基于近红外光谱技术的主产区玉米品质分析

发布日期：2024-08-04 13:39

信息摘要：

玉米是我国三大主粮之一，是集粮、饲、经于一体的多途兼用作物。长期以来，玉米种植追求的目标是籽粒的高产，但随着生产水平的提高和国民膳食结构的改变，除了满足基本用粮...

玉米是我国三大主粮之一，是集粮、饲、经于一体的多途兼用作物。长期以来，玉米种植追求的目标是籽粒的高产，但随着生产水平的提高和国民膳食结构的改变，除了满足基本用粮外，约70%的玉米用作饲料，玉米品质的优劣也逐渐受到关注。玉米品质由容重、粗蛋白等多个指标决定，不同指标反映了玉米籽粒的不同品质，根据国标GB 1353-2018《玉米》中对玉米质量的要求，容重为玉米的定等指标；粗蛋白、粗脂肪、淀粉是玉米营养品质的重要指标，饲料的低蛋白日粮中，粗蛋白与赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸等必需氨基酸的合理配比有助于减少动物的发病率及降低经济成本；脂肪酸值是判定玉米储存品质的指标之一[。

近年来，已有多位学者采用分析方法与统计学方法相结合对玉米进行品质分析的研究，王利青等运用了方差、通径和相关性分析对玉米产量及籽粒营养品质进行分析评价，发现较高的收获穗数和百粒重是实验品种高产的原因；郭爱良等使用邓肯检验及聚类分析方法对不同品种玉米的淀粉等品质指标进行分析，对不同类型的玉米品种根据指标含量的不同给出了实际应用的建议；毛红艳等使用主成分分析的方法对新疆地区23个玉米品种的营养品质进行排序，筛选出了营养品质最高的玉米品种。但这些研究均使用化学方法检测品质指标，较为耗时，而近红外光谱技术可以快速且同时测出所需的品质指标，本文采用近红外光谱技术对11项玉米品质指标实现快速检测，减少时间消耗。

赵海军等基于近红外光谱技术采用相关性分析、聚类分析、主成分分析法对玉米自交系籽粒及品质性状进行评价，从150份玉米自交系中筛选出9份籽粒及品质性状表现优良的材料；贾晓艳等使用近红外光谱技术采用方差分析及相关性分析，得出玉米粒重与淀粉含量呈显著正相关，与蛋白质含量呈显著负相关。但这些研究选用样品数量较少，未对全国主要玉米主产区的玉米品质进行分析评价，本文通过对全国四个玉米主产区的532份样品的数据进行分析评价，实现对全国玉米样品数据的普查及积累。

本文选取从全国四个玉米主产区（北方春播玉米主产区，简称北方地区；黄淮海平原夏播玉米主产区，简称黄淮海地区；西南山地玉米主产区，简称西南地区；西北灌溉玉米主产区，简称西北地区）所收集的532份样品的容重、粗蛋白、赖氨酸、脂肪酸值、表观代谢能等11项玉米品质相关指标作为研究对象，利用近红外光谱技术快速获取11项指标的数值，采用相关性分析及主成分分析等方法调查全国玉米的定等指标、营养品质、储藏品质等，分析指标之间的相关性，指出不同地区玉米品质差异的原因，旨在为玉米的育种、仓储及加工提供参考。

1 材料与方法

1.1材料来源

取样时间：2022年11月—2023年2月。

取样地点：根据2021年玉米产量占比从玉米的四大主产区中的13个省（市）采集玉米样品，其中北方春播玉米主产区：黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区；黄淮海平原夏播玉米主产区：河北省、山东省、河南省、安徽省；西南山地玉米主产区：四川省、重庆市、云南省；西北灌溉玉米主产区：新疆维吾尔自治区、甘肃省。

2021年13个省（市）玉米播种面积占全国玉米总播种面积的比重为84.58%，玉米总产量占全国玉米总产量的比重为87.04%[15]。因此本文所选采样区域能较完备的反映全国玉米品质的有关信息。

1.2 仪器与设备

近红外光谱分析仪，ME3002E分析天平，SS-1022粉碎机。

1.3 实验方法

使用近红外光谱分析仪快速检测玉米样品的11项指标，包括容重、粗蛋白、粗脂肪、淀粉、赖氨酸、色氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、脂肪酸值、灰分、表观代谢能。

1.3.1测定方法

样品制备：每个样品使用分析天平称量200 g玉米籽粒，即得到玉米颗粒样品。使用粉碎机将颗粒样品磨成粉末，粉碎时间2 min，粉碎机转速为38 000 r/min，使得样品粉末95%以上通过40目筛，即得到玉米粉末样品。

