孔軍龍,楊娟,趙京音*
（上海市農業科學院_上海數字農業工程技術研究中心,上海201403）
摘要：近紅外光譜技術(NIRS)是20世紀80年代以來發展最快、最引人注目的光譜分析技術.以其快速、無損傷、操作簡單、穩定性好、效率高等特點,廣泛應用于工業、農業、醫學等領域.本文簡要介紹了近紅外光譜技術原理及特點,采用文獻分析法總結了近紅外光譜技術在農業領域中的應用,涉及農產品檢測,育種及病蟲害檢測等.著重闡述近紅外光譜技術及其在農業領域應用的研究情況并分類介紹各個具體應用的發展歷程.
Near infrared spectroscopy technology and its application in agriculture
Kong Jun-long, Yang Juan, Zhao Jing-yin
(Shanghai Digital Agricultural Engineering and Technology Center, Shanghai 201403, China)
Abstract：Near infrared spectrum is the fastest growing since the 1980's, the most compelling spectrum analysis technology. With its fast, no damage, simple operation, good stability, the efficiency high characteristic, which is widely used in industry, agriculture, medicine, etc. This paper briefly introduces the of near infrared spectral technology principle, characteristics and development history, this paper reviews the near infrared (nir) spectroscopy application in the field of agriculture, involving agricultural products detection, breeding, forestry and application, etc. The emphasis on adoption of literature study of near infrared spectral technology and its application field research.
Key words：Near infrared spectrum, Detection and analysis, Applications in agriculture
1 引言
近紅外譜區是人類最早發現的非可見光譜區.近紅外光(NIR)是指波長在780～2526 nm范圍內的電磁波,其光譜區域可以反映分子中C一H、N一H與0一H等基團的倍頻、合頻振動吸收情況,由此得到有機物和部分無機物的信息[1].近紅外光譜法(NIRDRS)是近二十年來發展最為迅速的新型分析檢測技術之一,同時也是有機物定性、定量和結構分析最有效的手段之一.它結合了光譜測量、化學計量學和計算機等技術,與部分傳統分析方法相比,具有快速、精確度高、分析成本低、多種成分同時分析、樣品無需預處理和無損分析等特點.
在近紅外光譜范圍內,不同的分子具有表征其結構特性的振動頻率,即對應特有的紅外吸收光譜,這是紅外光譜定性分析的物理基礎.不同物質在近紅外區域有豐富的吸收光譜,每種成分都有特定的吸收特征,這為近紅外光譜定量分析提供了基礎[2].
目前,近紅外光譜技術已經滲透到各行各業,在農業、林業、醫藥、石油化工、造紙、煙草[3]等很多領域得到廣泛應用.
近紅外光譜分析技術在我國發展起步較晚,進入90年代,近紅外光譜在工業領域中的應用全面展開,特別在儀器的研制、基礎研究和應用等方面取得了豐碩的成果,同時有關近紅外光譜的研究及應用文獻也相應倍增,它已成為發展最快、最引人注目的一門獨立的間接分析技術.
2 近紅外光譜技術在農業領域中應用
目前大約有40多個國家和地區開展了NIR的研究和應用工作,特別是一些發達國家如美國、英國、澳大利亞等表現得尤為突出,這些國家都擁有大量適合各行各業應用的各種類型NIR分析儀器.在農業領域,近紅外光譜技術主要用于分析農牧產品和食品中的蛋白質、水分、含油量、纖維素等營養成分,應用于農業品質育種、農牧產品品質評價、煙草化學成分分析、茶葉多種組分的定量分析[4]和加工過程控制等方向.在我國,外近紅外光譜的應用已滲透到各行各業.以食品,農產品行業為例,Benito[5]等人綜述了紅外光譜法在食品和環境分析中的應用，包括糧食品質分析、飼料品質分析、食品品質分析等方面；同時,在茶葉和可可等的成分分析以及肉類、水果、蔬菜甚至牛奶、飲料等方面有廣泛的應用.
NIR技術在農業中應用涉及甚廣,主要包括農產品的品質檢測和分析,液態農產品的鑒定,作物的育種篩選和評估,害蟲檢測與預防,農林等眾多方面的研究,特別在病蟲害檢測（倉儲害蟲、種子害蟲侵染和林草害蟲危害等）中的應用已成為一個活躍的研究領域.
2.1 農產品分析
農產品分析是 (NIR)的傳統應用領域.近紅外在農產品分析主要是通過檢測農產品測定谷物中的水分、淀粉、蛋白質、脂肪、糖分及食用纖維含量等；飼料中蛋白質、纖維、木質數、活體和離體消化度、灰分及消化攝入量等；水果和蔬菜的水分、酸度、甜度、成熟度分析等.
