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近红外反射光谱分析建模及应用研究进展

来源:智榕旅游
CROPRESEARCH2007(2)油菜品质近红外反射光谱分析建模及应用研究进展杨燕宇,陈社员(湖南农业大学农学院,长沙410128)摘要:近红外反射光谱(NIRS)分析目前已经成为油菜育种中品质选择的必备手段,其可靠性、稳定性以及应用范围是育种家非常关心的问题.综述了NIRS分析在油菜籽的脂肪酸组成、含油量、蛋白质含量、硫昔含量测定及其在小样品分析中的可靠性情况,探讨了建模代表性样品选择和小样品分析样品杯改造的问题,并就拓展NIRS分析在油菜育种中的应用范围进行了分析。关键词:近红外反射光谱;油菜;育种;品质分析中图分类号:5565.403.3文献标识码:A文章编号:1001一5280(2007)02一0152一05    在油菜育种工作中,如何快速准确且无损的对大量的育种材料进行分析、选择一直是困扰育种家的一个难题。”世纪初发现的近红外光最终很好地解决了这个难题。.在20世纪50年代,近红外光被成功用于农产品品质分析,随着80年代末期计算机技术的快速发展,该技术很快走向成熟,并被广泛用于各个行业[.l2〕。INIRS分析的原理和特点1.INIRS分析原理近红外光是波长为7    00 ̄2600nm电磁波,波数范围为1330一4O00cm一’,此段光谱区位于可见光与中红外光之间。有机物的氢基团(如C一H,N一H,0一H,5一H)在近红外光的照射下,会发生伸缩、摆动等基团运动,从而反映在光谱上有特征吸收。1.ZNIRS分析模型(定标方程)建立及分析原理在NI    RS分析仪投人油菜籽分析之前,需建立所需参数的油菜籽NIRS分析模型。建模的一般做法是:先搜集一批具有代表性的油菜籽样品(样品集),对其进行近红外光扫描获得吸收光谱。再由软件根据其马氏距离自动精选代表性样品,并将样品集分为建模集(校正集)和验证集。之后对所选样品进行传统化学分析。最后将化学分析数据输人计算机,由软件建立相应的定标方程,并利用验证集验证。分析过程中,仪器先扫描样品得出光谱,然后利用定标方程计算,即可得出样品的所需信息。1.3评价NIRS分析模型优劣的标准收稿日期:2007一02一21作者简介:杨燕宇(1981一),男,湖南邵阳人,硕士研究生。    NIRS分析模型优劣取决于其校正决定系数(RZ)、校正内部检验决定系数(l一VR)、校正标准差sEC)和校正内部检验标准差((SECV)。决定系数是反映模型的回归直线/曲线与实测点的拟合程度,值越接近1则越好,而越接近0则越差;标准差是反映模型预测值与参考值(真值)之间的误差大小,标准差越小说明所预测的值越可靠。L4NIRS分析的特点近红外光以及其分析方式的特点,使NI    RS分析具有明显的优点:)分析速度快,1一般分析一份油菜籽只需Zmin;)信息量大,2可以同时分析出多种物质的含量以及其它信息;)不破坏种子,3分析后的种子仍可以用于播种繁殖;)基本不需要预处理,分析成本低;4)操作简单,5一般人员进行简单培训即可操作。NI    RS分析需要建立专一的模型是其最大的缺点。NIRS分析模型的作物以及地域专一性很强,且由于技术以及其它原因,仪器之间模型转移难度较大,每台仪器模型一般需专门建立。建模工作需要有相关专业知识的人员,工作量大,耗费多,且所建模型每年都需要维护才能保证其稳定性与可靠性,这带来了很大不便。ZNIRS分析在油菜大样品品质分析中的应用2.1月旨肪酸组成分析在早期NI    RS分析只能针对单个或少数几个脂肪酸成分进行有效定量分析[,〕。1995年,velasco等首次报道成功建立了油菜籽多种主要脂肪酸组成的NIRS分析定标方程,油酸、亚油酸、亚麻酸和芥酸含量的RZ分别高达0.97,0.99,0.98,0.98,其1一VR以及SECV基金项目:湖南省教育厅重点项目,编号04A021。都达到了令人满意的程度,表明NIRS分析法句以精2007年第2期作物研究153准地检测出这4种脂肪酸的含量。但由于含量相对较低及变幅较小,棕桐酸、硬脂酸、花生烯酸测定精准度却相对较差阁。    在Velscao的试验中,花生烯酸的平均含量与变幅均接近亚麻酸且明显大于棕桐酸,但其RZ却远远低酸与花生烯酸分子结构相似引起的,并设计试验初步证明了这个结论阁。综合前人试验结果(表1    )可以发现,棕搁酸、亚油酸、亚麻酸、花生烯酸的各数据差别较大,目前尚无法对这几种脂肪酸分析的可靠性得出统一的结论。不过,于亚麻酸,甚至低于棕桐酸,且其SEC远大于棕桐酸。所有数据都对油酸和芥酸这2个最重要的组分测定可Velacs。