NIR在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用事例實驗室常規(guī)分析小麥、玉米、大豆、油菜、水稻等的品質(zhì)分析（為農(nóng)大小麥、玉米育種單位分析樣品近萬份）現(xiàn)場分析糧食儲藏、收購時的水分等成分的分析生產(chǎn)過程中的在線分析中藥葛根生產(chǎn)中的過程控制大豆籽粒三遍建模：經(jīng)典PLS算法標(biāo)準(zhǔn)差：0.592 相對標(biāo)準(zhǔn)差：1.402% 決定系數(shù)：96.35% 平均絕對誤差：0.438 平均相對誤差：1.050%相關(guān)系數(shù)：0.97442個大豆粉末三遍建模：經(jīng)典PLS算法標(biāo)準(zhǔn)差：0.475 相對標(biāo)準(zhǔn)差：1.142% 決定系數(shù)：97.83%平均絕對誤差:0.381 平均相對誤差：0.913% 相關(guān)系數(shù)：0.97930個小麥籽粒三遍建模：經(jīng)典PLS算法標(biāo)準(zhǔn)差

2、：0.324 相對標(biāo)準(zhǔn)差：2.055% 決定系數(shù)：96.98%30個小麥粉末三遍建模：經(jīng)典PLS算法標(biāo)準(zhǔn)差：0.433 相對標(biāo)準(zhǔn)差：2.746% 決定系數(shù)：94.6%35個玉米籽粒一遍建模：經(jīng)典算法標(biāo)準(zhǔn)差：0.454 相對標(biāo)準(zhǔn)差：3.679% 決定系數(shù)：88.46%近紅外光譜分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的幾個例子（1-2）小麥粉末267蛋白散點圖（1-1）小麥粉末）小麥粉末66蛋白散點圖蛋白散點圖（1-3）小麥籽粒）小麥籽粒73蛋白散點圖蛋白散點圖（1-5）玉米粉末87脂肪散點圖（1-4）玉米粉末）玉米粉末89蛋白蛋白 散散點圖點圖（1-7）玉米粉末90賴氨酸散點圖（1-6）玉米粉末）玉米粉末90淀粉淀粉

3、散點圖散點圖（1-9）大麥粉末67淀粉散點圖（1-8）大麥粉末）大麥粉末156蛋白散點圖蛋白散點圖（1-12）葛根粉末）葛根粉末49葛根素散點圖葛根素散點圖（1-13）煙草粉末模型的散點圖）煙草粉末模型的散點圖 98年年66個小麥樣品建模的預(yù)測個小麥樣品建模的預(yù)測 結(jié)果結(jié)果 從從2000多個小麥樣品中挑選多個小麥樣品中挑選270個樣品個樣品 建模建模 的預(yù)測的預(yù)測 結(jié)果結(jié)果（預(yù)測數(shù)據(jù)為（預(yù)測數(shù)據(jù)為2001年河南的年河南的7個小麥樣品）個小麥樣品）樣品號真實值預(yù)測值絕對誤差相對誤差（%）113.8415.481.6411.85213.7715.711.9414.06314.0115.401.39

4、9.92414.2315.821.5911.15514.1715.931.7612.44613.5715.211.6412.11713.7215.371.6512.00平均誤差1.6611.93樣品號真實值預(yù)測值絕對誤差相對誤差（%）113.8413.64-0.201.47213.7714.180.412.95314.0113.70-0.312.24414.2314.04-0.191.34514.1714.430.261.81613.5713.33-0.241.74713.7213.53-0.191.41平均誤差0.261.8566個樣品建模的預(yù)測結(jié)果270個樣品建模的預(yù)測結(jié)果復(fù)合樣品局部回歸

5、模型與四類樣品單獨分別建立模型的預(yù)測效果 建模樣品 復(fù)合樣品 小麥 玉米 大豆 大麥 建模樣品數(shù) 183 48 50 33 42 檢驗樣品數(shù) 37 12 10 相對誤差（） 1.97 1.13 2.58 1.02 3.9 決定系數(shù)（2） 99.87 99.24 94.82 97.93 83.53 化學(xué)值分析的標(biāo)準(zhǔn)差近紅外光譜分析的相對標(biāo)準(zhǔn)差(%)成分分析員各分析員測定的相對標(biāo)準(zhǔn)差分析員之間的相對標(biāo)準(zhǔn)差總糖1232.83.64.74.193.5還原糖1233.65.06.34.963.3生物堿12317.815.710.26.573.8總氮1235.46.13.49.174.4蛋白質(zhì)1237.8

