CN107037039B - 一种新疆核桃产地溯源研究方法 - Google Patents

一种新疆核桃产地溯源研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新疆核桃产地溯源研究方法，该方法通过采集新疆和田、喀什、阿克苏地区的核桃作为研究对象，应用近红外光谱分析、中红外光谱分析和元素测定分析等多种技术，结合PLSDA方法和方差分析区分新疆不同产地的核桃，结果表明：近红外区分效果非常好，喀什地区和阿克苏地区的建模集和预测集的区分准确率均为100％，和田地区建模集和预测集的区分准确率高达99％以上；中红外的区分准确率较高，其中新丰、新2、扎343等品种区分准确率高达100％；同一品种核桃元素含量在地域间存在显著差异，新2、温185等品种的Ca、Na等元素均有显著差异。利用近红外、中红外和元素分析对核桃产地进行溯源具有很好的区分效果。

Description

一种新疆核桃产地溯源研究方法
技术领域
本发明属于农业技术领域，涉及一种新疆核桃产地溯源研究方法，具体地说，涉及一种基于红外技术和元素分析对新疆核桃产地溯源研究方法。
背景技术
核桃是含有蛋白质、纤维素、维生素、脂肪等多种营养素的优良干果类食品，营养非常丰富，易消化和吸收，且有一定的药用价值，被称为世界四大干果之一，是我国重要的农产品资源，核桃的品质与产地密切相关，对核桃进行产地溯源对保护我国特色农产品具有重要意义。新疆又是我国核桃的主产区，其中和田地区、阿克苏地区、喀什地区均可以产出大量核桃，其产出的温185、扎343、新新2号、新丰等品种核桃均有早实，丰产性高，品质良好等优点，对本研究有代表性意义。食品产地溯源即识别食品原产地的过程，是食品危害因子溯源的前提基础，已成为各国政府强化食品质量安全监管的重要手段和全球食品安全控制管理的发展趋势。近年来，国内外学者将矿物元素指纹分析、稳定性同位素指纹分析、近红外光谱指纹分析等多种溯源技术应用于橄榄油、茶叶、小麦、牛羊肉、葡萄酒等食品产地溯源，取得了很好的效果。近红外光谱指纹技术能够进行无损检测，可以对食品所有的组分先进行扫描，再形成食品特有的指纹图谱，这种方法成本低、速度快、环保且安全。目前，很多人针对脐橙、葡萄酒、橄榄油、茶叶、羊肉、牛肉等食品进行了红外光谱溯源研究，鉴别准确率在78％-95％的范围之内。矿物元素指纹信息与食品产地来源直接相关，是用于食品产地溯源的有效方法。其技术核心是筛选与地域关系密切的鉴定指标元素，不同种类食品所筛选的鉴定指标元素也不相同。研究表明：Ca、Cr、Fe、Mg、Zn、K、Ba、Si、Ti、Mn、Sr等可以鉴别葡萄和葡萄酒的原产地；对于茶叶，Mg、K、Ca、Mn、Fe、Al元素是鉴别其原产地的有效指标；羊肉和牛肉的鉴定指标分别为Be、Ca、Ni、Fe、Ba、Zn、Sb、Mn、Se及Ni、Sr、Fe、Se、Zn等元素。目前，食品产地溯源的应用越来越多，涉及的领域越来越广泛，对橄榄油、牛肉、羊肉、茶叶、葡萄酒等材料的指纹溯源技术有了一些研究，但针对新疆核桃的产地溯源还没有被报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新疆核桃产地溯源研究方法，该方法通过采集新疆多个地区、多个品种的核桃，通过对不同地区核桃近红外、中红外、元素分析等多种方法的测定和结果对比，证明原产地对核桃的品种和营养价值确实有很大的影响，进而探讨产地对核桃的影响，为核桃产地溯源技术的应用与推广提供理论依据。
其具体技术方案为：
一种新疆核桃产地溯源研究方法，包括以下步骤：
步骤1、核桃品种采集及预处理
