3种颜色玉米胚乳胚芽的FTIR结合聚类分析研究

郝建明 刘刚 欧全宏 周湘萍

摘要

[目的]研究玉米胚乳胚芽的傅里叶变换红外光谱，为鉴别不同种类玉米提供科学手段。 [方法]利用傅里叶变换红外光谱技术，结合系统聚类分析对3种类型的玉米实体样本的胚乳胚芽进行研究。[结果] 原始红外光谱700～1 800 cm-1总体特征相似，主要是由多糖、蛋白质、脂类等吸收谱峰组成，在此范围内3种样本的原始光谱存在微小的差异。对光谱进行一阶导数和二阶导数处理， 用二阶导数光谱进行系统聚类分析（HCA ）， 结果表明二阶导数光谱700～1 800 cm-1范围按玉米胚芽和胚乳样本聚类效果较好，52个样本能按3个种类很好地聚类， 分类正确率达96.1%。[结论] 红外光谱结合系统聚类分析方法可用于鉴别不同种玉米胚乳胚芽，具有方便、快速的优点。

关键词 二阶导数; 傅里叶变换红外光谱; 系统聚类分析; 玉米胚乳胚芽

中图分类号 S513  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12031-04

Investigation of Yunnan corn by Characteristic spectrum of Fourier transform infrared spectroscopy combined with cluster analysis

HAO Jianming， LIU Gang， OU Quanhong et al

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract  [Objective] The research aimed to study the germ and endosperm of corn by Fourier transform infrared spectrooscopy（FTIR） to provide scientific way for identifying germ and endosperm from different types. [Method]The infrared spectra combined with hierarchical cluster of germ and endosperm from three different types were analyzed. [Result] The results show that the original characteristic infrared spectra of samples are very similar， main absorption peak were composed by polysaccharides， proteins， and lipids.There are three samples spectral data small differences in the range of 700-1 800 cm-1.The samples were processed by first derivative and second derivative spectra.，and second derivative spectra of the cluster. The results display： the second derivative spectra give satisfactory results from the germ and endosperm of samples in the range of 700-1 800 cm-1， 52 samples can be classified with correct rate of 96.1%. [Conclusion] The FTIR combined with HCA might be a rapid， convenient simple and nondestructive method in determination of origin of agricultural products.

Key words Second derivative; Fourier transform infrared spectroscopy; Hierarchical cluster analysis; Germ and endosperm of corn

玉米屬早熟禾本科（Poaceae）玉秫黍族（Maydeae）一年生谷类植物，学名Zea mays，起源于北、中、南美洲。植株高大，茎强壮，挺直。它由果皮、胚乳、子叶、胚芽、胚轴、胚根构成，是人类主要粮食之一。玉米素有长寿食品的美称，含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素、微量元素、纤维素及多糖等。由于云南省具有独特的地理位置和天然的气候条件，一年四季均可种植玉米。春玉米多分布于滇东北、滇西北一熟区，夏玉米分布于滇中二熟区和南部山区，秋冬玉米分布于江边河谷区和滇南多熟区。

玉米可按不同方式进行多种分类，在贸易中只把玉米分为粉质和胶质2种类型。根据颜色进行区分，常见的有黄玉米、白玉米2种或黄白两色玉米。按籽粒形态与结构，分为硬粒型、马齿型、粉质型、甜质型、甜粉型、爆裂型、蜡质型、有稃型、半马齿型9个类型。 按生育期分类，分为早熟品种、中熟品种、晚熟品种。 按籽粒成分与用途，分为特用玉米、普通玉米2个品种，其中特种玉米又可分为高赖氨酸玉米、糯玉米、甜玉米[1]、爆裂玉米、高油玉米等。

