玉米中蛋白检测方案(近红外光谱仪)

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维普资讯http：//www.cqvip.com检测分析非食5工业CEREAL & FEED INDUSTRY432004，No.11 维普资讯 http：//www.cqvip.com+4董秀玲等：现场收购"冻玉米”中各组分含量的近红外光谱(NIR)分析/2004年第11期 现场收购“冻玉米”中各组分含量的近红外光谱(NIR)分析 董秀玲，钱世凯，杨维旭 (吉林燃料乙醇有限责任公司，吉林吉林 132101) 摘 要：论述了采用近红外光谱仪 DA7200 检测冻玉米中主要成分含量的方法。讨论了采用偏最小二乘法(PLS)建立校正模型过程中样品预处理及利用常规吸收峰优选波长的方法。经验证：水分、淀粉测量值同浓度参考值具有良好相关性(相关系数大于0.9)，测量重复性变异系数(CV)优于2%。结果表明，近红外光谱法可以满足冻玉米中主要成分的实际测量要求，为玉米深加工企业提供了冬季原料玉米“按质收购”的参考方法。 关键词：冻玉米；近红外光谱仪；偏最小二乘法；基础数据；定标模型 中图分类号：TS210.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6202(2004)11-0043-03 NIR Assay of the Contents of the Constituents in the Frozen Maize to Be Purchased on the Spot ABSTRACT：The method for assaying the contents of the main constituents of the frozen maize with DA7200 near-infrared spectroscope is pre-sented. The sample pre-treatment during setting up the correcting model by partial least-squares(PLS) and the way of optimizing wavelengthaccording to normal absorption peak are discussed. It is verified that there is a good correlation between the measured moisture and starch val-ues and the reference value of concentration (the correlation coefficient is higher than 0.9)， with a coefficient of variation (CV) of repeatabilitybelow 2%. Therefore， NIR spectroscopy can meet the practical measuring accuracy as required for the principal constituents of the frozenmaize， thus providing the maize further-processing enterprises a reference for purchasing their raw material according to its quality in winter. KEYWODRS：frozen maize； near-infrared spectroscope； partial least-squares (PLS)； basic data； quantitative model 玉米通过深加工生产出高附加值的终端产品是玉米工业发展的趋势，也是解决农民卖粮难及增收的有效途径。随着国内玉米深加工企业的规模经营和持续成长，玉米的需求量激增，玉米收购的按质定价便成为企业工艺管理成本的重要内容。根据GB/T 8613—99《淀粉发酵工业用玉米标准》，淀粉及水分含量是判定原料玉米等级的主要质量指标。淀粉是玉米的主要成分，也是进一步转化成果葡糖浆、山梨醇、燃料酒精等产品的原料；而玉米中的蛋白质含量也是确定工艺参数的重要指标。在收购现场对玉米中的水分、淀淀、蛋白质采用常规化学分析方法进行检验，不能及时为等级判定及生产提供所需的分析数据。 近红外光谱技术(NIR)是目前最新发展的光谱分析技术，每1 min 可同时分析样品中的多个组分，且玉米样品不需制备，可直接整粒测试。近红外光谱(NIR)用于玉米的现场收购可显著提高分析速度，而且采用仪器分析可获得原料供应商及农民的高度认可，避免质量等级判定过程的纠纷，真正体现按质定价。 在东北地区，玉米收购的高峰期集中在冬季。针对冻玉米的分析我们尝试采用微波解冻方式，在不破坏其成分分子结构的情况下，使用 DA7200 近红外光谱(950~1650 nm)建立定标数据库，经多次预测及验证调整，取得较为理想的分析 ( 收稿日期：2004-07-29 ) ( 作者简介：董秀玲(1970-)，女，工程师，现从事质量管理与仪器开发。 ) 效果，并为玉米深加工的同行企业提供了现场原料玉米收购的参考方法。 1 原理与方法 近红外光谱是分子振动光谱的倍频及合频的吸收光谱，是含氢基团 X-H键(X为C、O、N、等)的主要特征信息。近红外光谱被划分为短波(NIT 700 ~ 1 100 nm)和长波(NIR1100~2500 nm)两个波段。DA7200 的波长范围为950~1650 nm，兼容 NIT及 NIR部分，突破了不同波段、不同光波收集方式的光谱数据或定标数据不能共享的常规界限，因此更具实用性。 近红外光谱技术的分析基础是光谱比照分析，需要预先建立定标模型。定标就是收集均匀覆盖各分析指标变化范围的代表性样品，采用常规化学分析方法检测出各样品的相关组分，同时经近红外仪扫描光谱，再通过定标软件对组分数据与样品光谱间建立起特定的回归对应关系。当再扫描未知样品时，仪器便依照对应关系，给出相关的组分值，如玉米的水分、淀粉、粗蛋白质等。 2 仪器部分 采用 DA7200 近红外光谱仪，其波长范围950~1650 nm， 波长精度小于或等等0.3 nm，波长稳定性小于或等于0.2 nm/a. 2.1 光学系统 DA7200采用全封闭光学腔体，光源灯为汞灯，参比灯为卤钨灯。其独有双光束系统自动参比分析，使样品扫描与参比扫描同步进行，免除了人工手动参比的步骤，也最大限度地消除了参比间隙中光学信号及电子噪音波动产生的影响。 2.2 进样系统 采用大样品杯，该样品杯面积较大(154cm²)，光照边缘部位达 108 cm。步进电机动动，使样品杯迅速旋转，光柱环绕转动，收集的光谱具有更大的扫描面积，光谱信号经均匀化处理，消除了整粒样品导致的漫反射光谱信号波动，达到较高的重复性。适用于整粒及片状等不规则形态样品的分析，样品用量约75 gc 2.3 检测系统 950~1100 nm 波段采用硅检测器；1100~1650 nm波段采用二极管阵列检测器，该检测器由256个光电二极管排列组成。光束通过检测池时被样品吸收，然后被光栅分光，形成按波长顺序分布的光谱带，光谱带再被聚焦到阵列式接收器上，阵列上每个光电二极管同时收到不同波长的光信号，并通过电子学的方法依次扫描提取、储存。每1 min 扫描100个光谱。 DA7200的二极管阵列检测器因其光电管阴极涂附光敏性极高的 InGaAs，且冷控处理，避免温度因素造成的噪音及漂移，从而对光谱的精细结构有更好的分辨能力。 2.4 软件系统 Simplicity ver 3.2：用来采集光谱并处理及存储，其专有的识别功能可寻找与样品有着最好的光谱匹配的产品，以辨别真假。 Grams32化学计量软件：对从 Simplicity 导出的数据进行建模处理，并将校准模型再导人 Simplicity 中应用；定量分析数据方式：多元线性回归(MLR)、偏最小二乘法(PLS)、主成分分析(PCR)。 2.5 样品来源与成分含量标定 吉林燃料乙醇有限责任公司粮检分析室依据气候、品系、地理分布、样品范围等因素，提供了吉林地区具有代表性的53个类马齿型玉米样品。为扩大用于建模的样品成分含量的覆盖范围和适用梯度，对部分样品进行浸泡，人为增加其水分含量。 2.6 样品成分含量参考值测定方法 水分：按 GB/T 5497—1985 粮油、油料检验水分测定法；淀粉：按 GB/T 5497—1985粮油、油料检验淀粉测定法；蛋白质：由凯氏定氮仪 Buichi-339 进行测定，该方法同 GB/T5511-85粮油、油料检验粗蛋白测定法相适应。 3 实验部分 3.1 定标建模 3.1.1 定标样品的收集与处理 定标样品是小的群体(几十个样品)要代表被测群体(几百乃至几千个样品)的计量过程。所说的代表性是指同一作物中不同类型、不同品种、不同来源和待测组分含量分布都具有代表性。其中待测组分含量范围要覆盖被测样品中该 组分的含量范围，而且此范围内定标样品的分布尽量均匀。 3.1.2标准样品处理 样品混匀后分为两份，一份进行实验室分析，另一份作光谱扫描。若不能及时扫描，则必须保证样品绝对不发生水分的丢失或其它变化，应置于自锁塑料袋中，于冰箱中冷藏。 3.1.3预测样品的微波解冻 将样品置于微波炉中(800W)，将功能键调至“解冻”档，调时设定为120 s(经多次反复实验，解冻后温度约20~25℃)。 3.1.4光谱采集及数据录人 将样品置于旋转杯中，近红外光谱扫描。每个样品重复测量5次，重装2次，光谱图集见图1。由图1可知，谱线具有较高重现性。将经化学分析得出的水分、蛋白、淀粉数据录人系统。 图13玉米样品近红外(NIR)光谱图集 3.2校正方法 在 Grams32 软件系统的化学计量方法中，我们选用偏最小二乘法(partial least-square，简称PLS)回归模型。PLS 法是近红外光谱分析中使用较多、效果较好的一种多变量校正方法，它主要是进行成分提取，即对变量系统中信息重新进行综合筛选。从中选取若干个对系统具有最佳解释能力的新综合变量(成分)进行回归建模，由于对变量的综合，将可能克服多重相关性造成的信息重叠，而针对变量系统中的信息进行筛选，可有效区分系统信息和噪声，提高系统建模的准确性。PLS较常用的 MLR(多元线性回归)的优势是利用了全部光谱信息，可压缩所需样品数量，有效防止过模型现象，提高分析精度。 