新疆和田、喀什和阿克苏三个地区共取样37个核桃样品，每个样品分别取15个核桃研磨至较细的粉末，最后呈核桃泥状或粉状，粉状核桃粉过100目筛；磨好的核桃粉装入自封袋进行下面实验，实验共计555个样本；
步骤2、近红外测定
样品处理：将555个样品每个样品称取核桃粉5g，制成圆形饼状，直径为42mm，厚度约为4.5mm，以待红外光谱测定；
步骤3、中红外测定
样品处理：将555个样品每个以1:100的比例称取核桃粉5mg及光谱级KBr 500mg，同时放入研钵中研磨至极细粉末，混合均匀，称取其中150mg用压片机制成一定直径和厚度的薄片，进行红外光谱测定，同时以纯KBr片作为对照；
步骤4、元素测定
微波消解：将上述研磨的37个样品的核桃粉分别混合，每个样品取0.1g，重复三次取样，共计111个样本，置于微波消解仪中，加入2mL浓硝酸，采用程序升温进行消解，将消解得到的液体转移到25mL容量瓶中，用蒸馏水定容；
ICP-OES测定：用ICP-OES仪器依次测定核桃样品的矿物元素含量，包括Mo、Zn、Pb、Ni、Ba、Fe、Mn、Mg、Ca、Cu、Sr、Na、K元素。
步骤5、数据处理
进行近红外和中红外实验时，每个样品的核桃每个取15个样本磨粉后提取光谱值，其中十个作为建模集，剩余五个作为预测集；使用MATLAB2010b软件中PLS工具箱中进行红外光谱数据处理，经过SNV平滑，采用PLSDA进行产地区分，对于核桃的矿物元素含量使用SPSS 18.0单因素方差分析中的Duncan式检验，P<0.05，对所得数据进行处理。
进一步，步骤2中光谱采集条件:温度20～25℃，相对湿度25％～30％，扫描范围4000-12000cm-1；
测样方式:①光谱仪开机需预热30min，光谱采集要注意保持光源口与样品的距离为2cm，并要垂直照射；②分别对每一核桃制好的圆饼状核桃粉进行30次扫描，结果取平均值；③每隔30min需进行一次背景测试，背景扫描次数为40次。
进一步，步骤3中光谱采集条件：采用透射扫谱，扫描范围400-4000cm-1、分辨率为4cm-1；
测样方式:①打开光谱仪，测定纯KBr压片的图谱作为背景；②将上述制好的样品薄片依次测定，每个样品设定扫描次数为30次，最后得到平均光谱。
进一步，步骤4中所述程序升温具体为：功率为162W的前提下，从初始温度25℃经过15min升到180℃，再保持10min。
进一步，步骤5中近红外波数在4000-12000cm-1，中红外波数在4000-400cm-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的研究结果表明：近红外区分效果非常好，喀什地区和阿克苏地区的建模集和预测集的区分准确率均为100％，和田地区建模集和预测集的区分准确率高达99％以上；中红外的区分准确率较高，其中新丰、新2、扎343等品种区分准确率高达100％；同一品种核桃元素含量在地域间存在显著差异，新2、温185等品种的Ca、Na等元素均有显著差异。以上结果表明，利用近红外、中红外和元素分析对核桃产地进行溯源具有很好的区分效果。这三种方法能够用于核桃产地溯源研究，为核桃产地溯源技术的应用与推广提供理论依据。
附图说明
图1是核桃近红外漫反射光谱图；
图2是核桃中红外透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
1材料与方法
1.1核桃品种和产地
本研究核桃来自新疆和田、喀什和阿克苏三大地区，主要品种包括：温185、扎343、新丰、新新2号、新2等。各个核桃品种及地区分布详见表1核桃采样地域和样品信息，三个地区共取样37个核桃样品，每个样品分别取15个核桃研磨至较细的粉末，因核桃仁内含有大量油脂，最后呈核桃泥状或粉状，粉状核桃粉可过100目筛。磨好的核桃粉装入自封袋进行下面实验，实验共计555个样本。研究采用近红外、中红外光谱分析及元素测定分析三种技术对新疆核桃进行产地溯源。