最为简单、直观的分类就是根据外表种皮颜色鉴别，但对其含量、营养成分等信息无法获取。玉米种子成分的分析方法有近红外分析、核磁共振、化学分析方法和红外分析法等。这些方法各有优缺点。傅里叶变换红外光谱法能快速、准确地检测出玉米主要成分方面的信息， 具有快速、简单、无损、易操作等优点。目前，傅里叶变换红外光谱技术已被广泛应用于生物、化工、食品、农林、医药等研究领域， 近年来FTIR在植物、中草药、坚果等鉴别和分类研究方面也有不少文献报道[2-8]。孙素琴等[9-10] 对灵芝做了红外光谱研究。刘刚等[11-12] 用FTIR光谱对野生食用菌进行了鉴别研究。周在进等[13-14]对不同产地小美牛肝菌、黑木耳的FTIR做鉴别及聚类分析研究。李占龙等[15]对玉米种子的成分做红外光谱及拉曼光谱分析。晏翠琼等[16]做了玉米胚乳、胚芽的傅里叶红外光谱特征分析。时有明等[17]做了5种杂交玉米籽粒品质的FTIR光谱研究。

为此，笔者利用傅里叶变换红外光谱结合系统聚类分析（HCA ） 方法对云南省3种不同颜色玉米的胚乳、胚芽进行了对比分析，并且对不同颜色玉米胚乳、胚芽进行了聚类研究。

1 材料与方法

1.1 仪器设备和测试条件

红外光谱仪为美国Perkin Elmer公司生产的FTIR Frontier型傅里叶变换红外光谱仪，扫描次数为16次，分辨率为4 cm-1，扫描范围为4 000～400 cm-1。所有光谱采集利用Spectrum software version 10.3.4，光谱处理采用Omnic8.0软件，聚类分析处理采用IBM SPSS Statistics 20软件。

1.2 样品、制备

3种玉米样本共计52个样品，分别来自云南省农业科学研究所，测试的所有样品都经清水清洗表面、晾干水汽后待测。试验时，分别取出3种玉米52个样品的胚芽、胚乳样品一起放入80 ℃烤箱进行烘干去水分处理，然后取少许胚芽、胚乳放入2个玛瑙研钵磨细，再加入KBr，按1∶100比例研磨均匀，然后压片测定傅里叶变换红外光谱。在正式测试样品前，所有光谱都已用Spectrum software version 10.3.4软件自动扣除背景光谱。所有光谱均经过9点平滑、基线校正和归一化的预处理。

2 结果与分析

2.1  3种玉米的红外光谱特征

图1为3种玉米胚芽的原始红外光谱，其中a是编号bnby（白色糯玉米胚芽）的红外光谱平均光谱图，b是编号为htby（黄甜脆玉米胚芽）的红外光谱平均光谱图，c是编号为lsby（两色甜脆玉米胚芽）的红外光谱平均光谱图。图2为3种玉米胚乳的傅里叶变换红外光谱图，其中d是编号bnb（白色糯玉米胚乳）的红外光谱平均光谱图，e是编号htb（黄甜脆玉米胚乳）的红外光谱平均光谱图，f是编号lsb（两色甜脆玉米胚乳）的红外光谱平均光谱图。

图1 3种玉米胚芽（左）、胚乳（右）的红外光谱平均光谱图

从图1可以看出，玉米胚芽主要为3 367、2 928、1 653、1 671、1 246 cm-1，玉米胚乳主要为3 410、2 930、1 571、1 420、1 246 cm-1。其中，3 367 cm-1附近的宽峰主要为来自多糖、蛋白质的羟基和氨基的伸缩振动;2 928、2 930 cm-1附近谱峰主要为来自脂类、多糖、蛋白质等甲基、亚甲基的反对称伸缩振动和对称伸缩振动，1 653、1 571 cm-1附近谱峰为蛋白质酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带吸收峰，归属为C = O 伸缩振动和N-H 弯曲振动;1 500～1 200 cm-1范围为蛋白质、脂肪酸和多糖的混合振动吸收区;胚芽的最强锋出现在2 928 cm-1附近归属为脂类，胚乳的最强锋出现在1 000 cm-1附近归属为碳水化合物。

