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1、1利用近红外透射技术测定小麦品质的研究利用近红外透射技术测定小麦品质的研究陈锋1,2，何中虎1,3，崔党群2，赵武善，张艳1，周桂英1，王德森1（1中国农业科学院作物育种栽培研究所/ 国家小麦改良中心，北京 100081；2河南农业大学农学院遗传育种系，郑州 450002；3 国际玉米小麦改良中心中国办事处，北京 100081；4 Foss 中国有限公司，北京100081）摘要：以 2001 年度来自全国各地的 400 多份小麦品种为材料，利用近红外光谱透射仪（NIT）分析了小麦籽粒水分、蛋白质含量、硬度、容重和面粉的干、湿面筋含量、灰分含量、SDS 及 Zeleny 沉降值等 9项指标，根据
2、定标集样品化学分析数据和吸收光谱建立了定标模型，并获得了较高的决定系数（0.67-0.98）和较低的标准误差（0.28-12.10）。同时，选用了一批有代表性的预测集样品对模型进行了预测，结果表明，近红外光谱技术用于测试小麦品质是可行的，能够用于育种的早代选择。关键词：近红外光谱透射技术，小麦品质，定标集样品，预测集样品，定标模型Measurement of wheat quality traits by near infrared transmittance spectroscopyChen Feng1,2 , He Zhonghu1,3, Cui Dangqun2，Zhao Wushan4
3、, Zhan Yan1, Zhou Guiying1, Wang Desen1(1Institute of Crop Breeding and Cultivation/National Wheat Improvement Center, Chinese Academy of Agriculture Science, Beijing 100081; 2 Department of Genetic and Breeding, Agriculture College, Henan Agriculture University, Zhengzhou450002; 3 CIMMYT China Offi
4、ce, Beijing100081; 4 Foss LtdBeijing Office, China, Beijing100081)Abstract: More than 400 wheat samples from the major wheat area collected in 2001 were used to measure moisture content, protein content, grain hardness, test weight, wet-gluten content, dry-gluten content, ash content, SDS sedimentat
5、ion value, and Zeleny sedimentation value by near infrared transmittance spectroscopy. Calibration model was established with data from chemical analysis and absorbed spectrum of calibration sets in wheat and then satisfying R2 (0.67-0.98) and SEC(0.28-12.10) were obtained. A set of representative i
6、ndividual wheat samples were used to predict the model and results showed that it was feasible to determinate wheat quality trait by near infrared transmittance spectroscopy and could be used to breeding for early generation selection in wheat breeding program. Key words: Near infrared transmittance
7、 (NIT) spectroscopy ; Wheat quality traits; Calibration sets; Prediction sets近红外光是波长在 7802600nm 范围内的电磁波。近红外光谱技术 （Near infrared spectroscopy 简称 NIRS）就是利用有机化学物质在近红外光谱区的光学特性快速估测样品中的一种或者多种化学成分含量的一项新技术（张子仪，1992）。20 世纪 60 年代初期，Norris 等（1962，1976）率先将 NIRS 应用于农产品测试，经过几十年的发展和改进，已广泛应用于需大量准确测定产品成分的粮油、食品、饲料、育种等
8、行业并日渐取代传统的常规化学测定方法，为提高测试效率做出了巨大贡献。澳大利亚 Black 和 Panozzo（2001）利用可见光-近红外漫反射技术测定了小麦的水分、蛋白质、硬度、出粉率、黄度、吸水率、延展性、最大抗阻力和峰值粘度 9 项指标，只有延展性、最大抗阻力相关程度基金项目：863 计划（2001AA241031）和 Foss 公司资助项目作者简介：陈锋(1978-)，男，硕士，河南省驻马店人，主要从事小麦遗传育种研究。通讯作者：何中虎，Tel: 010-68918547; Email: 2较低，其它各项指标均与常规化学分析结果之间达到了显著相关，其中，蛋白质和水分决定系数分别为 0.
