鄭洪健，劉凱麗，徐曉東，劉 鑫，楊 娟，闞 望，程 霞 ，白成星，殷富有*

(1.昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650214；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650205；3.元江縣鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心 水稻研究組，云南 元江 653300)

水稻的主要成分是淀粉，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接關(guān)系到水稻類蒸煮食品的品質(zhì).從化學(xué)角度對(duì)直鏈淀粉的形成來(lái)看，其是D-葡萄糖基通過(guò)α(-1,4)糖苷鍵相互連接得到，在空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出卷曲螺旋形.研究[1]表明，水稻中的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其硬度越高，且具備干燥和蓬松的特點(diǎn)，顏色上也更暗；水稻中的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，則其硬度越低，且具備柔軟和有彈性的特點(diǎn)，表面光澤度也更高.此外，現(xiàn)有針對(duì)水稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)方法主要包括常規(guī)方法、分光光度法等，其基本原理都是利用碘比色法間接得到直鏈淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而這些方法操作相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，且對(duì)技術(shù)方面的要求較高，不利于水稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高效、準(zhǔn)確測(cè)定.然而，直鏈淀粉測(cè)試在食品領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在糧食中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定，以及糧食作物品種的選擇和培育方面，因此直鏈淀粉測(cè)試研究均具有較大意義.本文以云南省元江哈尼族彝族傣族自治縣的早稻、晚稻為材料，對(duì)其直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)方法進(jìn)行探討，旨在為水稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的快速檢測(cè)提供參考.

1 材料與方法

采用云南省元江哈尼族彝族傣族自治縣的早稻和晚稻為樣品，其中將早稻樣品編號(hào)為21-01～21-30，共30份；晚稻樣品編號(hào)為20-01～20-30，共30份.樣品去除雜質(zhì)、灰塵等后，碾磨成粉末狀，過(guò)100目篩，然后分別裝入樣品袋，編號(hào)備用.

1.1 檢測(cè)方法的改進(jìn)

1.1.1 直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)裝置選擇

對(duì)60份早、晚稻樣品進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品重復(fù)兩次.在以往直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)量裝置進(jìn)行選擇，選擇范圍包括紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、全自動(dòng)化學(xué)分析儀、流動(dòng)注射儀等.對(duì)這些儀器設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，可選擇單色光鹵鎢燈類型，并要求其波長(zhǎng)在300～1 000 nm 范圍內(nèi).針對(duì)其發(fā)射出的混合光，可利用單色器進(jìn)行分解，獲得單色光源.通常情況下，單色光源的譜帶寬度與單色器裝置的狹縫大小有著直接關(guān)聯(lián).狹縫越窄，則單色光譜帶也越窄，發(fā)射出的光單色性越強(qiáng)；狹縫越寬，則單色光譜帶也越寬，發(fā)射出的光單色性越弱[2].為確保所測(cè)量的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的精度符合要求，需要從檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行改進(jìn)，方案如下：

首先，針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的非單色光造成檢測(cè)結(jié)果朗伯-比爾定律偏離實(shí)際的問(wèn)題，光源應(yīng)采用高穩(wěn)定單波長(zhǎng)激光光源；其次，針對(duì)檢測(cè)時(shí)光電轉(zhuǎn)換的非線性造成裝置出現(xiàn)的誤差，要使用線性度良好的硅光電池；最后，為實(shí)現(xiàn)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的自動(dòng)化檢測(cè)，引入模塊化技術(shù)，通過(guò)大幅縮小裝置體積的方式，將其應(yīng)用到裝置內(nèi)部，以此通過(guò)模塊化的方式提升檢測(cè)裝置的自動(dòng)化程度.根據(jù)上述方案改進(jìn)后組建的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)裝置內(nèi)部模塊組成如圖1所示.將裝置應(yīng)用于X86 Windows，硬盤 80 G，Oracle 10 g XE數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)存在1 GB以上的運(yùn)行環(huán)境中，利用面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言C++自行開(kāi)發(fā)，并對(duì)獲取到的早、晚稻直鏈淀粉色度學(xué)信息進(jìn)行分析.將本文提出的方法與現(xiàn)代色度學(xué)原理結(jié)合，并通過(guò)圖像識(shí)別和軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定的簡(jiǎn)化.

