现代近红外光谱分析技术在小麦领域的应用

曹文昕，张平治，万映秀，张琪琪，李 炎

(1.安徽省农业科学院作物研究所，安徽合肥 230031；2.国家小麦改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

现代近红外光谱分析技术在小麦领域的应用

曹文昕1，2，张平治1，2，万映秀1，2，张琪琪1，2，李 炎1

(1.安徽省农业科学院作物研究所，安徽合肥 230031；2.国家小麦改良中心合肥分中心，安徽合肥 230031)

摘要阐述了现代近红外光谱分析技术的原理，介绍了近红外光谱分析技术在当前小麦品质育种、生产加工、籽粒和病害识别、抗性鉴定及网络品质监测技术方面的应用进展，并展望了未来的应用前景。

关键词小麦；近红外技术；应用

现代近红外光谱分析技术是20世纪中叶首先从农业分析开始发展起来的一项高新技术，近年来得到了快速发展，其所受关注程度也越来越高[1]。该技术可在很短时间内无需复杂的样品制备过程即可完成物质成分多组分的同步快速定量分析，有很高的分析精确度，不产生任何化学污染，分析成本很低，易于在实验室尤其是工业现场或在线分析领域推广使用。因此，在一些常规物品的品质快速分析和监控需求方面，近红外光谱分析技术扮演着重要角色，已在农业生产、石油化工、生物制药、食品加工等多个领域中得到深入发展，其带来的经济效益和社会效益非常巨大。该技术在小麦领域也得到快速发展，已在小麦品质育种、生产加工以及病菌鉴定、虫害识别、抗性鉴定及网络品质监测上得到深入发展，并且扮演着越来越重要的角色。为了进一步促进现代红外光谱分析技术在小麦领域的应用，笔者阐述了该技术的原理，介绍了该技术在当前小麦品质育种、生产加工、籽粒和病害识别、抗性鉴定及网络品质监测技术方面的应用进展，并展望了未来的应用前景。

1近红外光谱分析技术的原理

近红外光谱(NIR)是一种波长介于可见光与中红外光区间的电磁波，其波长范围在780～2 526 nm，习惯上又将近红外光谱区域分为近红外短波(780～1 100 nm)和近红外长波(1 100～2 526 nm)2个区域。有机物以及部分无机物分子的氢基团(如0=H，N=H，C=H，S=H，P=H)的运动都有其固定的振动频率，在红外光照射下受到激发而产生共振，此时近红外光的一部分能量被吸收。近红外光谱分析技术正是基于通过测量近红外光的吸收情况，得到复杂的近红外图谱，它表示被测物质的特征，不同物质在近红外区域有不同的吸收光谱，并且每种物质的成分都有特定的吸收特征，这为近红外光谱分析技术提供了技术支持[2]。

2近红外光谱分析技术在小麦领域的应用进展

2.1近红外光谱分析技术在小麦品质育种上的应用近红外光谱分析技术最早在小麦上的应用是美国谷物化学协会批准用于小麦蛋白质的测定方面，同时还规定了近红外测定小麦及面粉蛋白质和水分含量的详细程序[3]。以化学计量学为基础的定性与定量分析标准实用细则由美国ASTM分别在1995、1996年发表公布[4]。彭玉魁等[5]利用近红外光谱分析技术对120多份小麦品种籽粒品质成分进行了测定，研究发现用近红外光谱分析技术测得小麦样品的水分、赖氨酸含量、粗纤维、粗蛋白与化学分析方法测定结果有较高的相关度。Delwiche等[6]研究了利用近红外光谱分析技术非破坏性测定小麦单粒种子蛋白质含量，结果表明该方法具有可行性。梁晓艳等[7]基于近红外光谱分析技术和虚拟仪器技术研发了一种快速检测整粒小麦各成分含量的分析模型，可在现场对小麦各营养成分进行无损检测。王卫东等[8]以整粒小麦为材料利用近红外光谱分析技术构建了小麦单株蛋白质含量分析方法，其分析速度快、准确度高，尤其适合小麦品质育种的早代选择。目前，人们已利用近红外光谱分析技术对小麦淀粉、蛋白质、水分、灰分、软硬质、损伤淀粉、锈病、SDS沉降值、淀粉酶、麸皮混入率、品种判别、氨基酸、制作面包适应性等多方面指标进行预测[9]。

