[发明专利]粉碎粒度对大米拉曼光谱影响的研究方法

权利要求书

1.粉碎粒度对大米拉曼光谱影响的研究方法，其特征在于：它的研究步骤如下：

(1)、材料准备：

(1.1)、大米：精确称取三种大米，并将每种大米分为三个批次样品，且编号为一号样品、二号样品、三号样品、四号样品、五号样品、六号样品、七号样品、八号样品、九号样品；

(1.2)、仪器设备：Prott-ezRaman-d3便携式激光拉曼光谱仪；15B型立式粉碎机，自带筛网网孔直径为0.6mm；石英样品池，凹槽深度为2mm；电子天平，秒表，筛子；

(2)、方法：

(2.1)、样品制备：将步骤(1.1)中准备的每批次的大米进行粉碎操作，得粒度＜0.6mm的米粉；选取3/4粉碎后的米粉依次经过100目和140目的筛子进行筛分分级，分别得到100目-0.6mm、100目-140目和＜140目的三种不同粒度的米粉，将粉碎后的米粉进行编号；

(2.2)、谱图测试：

(2.2.1)、设定拉曼光谱采集参数如下：功率450mW，CCD检测器-85℃，扫描范围250-2339cm^-1，分辨率1cm^-1，曝光时间4s，扫描次数3次，激光与样品表面的距离5mm；

(2.2.2)、将每种粒度大米分别在五个位置采集拉曼光谱，考察该粒度下米粉的均匀性；考虑到仪器波动或环境微小变化可能会导致谱图发生变化，另取五个测量点外的一个测量点，重复采集五次谱图，并编号，考察拉曼光谱仪测试的稳定性；采用拉曼光谱仪自带的软件对光谱进行基线校正预处理，采集所得谱图并编号；

(2.3)、数据分析：基于MATLAB 2016a平台利用wden小波函数对拉曼光谱数据进行小波去噪，随后进行数据归一化处理，最后采用相对标准偏差和层次聚类分析两种方法进行数据分析；

(3)、结果与分析：

(3.1)、拉曼光谱数据分析：根据经去噪、归一化预处理后三种大米的典型的拉曼光谱谱图得到，峰的信号主要出现在250-1500cm^-1范围内，峰强度较高的位置在476、856、941、1004、1032、1082、1155、1204、1253、1342、1391和1458cm^-1处；三种大米的拉曼光谱高度相似；由于1500-2350cm^-1波段范围内峰较少且多为背景峰，250-800cm^-1波段范围内峰强较弱，476cm^-1处对应的强度值均为1，因此数据处理时人为选择820-960cm^-1、1020-1170cm^-1和1240-1470cm^-1波段内的拉曼光谱数据作为三种大米拉曼光谱的特征数据；

(3.2)、粉碎后大米均匀度分析：

(3.2.1)、相对标准偏差分析：拉曼光谱数据经去噪、归一化处理后，分别计算820-960cm^-1、1020-1170cm^-1和1240-1470cm^-1三个波段内的拉曼光谱数据的相对标准偏差以及综合这三个波段后的相对标准偏差，由相对标准偏差计算结果分析可得，拉曼光谱仪自身在测试过程中也会带来实验误差，但误差仅为3.716％，在仪器允许的波动范围内；四种不同粒度米粉的相对标准偏差的平均值在4.446-5.689％之间，略高于拉曼光谱仪器本身的误差，粉碎粒度为100-140目样品的五个测量点的成分信息最为相似，该粒度下的米粉均匀性最好，100-140目为大米最佳的粉碎粒度；对820-960cm^-1、1020-1170cm^-1和1240-1470cm^-1三个波段的数据进行分析，1240-1470cm^-1波段的相对标准偏差值最大，其次是820-960cm^-1波段，1020-1170cm^-1波段对应的相对标准偏差最小，始终保持在3.227％以下；实验过程中，对每批次样品重复开展了两次实验以检验粉碎机的稳定性，通过分析表格中的数据，发现两次粉碎得到的数据之间差异性较小，间接说明粉碎机的性能较稳定，粉碎操作具有可重复性；

(3.2.2)、层次聚类分析：拉曼光谱数据经去噪、归一化处理后，对820-960cm^-1、1020-1170cm^-1和1240-1470cm^-1组合后的波段进行层次聚类分析，以余弦距离作为距离的度量方法，以平均距离法作为创建系统聚类树的方法，记录余弦距离，经数据对比发现，粒度为100-140目米粉的平均距离最小，谱图间相似度最高，说明该粒度米粉的均匀性最好；粒度＜140目米粉的均匀性次之；粒度为100目-0.6mm米粉的平均距离最大，谱图间差异最大，米粉均匀性最差；

(3.3)、拉曼光谱谱图解析：经步骤(3.2)中相对标准偏差和层次聚类分析，粉碎后米粉均匀性最佳的粒度为100-140目，根据100-140目的拉曼光谱图可知，在1070-1170cm^-1、1240-1280cm^-1和1370-1420cm^-1处，100-140目米粉的拉曼光谱的峰形和强度有肉眼可见差异，这些差异构成了100-140目米粉拉曼光谱间相对标准偏差的主要来源；由不同粉碎粒度米粉的拉曼光谱图可知，不同粉碎粒度的米粉在1113-1132cm^-1、1141-1155cm^-1、1337-1348cm^-1和1358-1424cm^-1处的峰强有显著差异；尽管米粉的粒度各不相同，但主要的拉曼光谱峰均出现在476、856、941、1004、1032、1082、1155、1204、1253、1342、1391和1458cm^-1处；光谱吸收峰的产生与大米中的化合物如淀粉、蛋白质、脂类以及这些化合物中化学键的振动和转动有关，如C-H弯曲振动吸收峰出现在1458cm^-1处、C-O-H弯曲振动及CH₂扭曲变形振动吸收峰出现在1440-1320cm^-1处、C-H-O拉伸振动以及-OH扭曲变形振动吸收峰出现在1200-1000cm^-1处、600cm^-1以下的拉曼光谱峰的产生与骨架环的扭转振动有关、850-1253cm^-1处的光谱带是由直链淀粉振动产生的、905-1391cm^-1处的光谱带是由支链淀粉振动产生的、1342-1314cm^-1处的光谱带是由CH₂的扭曲和摇摆振动产生的、1452cm^-1处是由CH₂或CH₃的变形振动产生的；941、1037、1082和1132cm^-1处的光谱带与α-环状糊精的特征振动有关；1360、1032和1004cm^-1的光谱带，是由于蛋白质侧链的振动产生的；由四种不同粒度米粉的聚类树图可知，四种粒度米粉的谱图混成一团，无明显分簇现象，说明大米经粉碎、筛分后所得四种粒度米粉的成分较类似；对100-140目米粉进行分析，100-140目米粉的拉曼光谱图与未筛分的米粉的光谱图相似度高，可代表大米的整体成分信息，谱图具有代表性、整体性、可靠性的特点；

(3.4)、推广性分析：由九个不同批次的样品相对标准偏差值可知，四号样品、五号样品粉碎粒度为100-140目米粉的相对标准偏差值与＜140目米粉的接近，其余七批次大米粉碎粒度为100-140目米粉的相对标准偏差值为不同粉碎粒度米粉的最小值，因此100-140目的粉碎粒度为大米拉曼光谱研究分析的最佳粒度，其均匀性最佳，该粉碎粒度具有普遍推广性。