近红外法快速测定广西早籼稻谷脂肪酸值的研究

黄 冬，樊菲菲，柳永英，张 斌，刘 艺，彭海亮

(1.广西壮族自治区粮油质量检验中心，广西 南宁 530031；2.百色市粮油质量检验中心，广西 百色 533000；3.广西耕保生态科技有限公司，广西 南宁 530007)

稻谷中脂肪酸值是稻谷储存品质中评判陈化变质的重要指标。稻谷中脂类含量约为3%，在储藏过程中，脂类极易在水解和氧化作用下分解为游离脂肪酸，从而影响其储藏、加工和食用品质。测定稻谷中的脂肪酸值对指导粮食收购、储备、加工、食用均有重要意义[1-2]。

通常用于测定稻谷中脂肪酸值含量的方法主要有指示剂法、电位滴定法、自动滴定分析仪法、近红外法等[2]，其中指示剂法为国标GB/T 20569—2006附录A[3]规定的方法，具有成本低的优点，但缺点是操作复杂，耗时长，滴定终点难判断，实验环境要求高[4-5]，需要有经验的检验员操作，才能得到准确检测结果。电位滴定法和自动滴定分析仪法[6-8]具有检测准确，操作较为简便的优点，但缺点是检测仪器昂贵，检测成本高。目前，广西的基层粮库、市县级粮食检测机构存在检验人员少，检测能力弱、检测经费少的现状，用这三种方法进行稻谷脂肪酸值的检测，均存在很大的困难。

近红外光谱技术是20世纪80年代后期以来发展最迅速的一项快速检测技术，已运用于粮食领域中，成为粮食品质分析、在线分析的重要手段[9]，目前已运用到分析稻米、小麦、大豆等粮食中的水分[10]、蛋白质、脂肪、淀粉[11-12]、直链淀粉[13]以及氨基酸[14]等品质指标。

近红外法相比指示剂法、电位滴定法、自动滴定分析仪法三种方法，有诸多优势。第一，检测用时短，检测1个样品不到2 min，指示剂法、电位滴定法、自动滴定分析仪法都需好几个小时。第二，操作简单，没有粉碎、提取、过滤、定容、滴定[15]等繁琐的操作步骤，只需将稻谷样品脱壳成糙米后，倒入仪器样品槽中即可自动检测，也无需判断滴定终点，大大降低了对使用人员的操作要求。第三，检测成本较低，不需要用到任何试剂，为无损检测。第四，不受场地限制，仪器小巧轻便，既可在实验室内进行检测，也可在田间地头、收粮现场等室外现场检测，其他三种方法，均受限于只能在实验室中进行。第五，仪器价格便宜，近红外便携式谷物分析仪相比电位滴定仪和自动滴定分析仪价格便宜很多。因此，用近红外法检测稻谷脂肪酸值，很适合基层粮库、市县级粮食检测机构的检验人员使用。

近红外法测脂肪酸值的难点在于需收集大量有代表性的样品，采集数据，建立适合该区域粮食品种的检测模型。本实验通过收集广西各地区的早籼稻谷样品148份，利用近红外便携式谷物分析仪采集光谱数据，经专业软件处理数据，建立了测定广西早籼稻谷脂肪酸值的近红外检测模型，为快速检测广西地区稻谷的储藏品质，指导稻谷合理储藏、轮换，确保国家粮食安全提供一种可靠的检测方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

早籼稻谷样品178份(从广西14个地级市扦取)；无水乙醇、酚酞、氢氧化钾(分析纯 西陇化工)。

1.2 仪器与设备

THU35C实验砻谷机(佐竹机械(苏州)有限公司)；G1200-E便携式谷物分析仪(广东星创众谱仪器公司)；LM3310锤式旋风磨(瑞典波通仪器公司)；JZDZ-1脂肪酸值专用振荡器(成都施特威科技发展公司)；PL602E百分之一电子天平(梅特勒-托利多仪器)；5 ml微量滴定管(天津玻璃仪器厂)。