近红外数据采集参数：分辨率16cm-1，样品扫描时间64 scan，背景扫描时间64 scan，光谱范围为11 500~4 000 cm-1。

1.3.2 建模指标

模型建立：基于OPUS 7.8软件建立近红外预测模型，光谱预处理方法及模型效果见表1。

表1 各项指标的近红外模型方法及效果
品质指标	预处理方法	特征波段/cm-1	R2	RMSECV	RPD
容重/g/L	一阶导数	9 403.6~5 446.2、4 605.4~4 242.8	85.36	12.800	2.61
w（粗蛋白）/%	一阶导数＋矢量归一化	9 087.0~4 246.5	90.64	0.147	3.27
w（粗脂肪）/%	多元散射校正	9 403.7~4 597.7	92.27	0.174	3.60
w（淀粉）/%	一阶导数＋均值中心化	9 086.9~5 446.0	93.57	0.848	3.95
w（赖氨酸）/%	多元散射校正	6 101.9~4 242.8	90.29	0.004	3.21
w（蛋氨酸）/%	最小-最大归一化	6 101.9~4 597.7	90.30	0.003	3.21
w（苏氨酸）/%	最小-最大归一化	7 505.9~4 597.7	94.36	0.005	4.21
w（色氨酸）/%	一阶导数	9 403.6~5 446.2	87.37	0.002	2.81
w（灰分）/%	一阶导数＋均值中心化	9 403.6~4 242.8	93.64	0.011	3.97
脂肪酸值/mg/100g	矢量归一化	9 403.6~8 447.1、 5 453.9~4 597.7	87.09	3.070	2.78
表观代谢能/kcal/kg	最小-最大归一化	9 403.6~8 447.1、 6 101.9~4 597.7	93.41	15.000	3.90

1.4数据处理

使用Excel 2022、SPSS 26.0、及MATLAB2012对数据进行处理和分析，使用Origin 2022软件绘图。实验所测得数据使用平均值±标准差表示[16]。

2结果与分析

2.1玉米品质指标的总体分析

由近红外光谱模型所得532份玉米样品品质性状描述见表2。

容重是玉米质量定级的重要指标，反映籽粒的成熟度、均匀度和饱满度[17]，532份玉米的容重为（712.69±31.22）g/L，最小值为641.00g/L，按照GB1353-2018《玉米》判定，样品均为四等及以上，其中一等玉米约占样品总数的38.53%，二等玉米约占37.21%，三等玉米约占22.18%，四等玉米仅占2.06%。西北地区容重均值最大，为756.61g/L。

粗蛋白、粗脂肪、淀粉含量是玉米营养品质的重要指标。样品的粗蛋白含量为（7.60±0.56）%，粗脂肪含量为（3.32±0.22）%，淀粉含量为（64.36±0.99）%，变异幅度分别为6.30%~10.33%、2.66%~4.56%、59.47%~67.02%；西北地区粗蛋白含量最高，均值为8.37%，黄淮海地区粗蛋白含量次之，均值为8.18%，北方地区淀粉含量最高，均值为64.51%，西南地区粗脂肪含量最高，均值为4.03%。

赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸是畜禽无法自身合成，仅靠外部摄入的必需氨基酸，样品中赖氨酸的含量为（0.26±0.02）%，蛋氨酸的含量为（0.20±0.01）%，苏氨酸的含量为（0.31±0.02）%，色氨酸的含量为（0.07±0.01）%，色氨酸的含量少且变异系数较大，说明全国玉米主产区的色氨酸含量差异较大。

脂肪酸值是反映品质劣变程度的指标，样品的脂肪酸值为（34.73±6.47）mg/100g，所有样品脂肪酸值均小于65mg/100g，基于国标GB/T 20570—2015《玉米储存品质判定规则》判定，样品宜存。

玉米中的表观代谢能是谷实类饲料中最高的[18]，表观代谢能的含量为（3433.3±62.10）kcal/kg，表观代谢能的变异系数仅为1.81%，说明本研究中玉米样品的表观代谢能较为集中。粗灰分是饲料质量检测中一个重要指标，粗灰分的质量分数为（1.19±0.04）%。