2.2 3种玉米胚乳胚芽红外光谱差异

对图1中52个样本玉米胚乳、胚芽的红外光谱进行比较，原始光谱整体上比较相似，表明它们所含的主要化学组分非常相似。但是，3种颜色玉米在1 800～700 cm-1范围光谱在峰数、峰位、峰强上存在一定的差异，具有指纹性和特征性。从玉米胚芽（图1左）和胚乳（图1右）的平均光谱图也可以看出它们的一些差异。图1右在3 367 cm-1附近的宽峰强度比图1左要强，说明玉米胚乳的多糖含量高于胚芽;在波数为2 928 cm-1附近，图1右的峰要高于图1左，说明玉米胚芽的脂类含量高于玉米胚乳;在波數为1 000 cm-1附近图1右的峰要高于图1左，说明胚乳的碳水化合物较胚芽要丰富。图1光谱图存在的这些差异可能与各色玉米主要化学成分含量有关， 但总体上差异不是十分明显。为了能够更好地显示1 000～1 800 cm-1之间样本光谱的差异，对该范围3种颜色玉米胚芽、胚乳光谱求一阶导数（图2）和二阶导数光谱（图3）。

图2 3种玉米胚芽胚乳的-阶导数平均光谱图

图3 3种玉米芽胚乳的二阶导数平均光谱图

从图2的3种玉米胚芽胚乳的一阶导数平均光谱图可以看出，玉米胚芽（左图）在1 748 cm-1附近有一个很强的尖峰出现，归属为脂类羰基振动吸收，玉米胚乳此处无明显尖峰，在酰胺Ⅰ带的吸收带上胚芽胚乳吸收峰不明显。但是，在1 000 cm-1附近图2右的谱峰明显强于图2左，也说明胚乳的碳水化合物含量多于胚芽。

在图3的3种玉米胚芽胚乳的二阶导数平均光谱图中，胚芽（左图）在1 748 cm-1附近出现了一个很强的反峰，胚乳（右图）中e、f谱图虽有反峰，但明显弱于左图，而d图无明显反峰，同样说明胚芽的脂类含量要多于胚乳，在1 000 cm-1附近图3右的谱峰明显强于图2左，再次有力地说明胚乳的碳水化合物含量多于胚芽。

2.3 3种玉米相关性分析及系统聚类分析（HCA）

通过计算相关系数对样品进行相关分析，可以衡量变量之间线性相关程度的强弱，进而可以得到两样品之间的相似程度。在700～1 800 cm-1范围内，利用以下公式对3种玉米的胚乳、胚芽二阶导数平均光谱进行相关系数计算，其中r为相关系数，xi和yi分别为光谱x和y在频率i时所对应的吸光度，x和y分别为吸光度的平均值。

r=

∑1 800i=700（xi-x）（yi-y）

∑1 800i=700（xi-x）2（yi-y）2

相关性分析结果显示，同种玉米胚乳之间、胚芽之间的一阶、二阶导数平均光谱图的相关系数都在0.908以上，表明不同种样品的胚芽之间和胚乳之间的化学成分相同或化学成分的相对含量相近，同种样品的胚芽与胚乳之间以及不同种样品的胚芽与胚乳之间的一阶、二阶导数平均光谱图的相关系数相差较大，如白糯玉米胚芽与胚乳的一阶导数谱的相关系数为0.364～0.989，黄甜脆玉米胚芽与胚乳的一阶导数谱的相关系数在0.364～0.988之间变动;两色甜脆玉米胚芽与胚乳的一阶导数谱的相关系数在0.435～0.996之间变动。白糯玉米胚芽间或胚乳间、胚芽与胚乳间的二阶导数谱的相关系数在-0.298～0.994之间变动;黄甜脆玉米胚芽间或胚乳间、胚芽与胚乳间的二阶导数谱的相关系数在-0.282～0.987之间变动;两色甜脆玉米胚芽间或胚乳间、胚芽与胚乳间的二阶导数谱的相关系数在-0.268～0.990之间变动。总体来说，同种颜色玉米胚芽间、胚乳间、胚芽与胚乳间和不同种颜色玉米胚芽间、胚乳间、胚芽与胚乳间的相关系数各不相同，表明玉米的化学成分或者说各成分的相对含量发生了一定的变化。