还发现,凡是高芥酸的材料,NIRS法所测定靠性表示了肯定。的花生烯酸含量误差较大。他们推测这个误差是由芥表1油菜籽脂肪酸组成N旧5分析校正模型统计数据参数C16:OC18:IC18:2C18:3C20:1C22,1校正样品数备注数据来源RZ八一VR0.85/0.760.99/0.980.97/0.950.98/0.960.73/0.690.98/0.9822039样品量[5」SEC/SECV0.26/0.332.36/3.211.33/1.690.46/0.663.13/3.291.84/2.25RZ/1一VR0.95/0.870.98/0.980.93/0.850.99/0.980.80/0,46154 ̄163Canol  a〔4〕SEC/SECV0.11/0.170.16/0.730.45/0.670.30/0.440.04/0.04RZ/1一VR0.62/0.580.99/0。980.94/0.850.96/0.920,72/0.840.97/0.96159 ̄168高芥酸甘蓝-I左,L几JSEC/SECV0.16/0.170.72/1.050.35/0.540.23/0.330.03/0.041.98/2.28型油菜籽RZ/1一VR0.76/0.740.98/0.970.79/0.750.78/0.720.82/0.740.97/0.9518239样品量r叮,es」」lSEC/SECV0.29/0.303.01/3.691,31/1.450.60/0,692.55/3.083.23/3.73    注:C16:0=棕搁酸,C18:1=油酸,C18:2=亚油酸,C18:3=亚麻酸,CZO:1二花生烯酸,C22:1=芥酸。2.2含油量、蛋白质含量以及硫普含量的测定正模型RZ都达到了相当令人满意的程度,但都无一例油菜籽含油量NI      RS分析目前已较为成熟,外的具有高标准差。为降低其标准差,研究HPLC法测Greenwood等、杨翠玲等以及昔莉等所建立的含油量定硫昔(目前硫昔测定的国际标准方法)具有的高标准。定标方程,其R,都在0.89以上,1一vR也非常接近差,是否是其高标准差的来源,显得非常有意义。RZ,最低也有0.95。而其标准差,一般都被控制在0.8针对在育种中可能需要的硫昔类型信息,    Font以以下,  相对于油酸、芥酸及硫昔的各项标准差,明显低及Vefacs。分别建立了油菜籽主要硫昔类型油菜籽饼T许多[含量伽mol/9)或者总硫昔百分比含量(mol/mol)Fon      t‘4,一建立的印度芥菜总硫昔含量的定标方程,〕。R“NIRS分析定标方程。结果显示,2一经基一3一丁烯基硫达到0.99,但0.55的1一vR稍欠理想[‘0〕。而velasco昔、丙烯基硫昔以及3一丁烯基硫昔的RZ都大于0.91。用15个种的270份油菜籽建立的总硫昔含量定标方虽然在反式2一轻基一3一丁烯基硫昔等非主要硫昔类型程,不仅R,高达0.99,1一VR也有0.95之高[‘,〕。必须分析上,目前的结果尚不太令人满意,但已经足够分辨注意的是,虽然综合看来(表2),各人所建立的硫昔校其含量的高低[.s‘。〕。这说明在育种工作中,利用NIRS表2油菜籽含油量、蛋白质及硫普含量NIRS分析统计数据参数含油量蛋白质硫昔校正样品数备注数据来源R2      0.98363三类型油菜r「L尸勺卫JSECV    6.64籽混合校正RZ八一VR0.98/0.950.98/0.951288,168工esL丹匕门」SEE    0.70    0.95    RZ八一VR0.99/0.980,89/0.980.98/0.95180,171,386硫昔8.49 ̄196.0rL只「月}JRMSECV0.39    0.74    6.39    拜mol                  /9RZ/1一VR0.98/0.96921995 ̄1997工es0门L曰」SEC/SECV0.61/0.77RZ/1一VR0.99/0.8844SEC/SECV1.50/9.82154CROPRESEARCH2007(2)分析油菜籽不同类型硫昔的含量是可行的。值几乎没有变化。虽然吴建国等的数据与之在亚油酸    相对来说,油菜籽的蛋白质含量并不是育种家关和亚麻酸方面存在分歧,但总体上来说(表1)NIRS分心的传统重点。但是,随着油菜籽品质的改善,油菜籽析在小于19油菜籽的分析中具有较好的可靠性[,s’〕。饼粕蛋白提取加工技术的提高[sl〕,对油菜籽蛋白的含数据显示,    单粒油菜籽脂肪酸组成定标方程明显量以及氨基酸组成将会越来越被重视。