1. 研究目的与意义
大米,又称“稻米”,是稻谷经过清理、砻谷、碾米、成品整理等工序后制成的成品。大米的营养十分丰富,是中国人民的主要食粮之一。稻谷的胚和糊粉层中有64%左右的稻米营养和90%以上的人体所必须的营养元素。大米,入脾、胃、肺经,具有补中益气、健脾养胃、滋阴润肺的作用,而且具有和五脏、通血脉、聪耳明目、止渴、止泻、止烦的功效。
水稻在我国有着悠久种植的历史,最早可以追溯到公元前12000~16000的湖南。如今,它是我国种植面积最广、单产量最高、稳定性最强、总产量最多的粮食作物;同时,它也是全球一半以上人口的主食,仅在亚洲就有20亿居民从稻米中摄取60%~70%的热量。2004年联合国粮农组织提出了“稻米就是生命”的口号,希望通过发展稻米种植解决世界粮食安全问题、消除贫困和维持社会稳定。[1]2020年世界大米需求量将增加32%,即增加1.22亿吨,大米总产量将达到约5亿吨。[2] 2017年我国稻谷产量再创历史新纪录。据国家统计局数据, 2017年全国稻谷播种面积达到3017.6万hm2, 与上年基本持平;单产为6 911 kg/hm2, 较上年增加50 kg/hm2, 同比增幅为0.72%;总产量增至20 856万t , 较上年增加148万t, 增幅为0.72%。[3] 然而,随着经济的发展和人们生活水平的提高,人们在满足温饱的情况下,对稻米的品质要求也越来越高。
大米品质主要包括外观色泽、口感营养、加工特性以及蒸煮品质等,好的大米不仅颗粒饱满,口感上佳,而且营养丰富。影响大米品质的因素主要有遗传特性、生长环境和栽培条件等因素,其中遗传特性是影响大米品质差异的最主要因素,即大米品质的优劣与品种的系谱有很大关系。[4]不同品种大米原料及米饭硬度、弹性、黏性、黏硬度比各不相同。[5]因此,对于大米的品种进行鉴别,也就是间接地对大米的品质进行鉴别,有利于挑选出优势品种。综上,大米品种进行鉴别是具有重要意义的。
2. 研究内容和预期目标
1 研究内容
本文运用拉曼光谱法,采用拉曼光谱仪采集五常大米3种不同的品种(粳米、籼米、糯米)的光谱图,在充分利用化学测量仪器所产生的化学信号特点的基础上,基于MATLAB 2010b平台使用多谱数据结合SVM算法,对不同品种的大米进行快速、准确的分类鉴别。
2 拟解决的关键问题
3. 国内外研究现状
国内外都有将拉曼光谱法运用于大米品质研究上。孙娟等[10]运用拉曼光谱技术结合化学计量学, 对3 个产地采集的123 份样品进行无损检测, 通过主成分分析和偏最小二乘判别分析, 对不同种类、产地、品种进行判别,训练集正确判别率均达到100%, 校正集依次为100%、100%、94.12%, 实现快速有效鉴别。黄嘉荣等[11]综合拉曼光谱技术与化学计量学方法实现对大米种类的区分, 分类准确率为97.9%。赵迎等[12]用拉曼光谱技术结合化学判别方法,应用主成分分析法(PCA)对光谱数据进行降维处理及粗分类鉴别;并且基于偏最小二乘分析法(PLS),建立新陈大米快速鉴别模型,该模型对建模训练集鉴别正确率为100%,模型验证集鉴别正确率为95%;Guo等[12]比较了新鲜和老化大米中白蛋白的拉曼光谱, 酰胺I 特征峰从1662 cm-1 移至1660 cm-1, 说明大米老化后主要二级结构中的α-螺旋增加, 观察谱图中528/526 cm-1 特征峰强减弱,510 cm-1 特征峰增强, 可判断老化快, 快速区分新鲜大米和老化大米。
当然,大米品种的鉴别也有很多其他的方法。周子立等[14]提出了一种基于可见-近红外光谱技术快速、无损鉴别大米品种的新方法,他们采用主成分分析法对大米品种进行聚类,然后利用小波变换技术提取光谱特征信息,把光谱特征信息作为人工神经网络的输入建立品种识别模型,对大米品种进行鉴别。林萍[15]等人的想法也同他们类似。姜潮等[16]提出了一种基于低场核磁共振技术的快速、无损鉴别大米品种的新方法,以不同地域的大米为低场核磁共振检测对象,利用主成分分析法(PCA)分析处理Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列的检测数据。当然,化学检测方法也可以用于大米的检测,气相色谱法和液相色谱法都经常运用于检测大米中农药残留。[17]
总之,传统的检测方法主要是化学检测法(高效液相色谱法、气相色谱法等离子体质谱法),化学检测方法准确度高、检出限低,但是需要繁琐的前处理过程、检测时间长、检测成本高[18];而检测快速的红外光谱法定量分析误差大,灵敏度低。而本文所用的拉曼光谱法具有仪器操作简便、检测速度快、灵敏度高、测定方法简单、样品用量少、对样品要求低、样品前处理简单或无需处理等优点[4]。再者,国内外文献很少将拉曼光谱法与SVM模型结合应用于大米品种研究,这也算是本文的一个特别之处。
4. 计划与进度安排
(1) 2022年11月20日—2022年12月25日:搜集并阅读资料确定选题,撰写开题报告;
(2)2022年12月26日—2022年1月15日:实验方案确定以及实验实施;
(2) 2022年1月16日—2022年3月16日:初稿写作;
5. 参考文献
1. 李腾飞,苏毅清,刘丹妮.我国稻米产业的发展现状、面临困境及应对策略研究[J].食品工业,2016,(10):17-20.
2. 刘宝,高瑞丽,车刚,等.高端稻米的生产现状及发展趋势分析[J]. 现代化农业, 2018, (10):32-34.
3. 周惠,曾晓虹. 2017年国内稻米市场形势分析及2018年展望[J]. 农业展望, 2018, (03): 4-9.
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