国 家 标准 E 一 th i z l 1 6 3 二 1 5 8 y s 闷i 3 1 5 7 1 0 S K C S 籽拉硬 度值 1 1 0 5 小麦样品S K C S 单颗粒 硬度值与 近红外测试硬度值相关图 统 和积分光谱 同时研究小麦等品质测定 把 近 红外作为快速检测粮 食的主 要方法 目 前 近红外光谱分析技术还存在不足 如不同地区的不同单位 在近红外仪器的定标 过 程中 往往采用各自 测定的标 样 不同单位 的标样之间有一定的差异 导致测定的结果也 有一定的差异 样品的粒度大小 均匀程度及 装样方法对漫反射测量结果的精度都有较大的 影 响 预测能力及预测精度有待进一步提高 近 红外能够更好地测定生物材料 但是贸易中 原料的多样性和 标准是挑战性的问题 为了对 粼叶染制 埋侧易释 备性属匕之 近红 外的校准 在研 究开发中 广泛采用了 信息处理技术 2 0 0 4 年爱 荷华州已经开发了 广泛的光谱校准数据库系统 2 0 0 5 年 进一步扩大到对大豆 玉 米亚 基因子 氨基酸 脂肪酸 等 的测 定 近红外测定大 豆中 亚油酸 含量与气相色谱测定结 果的 相关系数R为0 9 7 图2 现代网络技术在 粮食 质量控制中得到了 采用 特别是和近红外技 术的 结合 粮食 特性测定系统是基于因特网技术 基 础 的 快 速 在 线 检 测 系 统 可 以 在 本 地 对 粮 食 进爱 行 测定 但是数据处理 监控 保存都 在控制中 F 心 处理 通过中 心系统的 控制 可以对傅里叶变 换 近红 外测定结果进行统一的 校准 测定仪器通 过互联网技术与中心处理系统连接 粮食特性测 定系统中一台仪器运用傅里叶变换近红外可以测 定从 大到小的粮食样品 测定样品可以是流体 粉末或钻性体 在不同的地方可以实现实时检测 N I R 测定值邝 图2 近红外测定大豆中亚油酸与 气相色l A 测定结果比较 粮食特 性测 定系 统可以测 定多 项粮 食品质指标 如测定大麦的水分 蛋白 低芥酸菜籽 卡那 拉 的叶 绿素 芥子油贰 碘价 亚麻酸 水分 脂肪 油酸 蛋白 质 卡那拉粉的 脂 肪 水分 蛋白 玉米的水分 脂肪 蛋白 质 淀粉 丙氨酸 精氨酸 天门冬氨酸 半胧 氨 酸 谷氨酸 甘氨 酸 组氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 苯丙氨酸 丝氨 酸 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 绷氨酸 玉米酒糟的水分 脂肪 蛋白质 玉米纤维的脂 肪 淀粉 亚 麻籽的 碘价 亚麻酸 油脂 油酸 蛋白 质 总饱和脂肪酸 草原卡那 拉的 芥 酸 芥子油贰 压饼中 有机物 O M in P C 菜豆的水分 花生的 油酸 亚麻酸 总饱和脂肪 酸 大豆的 计算纤维 计算搪 氮溶解指数 脂 肪 蛋白 质 总异黄酮 大 豆素 染料异黄 酮 黄豆黄素 总饱和脂肪酸 棕搁酸 亚麻酸 油酸 亚油酸 硬脂酸 总氨 基酸 丙氨 酸 精氨酸 天门 冬氨酸 谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 赖氨酸 大米的 游 离脂肪酸 油脂 豆粉的 水分 脂肪 蛋白质 豆粕的纤维 水分 蛋白 质 总含油量 粉碎葵花 籽的 油酸 棕搁酸 总含油量 总饱和脂肪酸 小麦的降落值 面 筋指数 水分 蛋白 湿面 筋 硬度 红 色春小 麦的识别 小麦粉的 直链淀粉 灰分 蛋白 质 咖啡豆的 水 分 颜色 烘焙豆的 颜色 咖 啡粉的咖啡因 颜色 水分等 2 近红 外技术对粮食最终品 质预测的新进展 2 0 0 5 年 A M公司研究 运用近红外预测 粮食的 最终品质 测定的面粉吸水量与实际测定 1 5 9 值的相 关系数为0 9 1 标准偏差1 2 9 0 近 红外测定面包体积值与 实际 值的 相关系数为0 7 8 图3 0预 测值与面 包评分 实际 值的 相关系 数为0 7 0 图4 还可以 预测面团形 成时间 面 粉中 面筋蛋白 质吸 水胀 润作用不仅限于分子表面 还在分子内部同 时进行 分子内 胀 润所需要的 水 是靠分子内部的渗 透压使水分子以扩散的 方式渗透进去 糖和盐都是易 溶物 质 若它们与蛋白 质同时遇水 会增加蛋白质分子外的 渗透压 从而影响面 粉的吸水力 利 用近红外可以对面团加盐后的变化进行预测 R 0 6 9 9 0 s 石 E 7 6 5 6 9 卿绷删溯 曰已 划澳眼 R O 7 7 9 0 S E E 6 9 9 9 9 沂 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0 实际值翔止 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 实际 k L 即对1豁1解蔽徒绷 姗翻姗潮绷姗双 曰 b樱砚昌 图3 近红外测定面包体积值与实际值的 相关性图4 近红外预测面包评分值与 实际值的相关性 近 红外预测粮食最终品质 指标的 偏差分析如表t