圖1 水稻直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)裝置內(nèi)部模塊組成

采用上述裝置檢測(cè)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基本操作流程如下：

先將激光投射到比色皿上，此時(shí)其中一部分光被溶液吸收，另一部分未被吸收的光投射到光電池上.光電池的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再利用檢測(cè)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理，通過(guò)模擬輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的傳輸.然后利用AC/DC模塊對(duì)這一過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，最后利用計(jì)算機(jī)的分析單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[2].

1.1.2 基于定量分析的直鏈淀粉光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用上述直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)裝置，并按照流程完成對(duì)樣品的檢測(cè)，從而得到樣品近紅外光譜結(jié)果，該結(jié)果中包含了樣品的物質(zhì)組成信息和結(jié)構(gòu)信息[3].而在元江的早、晚稻中，直鏈淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其結(jié)構(gòu)有著更直接的關(guān)系，因此需要引入定量分析的方法，以確保兩者關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到對(duì)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的[4].除此之外，由于在檢測(cè)的過(guò)程中影響檢測(cè)最終結(jié)果的因素較多，檢測(cè)環(huán)境較復(fù)雜，常常會(huì)出現(xiàn)異常樣品和帶有光譜噪聲的檢測(cè)結(jié)果[5].針對(duì)這些問(wèn)題，需要完成對(duì)數(shù)據(jù)變量的篩選，并優(yōu)化得出光譜的具體范圍，從而達(dá)到凈化譜圖信息的目的，同時(shí)也能夠降低甚至避免干擾因素對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果造成的誤差影響[6].在預(yù)處理時(shí)，假設(shè)光譜矩陣為X，對(duì)該矩陣X進(jìn)行去中心化處理，得到X′.此時(shí)X′當(dāng)中所有數(shù)據(jù)的均值為零，找出X與X′之間變化關(guān)系，并得到如下表達(dá)式：

(1)

式(1)中，n表示X′矩陣行數(shù)；p表示X′矩陣列數(shù).

在確定光譜矩陣與去中心化光譜矩陣之間的關(guān)系后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并得到X″.此時(shí)X″的均值為零，方差為1，以此確保矩陣中的數(shù)據(jù)在標(biāo)度上具有可比性，并進(jìn)一步消除單位不同產(chǎn)生的影響，完成上述操作則可實(shí)現(xiàn)對(duì)直鏈淀粉光譜數(shù)據(jù)定量預(yù)處理.

1.1.3 基于近紅外分析的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異檢測(cè)

在完成數(shù)據(jù)處理后，對(duì)元江早、晚稻中含有的直鏈淀粉進(jìn)行測(cè)定，采用近紅外分析的方法確定不同樣品的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異.而針對(duì)檢測(cè)樣品的原光譜，利用Kennard-Stone算法進(jìn)行挑選，選取光譜差異較大的樣品數(shù)目[7].樣品距離數(shù)值越大，則樣品與樣品族之間的距離越遠(yuǎn)，對(duì)于樣品族而言，此時(shí)被檢測(cè)的樣品為異常樣品.在對(duì)其距離進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用馬氏距離計(jì)算.對(duì)近紅外光譜矩陣進(jìn)行主成分分解，并用主成分得到分矩陣，以此代替原近紅外光譜計(jì)算馬氏距離，得到樣品對(duì)應(yīng)全局樣品族的距離，并根據(jù)上述全局距離理論找出異常樣品.在具體分析過(guò)程中，采用標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)可的參考方法測(cè)定樣品的組成以及性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù).由于本檢測(cè)方法引入了近紅外分析方法，而該技術(shù)是一種間接分析技術(shù)，因此為了確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在完成測(cè)定后還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正.