在比较了3种玉米胚芽间、胚乳间以及胚芽胚乳间的一、二阶平均光谱图的相关系数后，笔者进一步做了二阶导数光谱数据的聚类分析。系统聚类分析是采用定量数学方法，根据一批样本的多个观测指标具体找出一些能够度量样本之间相似程度的统计量。以这些统计量为划分类型的依据，其基本分类思想是把一些相似程度较大的样本聚合为一类，把另外一些彼此之间相似程度较大的样本又聚合为另一类，关系密切的聚合到一个小的分类单位，关系疏远的聚合到一个大的分类单位，直到把所有的样本聚合完毕。这种化学计量学方法具有很大的实用价值，近年来应用比较广泛。郝朝运等[18]应用聚类分析对忍冬科植物进行了分类研究。洪庆红等[19]应用聚类分析对菟丝子真伪进行鉴别研究。李志永等[20]对蚕豆病害叶做了红外光谱与聚类分析。

42卷34期

郝建明等 3种颜色玉米胚乳胚芽的FTIR结合聚类分析研究

图4 700～1 800 cm-1范围3种玉米胚乳和胚芽三阶导数光谱系统聚类图

这里选取所有样本二阶导数光谱在700～1 800 cm-1范圍的吸光度值，构成各自的吸光度矩阵，采用欧氏距离（ Euclidean distance），应用聚类分析中的离差平方和法（Wards method），对不同颜色玉米进行系统聚类分析。结果显示，二阶导数光谱在此范围按不同产地聚类效果较好。从图4可以看出，3种颜色玉米胚乳胚芽的样本能够按种类各自聚合在一起，与实际情况比较相符，品种与分类存在有一定的相关性。在聚类图中，若按不同分类水平，可以划分为不同的类群。从图中可以看出，不同产地52个玉米胚芽、胚乳的样本能够按6个分类各自聚合在一起，与玉米颜色按胚芽、胚乳进行分类比较相符。聚类图显示了不同分类水平可按不同类群划分，但明显地可以看出，按6类水平来分，3种不同颜色类玉米按照胚乳、胚芽被很好地归类，分类正确率达96.1%，取得满意的分类效果。

3  结论与讨论

研究表明，3种玉米胚乳、胚芽原始红外光谱峰形和峰位整体上比较相似，表明它们含有相同的化学组分，主要为多糖、蛋白质、脂类及碳水化合物。但是，在700～1 800 cm-1范围，峰数、峰位、峰形存在一定差异，波数在3 367 cm-1附近的宽峰强度说明3种玉米胚乳的多糖含量高于胚芽;波数在2 928 cm-1附近的峰强度说明3种玉米胚芽的脂肪含量高于胚乳;波数在1 000附近的峰高说明胚乳的碳水化合物含量高于胚芽。波数在1 748 cm-1附近的反峰强度也表明胚芽的脂肪含量高于胚乳;1 000 cm-1附近反峰强度显示，胚乳的碳水化合物高于胚芽。在700～1 800 cm-1范围内对3种玉米进行聚类与相关性分析，发现同种玉米胚乳之间、胚芽之间的一阶、二阶导数平均光谱图的相关系数都在0.908以上，表明不同种样品之间的胚乳、胚芽有相同或化学成分的相对含量相近;同种样品胚乳与胚芽之间一阶、二阶导数平均光谱图的相关系数存在较大差异，表明玉米的化学成分或者说各成分的相对含量发生一定的变化。应用聚类分析中的离差平方和法（Wards method）对不同颜色玉米（52个胚乳、胚芽样本）进行系统聚类分析，结果得出同色玉米能按胚乳、胚芽各自聚合在一起，与玉米颜色按胚乳、胚芽进行分类比较相符。分类正确率达到96.1%，分类效果较满意。

研究中，红外光谱反映不同色玉米胚乳、胚芽的基本成分是一样的，但是各成分的含量有一定的差异，人们食用时的口感有一定差别。该研究中的样品数量有限，其结果有一定的参考价值。要得出一般性结论，还应选用大量的样品进行进一步的研究。另外，不同色玉米在食用方面的口味、口感是有差异的。这可能与白色糯玉米、黄甜脆玉米、两色甜脆玉米中基本成分所占的比例不同有关。通过定量地分析红外吸收光谱，还可以得出各样品基本成分所占的比例。这有待进一步研究。

参考文献

[1]

杨孝臣，李妍妍，丰光.甜玉米的分类和生物学特征及其栽培技术[J].现代农业科技，2008（19）：236，238.