油菜籽蛋白含劣于6omg以上样品的定标方程,但油酸以及芥酸的量与氨基酸组成的NIRS分析技术也日渐成熟,目前测定准确度仍然较高,而其它主要脂肪酸也可以进行已经取得满意的效果[zl〕。半定量(表3)。3NIRS分析在小样品分析中的应用相对于单粒油菜籽脂肪酸分析的准确度明显降    低,单粒油菜籽的含油量、蛋白质、硫昔的含量NIRS    育种家曾利用“半粒法”、“切片法”等分析方法用分析依旧有与大量样品相当的较高可靠性(表2,表4)。于种子较少时的育种选择[41〕。但是这些方法不仅繁在单粒油菜籽不同类型硫昔的含量研究上,Nang琐,而且也易导致成苗率降低。NIRS小样品菜籽分析HsengHom取得了令人满意的结果,脂肪族硫昔以及研究因此显得非常重要。叫噪族硫昔RZ分别为0。96和0.91,但芳香族硫昔可能Vel    asco等建立T3g,300mg,6omg的小样品5由于所搜集的校正材料的含量较低以及范围有限,结个定标方程,数据(表1、表3)显示,随着样品量的减少,各脂肪酸的RZ值呈下降趋势,但油酸和芥酸含量的R“果不够理想[1‘〕.表3NIRS分析小样品油菜籽脂肪酸组成统计数据参数C16:OC18:IC18:2C18:3C20:1C22:1校正样品数备注数据来源RZ/1一VR0.79/0.720.99/0.970.97/0.940.97/0.930.73/0.700.98/0.960山乃‘0300mgr.门L八J习SEC/SECV0.31/0.352.35/3.471,33/1.740.58/0.853.12/3.272.35/2.95RZ/1一VR0.68/0.640.98/0.960.96/0.850.96/0.840.75/0.690.98/0.960r,‘0白060mg.Od.JJSEC/SECV0.37/0.393.36/4.441.63/2.980.69/1.312.99/3.322.08/2.99RZ/1一VR0.88/0.860.56/0.560,49/0.530.88/0.88匕JZU0单粒  尸.L,工口匀「!〕SECV  8.44    3.38    1。53    7。13    RZ/1一VR0.79/0.780.98/0.970.78/0.750.75/0.700.70/0.670.97/0.96八」工卜己月0600mgr.月子『.JSEC/SECV0.28/0.293.06/3.481.36/1.460.67/0.733.31/3.473.14/3.57表4小样品油菜籽含油t、蛋白质及硫昔含tNIRS分析统计数据参数含油量蛋白质硫昔校正样品数数据来源Rz/1一VR0.88/0.85125      一.}.二p匀,L.JSECV    1.98R公/1一VR0.98/0.970.99/0.960.97/0.86206,157,111单粒F,L.二 ̄blesJSEC/SECV0.98/1.140.38/0.745.01/10.3R2    0.97/0.964 ̄』,-.一.丹『且单粒    L1矛.JRMSECV0.81/0.87RZ/1一VR0.95/0.91,1Q口l.山.1QF-U翻600 ̄800mgLUJSEC/SECV0.83/1.084讨论分析中,建模遵循“少而精”原则,一般使用50 ̄300个校正样品。样品数太少,会导致模型代表性和可靠性不4.1油菜籽NIRS分析建模存在的部分限制够;太多则容易带人过多干扰,导致模型性能下降图。4.1.1校正样品选择的问题(样品分布、数量、代表性从表1 ̄4的数据可以看出,目前油菜籽分析建模    的问题)各个报道的校正样品数目差距很大,这显示在样品数    ‘校正样品数量、代表性是NIRS分析建模中直接目问题上随意性很大。而这种随意性,可能在一定程度关系到模型的可靠性与稳定性的问题。在农产品NIRS上影响了模型质量,并可能导致了建模成本的无谓增2007年第2期作物研究linintactseedraPeseedacidcomPositionoftheoi加。所以应进行相关系统研究以实现油菜籽分析建模标准化。样品的代表性也是油菜籽建模工作中的一个难    点。目前一般是先广泛随机采集不同来源的油菜籽样本,再根据马氏距离进行软件自动化选择。但是针对含量低、变异范围小的组分,却很难选择到非常具有代表性的样品。值得注意的是,Velsaoc等采用21种芸墓属植物种子混合校正,很好的解决了油菜籽某些类型硫昔因含量低、变异范围小而无法建模的问题[j5。因此,在某些组分的代表性样品选择的问题上,可能可以采用类似的手段得以解决。4.1.2小样品分析样品杯改造问题没有合适的样品杯是小样品量分析一个主要难    题,目前仪器厂家一般只生产多种农作物通用型的大样品杯,且各个厂家样式不尽相同。