2.2近红外光谱分析技术在小麦生产加工上的应用在质量监控方面，近红外分析技术相对于普通的标准分析方法有着一定的优势，例如，小麦收购工作的理想目标是实现按质论价和按质分类储存，但现行的常规收购指标如蛋白质含量、水分含量需要定氮仪、烘箱这些实验室仪器，需要耗费大量的时间且分析场所有局限性。近红外光谱分析技术可较好地解决上述问题，其给用户带来较大的便利性，尤其是对小麦商品粮收购和交易十分明显。目前，很多大型的小麦加工企业和收购场所都在小麦收购的传送带上设置在线近红外光谱分析仪器，它可实时分析小麦原料的蛋白质、硬度、水分、灰分、面筋等多项数据，及时获取收购小麦的质量，这为粮食企业节约了大量的时间成本和人力成本，因此，在线近红外分析技术对连续接收小麦是非常适合的。此外，小麦在存放期间易受温度、湿度、虫害、鼠害的影响，其品质会发生劣变，其营养品质和加工品质也会受到影响，在线近红外光谱仪通过不定期收集小麦数据进行分析，可获知该批小麦的霉变、虫害程度，对小麦的品质进行实时监测[10]。

2.3近红外光谱分析技术在小麦病菌鉴定、虫害识别、抗性鉴定上的应用近红外光谱分析技术除了辅助于小麦品质育种以及小麦生产加工监测外，近些年还在小麦籽粒识别、虫害、抗性鉴定上得到发展。Delwiche等[11]研究表明，近红外光谱分析技术可用于判断小麦籽粒受赤霉病侵染后籽粒病菌的严重度，为识别小麦病害籽粒带来很大的便利性；Girolamo等[12]利用近红外光谱分析技术判断小麦籽粒中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的含量；Singh等[13]研究认为利用近红外光谱分析技术可鉴别出正常的小麦籽粒和虫噬过的小麦籽粒；Perez-Mendoza等[14]利用近红外光谱分析技术鉴定出小麦粉中的昆虫片段；冯伟森等[15]研究发现小麦种子的近红外吸光度值与其抗旱指数相关系数2个年度均超过0.856，表明可用小麦籽粒近红外全光谱吸光度值来预测小麦的抗旱性，为小麦抗旱性评价提供了一种能够在育种早代进行的快速、简单易行的鉴定技术。

2.4基于近红外网络的小麦品质监测技术近年来，以计算机网络技术为依托的近红外光谱分析技术已成为近红外分析的一个重要发展方向，它将近红外光谱分析的优势在实际应用中得到充分发挥。Williams[16]在第十四届国际近红外大会上提出近红外技术网络化将是近红外在未来的一个重要发展方向。朱大洲等[17]结合 GIS 技术和GPS 定位采样技术，利用近红外网络对我国小麦主产区收集的不同小麦样品品质分布进行监测，绘制了我国小麦不同生态区品质分布图，可实现对小麦品质进行监测和管理，并建立小麦的品种鉴别及种植省份识别模型，结合近红外网络不断收集的数据，可对模型进行扩展，识别正确率较高。

3近红外光谱分析技术在小麦领域上的应用前景

随着计算机技术、光谱学、化学计量学以及图像识别技术的深入发展，人们对近红外光谱分析技术特点和仪器性能将有更深入的了解和认识，结合不断完善的数理统计方法，近红外光谱分析技术在小麦种质资源评价、品质育种、品质分析以及生物学研究中的应用前景将更加广阔。在小麦领域应用近红外光谱技术时，除了需要对该技术有全面了解外，还需要应用者在小麦领域内有丰富的专业知识相配合，从而充分利用该技术。育种家、农学家应充分利用近红外光谱分析技术，为我国的粮食生产和小麦品质改良进一步做贡献。

参考文献

[1] 李军会，赵龙莲，劳彩莲，等.用近红外光谱构建现代农产品品质分析技术[J].现代科学仪器，2005(1)：17-19.