6、7.24.412.085.2近紅外光譜分析與化學(xué)分析的精度比較粉末樣品建模預(yù)測籽粒樣品在短波近紅外儀的分析結(jié)果：小麥（短波近紅外透射光譜儀）校正檢驗（預(yù)測）96個粉樣所建模型預(yù)測27個籽粒樣R2=94.24R2=65.6396個粉樣+4個籽樣所建模型預(yù)測23個籽樣R2=93.25R2=90.5827個籽粒樣所建模型（籽粒樣預(yù)測籽粒樣）R2=77R2=9096個粉末樣所建模型（粉末樣預(yù)測粉末樣）R2=94R2=92粉末樣品建模預(yù)測籽粒樣品在長波近紅外儀的分析結(jié)果：小麥（ 長波近紅外漫反射光譜）粉末66個籽粒27個校正檢驗（預(yù)測）66個粉樣所建模型預(yù)測27個籽粒樣R2=98.51R2=-16966

7、個粉樣+3個籽粒樣模型預(yù)測24個籽粒樣R2=96.18R2=64.1566個粉樣+5個籽粒樣模型預(yù)測22個籽粒樣R2=96.26R2=72.3527個籽粒樣所建模型（籽粒樣預(yù)測籽粒樣）R2=83R2=8866個粉樣所建模型（粉末樣預(yù)測粉末樣）R2=98R2=98近紅外在葛根提取中運用的實圖現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控結(jié)果近紅外在葛根提取中運用的實測數(shù)據(jù)紅外光譜分析六種樣品四種成分（短波近紅外透射光譜法，本實驗室數(shù)據(jù)）樣品與成分校正樣品數(shù)校正相關(guān)系數(shù)校正標(biāo)準(zhǔn)差校正平均相對誤差_大豆粗蛋白740.9910.3190.627玉米粗蛋白700.980.3422.2高梁粗蛋白630.9810.2701.892大麥粗蛋白

8、780.9740.4752.737水稻粗蛋白500.9380.46820706小豆粗蛋白460.9620.2740.956大豆粗脂肪740.9790.3631.449玉米粗脂肪660.9880.3185.513高梁總淀粉630.9481.0621.133玉米總淀粉650.9181.2031.502小豆總淀粉560.8700.5450.905高梁丹寧700.9200.19613.783樣品數(shù)樣品數(shù)含量范圍含量范圍均值均值相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)SECRSEC%尼古丁尼古丁1340.9-4.72.170.990.1446.58總糖總糖1339.3-38.622.890.971.295.64還原糖還原糖13

9、39.5-36.921.060.951.587.5總氮總氮1371.5-2.92.020.9650.09454.68氯氯1330.1-20.40.950.10225.5蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)1377.6-15.110.230.950.5325.2磷磷1360.8-3.31.920.870.26513.8施木克值施木克值1350.7-42.350.9250.2811.9糖堿比糖堿比1292.3-29.213.10.9062.8121.5表中:Sec:校正標(biāo)準(zhǔn)差RSEC：相對校正標(biāo)準(zhǔn)差（作者趙龍蓮、嚴(yán)衍祿等1998年8月光譜學(xué)與光譜分析）中長波近紅外光譜漫反射旋轉(zhuǎn)樣品池測定煙草中的九種成分不同的近紅外光譜方

10、式分析深色樣品（煙草）不同的近紅外光譜方式分析深色樣品（煙草）分析組分分析組分 分析譜區(qū)分析譜區(qū)(nm) 光譜方式光譜方式 光程光程 尼古丁800-1100透射光譜29.21.1尼古丁800-110漫反射光譜25.21.3尼古丁800-110漫反射光譜870.3：相關(guān)系數(shù)：相關(guān)系數(shù)：預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差：預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差 長波近紅外漫反射光譜分析混合肉骨粉中不同來源組份混合肉骨粉中不同來源的組份 決定系數(shù) SECVRPD牛羊肉骨源粉0.914.18%3.32雞源肉骨粉0.948.76%4.18豬源肉骨粉0.948.89%4.26牛源肉骨粉0.765.77%2.18羊源肉骨粉0.577.20%1.85（數(shù)據(jù)來源