9、97 和 0.98，预测集标准误差（SEP）中只有最大抗阻力、峰值粘度和硬度的较大，分别为 43.7、10.2 和 4.3，其余的 SEP 值均在 2.0 以下。近红外透射光谱技术（Near Infrared Transmittance，简称 NIT）是利用波长为 7001100nm 的电磁波来分析样品的结构和组成信息。由于该波段的吸收光谱重叠较漫反射（11002500nm）更为严重，所以起步较晚。但用其进行检测无需破坏样品，且包含的信息量十分丰富，加上近十几年来，光谱学和化学计量学的快速发展，NIT 的应用越来越广泛。Delwiche (1995)以美国硬红冬、硬红春、软红冬、软红春和硬白麦
10、、软白麦等六个类型的小麦为材料，利用NIT 对单籽粒小麦的蛋白质进行了分析，获得了 0.97 以上的相关系数和 0.42-0.78 的标准误差，证明 NIT 技术可以用于小麦籽粒蛋白质的测试。但由于采用的样品量较少（每个类型仅用 5 个品种），使得模型适用性不够高。Campbell（1997）用 NIT 技术分析了 15 种类型94 个玉米品种中的直链淀粉含量，获得的相关系数为 0.92-0.95，标准误差介于 3.2-4.1 之间，进一步拓宽了 NIT 在谷物领域中的应用。最近，Ohm 等（2000）利用 NIT 分析了小麦面粉中的游离脂、糖脂和双半乳糖甘油二脂等成分，并用不同算法建立了 5
11、0 个样品的定标模型，获得的相关系数在 0.86-0.90 之间，标准误差在 0.48-2.2 之间。由此可见，NIRS 已广泛用于国外的小麦品质测试并取得了良好的效果。我国近红外光谱技术的研究较为落后，主要集中在利用漫反射技术分析水分和蛋白的含量(张广军等，2001；赵环环等，1999；彭玉魁等，1995)，且采用的样品数往往较少，使得定标模型的适用范围很小。本研究采用近红外光谱透射技术分析测定了来自全国各地的 300 多份小麦样品的水分、蛋白质含量、硬度、容重、和湿面筋、干面筋含量及 SDS、Zeleny 沉降值等，试图通过分析大量的小麦品种，建立一套能够在全国推广使用的近红外透射定标模型
12、，为 NIRS 在我国小麦品质分析中的应用提供理论依据。1 材料与方法材料与方法1.1 实验材料选用 2000-2001 年度分别来自北部冬麦区 (样品数 20 个)、黄淮冬麦区（郑州、安阳、烟台、济南等地点样品数各 70 份）、长江中下游麦区(样品数 46 个)、西南冬麦区(样品数10 个)、西北春麦区 (10 个)、新疆冬春兼播麦区(样品数 40 个)、青藏冬春兼播麦区(样品数20 个)等遍及全国十几个省、市的小麦栽培品种或品系，共计样品数 426 份，每份不少于300 克。1.2 化学分析测定方法1.2.1 籽粒水分籽粒经过不同处理（晾置、烘干、湿润)，在 4冰箱内放置 5 天。然后用
13、FOSS TECATOR 公司生产的 Cyclotec 1093 型旋风磨将其磨成粉，采用干燥失重法（在温度为130，时间为 60 分钟条件下烘干）测定全粉水分含量。31.2.2 籽粒蛋白含量采用国标半微量凯氏定氮法，最后转换成 14%湿基籽粒蛋白质含量。1.2.3 籽粒硬度用 PERTEN 公司生产的 4100 型单籽粒硬度仪（SKCS）测定。测定值在 40 以上为软麦，40-60 之间为混合麦，60 以上为硬质麦。1.2.4 籽粒容重按国家粮食标准（GB1351-78）进行。1.2.5 面粉指标湿面筋用瑞典 FALLING NUMBER 公司 2200 型面筋仪测定，并用该公司 Gluto
14、rk 炉烘干称重测定干面筋含量，参照国家标准 GB/T14608-93 进行。SDS 沉降值的测定采用CIMMYT 小麦品质实验室方法(Pea 等, 1990)，Zeleny 沉降值测定采用 AACC（American Association of Cereal Chemists）方法。1.3 光谱收集采用 FOSS 公司生产的 1241 型近红外光谱透射仪扫描样品，扫描温度均控制在 2125之间。收集样品的吸收波长范围为850nm1050nm。每个定标样品扫描两次，求其平均吸收光谱，然后将测定数据转入计算机中用WINISI 软件处理。小麦品种中优 9507 在近红外透射区吸收谱带如图 1 所
15、示。该图反映了小麦品种在近红外透射区波长处对不同成分的三级倍频吸收，例如对含 O-H 键的水分吸收主要在波长为 934-960nm、984-996nm 和 1008-1012nm 处。1.4 数据处理将各个品种的化学分析值输入定标软件 WINISI，取 NH（Neighbor H）=3.0，GH（Global H）=0.4，对样品进行挑选。经交叉验证（crossing validation）处理后，采用偏最小二乘法（Partial Least Squares 简称 PLS）算法建立定标模型。并以近红外分析结果为 X 轴，化学分析结果为 Y 轴，通过线性回归对预测集进行分析。2. 结果与分析结果
16、与分析2.1 化学分析测定将试验样品的分析结果列于表 1。由表 1 可知，各样品间所测性状差异很大，例如陕西品系 SH-15 籽粒蛋白质含量高达 18.6%，而西藏品种 950951 仅为 7.5%，新疆一品系 S172图 1 小麦品种中优 9507 在近红外透射区吸收谱带图 Fig.1. Near-infrared(NIR) spectra of wheat 4硬度值高达 96.7，而凤麦 24 硬度值仅为 5.6，小偃 54 湿面筋含量高达 45.5%，而在上海种植的皖麦 33 仅为 18.5%，在郑州种植的中优 9701SDS 沉降值高达 22.8ml，而在安阳种植的 CA8686 仅为 9.0ml，白硬冬一号 Zeleny 沉降值高达 64.8ml，而 Y10-8 仅为 15.0ml。由此可见，本研究样品的品质性状变幅相当大，样品来源范围广，基本上代表了我国各地小麦品种的品质现状。2.2 定标模型结果各定标模型参数如表 2 所示。表 1 用于建立定标模型的样品集实验室测定参数 Tab 1. Sta
