大麦籽粒总淀粉含量近红外快速无损检测模型的构建

巫小建，曾凡荣，岳文浩，汪军妹*

(1.浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江大学 农业与生物技术学院，浙江 杭州 310058)

淀粉是大麦籽粒胚乳中的主要贮藏物质，约占大麦种子干重的60%左右[1]。大麦籽粒中的淀粉含量高低直接决定其用途，如用作啤酒原料时，淀粉作为啤酒酿造工艺中糖化作用的主要底物，经糊化、水解产生大量发酵糖类，成为麦芽浸出物的主要成分，其质量和数量与啤酒工业的经济效益直接相关[2-3]。大麦淀粉含量除受遗传控制外，还易受环境与栽培等因素的影响，是一个复杂的数量性状。因此，全面检测不同产地不同品种大麦籽粒中的淀粉含量是确保啤酒麦芽品质的重要举措。目前，谷物中淀粉含量的测定方法较多，如比色法、酶解法、酸解法和旋光法等[4-5]。但是，这些常规方法测定大麦籽粒淀粉含量费时、费力，致使其难以在大麦淀粉品质性状改良育种中应用。因此，亟需研发快速、无损、实时监测大麦籽粒中淀粉含量的新方法，提高大麦淀粉品质性状改良育种的效率。

1 材料与方法

1.1 材料与种植方式

本研究以263份大麦种质为试验材料，于2018年11月在浙江省农业科学院杭州试验基地种植，2019年5月收获。试验地设置为2 m宽，每1行为一个小区，每行作为一个样本。在试验基地安排3个小区作为3个重复。田间管理参照当地大麦的种植方式。成熟后收获所有大麦材料，40 ℃下烘干，磨粉过0.5 mm筛，然后-20 ℃保存以备后续测定。

1.2 大麦籽粒淀粉的检测

1.2.1 大麦籽粒总淀粉的化学测定

大麦籽粒总淀粉的化学测定采用爱尔兰Megazyme公司提供的总淀粉测定试剂盒测定[6-8]。该方法目前已被AOAC(官方分析化学家协会)和AACC(美国临床化学协会)所认可。

1.2.2 大麦籽粒的近红外光谱

采用布鲁克公司MATRIX-I近红外光谱仪进行光谱数据的采集。首先，开启MATRIX-I近红外光谱仪并预热，填装大麦籽粒于3 cm的圆形样品杯至2/3杯，每次装样量一致。随后，将样品杯放入近红外光谱仪扫描口，采用连续波长近红外扫描采集光谱，扫描谱区范围为4 000～12 500 nm，每间隔2 nm扫描1次。为了克服样品差异引起的光谱漂移、减少误差，每个样品重复扫描3次。

2 结果与分析

2.1 大麦籽粒总淀粉的化学测定

对收获的263份大麦籽粒样品进行籽粒中总淀粉含量的测定，结果显示，大麦籽粒总淀粉含量平均为52.61%，最低为46.4%，最高为59.63%。

2.2 近红外光谱数据分析

将大麦籽粒每个样品的近红外光谱数据与用标准方法测定的总淀粉值相关联，利用近红外软件包中的偏最小二乘法(PLS)建立近红外校正模型(图1)。在近红外光谱数据与用标准方法测定的总淀粉值相关联中，应用自动优化功能，采用偏最小二乘法(PLS)建立近红外校正模型；同时根据“精而少”的原则，通过近红外软件包处理，剔除光谱漂移和局部空间过度密集的样品，选择216份具代表性的样品用于定标建模(图2)。使用内部交叉证实对模型进行验证，通过比较样品预测值和化学值的决定系数和交叉验证标准差来衡量模型的可靠性。从验证结果看，模型的校正决定系数达0.878 3，校正标准差为0.715，交叉验证决定系数也达0.690 8，交叉验证标准差为1.120。由此可见，本研究利用近红外光谱仪采集的大麦籽粒近红外光谱数据可有效反映大麦籽粒中真实的淀粉含量信息。

图1 大麦籽粒样品近红外吸收光谱

图2 大麦籽粒样品近红外吸收光谱定标建模

3 小结与讨论

近红外光(Near Infrared，NIR)是指波长介于可见光(VIS)与中红外光(IR)之间的电磁波，ASTM(美国材料与试验协会)将近红外谱区定义为780～2 526 nm(12 800～3 960 cm-1)[9]。在传统的农副产品分析基础上，近红外技术已经扩展到石油化工、精细化工、轻工、食品、环境保护、生物化学、医药临床、纺织品等众多领域[10-11]。与传统的化学测定法相比，近红外光谱具有十分突出的优势：分析速度快，样品预处理简单，分析效率高，适用的样品范围广，非破坏性测定，操作简单，自动化操作，具有较高的精密度和重现性。试验结果表明，本研究建立的分析模型可靠，并具有分析速度快、效率高、成本低且对环境不造成任何污染等特点，可替代传统方法快速无损检测大麦籽粒总淀粉的含量，为大麦的品质分析提供可靠依据。