11、：李瓊飛）不同的近紅外光譜方式分析混濁溶液（牛奶）不同的近紅外光譜方式分析混濁溶液（牛奶）分析組分分析組分 分析譜區(qū)分析譜區(qū) （nm) 光程光程 脂肪1100-2500短光程0.9960.071410.8脂肪700.1100 長光程0.9860.1075.89蛋白質(zhì)1100-2500短光程0.9900.04537.06蛋白質(zhì)700.1100 長光程0.9440.1022.94乳糖1100-2500短光程0.9470.06022.86：相關(guān)系數(shù)：相關(guān)系數(shù)：預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差：預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差 ：相對標(biāo)準(zhǔn)差：相對標(biāo)準(zhǔn)差分析人：分析人：魯超近紅外透射與漫反射光譜分析籽粒樣品的比較樣品樣品近紅外分析儀器近紅外分析儀

12、器分析條件分析條件 階數(shù)階數(shù)決定系數(shù)決定系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差小麥籽粒 光柵短波近紅外、30mm光程平移運動495.540.448CCD檢測器、透射光譜小麥籽粒 FT全譜近紅外光譜儀(1)旋轉(zhuǎn)池455.71.41InGaAs檢測器、漫反射光譜小麥籽粒 同上2號儀器旋轉(zhuǎn)池481.950.88大豆籽粒 光柵短波近紅外、40mm光程489.570.667CCD檢測器、透射光譜大豆籽粒 FT全譜近紅外光譜儀(1)旋轉(zhuǎn)池421.61.4InGaAs檢測器、漫反射光譜大豆籽粒 同上2號儀器旋轉(zhuǎn)池482.671.02不同數(shù)學(xué)處理方法消除果皮對近紅外光譜測定蘋果硬度的影響（建摸校正樣品112個、預(yù)測樣品36個）

13、- 樣品 數(shù)學(xué)處理相關(guān)系數(shù)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差 相對預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差(%)_去皮蘋果無 0.8370.886 12.36完整蘋果無 0.7531.197 16.71完整蘋果MSC 0.7551.177 16.42完整蘋果1D 0.8371.048 14.62完整蘋果DOSC 0.8141.015 14.6完整蘋果GA 0.8110.965 13.46完整蘋果GA+DOSC 0.8050.924 12.98_表中：MSC:多元散射校正 1D:一階導(dǎo)數(shù) DOSC：直接正交信號校正 GA：遺傳算法近紅外光譜分析建模服務(wù)有關(guān)材料（供參考）近紅外光譜分析建模服務(wù)有關(guān)材料（供參考）3030種材料種材料8種成份可測性標(biāo)注種

14、成份可測性標(biāo)注（：需用戶提供標(biāo)樣可建模 ：需用戶提供標(biāo)樣可建模，但效果稍差 ：我們可以提供標(biāo)樣并建模 ）序號原材料蛋白質(zhì)水份灰份脂肪纖維氨基酸類鈣離子濃度總磷1木薯粉2木薯淀粉 3面粉4小麥5小麥淀粉6小麥胚7小麥麩皮8玉米9玉米蛋白10脫脂大豆粉30種農(nóng)業(yè)樣品8種成分近紅外光譜的可測性（表1）近紅外光譜分析建模服務(wù)有關(guān)材料（供參考）近紅外光譜分析建模服務(wù)有關(guān)材料（供參考）3030種材料種材料8種成份可測性標(biāo)注種成份可測性標(biāo)注（：需用戶提供標(biāo)樣可建模 ：需用戶提供標(biāo)樣可建模，但效果稍差 ：我們可以提供標(biāo)樣并建模 ）11脫脂米糠12高粱13紅魚粉（蛋白65%） 14白魚粉（蛋白68%）15魚油1

15、6啤酒酵母17海藻粉末18螺旋藻29a-馬鈴薯淀粉 20b-馬鈴薯淀粉 21磷蝦粉22麩序號原材料蛋白質(zhì)水份灰份脂肪纖維氨基酸類鈣離子濃度總磷30種農(nóng)業(yè)樣品8種成分近紅外光譜的可測性（續(xù)表2）樣品號23-30氯化膽堿（50%）、PI-蛋氨酸、硫酸鐵（干燥）、碳酸鹽、食鹽、胭脂紅(色素)、亮藍(lán)(色素)、軍綠(色素)：需用戶提供標(biāo)樣，建純度分析的模型。1、上述30種材料8種成份的可測性：其中1-22種農(nóng)業(yè)樣品適合做近紅外分析；后2種無機(jī)鹽類：碳酸鹽、食鹽難以用近紅外分析；氯化膽堿、PI-蛋氨酸與3種色素需要分析的成份不明確，可以做純度分析。2、各項目中：“”為需用戶提供標(biāo)樣（代表性60-80個化學(xué)

