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利用高光谱数据估测水稻米粉中粗蛋白粗淀粉和直链淀粉含量

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摘要:【目的】粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉含量是水稻品质的3 个重要指标。研究米粉中粗蛋白、粗淀粉和直链淀粉含量的光谱快速检测方法为水稻品质遥感监测提供依据。【方法】通过田间小区试验,获得了5 个品种、3 个供氮水平处理的米粉样品,提取样品的粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉,测定样品的粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉含量,同时测定相应的高光谱数据及粗蛋白质与粗淀粉混合样品的高光谱数据,分析它们的高光谱特征及其与样品粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉含量之间的相关性,建立相关估测模型。【结果】粗蛋白质和粗淀粉、直链淀粉的光谱有明显的差异,米粉粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉含量与其某些高光谱参量之间存在极显著相关,其中决定系数R2 约0.7,相关估测模型的检验精度在80%以上。【结论】高光谱法可以用来估测米粉的粗蛋白、粗淀粉和直链淀粉含量。

0 引言
    【研究意义】近年来,高光谱遥感技术的发展迅速,已可以在光谱维上展开,直接对地物微弱光谱差异进行定量分析。高光谱遥感技术在植被遥感研究与应用,特别是农作物的品质遥感监测中表现出强大优势[1,2]。快速监测主要农作物的长势及品质对及时改进耕种方法稳定农业生产有重要指导作用。【前人研究进展】在20 世纪60~70 年代,美国农业部(USDA)的研究人员详细测定和分析了干燥和捣碎的多种植物叶片光谱,获得在0.4~2.4 μm 光谱范围内大约有42处对应一定的生物化学成分的吸收特征,这为用遥感手段来估测叶片乃至植株的生化组分提供了可能[3]。生物化学组分主要指植物体内的各种色素(如叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素等)、各种营养成分(如N、P、K)及纤维素、半纤维素、木质素、糖、脂肪、淀粉和蛋白质等。前人试验表明,农作物中生化组分对0.4~2.4 μm 范围内的光谱吸收有一些比较明显的特征,其中心吸收波长分别为:水分970、1 180、1 450nm;叶绿素480、660 nm;纤维素1 730、2 100、2 300nm;氮760、1 640、2 100 nm;木质素1 730、2 300 nm;淀粉990、1 450、1 530、1 900、2 250 nm。国内外通过反射光谱法来研究生物体的化学组分已有较多报道:Card 等[4]研究表明用叶片光谱反射率R 的变量log(1/R)及log(1/R)的一阶、二阶导数可估测叶子的化学组分含量;Kokaly 等[5]研究表明利用2 054 和2 172 nm 的光谱吸收特征来估算水稻叶片的的氮素含量;LaCapra 等[6]成像光谱仪估测水稻叶片的氮和木质素含量,发现木质素与log(1/R)的相关性(R2=0.44)要差于氮(R2=0.74);牛铮等[7]采用多元逐步回归方法研究了以小麦鲜叶片为主的鲜叶中7 种化学组分含量与其高光谱数据的统计关系,结果表明叶片的精细光谱特征能较好地反映出化学组分含量,尤其对粗蛋白、N、K 含量反映最好,R2 均达到0.8 以上;Fourty等[8]通过光谱方法来估测鲜叶中的生物化学成份;王纪华等[9,10]、冯伟等[11]研究反射光谱与小麦叶片生化成分及籽粒品质之间的关系;日本科学家小西教夫等[12]对利用遥感技术来监测水稻的蛋白质和淀粉含
量作了初步研究;Yoshio 等[13]用反射光谱来监测水稻品质。Curran 等[14]、Kokaly 等[15]根据反射光谱数据用3 种方法经逐步回归估测干叶片中的生化组分,结果表明估测精度依次为:总叶绿素、氮、糖、叶绿素a、纤维素、叶绿素b、木质素、水分、磷、蛋白质、氨基酸、淀粉。【本研究切入点】目前,国内外已广泛采用近红外光谱检测法来分析谷物、饲料的质量,但一般是基于吸收光谱,而使用反射光谱的报道较少,Wu 等[16]、Yadav 等[17]用近红外反射分光计(1 100~2500 nm)来测定稻米的氨基酸、蛋白质等,Barton 等[18]用近红外分光计(400~2 498 nm)来分析水稻的品质(表观直链淀粉、蛋白质、灰分等),检测结果与用化学分析方法、拉曼光谱法及傅里叶变换红外吸收光谱法的结果有相同的精度。衡量稻米品质的两个重要指标是稻米的蛋白质含量与直链淀粉含量[19],当前日本已开发出基于光谱方法的大米品质自动检测系统[20]。ASDFieldSpec Pro FR™光谱仪的工作原理与分光计的工作原理是相同的,薛利红等[21]分析了水稻冠层反射光谱与其籽粒品质的关系,唐延林等[22]利用高光谱法来估测稻穗稻谷的粗蛋白质和粗淀粉含量,这表明可以用高光谱仪来检测水稻的生化组分含量。【拟解决的关键问题】本研究目的是探索用高光谱仪来估测米粉中的粗蛋白质、粗淀粉和直链淀粉含量,为快速、低成本地检测稻米品质提供依据,同时也为用高光谱遥感方法进行水稻品质监测提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 稻米品种
    试验选用的稻米品种为常规粳稻秀水110、常规籼稻嘉育293、嘉早312、嘉早324 和协优9308,分别记为S1、S2、S3、S4 和S5。将经过3 种供氮水平(严重缺氮、正常、严重超氮)栽种处理的水稻收割后脱粒,随机取样于45℃恒温烘干、去壳得精米,然后粉碎过200 目筛,制成米粉放入干燥箱中以供实验室测光谱用。正常栽种时S1、S2、S3、S4、S5 的粗蛋白、粗淀粉和直链淀粉的含量分别为6.3%、80.2%、18.1%;9.6%、82.6%、24.0%;10.0%、76.1%、13.2%;9.2%、77.1%、14.6%;7.0%、80.4%和22.5%。

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作者:admin 来源:网络收集 发布时间:2016年05月07日