彭靖茹　黃秋偉　黎萍　楊金春　甘志勇

摘 要：為實時監(jiān)測鮮木薯中水分，指導(dǎo)其加工，建立了近紅外光譜法現(xiàn)場快速測定木薯中水分含量的方法。采用橫切木薯莖塊方式進(jìn)行制樣，對其橫截面進(jìn)行近紅外光譜掃描，二階導(dǎo)數(shù)法預(yù)處理光譜圖，定量偏最小二乘法（QPLS）建立模型，優(yōu)化了模型條件和參數(shù)，建立最佳近紅外光譜數(shù)學(xué)模型。結(jié)果：數(shù)學(xué)模型良好，驗證集樣品的化學(xué)值和近紅外預(yù)測值間相關(guān)系數(shù)為0.9755，校正標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEC）為1.31 %，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.20 %，決定系數(shù)（R2）為0.9516。未知樣品預(yù)測結(jié)果相對誤差0.5 %～3.4 %。該水分定量分析NIRS數(shù)學(xué)模型具有較高的準(zhǔn)確性，可滿足快速測定鮮木薯中水分的要求，對促進(jìn)鮮木薯加工業(yè)提高效率有積極意義。

關(guān)鍵詞：近紅外光譜法 鮮木薯 測定 水分

木薯（Manihot esculenta Crantz）別名木蕃薯，樹薯，英文名為cassava，是世界三大薯類作物之一。廣西是我國木薯生產(chǎn)的第一大省，也是國內(nèi)最大木薯加工產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)有的淀粉廠、酒精廠等木薯加工企業(yè)近200 家，木薯產(chǎn)業(yè)在廣西已成為一個規(guī)模較大、產(chǎn)業(yè)鏈較長、發(fā)展前景廣闊和具有地方特色的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè) [1]。

目前，我國木薯淀粉加工主要在收獲季節(jié)用新鮮木薯原料直接加工（可節(jié)約用于干燥的大量能源），一部分木薯切片干燥后留至非收獲季節(jié)加工；新鮮木薯也可直接轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇 [2]。新鮮木薯原料的質(zhì)量對淀粉、乙醇的生產(chǎn)有一定影響，新鮮木薯中最主要成分是淀粉和水分，淀粉含量越高越好（一般含量在20 %～25 %），水分含量約65 %，鮮木薯的采購、進(jìn)廠、加工等工序均需要檢測其淀粉、水分，由于缺乏快速的檢測技術(shù)，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一定不良影響，對于適用于現(xiàn)場快速測定的近紅外光譜分析技術(shù) [3-5]，還未在該行業(yè)得到應(yīng)用。目前國內(nèi)還沒有鮮木薯品質(zhì)的現(xiàn)場快速測定報道，本研究采用國產(chǎn)的近紅外光譜儀，開發(fā)適合現(xiàn)場快速測定新鮮木薯中水分的近紅外光譜法，以提高該行業(yè)的檢測技術(shù)水平。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

上海棱光技術(shù)有限公司光柵漫反射的Spectrumlab 400型近紅外光譜儀（NIRS），波長范圍1300 nm～2500 nm，波長重復(fù)性≤1nm，掃描間隔4、8、16 nm；使用儀器配套的定量分析軟件包。柱形石英樣品池，旋轉(zhuǎn)掃描方式。

1.2 實驗材料

在2個木薯收獲期分別采集、分析樣品，時間跨度1.5年。木薯成熟時，對種植于廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所實驗地的木薯進(jìn)行采收，有桂熱3號、桂熱4號、桂熱5號、GR891、GR911、GR024、SC5、SC8、SC9、SC10 、SC124、SC201、SC205、KU50、R5、RE024、R9、羅勇1號、巴丁、菲律賓1號、越南KM98等20多個廣西主栽品種和引進(jìn)育種品種，共收集實驗樣品共95個，去除2個異常樣品，建模用90個樣品，驗證用3個樣品。樣品處理方法：鮮樣品去皮，用鋒利的刀于薯塊中部橫切、平整（呈柱狀，厚度2～3 cm），裝入石英樣品皿中，平整的橫截面貼石英窗和填滿石英窗，立即對其橫截面進(jìn)行近紅外光譜掃描；同時把薯塊制成均漿，采用直接干燥法完成水分含量的測定；每天樣品處理量不超過8個。