表1核桃采样地域和样品信息
1.2仪器和设备
傅立叶变换近红外(VECTOR 22/N Spectral Analyser，美国Bruker公司)、傅立叶红外光谱分析仪(Nicolet IR200 FT-IR，美国Thermo公司)、微波消解系统(E-THOST，意大利莱佰泰科公司)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)(Optima 8000，美国PerkinElmer公司)。
1.3近红外测定
样品处理：将555个样品每个称取核桃粉5g，制成圆形饼状，直径为42mm，厚度约为4.5mm，以待红外光谱测定。
光谱采集条件:温度20～25℃，相对湿度25％～30％，扫描范围4000-12000cm-1。
测样方式:①光谱仪开机需预热30min，光谱采集要注意保持光源口与样品的距离为2cm左右，并要垂直照射；②分别对每一核桃制好的圆饼状核桃粉进行30次扫描，结果取平均值；③每隔30min需进行一次背景测试，背景扫描次数为40次。
1.4中红外测定
样品处理：将555个样品每个以1:100的比例称取核桃粉5mg及光谱级KBr 500mg，同时放入研钵中研磨至极细粉末，混合均匀，称取其中150mg用压片机制成一定直径和厚度的薄片，进行红外光谱测定。同时以纯KBr片作为对照。
光谱采集条件：采用透射扫谱，扫描范围400-4000cm-1、分辨率为4cm-1。
测样方式:①打开光谱仪，测定纯KBr压片的图谱作为背景；②将上述制好的样品薄片依次测定，每个样品设定扫描次数为30次，最后得到平均光谱。
1.5元素测定
微波消解：将上述研磨的37个样品的核桃粉分别混合，每个样品取0.1g左右，重复三次取样，共计111个样本，置于微波消解仪中，加入2mL浓硝酸，采用程序升温(功率为162W的前提下，从初始温度25℃经过15min升到180℃，再保持10min)进行消解，将消解得到的液体转移到25mL容量瓶中，用蒸馏水定容。
ICP-OES测定：用ICP-OES仪器依次测定核桃样品的矿物元素含量，包括Mo、Zn、Pb、Ni、Ba、Fe、Mn、Mg、Ca、Cu、Sr、Na、K元素。
1.6数据处理
进行近红外(波数在4000-12000cm-1)和中红外(波数在4000-400cm-1)实验时，每个样品的核桃每个取15个样本磨粉后提取光谱值，其中十个作为建模集，剩余五个作为预测集；使用MATLAB2010b软件中PLS工具箱中进行红外光谱数据处理，经过SNV平滑，采用PLSDA进行产地区分。对于核桃的矿物元素含量使用SPSS 18.0单因素方差分析中的Duncan式检验(P<0.05)对所得数据进行处理。
2结果与分析
2.1近红外
2.1.1近红外光谱
图1是和田地区扎343品种(14-3)核桃样本的近红外光谱图，横坐标表示波数，波数范围是4000-12000cm-1，纵坐标表示吸光度。由图1可以看出，核桃的近红外吸收光谱峰值较好，在波数为5169cm-1、5674cm-1、5824cm-1、8281cm-1这几个波段有较明显的吸收峰，吸收率分别为0.32244、0.27375、0.34242、-0.17368。
2.1.2近红外对新疆三大产地核桃区分结果