1.1.4 檢測(cè)結(jié)果快速校正及優(yōu)化

基于上述近紅外分析方法得到的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行快速校正.首先引入多元線性回歸，從近紅外光譜中找出與直鏈淀粉顯著相關(guān)的幾個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)上的吸光度，并得到標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，用于對(duì)未知樣品中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定.其標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的表達(dá)式為：

y=Kb+e，

(2)

式(2)中，y表示樣品中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)值；K表示樣品近紅外光譜吸光度；b表示回歸系數(shù)；e表示殘差.將上述檢測(cè)得到的結(jié)果代入式(2)中，得到校正后的檢測(cè)結(jié)果.在實(shí)際應(yīng)用中，由于采用多元線性回歸的方法檢測(cè)時(shí)不能對(duì)超過(guò)校正集的樣品數(shù)進(jìn)行校正，因此存在一定局限性.針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)于超過(guò)校正集樣品數(shù)量的部分，可選擇利用成分回歸方程求解的方式，對(duì)該部分樣品的主成分進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的載荷矩陣.將該矩陣代入最小二乘解中，用其反映數(shù)據(jù)變量的方差值，方差越大，則數(shù)據(jù)中包含的信息越多，以此從樣品本身實(shí)現(xiàn)對(duì)其信息量的優(yōu)化，確保檢測(cè)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果.

1.2 檢測(cè)方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的快速檢測(cè)方法的應(yīng)用性能和可行性，用本文檢測(cè)方法與“碘比色法”進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果對(duì)比.分別將檢測(cè)精度和檢測(cè)效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)本檢測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià).樣品的前處理方法按照《稻米直鏈淀粉含量測(cè)定》(GB/T 15683—1995)的前處理方法進(jìn)行，所用的設(shè)備為上述所選擇和設(shè)計(jì)的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量裝置.

2 結(jié)果與分析

從上述檢測(cè)的60份樣品結(jié)果中，隨機(jī)選取5份早稻樣品和5份晚稻樣品，并將測(cè)量結(jié)果列于表1中.

表1 元江早、晚稻直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果 %

從表1中可以看出，利用本文上述提出的檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)元江早、晚稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定，并且得到的測(cè)定結(jié)果與傳統(tǒng)“碘比色法”測(cè)量的結(jié)果基本一致，二者之間差值不超過(guò)0.2%.為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文檢測(cè)方法的效率，選擇將上述60份樣品的檢測(cè)速率作為測(cè)定效率評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)，檢測(cè)速率的計(jì)算公式為：

γ=m/t，

(3)

式(3)中，γ為本文檢測(cè)方法的檢測(cè)速率；m表示在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)的樣本數(shù)；t為檢測(cè)時(shí)間.根據(jù)式(3)，計(jì)算出每10份樣品檢測(cè)的檢測(cè)速率，并將結(jié)果列于表2.

表2 本文檢測(cè)方法與“碘比色法”檢測(cè)速率比較

為了體現(xiàn)本文檢測(cè)方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，表2記錄了傳統(tǒng)“碘比色法”和本文方法檢測(cè)方法對(duì)相同樣本測(cè)定時(shí)的檢測(cè)速率.從表2可以看出，利用本文提出的檢測(cè)方法在對(duì)元江早、晚稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定時(shí)，平均每1 min能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2份以上樣品的檢測(cè)，并得到檢測(cè)結(jié)果.而傳統(tǒng) “碘比色法”的檢測(cè)速率僅在1份/min左右，明顯低于本文檢測(cè)方法的檢測(cè)速率.

3 討論與結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定，本文提出了一種新的檢測(cè)方法.該方法不需要通過(guò)反復(fù)的測(cè)量即可得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果.而采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法測(cè)量，由于測(cè)量精度過(guò)低，需要通過(guò)對(duì)同一組樣本進(jìn)行多次測(cè)量并求解平均值的方式才能得到最終的檢測(cè)結(jié)果[8].在這一過(guò)程中傳統(tǒng)檢測(cè)方法會(huì)消耗大量的時(shí)間成本用于測(cè)量和計(jì)算.相比之下，本文提出的檢測(cè)方法的檢測(cè)效率更高、更能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，且所獲得的結(jié)果準(zhǔn)確度高，能夠?yàn)樗具x種提供參考.

除水稻以外，其他農(nóng)作物，如玉米、大麥、綠豆等也含有大量的直鏈淀粉，本文提出的檢測(cè)方法能否實(shí)現(xiàn)對(duì)這些農(nóng)作物的高效檢測(cè)還未得到驗(yàn)證.因此，后續(xù)工作還將針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，并將以提升檢測(cè)結(jié)果的精度和預(yù)測(cè)能力為目標(biāo)，對(duì)不同農(nóng)作物提出更具針對(duì)性的優(yōu)化策略，以此提高該檢測(cè)方法的應(yīng)用范圍和適應(yīng)性.