1.3 測定方法

1.3.1 化學(xué)分析

鮮木薯樣品去皮，制成均漿，采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5009.3-2010中的直接干燥法測定鮮木薯中的水分，當(dāng)天完成水分測定。

1.3.2 近紅外分析

使用Spectrumlab 400型光柵漫反射近紅外光譜儀，CAUNIFT Version4.0近紅外定量分析軟件包（儀器自帶），設(shè)置儀器的工作參數(shù)、收集和保存光譜。工作參數(shù)：譜線范圍1300～2500 nm，掃描間隔 4 nm，掃描次數(shù)4次。采集光譜前預(yù)熱1 h，環(huán)境溫度22 ℃～28 ℃。

鮮木薯樣品去皮，于薯塊中部橫切、平整，立即對該橫截面進(jìn)行光譜掃描，每個樣品重復(fù)裝樣2次，掃描次數(shù)4次，計算其平均光譜，保存圖譜。木薯近紅外漫反射光譜如圖1所示（該軟件無多譜線疊加功能，這是其中一條譜線）。

1.3.3 建立近紅外光譜數(shù)學(xué)模型的方法

使用CAUNIFT6.0版近紅外光譜分析軟件（上海棱光技術(shù)有限公司），定量偏最小二乘分析模塊（QPLS）進(jìn)行建模和樣品分析。將已測得化學(xué)值的90個樣品的近紅外光譜圖譜進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)法預(yù)處理，按4：1比例進(jìn)行自動分組、分配為校正集和驗證集。定標(biāo)樣品集建立預(yù)測模型后，內(nèi)部交叉檢驗法確定最優(yōu)主成分?jǐn)?shù)，并對模型進(jìn)行優(yōu)化，最后確定模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮮木薯樣品水分的化學(xué)分析結(jié)果

表1是建模用的90個鮮木薯樣品中水分常規(guī)分析結(jié)果匯總，結(jié)果以鮮樣計。從表1可以看出，鮮木薯樣品中水分的測量值分布在40 %～70 %，變幅比較大，其含量范圍基本覆蓋當(dāng)前生產(chǎn)上鮮木薯中水分的含量，能夠很好的用于建立鮮木薯水分含量的近紅外校正模型。樣品采集時間在2個年度，多時期的樣品可讓模型有更好現(xiàn)實的適應(yīng)性。

2.2 樣品的近紅外光譜

由于鮮木薯樣品中水分含量一般范圍在40 %～70 %，其含量與熟度和品種相關(guān)。由于水分量很高，為避免樣品均漿在裝樣、壓樣時水分被擠出，并布滿樣品池的表面，使水分吸收近紅外光譜高于樣品實際值，采用制成柱狀可避免這一現(xiàn)像；制樣后需要盡快進(jìn)行紅外光譜掃描，以減少樣品表面水分在空氣中的變化。此外，由于水分對光譜的強(qiáng)烈吸收和近紅外光譜的加熱性強(qiáng)，單次裝樣隨著掃描次數(shù)（時間）增加，會增高樣品池中樣品的溫度，從而影響光譜的穩(wěn)定性；特別是均漿裝樣、水分布滿樣品池壁時，這種現(xiàn)象較明顯（用均漿裝樣、波長間隔4 nm，掃描8次后，樣品最高升溫可達(dá)15 ℃）。經(jīng)試驗確定參數(shù)，制樣方法為木薯根塊橫切呈柱狀，光譜掃描：波長間隔4 nm、掃描4次（掃描后樣品升溫小于3 ℃）。使用儀器全量程范圍波長1300 nm～2500 nm的譜線，以利用較多的有效譜線。鮮木薯的原始近紅外光譜見圖1。endprint