为了打破这一限制,有研究人员自制了一些改进样品杯附件,在加人这些附件的情况下,利用现有的样品杯即可成功的扫描小样品甚至单粒油菜籽[sl・“〕。不过,这些自制的附件采用了含有C一H键的聚氯乙烯作为材料,可能会带入干扰信息影响建模与分析质量。从这方面来说,Raney等采用金属材料制成的附件[91〕,可能就不会存在这个问题。4.ZNIRS在油菜育种中的应用拓展由于NI    RS分析基于含氢基团对近红外光吸收的基本原理,理论上可以说能检测所有的有机物。所以在油菜籽的品质分析中,除了常规组分检测,NIRS也可以很好的分析油菜籽中酸性洗涤纤维以及饼粕中有毒成分芥子酸酷(sinapi。acidesters)等其它不常被关注的成分[02・’1〕。不仅如此,基于这个原理,利用NIRS分析光谱信息量大,且其功能随着数学模型以及软件扩展而扩展的特点,可以将其应用到品质分析以外如抗性育种、种质资源鉴定之中。虽然在油菜中尚未见报道,但在谷子的抗虫性检验中有成功的先例[2〕。在种植资源鉴定方面,Delwioeh以及Tigabu等则分别将其源[32・]42,从实践的方面证明了NIRS非品质分析拓展参考文献:lj陆婉珍,袁洪福,徐广通,等.现代近红外光谱分析技术〔M〕.北京:中国石化出版社,1999:1一7.幻严衍禄.近红外光谱分析基础与应用【Mj.北京:中国轻工业出版社,2005:182一183・习LeonardoVelasco,HeikoCBecker.Estimatingthefatty(BrassiacnapusL.)bynearinfraredreflectancespectroscopy[J〕.Euphytica,1998,101:221一230.[4〕PallotTN,LeongAS,AllenJA,etal.PrecisionoffattyacidanalysesusingnearinfraredspectroscopyofwholeseedBrasiscas[DB/OL〕.(1999一09一30)[2007一01一09〕.http://www.regional,org.au/au/gcirc/1/575.htm.[5〕LeonardoVel  asco,ChristianMollers,HeikoCBecker.Analysisofindividualgluc一osinolatesinBras,iacspp.byNear一infraredreflectancespectroscopy[DB/OL].(1999-09一30)[2007一01一09〕.http://www.regional.org.au/au/gcirc/1/397.htm.[6〕甘莉,孙秀丽,金良,等.NIRS定量分析油菜种子含油量、蛋白质含量数学模型的创建〔J〕.中国农业科学,2003,36(12):1609一1613.[7〕吴建国,石春海,张海珍.构建整粒油菜籽脂肪酸成分近红外反射光谱分析模型的研究〔J〕.光谱学与光谱分析,2006,26(2):259一262.[8〕杨翠玲,陈文杰,赵兴忠,等.近红外光谱法同时分析油菜9种品质参数的研究口」.西北农林科技大学学报(自然科学版),2006,34(3):61一67.[9〕DaunJK,ClearKM,WilliamsP.ComParisonofthreewholeseednearinfraredanalyzersformeasuringquaIitycomponentsofcanola,eed[J].JAmoilChemsoc,1994,71:1063一1068.[10〕  FontR.UsingNIRSfordeterminingg1ucosinolatec  ontentinBrassicajuncaeseed〔DB/OL〕.(1999一09-30)[2007  一01一09〕.http://www.regional.org.au/au/gci  rc/1/558.htm.[11〕  VelascoL,BeckerHC.Analysisoftotalglucosinolatecont  entandindividualglucosinolatesinBrassicaspp.byne  ar一infraredreflectancespectroscopy[J〕.plantBr  eeding,1998,117:97一102.[12〕  甘莉,潘哲,赵立,等.以NIRS定量分析甘蓝型油莱、芥菜型油菜饼粕赖氨酸含量口〕.作物学报,2。。5,31(7):944一947.  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