表2是PLSDA方法基于核桃近红外区域(4000-12000cm-1)的光谱值对新疆不同产区(和田、喀什、阿克苏)的核桃进行区分，从表2可以看出，PLSDA方法对三个产地的核桃区分效果非常好，建模集和验证集的平均区分准确率都高于99％。其中和田地区建模集共有170个样品，区分准确率为99.4％，预测集共有84个样品，区分准确率为98.8％；喀什地区建模集共有80个样品，区分准确率为100％，预测集共有40个样品，区分准确率为100％；阿克苏地区建模集共有118个样品，区分准确率为100％，预测集共有59个样品，区分准确度为100％。三个地区的建模集平均区分准确率为99.8％预测集平均区分准确率为99.6％。
表2近红外在PLS数据处理后三个产地的平均区分准确率
使用PLSDA方法分别基于五个不同品种(温185、扎343、新新2号、新丰、新2)核桃近红外区域(4000-12000cm-1)的光谱值对和田、喀什、阿克苏的核桃进行区分。由表3可知，各品种三个产区的建模集和预测集的平均区分准确度也很高。扎343、新新2号、新2建模集和预测集的平均区分准确率均达到100％，温185和新丰的平均区分准确率相对较差一些，但也均达到90％以上。其中温185建模集的平均区分准确率为90.5％，预测集为90.8％，新丰建模集平均区分准确率为98.3％，预测集为96.7％。
表3近红外在PLS数据处理后五个品种各个产地的平均区分准确率
2.2中红外
2.2.1中红外光谱
图1是阿克苏地区新2品种(36-6)核桃样本的近红外光谱图，横坐标表示波数，波数范围是400-4000cm-1，纵坐标表示透射率。由图2可以看出，核桃的中红外透射光谱峰值较好，其中在波数为2370cm-1左右时产生纯KBr的峰，透射光谱率为21.9％；在721cm-1、1170cm-1、1470cm-1、1570cm-1、1650cm-1、1750cm-1、2860cm-1、2940cm-1、3430cm-1等波段均有显著峰值，分别对(-CH2-)n,(n>4)、C-O、CH3/CH2、-NH2、C＝C、R-COOH、CH3/CH2、CH2、-OH等官能团有吸收，且透射光谱率分别为27.9％、11.5％、13.9％、18.6％、14.3％、3.28％、4.68％、1.92％、13.5％。
2.2.2中红外对新疆三大产地核桃区分结果
使用PLSDA方法基于核桃中红外区域(400-4000cm-1)的光谱值对新疆不同产区(和田、喀什、阿克苏)的核桃进行区分，由表4可以看出，中红外测定的结果经PLSDA方法处理对三个产地的区分效果较好，但比近红外的区分效果稍差一些。其中和田地区建模集区分准确率为91.8％，预测集85.7％；喀什地区建模集区分准确率为98.7，预测集97.5％；阿克苏地区建模集区分准确率为79.2％，预测集为76.7％。
表4中红外在PLS数据处理后三个产地的平均区分准确率
使用PLSDA方法分别基于五个不同品种(温185、扎343、新新2号、新丰、新2)核桃中红外区域(400-4000cm-1)的光谱值对三大产区(和田、喀什、阿克苏)的核桃进行区分。从表5可知，5个品种分别对三个产地的区分效果较好，均高于三个产地总体的平均区分准确率，说明品种与品种之间的差异对产地的区分准确率有一定的影响，排除品种因素影响的单一品种的区分准确率更高。扎343、新2建模集和预测集的平均区分准确率均达到100％，其他地区三个产地的平均区分准确度也均达到90％以上。其中新丰建模集的三个地区区分准确率为100％，预测集也高达96.7％,区分效果很好；温185建模集平均区分准确度为95.6％，预测集平均区分准确率为91％；新新2号建模集平均区分准确度为97.5％，预测集平均区分准确率为90％。
表5中红外在PLS数据处理后五个品种各个产地的平均区分准确率
2.3元素测定