16、值已知標(biāo)樣）可建模；“”為需用戶提供標(biāo)樣（代表性60-80個化學(xué)值已知標(biāo)樣）可建模，但效果稍差；“”為我們可以提供標(biāo)樣并建模30種農(nóng)業(yè)樣品8種成分近紅外光譜的可測性（續(xù)表3）大米分析大豆飼料牛奶蛋黃醬干酪冰激凌醬油牛奶巧克力生肉酸乳酪香腸硬干酪魚粉 總之近紅外分析技術(shù)是一種“多、快、好、省”的分析技術(shù)。 近紅外光譜分析具有解決全球農(nóng)業(yè)分析的潛力 產(chǎn)品近紅外指紋圖譜鑒別技術(shù)產(chǎn)品近紅外指紋圖譜鑒別技術(shù)應(yīng)用實例介紹應(yīng)用實例介紹 例一例一 液體奶鮮度識別液體奶鮮度識別 例二例二 蜂蜜摻入高果糖漿的鑒別蜂蜜摻入高果糖漿的鑒別 例三例三 甜蕎、苦蕎麥及其制品的鑒別甜蕎、苦蕎麥及其制品的鑒別 例四例四 食用

17、油種類及純度的鑒別食用油種類及純度的鑒別 例五例五 花生大豆調(diào)和油組分的定量檢測花生大豆調(diào)和油組分的定量檢測 例六例六 食用菌產(chǎn)品的鑒別食用菌產(chǎn)品的鑒別 例七例七 螺旋藻制品品質(zhì)的鑒別螺旋藻制品品質(zhì)的鑒別 例八例八 添加劑產(chǎn)品真?zhèn)舞b別添加劑產(chǎn)品真?zhèn)舞b別例一例一 液體奶鮮度識別液體奶鮮度識別圖圖1 鮮奶及復(fù)原奶的原始光譜圖鮮奶及復(fù)原奶的原始光譜圖材料：原奶、市售鮮奶、材料：原奶、市售鮮奶、 奶粉奶粉試樣制備：按同一蛋白水試樣制備：按同一蛋白水 平配制平配制0-80%0-80%奶粉的液奶粉的液 體奶。體奶。 A:巴氏鮮奶巴氏鮮奶 B: 鮮牛奶鮮牛奶 C: A+還原奶還原奶 D: B+還原奶還原奶

18、圖圖2 2 主因素分析圖主因素分析圖F1-F2圖圖例二例二 蜂蜜摻入高果糖漿的鑒別蜂蜜摻入高果糖漿的鑒別圖圖4 蜂蜜和高果糖漿，原始光譜圖。蜂蜜和高果糖漿，原始光譜圖。材料：參考蜜樣、市售材料：參考蜜樣、市售 槐花蜜、高果糖漿槐花蜜、高果糖漿試樣制備：配制果糖含量試樣制備：配制果糖含量 不同的蜜樣不同的蜜樣gphoney.tdf,4gphoney.tdf,4Score ( F1 C1 )Score ( F1 C1 )Score ( F2 C1 )Score ( F2 C1 )-.3-.150.15.3 -.3 -.15 0 .15 .3 -.3-.150.15.3 -.3 -.15 0 .15

19、 .3 1 234567891011121314151617181920212223 24252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687 88899091929394959697989910010110210310410510610710810911011111211311411511611711811912012112212312412512612712812913013113213313

20、413513613713813914014114214314414514614714814915015115215315415515615715815916016116216316416516616716816917017117217317417517617717817918018118218318418518618718818919019119219319419519619719819920020120220320420520620720820921021121221321421521621721821922022122222322422522622722822923023123223323

21、4235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265-.3-.150.15.3 -.3 -.15 0 .15 .3 圖圖6 市售各種品牌的楊槐蜜市售各種品牌的楊槐蜜的聚類鑒別的聚類鑒別 三個距離最遠(yuǎn)的樣品為不同的三個距離最遠(yuǎn)的樣品為不同的高果糖漿上面一小部分為添加了部高果糖漿上面一小部分為添加了部分糖漿的樣品下面大部分樣品為市分糖漿的樣品下面大部分樣品為市售各種品牌的楊槐蜜，可以看出添售各種品牌的楊槐蜜，可以看出添加了高果糖漿的樣品和純楊槐蜜差加了高果糖漿的樣

