花生自然风干种子芥酸含量近红外分析模型构建

张欣，唐月异，胡东青，王秀贞，吴琪，孙全喜，王志伟，宋国生，石程仁，殷冬梅，王传堂

(1. 山东省花生研究所，山东 青岛 266100；2.青岛出入境检验检疫局，山东 青岛 266002；3.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002)

花生是世界上主要的经济作物、蛋白质来源和油料作物，其脂肪酸品质不仅会影响其产品的货架期，而且与人体营养健康密切相关[1]。芥酸是一种对人体有害的脂肪酸，不仅营养价值较低，而且难以被消化吸收，过量食用会对机体造成一定的影响。动物实验表明，食用芥酸含量过高的菜籽油会引起心肌脂肪沉淀并导致心肌脂肪代谢障碍[2，3]；对心脏病患者的调查研究表明，心脏病患者体内若是每天积累一些芥酸，会使机体的心血管功能超负载，加重心肌脂肪的沉积，从而危害到身体健康[4]。2003年，澳大利亚食品标准就设定了人体每天摄入的芥酸上限为500 mg[5]。芥酸主要存在于菜籽油中，在花生中含量少乃至低于检测限，因此过去甚少关注。但有资料表明，不少阿根廷高油酸花生样品芥酸含量偏高，其脂肪酸占比可超过0.3%，有的甚至高于0.4%[1]，若用这样的花生原料榨取食用油，无疑会超出国标推荐许可范围(0.3%)[6]。由于不同花生品种间芥酸含量的差别较大，加强对花生中芥酸含量的检测和培育低芥酸乃至无芥酸的花生品种是极为重要的。

芥酸传统测定方法有碘量法、气相色谱法等，成本高、费时间、有一定破坏性，不利于花生低芥酸育种的开展。而近红外技术具有成本低、无损、快速等优点，且已应用于油菜、玉米、大豆、芝麻等多种作物的品质改良[7-10]，在花生上也已成功建立了能准确预测油酸、脂肪、蛋白、蔗糖、水分含量等的近红外模型[11-15]，但有关花生芥酸含量的近红外模型迄今未见报道。本研究旨在建立花生种子芥酸含量近红外模型，以用于花生无芥酸育种以及榨油和食品企业对原料花生质量的控制，为生产优质健康的花生产品提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

构建芥酸含量近红外模型的花生样品和用于模型检验的外部样品见表1。随机挑选第36、55、65、68、69号样品为外部检验样品，其余67份样品用于构建芥酸含量模型。所有样品花生种子均为自然风干。

1.2 试验方法

1.2.1 光谱采集 建模所用光谱数据在德国布鲁克光谱仪器公司生产的Matrix-Ⅰ型傅立叶变换近红外光谱仪上采集。扫描谱区范围4 000～12 000 cm-1，扫描次数64次，分辨率8 cm-1。开机预热30 min后检测样品。光谱采集时每份材料约30～50粒，重复扫描3次。

1.2.2 芥酸含量测定 按 GB 5009.168-2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》[16]中的内标法进行花生芥酸含量的气相色谱测定。

表1 试验所用花生样品

1.2.3 模型构建与优化 光谱处理和模型构建采用Matrix-Ⅰ型近红外光谱仪自带的OPUS 5.5软件，用NIR选项自动寻优，采用内部交叉验证剔除奇异点，选择最佳光谱预处理办法、最佳谱区、维数，并作进一步验证。通过比较样品预测值与化学值的决定系数(R2)和根均方差(RMSECV)衡量模型质量，筛选最佳模型。所建模型的验证采用外部交叉验证，即随机挑选验证样品，然后利用DPS 14.50数据分析软件对样品的预测值和化学值进行配对t测验分析，根据分析结果来判断模型的可靠性。

2 结果与分析

2.1 花生样品近红外光谱采集

本研究所采集的各花生样品自然风干多粒种子的近红外光谱见图1，符合花生种子近红外光谱典型特征。

2.2 花生样品芥酸含量的化学值

67份花生种子的芥酸含量如表2所示。芥酸含量均值为0.0904%，变异范围为0～0.2329%，变异系数66.2971%(表3)。表明建模花生样品芥酸含量变幅较大，可用于近红外光谱分析模型的构建。

图1 花生样品的近红外扫描光谱

表2气相色谱法测得67份花生种子芥酸含量化学值

表3 花生种子芥酸含量化学值相关统计参数 (%)

2.3 近红外模型建立

经NIR自动优化处理，并经多次内部交叉检验除掉奇异点，得到自然风干花生种子芥酸含量的最佳光谱预处理方法为“消除常量偏移法”，谱区范围为 4 242.8～11 980.2 cm-1，维数为10，模型的决定系数(R2)为80.08，根均方差(RMSECV)为0.0238(图2)。

注：横坐标为真值即化学值，纵坐标为预测值。

2.4 预测效果验证

取前述5份外部检验花生样品，对模型预测效果进行验证，结果如表4所示。芥酸含量预测值与化学值的偏差为-0.0185%～0.0174%，值较低。将预测值与化学值进行成对数据t测验，结果表明两组数据的均值差为0.0035，自由度为4，t检验值为0.0139

3 结论

作为一种新兴技术，近红外光谱分析技术因其无损、快捷、操作简便等优点，在作物成分检测及食品品质安全等领域已进行了较多的研究及应用。花生也建立了关于油酸、亚油酸、棕榈酸、蛋白质、蔗糖、水分含量等品质指标的近红外模型[11-15]，但是关于花生中芥酸含量的近红外模型尚未见报道。

本研究通过对花生自然风干种子芥酸含量的测量，探讨了基于近红外光谱技术的花生种子芥酸含量快速无损检测的可行性，并建立了相关预测模型。该模型的最佳光谱预处理方法为“消除常量偏移法”，维数是10，决定系数为80.08，根均方差为0.0238。5份外部检验样品预测值与化学值成对数据t测验显示，预测值与化学值结果相近，两组数据间差异不显著。这说明模型质量尚可，也证明通过近红外光谱分析技术预测花生中芥酸含量具有可行性。尽管模型还存在一定的误差，但为花生低芥酸品质遗传改良和原料花生质量控制提供了方便、快捷的检测手段。之后将通过补充样品数据，不断完善模型。