核桃中含有很多人体所需要的重要的元素，营养丰富。经实验测定，核桃中含有的主要元素有Mo、Zn、Ca、K、Na、Mg，还含有少量的Fe、Mn，Pb、Cu、Ni、Ba等重金属元素含量很少。同一品种不同产地的核桃所含矿物元素有显著差异，产地对核桃的矿物元素含量有影响。从表6可以看出，新2品种中，Mo元素三个产地均有显著差异，其中和田地区敕勒县和阿克苏地区阿拉尔市与阿克苏地区库车县差异显著；Ca元素和田地区敕勒县和阿克苏地区库车县和阿拉尔市均有显著差异；Na的三个产地之间的差异均很大；K元素和田地区和阿克苏地区存在显著差异。由以上结果可以看出，同一品种核桃的元素含量在不同地域中差异显著。
表6新2品种所含元素测定的方差分析结果
注：表中数据不同字母上标代表有显著性差异(P<0.05)。
从表7可以看出，品种温185的Mo元素在和田地区拉依喀乡与其他地区的差异较大，和田地区敕勒县、阿克苏地区温宿县、阿克苏地区库车县、阿克苏地区阿拉尔市四个地区之间差异不大，但与和田地区皮山县、喀什地区叶城县、喀什地区疏勒县这三个地区存在差异；Pb、Ni、Ba、Cu、Sr等元素含量很少甚至不含；Mn元素和田地区皮山县、喀什地区叶城县、阿克苏地区温宿县、阿克苏地区库车县、阿克苏地区阿拉尔市这几个地区与其他几个地区存在差异；Na元素和田地区敕勒县、和田地区皮山县、喀什地区叶城县与喀什地区疏勒县、阿克苏地区阿拉尔市等地区差异显著，与和田地区拉依喀、阿克苏地区温宿县、阿克苏地区库车县也存在差异。
表7温185品种所含元素测定的方差分析结果
注：表中数据不同字母上标代表有显著性差异(P<0.05)。
从表8可以看出，新丰品种Mo元素在和田地区与另外两个地区(喀什地区和阿克苏地区)均有较显著的差异；Zn元素阿克苏地区与其他地区差异较大；Fe元素含量都比较低；Mn元素显著差异性较大，但四个地区之间差异性不是很大；Ca、Na元素含量也比较多，地区之间也存在差异。
表8新丰品种所含元素测定的方差分析结果
注：表中数据不同字母上标代表有显著性差异(P<0.05)。
从表9可以看出，新新2号的Mo元素含量比较多，且差异比较显著，其中和田地区皮山县和喀什地区疏勒县差异较大；Zn元素和田地区和喀什地区的差异显著；不含Pb元素；Ca元素和田地区皮山县和和田地区公安边防局的差异较大，喀什地区疏勒县和喀什地区叶城县也有差异。
表9新新2号品种所含元素测定的方差分析结果
注：表中数据不同字母上标代表有显著性差异(P<0.05)。
从表10可以看出，多个地区都有扎343这个品种，Mo元素在和田地区拉依喀乡与和田地区于田县阿日、和田地区皮山县、喀什地区叶城县三个地区的差异显著，与和田地区敕勒县、喀什地区疏勒县、阿克苏地区温宿县、阿克苏地区阿拉尔市也存在差异；Ca元素8个地区基本都有显著差异，Na元素和田地区敕勒县、和田地区于田县、和田地区皮山县与其他地区存在差异。
表10扎343品种所含元素测定的方差分析结果
注：表中数据不同字母上标代表有显著性差异(P<0.05)。
3.结论
本研究采用近红外、中红外和元素分析对新疆三大产地(和田、喀什、阿克苏)的核桃进行溯源研究。基于核桃近红外光谱值建立的PLSDA分类模型的区分效果最好，对三个产地所有核桃进行区分时，建模集和验证集的平均区分准确率均达到99％以上，其中喀什和阿克苏地区的核桃区分准确率为100％，对单一品种进行不同产地区分时，扎343、新2和新丰品种建模集和验证集的平均区分准确率均达100％；基于核桃中红外光谱值建立的PLSDA分类模型的区分效果较好，喀什地区核桃的区分准确率达95％，三大地区核桃的平均区分准确率达85％以上，对单一品种进行不同产地区分时，扎343和新2品种建模集和验证集的平均区分准确率均达100％；经元素分析测定，三产地核桃中含有的主要元素有Mo、Zn、Ca、K、Na、Mg，还含有少量的Fe、Mn，Pb、Cu、Ni、Ba等重金属元素含量很少。其中，对于温185、扎343、新新2号、新丰和新2这5个主要品种，不同产地的Mo、Zn、Fe、Ca、Na等元素均存在显著性差异。通过上面的研究，证明近红外、中红外和元素分析这三种技术对核桃的原产地溯源分析是可行的，为核桃产地溯源技术的应用与推广提供理论依据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新疆核桃产地溯源研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、核桃品种采集及预处理