22、品和純楊槐蜜差別很明顯別很明顯 gphoney.tdf,2 (R?= 0.994547435)gphoney.tdf,2 (R?= 0.994547435)Actual Concentration ( C1 )Actual Concentration ( C1 )Predicted Concentration ( F5 C1 )Predicted Concentration ( F5 C1 )5203550 10 25 40 5203550 10 25 40 2342352362372382392402412422432442452462472482492502512522535203550

23、10 25 40 圖圖7 添加不同含量高果糖漿的相關(guān)曲線添加不同含量高果糖漿的相關(guān)曲線 例三例三 甜蕎、苦蕎麥及其制品的鑒別甜蕎、苦蕎麥及其制品的鑒別 圖圖14 14 甜蕎、苦蕎原始光譜圖甜蕎、苦蕎原始光譜圖 試驗材料：苦蕎試驗材料：苦蕎54個個、甜蕎、甜蕎14個個、 苦蕎制品（苦蕎制品（12個個) )樣品制備：保濕粉碎樣品樣品制備：保濕粉碎樣品 圖圖15 賦值聚類結(jié)果賦值聚類結(jié)果 根據(jù)簡單賦值獲根據(jù)簡單賦值獲得得 的聚類分析結(jié)果的聚類分析結(jié)果苦蕎（大堆苦蕎（大堆54個個）、）、甜蕎（小堆甜蕎（小堆14個個）、）、外圍分布（外圍分布（12個苦蕎個苦蕎制品制品) ) 圖圖16 16 根據(jù)黃酮含量

24、聚類分析的結(jié)果（大堆苦蕎、小堆甜蕎）根據(jù)黃酮含量聚類分析的結(jié)果（大堆苦蕎、小堆甜蕎） 例四例四 食用油種類及純度的鑒別食用油種類及純度的鑒別 圖圖8 8 多種食用油原始光譜圖多種食用油原始光譜圖score.tdf,2score.tdf,2Score ( F1 C1 )Score ( F1 C1 )Score ( F3 C1 )Score ( F3 C1 )-.0004-.0001.0002 -.0045 -.003 -.0015 0 .0015 .003 .0045 -.0004-.0001.0002 -.0045 -.003 -.0015 0 .0015 .003 .0045 1 2345

25、67891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727377787980818283848586-.0004-.0001.0002 -.0045 -.003 -.0015 0 .0015 .003 .0045 胡麻油棕櫚油花生油調(diào)和油大豆油多種食用油多種食用油聚類分析聚類分析 芝麻油純度的鑒別芝麻油純度的鑒別圖圖9 大豆油、花生油、芝麻油的混合圖譜大豆油、花生油、芝麻油的混合圖譜(MEAN

26、 CENTER AND MSC) 中心化處理加上平滑化處理中心化處理加上平滑化處理 芝麻油純度的鑒別芝麻油純度的鑒別 圖圖10 10 花生油花生油圖圖11 11 花生油：芝麻油花生油：芝麻油 5 5：9595 芝麻油純度的鑒別芝麻油純度的鑒別大豆和芝麻混合大豆和芝麻混合大豆和芝麻混合圖圖12 12 大豆油大豆油圖圖13 13 大豆油：芝麻油大豆油：芝麻油 5 5：95959595例五例五 花生大豆調(diào)和油的定量檢測花生大豆調(diào)和油的定量檢測luhuamixoil.tdf,3 (R?= 0.996243466)luhuamixoil.tdf,3 (R?= 0.996243466)Actual Con

27、centration ( C1 )Actual Concentration ( C1 )Predicted Concentration ( F5 C1 )Predicted Concentration ( F5 C1 )24303642 26 32 38 44 24303642 26 32 38 44 123456789101112131415161718192024303642 26 32 38 44 調(diào)和油中花生油含量與光譜特性的相關(guān)性調(diào)和油中花生油含量與光譜特性的相關(guān)性 例六例六 食用菌產(chǎn)品的鑒別食用菌產(chǎn)品的鑒別食用菌產(chǎn)品聚類分析食用菌產(chǎn)品聚類分析 1、 白靈菇白靈菇 2 、富硒蘑菇粉、富硒蘑菇粉A 3 、富硒蘑菇粉、富硒蘑菇粉B 4 、靈芝粉、靈芝粉A 5 、靈芝粉、靈芝粉B 6 、孢子粉、孢子粉A 7 、孢子粉、孢子粉B 8 、破壁孢子粉、破壁孢子粉