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近红外光谱技术在农业领域的应用

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2024/06/26

近红外光谱（NIR）

我国是农业大国，农业是立国之本，是我国的第一产业，是经济发展的基础。一直以来，农业为人们提供基本的生活物质，是保障民生健康的重要支撑。近红外光谱反映C-H，N-H以及O-H等含氢基团振动的倍频和合频吸收，适用于分析动植物产品的组成与结构信息，在农业领域的应用呈现增长趋势，从早期的农作物种子品质检测、迅速扩展到水果、食品、饲料等领域。本节将从粮食和水果两方面，介绍近红外光谱在农业领域的应用。

一、近红外光谱技术在粮食中的应用

如何在种植、储藏、运输、加工等各个环节中保证粮食安全一直是人们所关注的问题。近红外光谱是一种快速无损的检测技术，具有环境友好、检测效率高等优点，可以为保障粮食安全提供重要的技术支撑。本节主要总结了近红外光谱技术在作物的育种筛选和评估、病害检测和预防，以及粮食品质特性检测方面的应用研究。

1. 育种筛选和评估

种子是农业的“芯片”，加强品质育种，提高粮食质量和产量，对于保障粮食安全具有重要意义。品质育种是根据育种目标和重点品质形状的遗传特点，确定育种策略，合理协调不同品质性状。如吉林农科院以培育加工专用马铃薯为目标，培育出具有适应性强、抗病性良好和高产量等优点的春薯3号和春薯88-3-1，被百事等知名企业选定为油炸原料薯^[1]。一般来说，在品质育种过程中，需要对种质资源、原始育种群体样本以及遗传育种群体样本进行化学成分分析（蛋白质、淀粉、水分等含量）、筛选（区分母本和杂交种等）和评价。常规的化学方法需要破坏样本，并对样本进行较为复杂的前处理，耗时耗力严重还影响育种效率。近红外光谱技术因其具有快速、无损、环保、多指标同时分析等优点而引起人们的关注。

中国农业大学、华中农业大学、浙江大学、中国科学院以及中国农科院等国内外诸多科研单位开展了一系列基于近红外光谱技术在水稻^[2-4]、玉米^{[5, 6]}、小麦^{[7, 8]}、豌豆^[9]等粮食作物育种方面的研究，并在实际育种过程中得到广泛应用。

2. 植物病害检测

储粮安全是粮食安全体系建设中的重要组成部分，然而粮食在储藏过程中常因害虫而发热和霉变，影响其食用品质和营养价值，从而造成严重损失。据联合国粮农组织调查，由于害虫原因每年引起的全球粮食总损失达到10-28%^[10]。因此，监测粮食中的害虫是尤为必要的。常用的检测方法有直接检查法、取样检测法、诱集检查法以及包括近红外检测的电子检测法。其中，取样检测法是目前我国粮食仓储行业常规的检测方法，主要是通过采用剖粒、染色和比重法等方法检测部分样品中害虫的发生情况，从而评估整体粮食中害虫发生情况^[11]。然而这种方法有破坏性、检测时间较长、不适用于检测隐蔽害虫等。近红外光谱技术因其样品需用量少、快速、无损而被广泛用于检测谷物中的米象^[12]、谷象^[13]、玉米象^[14]和锯谷盗^[14]等。

3. 粮食品质评价

粮食含有淀粉、脂肪和蛋白质等丰富的营养成分，在长期储藏过程中由于自身的呼吸作用或者外界环境等因素，容易发生氧化、降解等现象，从而导致粮食的腐败与变质^[15]。因此，粮食品质监测对于保障粮食安全具有重要意义。一般而言，粮食品质指标包括水分、脂肪、蛋白、淀粉、纤维素和灰分等。针对这些指标，常规的化学检测方法有加热干燥法、索氏抽提法、凯氏定氮法、酸水解法、范氏纤维素含量测定法以及直接灰化法等^[16]，然而这些方法常常需要破坏样品、使用有机试剂，并且需要较高的能量和较长的分析测试时间。而近红外光谱技术因其可以同时测量多个品质指标，提高工作效率、减少人力成本而在今麦郎集团和江苏三零面粉集团等知名企业得到了广泛应用。

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