近红外光谱法快速测定鲜木薯水分的研究

彭靖茹　黄秋伟　黎萍　杨金春　甘志勇

摘 要：为实时监测鲜木薯中水分，指导其加工，建立了近红外光谱法现场快速测定木薯中水分含量的方法。采用横切木薯茎块方式进行制样，对其横截面进行近红外光谱扫描，二阶导数法预处理光谱图，定量偏最小二乘法（QPLS）建立模型，优化了模型条件和参数，建立最佳近红外光谱数学模型。结果：数学模型良好，验证集样品的化学值和近红外预测值间相关系数为0.9755，校正标准偏差（SEC）为1.31 %，相对标准偏差（RSD）为2.20 %，决定系数（R2）为0.9516。未知样品预测结果相对误差0.5 %～3.4 %。该水分定量分析NIRS数学模型具有较高的准确性，可满足快速测定鲜木薯中水分的要求，对促进鲜木薯加工业提高效率有积极意义。

关键词：近红外光谱法 鲜木薯 测定 水分

木薯（Manihot esculenta Crantz）别名木蕃薯，树薯，英文名为cassava，是世界三大薯类作物之一。广西是我国木薯生产的第一大省，也是国内最大木薯加工产区，现有的淀粉厂、酒精厂等木薯加工企业近200 家，木薯产业在广西已成为一个规模较大、产业链较长、发展前景广阔和具有地方特色的优势产业 [1]。

目前，我国木薯淀粉加工主要在收获季节用新鲜木薯原料直接加工（可节约用于干燥的大量能源），一部分木薯切片干燥后留至非收获季节加工；新鲜木薯也可直接转化生产乙醇 [2]。新鲜木薯原料的质量对淀粉、乙醇的生产有一定影响，新鲜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 %），水分含量约65 %，鲜木薯的采购、进厂、加工等工序均需要检测其淀粉、水分，由于缺乏快速的检测技术，对产业发展有一定不良影响，对于适用于现场快速测定的近红外光谱分析技术 [3-5]，还未在该行业得到应用。目前国内还没有鲜木薯品质的现场快速测定报道，本研究采用国产的近红外光谱仪，开发适合现场快速测定新鲜木薯中水分的近红外光谱法，以提高该行业的检测技术水平。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

上海棱光技术有限公司光栅漫反射的Spectrumlab 400型近红外光谱仪（NIRS），波长范围1300 nm～2500 nm，波长重复性≤1nm，扫描间隔4、8、16 nm；使用仪器配套的定量分析软件包。柱形石英样品池，旋转扫描方式。

1.2 实验材料

在2个木薯收获期分别采集、分析样品，时间跨度1.5年。木薯成熟时，对种植于广西壮族自治区亚热带作物研究所实验地的木薯进行采收，有桂热3号、桂热4号、桂热5号、GR891、GR911、GR024、SC5、SC8、SC9、SC10 、SC124、SC201、SC205、KU50、R5、RE024、R9、罗勇1号、巴丁、菲律宾1号、越南KM98等20多个广西主栽品种和引进育种品种，共收集实验样品共95个，去除2个异常样品，建模用90个样品，验证用3个样品。样品处理方法：鲜样品去皮，用锋利的刀于薯块中部横切、平整（呈柱状，厚度2～3 cm），装入石英样品皿中，平整的横截面贴石英窗和填满石英窗，立即对其横截面进行近红外光谱扫描；同时把薯块制成均浆，采用直接干燥法完成水分含量的测定；每天样品处理量不超过8个。

1.3 测定方法

1.3.1 化学分析

鲜木薯样品去皮，制成均浆，采用国家标准GB/T 5009.3-2010中的直接干燥法测定鲜木薯中的水分，当天完成水分测定。

1.3.2 近红外分析

使用Spectrumlab 400型光栅漫反射近红外光谱仪，CAUNIFT Version4.0近红外定量分析软件包（仪器自带），设置仪器的工作参数、收集和保存光谱。工作参数：谱线范围1300～2500 nm，扫描间隔 4 nm，扫描次数4次。采集光谱前预热1 h，环境温度22 ℃～28 ℃。

鲜木薯样品去皮，于薯块中部横切、平整，立即对该横截面进行光谱扫描，每个样品重复装样2次，扫描次数4次，计算其平均光谱，保存图谱。木薯近红外漫反射光谱如图1所示（该软件无多谱线叠加功能，这是其中一条谱线）。

1.3.3 建立近红外光谱数学模型的方法

使用CAUNIFT6.0版近红外光谱分析软件（上海棱光技术有限公司），定量偏最小二乘分析模块（QPLS）进行建模和样品分析。将已测得化学值的90个样品的近红外光谱图谱进行二阶导数法预处理，按4：1比例进行自动分组、分配为校正集和验证集。定标样品集建立预测模型后，内部交叉检验法确定最优主成分数，并对模型进行优化，最后确定模型。

2 结果与分析

2.1 鲜木薯样品水分的化学分析结果

表1是建模用的90个鲜木薯样品中水分常规分析结果汇总，结果以鲜样计。从表1可以看出，鲜木薯样品中水分的测量值分布在40 %～70 %，变幅比较大，其含量范围基本覆盖当前生产上鲜木薯中水分的含量，能够很好的用于建立鲜木薯水分含量的近红外校正模型。样品采集时间在2个年度，多时期的样品可让模型有更好现实的适应性。

2.2 样品的近红外光谱

由于鲜木薯样品中水分含量一般范围在40 %～70 %，其含量与熟度和品种相关。由于水分量很高，为避免样品均浆在装样、压样时水分被挤出，并布满样品池的表面，使水分吸收近红外光谱高于样品实际值，采用制成柱状可避免这一现像；制样后需要尽快进行红外光谱扫描，以减少样品表面水分在空气中的变化。此外，由于水分对光谱的强烈吸收和近红外光谱的加热性强，单次装样随着扫描次数（时间）增加，会增高样品池中样品的温度，从而影响光谱的稳定性；特别是均浆装样、水分布满样品池壁时，这种现象较明显（用均浆装样、波长间隔4 nm，扫描8次后，样品最高升温可达15 ℃）。经试验确定参数，制样方法为木薯根块横切呈柱状，光谱扫描：波长间隔4 nm、扫描4次（扫描后样品升温小于3 ℃）。使用仪器全量程范围波长1300 nm～2500 nm的谱线，以利用较多的有效谱线。鲜木薯的原始近红外光谱见图1。endprint