玉米秸秆纤维素和半纤维素NIRS特征波长优选

摘要：

预处理是提高玉米秸秆生物转化利用效率的有效途径.玉米秸秆经生物炼制转化为生物燃料时, 转化率与其原料内的纤维素和半纤维素含量直接相关.为了实现对预处理后玉米秸秆的生物炼制过程的有效调控, 提出使用近红外光谱 (NIRS) 对玉米秸秆的纤维素和半纤维素含量进行快速检测, 解决传统化学方法测试速度慢、成本高的问题.为了提高NIRS检测的效率和精度, 将遗传算法与模拟退火算法相结合构建遗传模拟退火算法 (GSA) 用于预处理后玉米秸秆纤维素和半纤维素含量NIRS特征波长优选.GSA算法以NIRS波长点数为码长进行二进制编码, 以偏最小二乘法 (PLS) 回归模型的交叉验证均方根误差为目标函数, 结合温度参数设计适应度函数, 基于Metropolis判别准则实现扰动解的选择复制, 能够在避免早熟的同时有效提高进化后期的搜索效率.采用碱预处理、生物预处理及其相结合的方法对采集的玉米秸秆进行预处理后制备样品120个, 并测定其纤维素和半纤维素含量及NIRS.使用7点Savitzky-Golay平滑结合多元散射校正和标准正则变换对光谱进行预处理后, 利用Kennard-Stone法按3∶1比例划分校正集和验证集.然后, 使用GSA算法对NIRS全谱进行特征波长优选 (记为Full-GSA) 、对协同区间偏最小二乘法 (SiPLS) 优选后谱区进行特征波长优选 (记为SiPLS-GSA) 、对反向区间偏最小二乘法 (BiPLS) 优选后谱区进行特征波长优选 (记为BiPLS-GSA), 并使用PLS回归模型和验证集对特征波长优选结果进行评测.Full-GSA以全谱1 557个波长点为基因, 执行16次算法, 优选出118个纤维素特征波长点和164个半纤维素特征波长点.SiPLS-GSA经SiPLS优选的纤维素和半纤维素谱区波长点数分别为388个和160个, 再经GSA进一步优选后得到157个纤维素特征波长点和148个半纤维素特征波长点.BiPLS-GSA经BiPLS优选的纤维素和半纤维素谱区波长点数分别为358个和180个, 再经GSA进一步优选后得到130个纤维素特征波长点和153个半纤维素特征波长点.结果表明, 通过波长优选, 不仅参与建模的波长点数量显著减少, 而且回归模型的性能显著优于全谱建模.其中, 采用Full-GSA优选的纤维素特征光谱回归性能最佳, 采用SiPLS-GSA优选的半纤维素特征光谱回归性能最佳.回归模型验证集的平均相对误差 (MRE) 分别为1.752 4％和2.020 8％, 较全谱建模分别降低了13.636 6％和25.368 4％.基于结合温度参数设计适应度函数的策略构建的GSA具有良好的全局搜索性能, 适用于玉米秸秆纤维素和半纤维素含量NIRS特征波长优选.GSA以全谱每个波长点为染色体基因的编码方案适用于NIRS全谱的特征波长优选.GSA同样适用于SiPLS和BiPLS优选后谱区的特征波长优选, 能够有效实现优选后谱区的波长点优选.

关键词：玉米秸秆、近红外光谱、遗传模拟退火算法、协同区间偏最小二乘法、反向区间偏最小二乘法、特征波长

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分类号：O657.3(分析化学)

资助基金：国家科技支撑计划课题2015BAD21B03;哈尔滨市科技创新人才专项2016RAXXJ009;黑龙江省青年科学基金项目QC2016033;黑龙江八一农垦大学校内培育课题XZR2017-09

在线出版日期：2019-06-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共8页

页码：743-750