o 表 1 近红外预测品质指标的偏差分析 品质指标主因 子数相关系数 交 互验证 标准偏差 S E C V 校准的均方根偏差 R M S E C 预测均方根 偏差 R M S E P 水分 蛋 白质 降落 值 粉质 曲线 吸水 盆 面包 体积 面包心平滑度 4 4 7 8 6 8 2 9 8 5 9 9 6 8 7 4 0 9 3 2 8 3 5 0 9 1 刃 0 6 9 9 0 1 3 8 0 2 0 7 7 1 0 4 2 一 以 1 3 8 9 6 4 5 3 8 2 9 0 1 1 0 1 7 4 7 3 1 0 蛇 0 9 4 4 7 2 3 2 5 2 3 0 科 0 1 9 7 9 9 9 2 刃 1 4 3 始 价 5 6 8 8 3 近红外技术在粮食其他方面的应用的 新进展 美国F D A 规定面粉中虫体 碎片不能过超过一定数量 实际测定中需要快速 高效检测 粮食籽粒中 虫害和面粉中虫体碎片 除 用图像方法 声学 方法和S K C S 4 1 0 0 检测小麦 籽粒内 部的害虫 还采用近红外研究粮食籽粒内 部的 拟谷盗 R e d F l o u r B e e tl e 和面粉中 虫体碎片 研究表明 不同近红外波长下无虫面粉和 有虫面粉典型相对吸收特征不同 能区分出有 害 虫的 麦粒与完好无损的麦粒 还能识别隐藏 麦粒中的 害虫种类 区别外观近似的稻象鼻虫 谷象鼻虫 对近红外检测小麦籽粒内 部的虫害需要进 行 校正 检验米象蛀食小麦校正后的正确识别 率为5 6 一 在4 2 次识别中 3 5 次的正 确 识别率在 8 0 以上 如图5 绷翎 洲似 妇欠诊砚甲 实测 碎 片 值 图3 虫体碎片实际值与近红 外测 定值的 相关性 1 6 0 为了 快速地检测面粉中 的害虫碎片 美国 农业部计 划2 0 0 5 年到2 0 0 7 年度开发处理系 统 把近红外作为快 速检测 面粉中虫害的 方法 利用近红外光检 测面粉中 的害虫碎片 从扫 描面粉中收集数据 实现面粉中虫害的快速检测 人们建立在颜色 基础上判别热损伤 小麦籽粒 热损伤导 致蛋白 质变性的改变并不总是引 起籽 粒的 颜色 近红 外检测热损伤小 麦籽粒可以 在物理 颜色 和化 学 蛋白 质变性 两方面来 进行判断 可用近红外研究小麦籽粒是否是热损伤粒 4 讨论 总之 近红外作 为一种快速的检 测方 法 近几年在国外得到了 很快的 发展 检测的准确 度得 到提高 检测的 范围 扩大 并且 应用到粮食 最终品质的测 定研究 同时作为一种间接测 定方 法 对于仪器的 校准 仪器之间的 模式差 别 样品品种的繁多 也是近红外发展中面临的 具体问题 参考文献 1陆婉珍 袁洪福 徐广通 等编著 现代近红外光谱分析 技术 北京 中国 石化出版社 2 0 0 0 1 2 5 2 刘肖 IC S 一3 0 0 0 离子色谱系统 环境化学 2 0 0 5 2 4 4 9 4 一 4 9 6 3李军会 赵龙莲 劳 彩莲 王忠义 王韬 罗长 兵 严 红兵 伍 芳翠 张录达 严衍禄 用近红外光潜 构建现代 农产品品质分析技 术 现代科学仪 器 2 0 0 5 1 1 7 1 9 4 P e r f o r m a n c e o f a N M Wo r k o f Wh o l e G r a i n LA I R S U n its f o r C mrs e G r a in s D r C h r le s R H u r b u r g h P r o c O f th e 9 t h I n te m a ti o n a l MR S C o r d P 1 6 A G R O 5 N e t w o d a n g o f LA I R S I n s tr u m e n t s fo r R a p e s e e d A n a ly s is U s i n g D iff e re n t P ro c e d u r e s P e te r T i ll m a m r C h ri s ti a n P a u l P ro e O f th e 9 th I n te rn 1N IR S C o r d P 3 8 A G R O O v e r s e a s P r o g r e s s i n G r a i n A n a l y s i s 勿 N e a r I n f r a r e d S p e c t r o s c o p y W u C u n ro n g Z h o u Z h a m n i n g T a n g H u a ij i a n H e n n a U n i v e rs ity o f T e c h n o l o g y G r a in a n d O il S to r in g a n d S ta n d a r d W o r k G ro u p Z h e n gZ h o u A b s t r a c t T h e n e a r in fi a r e d