2.1.1 品質分類
20世紀60年代初,美國農業部儀器研究室首先利用近紅外光譜技術測定谷物中的水分、蛋白質、脂肪等含量,并致力于近紅外光譜技術在農牧產品品質分析方面的研究.國外研究者[6]在該領域做了大量的研究工作,并成功地應用近紅外光譜技術分析多種農牧產品的品質成分,許多實驗方案和計算方法已成為AOCA(Association of Official Analytical Chemists)的標準方法.美國谷物化學協會于1982年批準了近紅外方法用于小麥蛋白質的測定,1995-1996年,美國ASTM(American Society for Testing and Materials)分別公布以化學計量學為基礎的定性與定量分析標準實用細則.1998年,David[7]等采用700—1100 nm波長的近紅外漫反射技術分析了成熟和未成熟獼猴桃的光譜特性,發現在520—680 nm波長范圍內,未成熟獼猴桃的光譜吸收度高于成熟獼猴桃.近期,Ghulam[8]等人運用ETM + NIR和SWIR數據估計農作物水分.
國內近紅外光譜技術在農產品品質分析上的應用研究側重于測定了谷子、玉米、小麥、豬肉等的蛋白質、氨基酸、脂肪等成分.劉燕德[9]等采用可見/近紅外漫反射光譜對梨表面色澤進行無損檢測,并采用多元線性回歸(MLR)、主成分回歸(PCR)和偏最小二乘法回歸(PLSR)三種數學校正算法進行了定量對比分析研究.周麗萍[10]等結合主成分分析(PCA)和反向傳播(BP)神經網絡技術,建立蘋果可溶性固形物(SSC)預測模型.覃鴻[11]等人提出了一種基于DPLS+LDA的玉米近紅外光譜定性分析新方法.
NIRS技術在蔬菜領域的研究和應用開展較晚.近年來我國在蔬菜領域也進行了大量的研究,先后研制出四十多種數學模型,涉及十多種蔬菜水果,近二十種成分指標等,在常規分析和品質育種中發揮了重要的作用.薛利紅[12]等人建立了菠菜葉片硝酸鹽含量與反射高光譜間的數學模型,同時對不同光譜預處理方法和不同建模波段范圍下模型的預測性能進行了比較分析.2010年,吳靜珠[13]等人將基于統計學理論的支持向量機(SVM)和近紅外光譜(NIR)技術相結合,用于蔬菜上有機磷農藥殘留的快速檢測分析,并建立支持向量機定性識別模型,開拓了快速檢測農藥殘留的一條路徑.趙家松[14]等基于近紅外技術,設計了近紅外豬肉新鮮度檢測儀,相比近紅外光譜儀,該儀器結構簡單、體積小、成本低、使用方便.劉魁武[15]等采用可見/近紅外光譜分析方法對冷鮮豬肉中的脂肪、蛋白質和水分含量進行了研究，建立了偏最小二乘(PLS)定量分析模型,并得出蛋白質的檢測結果較差是由冷鮮肉加工工藝引起等結論.
在液態農產品加工研究中,國內以中國農業大學和浙江大學生物系統工程與食品科學學院研究的文獻較多.鄭麗敏[16]等采用傅里葉變換近紅外光譜法,快速測定了新疆疆岳驢奶中脂肪、蛋白質、能量和灰分的含量.并建立了PLS回歸預測模型,并與PLS全譜區建模預測進行了比較.在2009年,董一威[17]等應用近紅外光譜結合判別偏最小二乘法建立定性模型,可以實現對合格牛奶及摻入三聚氰胺的牛奶的定性鑒別,正確識別率達100%.李曉云[18]等人采用便攜式近紅外光譜儀,結合偏最小二乘回歸法,研究了牛奶脂肪、蛋白質和干物質含量的測定方法,建立了近紅外漫反射定量分析模型.
2.1.2 作物育種(蛋白質)
近紅外光譜技術可通過直接測定植物中各種化學成分變化來間接測定各抗性指標,可進行快速簡便地分析各種資源材料和篩選育種材料,為快速篩選高質品種和作物育種提供了技術支撐.
早在1978年,Williams[19]等已在豆類育種中,建立了7種豆的蛋白和水分的NIRS定標方程,取得較好的相關性.2004年,Tigabu利用單個種子近紅外投射光譜鑒定和篩選飽粒種子,空殼種子和受病蟲害的種子.同年,黃道強[20]等分析了近紅外分析儀兩種方法測定水稻種子直鏈淀粉含量,并與標準碘藍比色法測定結果進行驗證,實驗表明,近紅外分析儀對單粒水稻種子直鏈淀粉含量的測定誤差較大,對混合樣品的測定結果較準確.2009,山東省花生研究所[21]將創造和保存的27份花生育種材料進行品質分析,為完善花生近紅外品質定量分析模型提供種質基礎,為選育優異品質的花生新品種奠定親本基礎.Delwiche等人應用NIRS成功地鑒定出了小麥一黑麥(1AL.IRS和1BL.IRS)兩易位系,這為易位系在育種中的應用提供了快速簡便的鑒定手段.Roberts等[22]完成了酥油草中幾丁質酶的近紅外分析定標方程,相關系數達0.9,誤差也較小.Rutherford和Staden[23]應用濾光片式近紅外儀對甘蔗表面的蠟粉掃描分析,建立了甘蔗對鱗翅日中螟蛾的抗性分析定標方程.根據這一特性,可建立我國主要作物的相應病蟲害抗性分析近紅外定標方程,這將為作物的抗病和抗蟲育種開辟一條新途徑.