[2] DOGAN A，SIYAKUS G，SEVERCAN F.FTIR spectroscopic characterization of irradiated hazelnutt（Corylus avellana L.）[J].Food Chemistry，2007，100：1106-1114.

[3] 罗庇荣，刘刚，时有明，等.FTIR结合主成分分析对杜鹃花植物鉴别分类研究[J].红外技术，2009，31（1）：39-43.

[4] 左康，李丹婷，郭水良，等.不同产地虎杖根FTIR 主成分分析研究[J].光谱学与光谱分析，2007，27（10）：1989-1992.

[5] BONNIN S，BESSON F，GELHAUSEN M.A FTIR spectroscopy evidence of the interactions between    wheat germ agglutinin and Nacetylglucosamine residues[J].FEBS Letters，1999，456：361-364.

[6] GUIBETA F，AMIELA C，CADOTB P，et al.Discrimination and    classification of enterococci by fourier transform infrared（FTIR）spectroscopy[J].Vibrational Spectroscopy，2003，33：133-142.

[7] NGOTHI  N A，KIRSCHNER C，NAUMANN D.Characterization    and identification of microorg anisms by FTIR microspectrometry[J].Journal of Molecular Structure，2003，661/662：371-380.

[8] GORGULU S T，DOGAN M，SEVERCAN F.The  characterization and differentiation of higher plants by    fourier transform infrared spectroscopy[J].Applied     Spectroscopy，2007，61（3）：300-308.

[9] 孫素琴，杜德国，梁曦云，等.36种灵芝产品傅里叶变换红外光谱快速鉴别研究[J].分析化学研究简报，2001，29（3）：309-312.

[10] 孙素琴，梁曦云，杨显荣.六色灵芝的FTIR 快速无损鉴别[J].光谱学与光谱分析，2002，22（2）：226-228.

[11] 刘刚，刘剑虹，宋鼎珊，等.野生食用蕈菌不同部位的红外光谱研究[J].光谱学与光谱分析，2005，25（7）：1053-1056.

[12] 刘刚，刘剑虹，杨爱明，等.食用菌的傅里叶变换红外光谱鉴别[J].光谱学与光谱分析，2004，24（8）：941-945.

[13] 时有明，刘刚，刘剑虹，等.不同产地黑木耳的傅里叶变换红外光谱鉴别[J].光学学报，2007，27（1）：129-132.

[14] 周在进，刘刚，任先培.不同产地小美牛肝菌的红外光谱聚类分析研究[J].激光与红外，2009，39（11）：1158-1162.

[15] 李占龙，周密，左剑，等.红外光谱和拉曼光谱法分析玉米种子的成分[J].分析化学研究简报，2007，35（11）：1636-1638.

[16] 晏翠琼，时有明，李栋玉，等.玉米胚乳胚芽的傅里叶变换红外光谱[J].光谱实验室，2012，29（6）：3525-3528.

[17] 时有明，晏翠琼，孙艳琳，等.五种杂交玉米籽粒品质的FTIR光谱研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（11）：2945-2948.

[18] 郝朝运，程存归，刘鹏.FTIR直接测定法在解决忍冬科一些分类学问题中的应用研究[J].光谱学与光谱分析，2007，27（1）：38-42.

[19] 洪庆红，成则丰，李群力.FTIR聚类分析法应用于菟丝子真伪的鉴别[J].光谱学与光谱分析，2008，28（8）：1803-1805.

[20] 李志永，刘刚，李伦，等.蚕豆病害叶的FTIR研究[J].光谱学与光谱分析，2012，32（5）：1217-1220.