[2] 王文深，巫梦娜，薛旭，等.近红外光谱分析技术在农产品方面的应用研究[J].吉林农业，2011(4)：41-43.

[3] 徐广通，袁洪福，陆婉珍.现代近红外光谱技术及应用进展[J].光谱学与光谱分析，2000，20(2)：7-15.

[4] 庞新安.近红外光谱技术及其在农产品品质分析中的应用[J].广西农业生物科学，2007(1)：83-87.

[5] 彭玉魁，李菊英，祁振英.近红外光谱分析技术在小麦营养成份鉴定上的应用[J].麦类作物，1997，17(2)：33-35.

[6] DELWICHE S R，GRAYBOSCH R A.Identification of waxy wheat by near-infrared reflectance spectroscopy[J].Cereall science，2002，35：29-38.

[7] 梁晓艳，张旭峰.基于虚拟仪器的近红外整粒小麦成分的测量系统[J].重庆邮电大学学报(自然科学版)，2007，19(4)：426-429.

[8] 王卫东，谷运红，秦广雍，等.近红外漫反射光谱法测定整粒小麦单株蛋白质含量[J].光谱学与光谱分析，2007，27(4)：697-701.

[9] 张小超，吴静珠，徐云.近红外光谱分析技术及其在现代农业中的应用[M].北京：电子工业出版社，2012：182-183.

[10] 曹干.现代近红外光谱分析技术在农业研究中的应用[J].广东农业科学，2004(S1)：26-31.

[11] DELWICHE S R，KIM M S，DONG Y H.Fusarium damage assessment in wheat kernels by Vis/NIR hyperspectral imaging[J].Sensing and instrumentation for food quality and safety，2011，5(2)：63-71.

[12] DE GIROLAMO A，LIPPOLIS A，NORDKVIST E，et al.Rapid and non-invasive analysis of deoxynivalenol in durum and common wheat by Fourier-Transform Near Infrared(FT-NIR)spectroscopy [J]. Food additives & contaminants，2009，26(6)：906-917.

[13] SINGH C B，JAYAS D S，PALIWAL J，et al.Detection of insect-damaged wheat kernels using near-infrared hyperspectral imaging [J].Journal of stored products research，2009，45(3)：151-158.

[14] PEREZ-MENDOZA J，THRONE J E，DOWELL F E，et al.Detection of insect fragments in wheat flour by near-infrared spectroscopy [J].Journal of stored products research，2003，39(3)：305-312.

[15] FENG W S，WU S H，GU Y H.Rapid identification for drought resistance of wheat using near-infrared diffuse reflectance spectroscopy[J].Agricultural science & technology，2012，13(12)：2615-2619.

[16] WILLIAMS P.Near-infrared instrument networking：Design and implementation[M].Thailand：NIR-2009 Bangkok Thailand，2009.

[17] 朱大洲，黄文江，马智宏，等.基于近红外网络的小麦品质监测[J].中国农业科学，2011，44(9)：1806-1814.

The Application of Near Infrared Spectroscopy Analysis Technique in Wheat Field

CAO Wen-xin1,2, ZHANG Ping-zhi1,2, WAN Ying-xiu1,2et al

(1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, Anhui 230031; 2. Hefei Branch of National Wheat Improvement Center, Hefei, Anhui 230031)

AbstractThe principle of near infrared spectroscopy analysis technique was elaborated, and application advances of the technique in wheat quality breeding, production and processing, identification of grain and disease, resistance identification and network monitoring were introduced. The application prospect was forecasted.

Key wordsWheat; Near infrared technique; Application

基金项目国家现代农业产业技术体系项目(CARS-3-2-14)；安徽省农业科学院学科建设项目(14A0214)；安徽省农业科学院科技创新团队项目(13C0202)。

作者简介曹文昕(1982- )，男，安徽怀宁人，助理研究员，硕士，从事小麦遗传育种研究。

收稿日期2016-03-10

中图分类号S 5-39

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-010-02