表2 2022年全国532份玉米11项品质指标数据分布
品质指标	范围	最小值	最大值	均值	标准差	变异系数
容重/g/L	185.50	641.00	826.50	712.69	31.22	4.38%
w（粗蛋白）/%	4.71	7.11	11.82	8.60	0.67	7.37%
w（粗脂肪）/%	2.04	3.04	5.08	3.75	0.26	6.63%
w（淀粉）/%	6.69	68.86	75.55	72.76	0.70	1.54%
w（赖氨酸）/%	0.12	0.22	0.34	0.26	0.02	7.69%
w（蛋氨酸）/%	0.07	0.17	0.24	0.20	0.01	5.00%
w（苏氨酸）/%	0.16	0.25	0.41	0.31	0.02	6.45%
w（色氨酸）/%	0.03	0.07	0.10	0.07	0.01	14.29%
w（灰分）/%	0.47	1.05	1.52	1.19	0.04	3.36%
脂肪酸值/mg/100g	42.66	16.21	58.87	34.73	6.47	18.63%
表观代谢能/kcal/kg	478.00	3 108.00	3 586.00	3 433.30	62.10	1.81%

2.2指标的相关性分析

对由近红外模型所测得的各品质指标的数据进行相关性分析，见图1。

容重与粗蛋白、氨基酸：从指标的两两相关性分析可见，容重与粗蛋白呈极显著正相关，这与张丽等[19]的研究结果相符；容重与赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸均为极显著相关，该现象与各类氨基酸与粗蛋白含量相关有关。

粗蛋白与氨基酸：粗蛋白与赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸均呈极显著正相关，这说明几种氨基酸在玉米能够相互促进，提高含量[20]，而粗蛋白的数值是基于样品中的含氮量计算的，苏氨酸在玉米中的含氮量相对其他三种氨基酸多，故粗蛋白含量在这4种氨基酸的相关性中与苏氨酸含量相关性最好；

粗蛋白、粗脂肪、淀粉：粗蛋白与淀粉呈极显著负相关，由于蛋白质和淀粉作为光合作用的共同产物，当玉米中粗蛋白含量过高时，势必会使淀粉含量受限；粗脂肪与淀粉呈极显著负相关，淀粉主要存在玉米胚乳中，脂肪主要存在胚芽中，胚芽体积随着脂肪含量的增加而增大，胚乳体积随之减小，进而淀粉含量降低[21]。

图1 各品质指标相关性分析

表观代谢能、淀粉、灰分：表观代谢能与淀粉呈显著正相关，与灰分呈显著负相关。表观代谢能是指可被吸收供代谢的蛋白、脂类、碳水化合物等营养素所含的能量，故淀粉含量越高，表观代谢能越高。灰分与表观代谢能呈极显著负相关，灰分是代表无机成分总量的一项指标，而机体代谢的营养素属于有机物，表观代谢能越高，样品中有机物的含量越高，故灰分越少。

从相关性分析的结果来看，各指标间呈现出了一定的相关性，且本实验的实验样品来源涵盖了全国主要的玉米主产区，并且无品种、产地、生长环境等限制，因此该相关性结果具有一定的普适性，可适用于不同产地。

2.3关键指标的区域分析

将由近红外模型所测得的各品质指标的数据在主产区内的分布情况进行统计与分析。本文将对玉米的容重、粗蛋白、淀粉、脂肪酸值四项关键指标进行分析，根据数据的分布情况显示，同一指标在不同区域分布差异较大，具体分析如下：

容重：一等玉米主要分布在西北地区及黄淮海地区，其中西北地区容重均值可达756.61 g/L，原因在于西北灌溉农业区光照充足，光热资源丰富，有助于玉米内部干物质的形成[22][23]，而北方地区容重均值为695.81 g/L，原因在于北方地区多使用机械烘干的方式烘干玉米，烘干过程中玉米籽粒随着升温体积膨胀，使得单位容积内的重量降低，最终导致容重变低[24][25]。

粗蛋白及淀粉：北方地区淀粉含量高于其他地区且程度明显，均值在73.06%，但蛋白含量相对其他地区较低，均值为8.28%。北方地区的玉米产量占全国产量的45%，由于北方地区的生产中大面积推广应用高淀粉、高产量的玉米，但忽视了玉米中粗蛋白含量的稳定，有研究显示，北方地区是玉米的淀粉优势产区，粗蛋白含量在北方地区品种更替过程中呈下降趋势[26][27]。

脂肪酸值：脂肪酸值在四大主产区之间未表现出较大差异。但部分省份脂肪酸值稍高于其他省份，例如黑龙江省，该地区多使用机械烘干的方式，有研究显示，烘干方法中，机械烘干法相对于自然晾晒法明显增加脂肪酸值；云南与安徽地区由于产地温度较高，而储藏的环境温度和气体成分均是影响脂肪酸值的因素，而温度较高会导致脂肪酸值的升高；除以上原因外，相同的储藏条件下，样品自身所含有的水分较高使得脂肪酸值升高较快，随着储藏时间的延长，脂肪酸值也逐渐增高[28][29][30]。