新疆和田、喀什和阿克苏三个地区共取样37个核桃样品，每个样品分别取15个核桃研磨至较细的粉末，最后呈核桃泥状或粉状，粉状核桃粉过100目筛；磨好的核桃粉装入自封袋进行下面实验，实验共计555个样本；
步骤2、近红外测定
样品处理：将555个样品每个样品称取核桃粉5g，制成圆形饼状，直径为42mm，厚度为4.5mm，以待红外光谱测定；
步骤3、中红外测定
样品处理：将555个样品每个以1:100的比例称取核桃粉5mg及光谱级KBr 500mg，同时放入研钵中研磨至极细粉末，混合均匀，称取其中150mg用压片机制成一定直径和厚度的薄片，进行红外光谱测定，同时以纯KBr片作为对照；
步骤4、元素测定
微波消解：将上述研磨的37个样品的核桃粉分别混合，每个样品取0.1g，重复三次取样，共计111个样本，置于微波消解仪中，加入2mL浓硝酸，采用程序升温进行消解，将消解得到的液体转移到25mL容量瓶中，用蒸馏水定容；
ICP-OES测定：用ICP-OES仪器依次测定核桃样品的矿物元素含量，包括Mo、Zn、Pb、Ni、Ba、Fe、Mn、Mg、Ca、Cu、Sr、Na、K元素；
步骤5、数据处理
进行近红外和中红外实验时，每个样品的核桃每个取15个样本磨粉后提取光谱值，其中十个作为建模集，剩余五个作为预测集；使用MATLAB2010b软件中PLS工具箱中进行红外光谱数据处理，经过SNV平滑，采用PLSDA进行产地区分，对于核桃的矿物元素含量使用SPSS18.0单因素方差分析中的Duncan式检验，P<0.05，对所得数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的新疆核桃产地溯源研究方法，其特征在于，步骤2中光谱采集条件:温度20～25℃，相对湿度25％～30％，扫描范围4000-12000cm-1；
测样方式:①光谱仪开机需预热30min，光谱采集要注意保持光源口与样品的距离为2cm，并要垂直照射；②分别对每一核桃制好的圆饼状核桃粉进行30次扫描，结果取平均值；③每隔30min需进行一次背景测试，背景扫描次数为40次。
3.根据权利要求1所述的新疆核桃产地溯源研究方法，其特征在于，步骤3中光谱采集条件：采用透射扫谱，扫描范围400-4000cm-1、分辨率为4cm-1；
测样方式:①打开光谱仪，测定纯KBr压片的图谱作为背景；②将上述制好的样品薄片依次测定，每个样品设定扫描次数为30次，最后得到平均光谱。
4.根据权利要求1所述的新疆核桃产地溯源研究方法，其特征在于，步骤4中所述程序升温具体为：功率为162W的前提下，从初始温度25℃经过15min升到180℃，再保持10min。
5.根据权利要求1所述的新疆核桃产地溯源研究方法，其特征在于，步骤5中近红外波数在4000-12000cm-1，中红外波数在4000-400cm-1。
CN201710257693.6A 2017-04-19 2017-04-19 一种新疆核桃产地溯源研究方法 Active CN107037039B (zh)

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