1.3 方法

1.3.1理化值的测定

将稻谷样品进行脱壳成糙米样品，脱壳率在95%以上。采用GB/T 20569—2006附录A稻谷脂肪酸值测定方法测定糙米脂肪酸值，结果以mg/100 g表示，得到148份早籼稻谷的理化值。

1.3.2样品光谱数据采集

利用G1200-E近红外便携式谷物分析仪采集脱壳后的糙米样品光谱数据，采取的原理是光栅透射型技术，波长范围是660～1 080 nm，设置每次采集糙米样本的子样本是20，每个样品重复装样3次采集光谱，最终取3次重复装样光谱的平均光谱用于建模及验证实验。

2 结果与分析

每个糙米样品的脂肪酸值检测结果均需进行平行样的检测，平行结果需满足国标的要求。148份糙米脂肪酸值检测分布范围13.70～42.70 mg/100 g，结果统计如表1及图1所示。

表1 糙米脂肪酸值理化值统计表

图1 糙米脂肪酸值含量分布图

采用SNV预处理方法对原始光谱数据进行处理，用于消除糙米样本颗粒大小、表面散射对光谱的影响。糙米原始光谱如图2所示，SNV处理后光谱如图3所示。

图2 糙米原始样本光谱图

图3 原始光谱SNV后光谱图

利用糙米的光谱数据(X)结合糙米的脂肪酸值理化值数据(Y)进行模型的建立及优化验证。通过对光谱波段的选择、预处理方法的使用及模型的独立预测验证。

将148份糙米样本按照脂肪酸值含量梯度进行分类，分类按照2∶1进行定标集和预测集进行。模型效果如表2所示。

表2 模型独立预测效果

通过对建模光谱的波段优选(700～1 050 nm)、预处理SNV的使用及蒙特卡洛交叉检验剔除异常样本，最终模型的综合效果如表3所示，模型相关系数R达到0.88，交叉检验均方根偏差SECV达到2.50 mg/100 g。模型预测分布如图4所示。

表3 糙米脂肪酸值模型结果

图4 糙米脂肪酸值模型预测分布图

通过对模型的优化，最终广西早籼稻谷脂肪酸值模型的相关系数接近0.9，模型预测偏差为2.5 mg/100 g。

3 模型验证

重新扦取早籼稻谷样品30份，用GB/T 20569—2006附录A稻谷脂肪酸值测定方法测得理化值，利用该模型结合仪器对该30份早籼稻谷样品测试验证，每个样品重复装样3次进行扫描，比较3次的重复性误差及准确性预测偏差(与样品的国标理化值比较)，其中重复性误差100%在2 mg/100 g以内，准确性误差90%数量在3 mg/100 g以内，见表4。

表4 模型预测效果 mg/(100 g)

4 结论与展望

综上，结合建模数据及未知样品检测数据，现有早籼稻谷脂肪酸值模型在16～30 mg/100 g区间有较好的测试效果，重复性基本达到2 mg/100 g以内，准确性基本接近国标理化检测水平，作为快速筛查已具有一定的应用价值，已经可以用于检测判定早籼稻谷为宜存还是轻度不宜存。因部分区间代表性样品数量较少，无法满足建模要求，导致目前对应区间模型预测偏差稍大，相关系数较小，后续可以通过补充样品丰富模型的方法进一步完善，使广西早籼稻谷脂肪酸值模型检测效果达到最优。

目前的建模及预测结果显示，广西早籼稻谷脂肪酸值模型已有一定的效果，作为快速质量筛查设备，稳定性是第一要素，目前重复性测试均在2 mg/100 g以内，达到国标精密度的要求，准确性方面，脂肪酸值在16～30 mg/100 g区间已能满足要求，后续可以通过丰富代表性样品，如增加低、高脂肪酸值含量的样品、区域性样品、不同品种样品等，完善近红外检测参数，包括样品量、检测次数、检测时长等，进一步提升广西早籼稻谷脂肪酸值模型效果，接近或者达到国标理化检测水平，为广西广大基层粮库、市县粮食检测机构监控稻谷的脂肪酸值提供准确、快速的检测方法。