2.4四大产区的主成分分析

基于品质指标对四大产区的样品做主成分分析，结果如图2所示，北方地区与黄淮海地区玉米存在明显分离，说明北方地区与黄淮海地区玉米样品存在品质上的明显差异。西北地区和西南地区样品分离趋势不明显，这种结果是由多种因素组合作用的。

由表3可知，粗蛋白、赖氨酸、苏氨酸在PC1上有较高载荷，说明PC1基本反映了这些指标的信息，蛋氨酸、表观代谢能、容重在PC2上有较高载荷，说明PC2基本反映了这些指标的信息，即容重、粗蛋白、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸及表观代谢能是使得北方地区与黄淮海地区玉米明显分类的原因。

本研究将从种植模式、地理环境两方面对PCA结果进行分析。

图2 基于品质指标对四大主产区样品的主成分分析结果

表3主成分分析成分表
分析指标	PC1	PC2	PC3
容重	0.579	0.622	-0.062
蛋白	0.915	0.217	0.054
脂肪	0.133	-0.206	0.819
淀粉	-0.621	0.547	0.017
赖氨酸	0.842	-0.398	-0.127
蛋氨酸	0.546	0.712	0.187
苏氨酸	0.948	0.086	-0.077
色氨酸	0.760	0.253	-0.067
脂肪酸值	0.072	-0.467	0.422
灰分	0.513	-0.475	0.223
表观代谢能	-0.306	0.787	0.419

在地理环境与玉米种植模式上，北方地区与黄淮海地区有较大差异，北方地区由于地理位置偏北，年热量状况只能满足一季作物的生长需求，属于一年一熟，且旱地为主，春播秋收；黄淮海地区处于温带半湿润气候，热量状况可满足一年两季作物的需求，属于一年两熟，水浇地与旱地并重，夏播秋收，而西南与西北地区一年一熟、两熟、三熟并存，与北方地区及黄淮海地区种植模式均有交叉，这也与PCA的分析结果相符。

由刘行等[31]对近60年来全国各省市地区温度数据的分析发现，玉米生育期的平均温度（Tmean）、生长度日（growing degree days，GDD）、高温度日（hilling degree days，HDD）北方地区明显低于黄淮海地区，但西南与西北地区的Tmean与GDD接近黄淮海地区，但HDD更接近北方地区，这种交叉现象也与PCA结果相对应。

3结论

本文基于近红外光谱技术对从全国13个省（市）采集的523份玉米样品进行数据分析。对试验样品的整体数据进行了统计与分析，基于国标对本试验样品进行了分等及是否宜寸的判定，探究了样品的关键指标在不同区域的分布原因；通过对样品品质进行两两指标的相关性分析，指标间呈现出一定的相关性，例如容重与粗蛋白呈显著正相关，粗蛋白与淀粉呈显著负相关，且样品的广泛来源也使得该结果在全国范围内具有一定的普适性；通过主成分分析法对玉米品质指标基于玉米主产区分类，结果发现北方地区与黄淮海地区的玉米品质有明显区别，这是由于两地明显不同的种植模式及地理环境不同，导致两地玉米分类明显；但西南与西北地区玉米差别不明显，是由于种植方法等与另外两地区均有交叉，也可在后续的研究中增加这两个玉米主产区的样品量，以获得更加清晰的分类结果。本研究中选择的玉米样品在没有固定品种、种植方式等的情况下，仍可探索出玉米的品质通性，这说明不同品种玉米的品质在不同地区基于不同种植模式下均可表现出同样的趋势，对信息未知的玉米样品具有一定的参考意义。

目前，对玉米的质量要求鉴别多依靠于容重、不完善粒等基础指标，尤其对于饲用玉米来说，仅依靠这些基础指标判定玉米质量，不能充分满足饲用玉米对营养特性的要求，同时造成资源浪费，因此对玉米中粗蛋白、淀粉等指标全面分析尤为重要；近红外光谱法相对于目前常用的检测粗蛋白、粗脂肪等指标的化学方法，具有操作简单、成本较低及耗时短的优点，且可以同时检测多个指标，故检测品质等指标时可优先使用近红外光谱技术。今后可根据玉米的食用、饲用、工业用等不同用途所关注指标的不同，对品质指标赋以相应的权重，形成评分系统，更有助于玉米的合理应用。本文仅对2022年全国四大主要产区的玉米品质数据做调查分析，后续可收集样品有关产地的更多信息，例如气候、耕种方式、施肥量等，积累丰富的数据，针对更多的关注点做详尽的分析调查。

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