3.3因素分析及模型的评价参数 相关系数是表征拟合效果的重要参数，因素数少，拟合精度不够，预测效果差；因素数过多，相关系数改善不明显并引起过度拟合。通常以 PRESS 确定最佳因素数，当因素数为5时，PRESS最小，故5最为适合；但因化学方式及其它因素影响，5~9均可接受。表1是玉米分析模型评价参数。 表1玉米分析模型(Maize)评价参数 组分 样本 范围 因素 相关 SEP 标准方法 数量 % 分析 系数 % 再现性/% 水分 108 7.0~40.0 5 0.9986 0.06 0.20 淀粉-cb 101 57.0~76.0 7 0.925 5 0.35 1.00 蛋白-cb 98 6.0~12.0 9 0.941 6 0.15 0.30 将表1中预测标准误差(SEP)与再现性比较，可以看出近红外方法测定的数据完全符合标准方法的再现性要求，且测量值与预测值之间具有良好的相关性(见图2、图3、图4)。 图2水分验证曲线 图3淀粉(cb)验证曲线 图4蛋白质(cb)验证曲线 3.4分析模型的验证 为了验证分析模型的准确性，随机抽取玉米作为验证样品，用所建立的 Maize 模型进行未知样品的预测，并同标准方法的测定结果相比较。采用统计学的：检验进行评价，统计分析结果见表2. 表2近红外分析与标准方法测定结果的对比统计结果 组分 样本数量 范围/% 差值/% 111 水分 20 8.9~32.0 0.08 0.45 淀粉-cb 20 66.0~72.0 0.42 1.27 蛋白-cb 20 8.0~10.8 0.26 0.90 注：差值为两种方法所得结果差值的平均值， 采用t检验方法判定近红外分析方法和标准方法是否存在显著性差异，给定显著水平α=0.05，查得 to.os(19)=1.73。由此可以看出：t检验结果ltl均小于1.73，说明两种分析方法测定结果是一致的，即用近红外光谱分析技术代替标准方法进行控制分析是完全可行的。 3.5测量方法重复性实验 Maize 模型对求解未知样品的3项指标进行15次重复性实验，预测结果证明测量方法具有较好的重复性，见表3. 4结果与讨论 (1)分析结果表明：采用近红外光谱(NIR)测量冻玉米中的水分、定粉、蛋白贡，同常规化学分析相比较，测定数据较 接近，测量精度及准确度符合要求，该方法是可行的。 表3 玉米分析重复性实验预测结果 次数(15) 水分/% 淀粉-cb/% 蛋白质-cb/% 平均值 25.40 68.52 9.68 STD 25.52 68.42 9.50 CV 0.40 0.86 0.62 标准方法重复性 0.22 0.70 0.12 (2)近红外的定量分析是通过在样品光谱图和各化学成分含量基础数据之间建立数学对应模型来进行的。但由于样品的多样性(颗粒、色泽、杂质等物理状态信息及品系、地域的差异)和近红外光谱的复杂性，没有某种现成的定标应用模型适合所有分析对象，近红外光谱仪体现的是光谱分析的精密度及提供化学计量学软件，样品分析的准确性取决于自身所建立在组成和性质变化范围上具有代表性的样品集(包括光谱和基础数据)，以及通过化学分析计量软件处理的定标模型。 (3)近红外光谱分析以其高效、多成分同时分析、无损和低成本的特点，显著提高分析效率。近红外光谱应用于玉米深加工企业原料玉米的现场收购，可真正实现按质定价的动态控制。 ( [参考文献] ) ( [1] Marie-Farance Laporte， P a ul Paqin. Ne a r-Infrared Analysis of Fat， Pro-tein and Casein in Cow’s Milk[J].J Agric Food Chem， 1999，47(7)： 2600~2605. ) ( [2] 李庆波.牛奶主要成分含量近红外光谱快速测量法[J].食品科 学，2002(6)：121-124. (责任编辑：黄小平) ) -..................*.................................-.............*.................，.......................*.............*.......... 2005中国(南宁)东南亚粮农产品绿色食品展览会暨粮农加工 技术设备展示会 为宣传和展示我国粮农产品、绿色食品近年来取得的丰硕成果，充分发挥广西在我国与东南亚地区经贸交流上的区位优势，利用南宁“绿城”的金字招牌和以“中国-l——东盟博览会”在南宁召开的延续、延伸功能，在中国和东南亚地区之间搭建一个粮农产品交流与合作的平台，将中国名优粮农产品、绿色食品及其相关生产加工技术设备推向东南亚市场，经中国国际贸易促进委员会批准，由国家粮食局和广西壮族自治区人民政府作为支持单位，中国国际贸易促进委员会粮食行业分会、中国粮食行业协会、中国绿色食品发展中心、中国国际贸易促进委员会农业行业分会、中国饲料工业协会、中国绿色食品协会和广西壮族自治区粮食局共同主办的“2005中国(南宁)东南亚粮农产品绿色食品展览会暨粮农加工技术设备展示会”定于2005-06-11-13在南宁国际会展中心举办。包括粮油食品、名、优、特、新产品、放心粮油”产品、绿色食品、饲料产品以及机械设备、科技成果、招商项目的展示和交易等相关活动。 ( (摘自GJLSJW，2004-10-18) )