作为全球膳食主食，小麦粉是制粉工业的重要商品，其灰分含量是衡量面粉纯度、等级及制粉效率的关键指标。传统高温灼烧法耗时费力，研究人员探索了利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）结合化学计量学算法实现小麦粉灰分的快速无损定量检测。实验基于三个小麦品种（农麦126、中优206、长旱58）共183份样品，采用光纤耦合THz-TDS系统采集信号，并将原始时域信号转换为频域信号、吸收系数、透射率及折射率进行对比分析。结果表明，吸收系数与灰分含量的相关性最强，归因于无机矿物组分的独特光谱指纹特征。Savitzky–Golay（SG）平滑被确定为最佳预处理方法以降低随机噪声，随后利用竞争性自适应重加权采样（CARS）筛选出与灰分组分密切相关的31个特征波长。为优化预测性能，研究人员构建了偏最小二乘回归（PLSR）、多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）和支持向量回归（SVR）四种模型并进行比较。优化后的SG-CARS-PLSR模型取得了最优预测精度，预测集相关系数（Rp）达0.976，预测均方根误差（RMSEP）为0.011%，性能偏差比（RPD）为4.804，偏差（Bias）为0.004%。该研究表明，THz-TDS结合CARS特征选择与PLSR建模可为小麦粉灰分定量提供一种快速、可靠且无损的检测方法。
研究背景与意义
小麦粉是全球重要的膳食主食，其质量评价依赖于灰分含量这一关键参数，它反映制粉精度、提取率及适用性。传统灰分测定依赖高温灼烧法（如AACC 8–01、ICC 104-1标准），虽精度较高，但耗时长（5–7小时）、操作繁琐且破坏样品，难以满足工业实时质量控制需求。近红外光谱、高光谱成像、拉曼光谱等技术虽已用于快速检测，但在针对灰分的无机矿物特征识别方面仍存在局限。太赫兹时域光谱（THz-TDS）可探测低频振动模式，对无机晶体和氢键网络具有独特敏感性，因而有望成为灰分无损检测的新手段。本研究旨在构建基于THz-TDS与化学计量学的小麦粉灰分快速高精度检测模型，发表于《Frontiers in Plant Science》。
主要技术方法
研究样本来自重庆市农业科学院的三个西南地区主栽小麦品种（农麦126、中优206、长旱58），共183份样品。采用光纤耦合THz-TDS系统在干燥空气环境中采集透射光谱，将原始时域信号转换为吸收系数、频域信号、透射率和折射率。光谱预处理包括Savitzky–Golay（SG）平滑、一阶导（D1）、二阶导（D2）、标准正态变量变换（SNV）及多元散射校正（MSC）。特征波长筛选采用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权采样（CARS）、遗传算法（GA）和自举软收缩（BOSS）。建模方法涵盖偏最小二乘回归（PLSR）、多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）与支持向量回归（SVR），并利用独立预测集验证模型泛化性能。
研究结果
3.1 灰分参考值测定
总样本灰分范围为0.36%–0.71%，均值0.5233%，标准差0.0684%。Kennard-Stone（KS）算法按约3:1比例划分校准集（n=137）与预测集（n=46），校准集覆盖全范围，确保模型插值预测可靠性。
3.2 THz-TDS信号分析
吸收系数模型表现最优，仅需2个潜变量即获得Rc=0.823、Rp=0.876、RPD=1.359、RMSECV=0.039%、RMSEP=0.034%，优于频域信号、透射率及折射率模型。吸收系数能直接反映小麦粉对太赫兹辐射的吸收能力，并与无机矿物元素的光谱响应高度相关。
3.3 光谱数据预处理效果
SG平滑（3点平均）效果最佳，Rc=0.826、RMSECV=0.040%、Rp=0.850、RMSEP=0.031%、RPD=1.486。导数变换（1D、2D）放大高频噪声导致模型失效，散射校正（SNV、MSC）未改善性能，表明主要干扰为随机噪声而非物理散射。
3.4 特征光谱提取效果
CARS筛选出31个特征波长（0.11–1.07 THz），对应无机矿物晶体的集体振动与偶极旋转特征。CARS-PLSR模型取得Rc=0.977、RMSECV=0.015%、Rp=0.976、RMSEP=0.011%、RPD=4.804、Bias=0.004%，优于SPA、GA与BOSS。
3.5 灰分估算模型
基于CARS特征波长的PLSR模型综合性能最优，显著优于MLR、PCR与SVR。MLR因多重共线性影响稳定性，PCR忽略光谱与目标变量的关联，SVR的非线性假设与数据的线性关系不匹配导致过拟合。
讨论与结论
研究证实，THz-TDS结合SG预处理与CARS特征选择可有效提取与灰分相关的无机矿物光谱指纹，PLSR因能同时处理高维数据与目标变量协方差，成为最佳建模方法。最终模型的RPD>2.5，表明具备优异的实际预测能力，Bias接近0说明无显著系统误差。尽管本研究样本集中于0.36%–0.71%的高等级面粉范围，未来仍需扩大样本种类与灰分区间以提升通用性。总体而言，该方法为制粉工业的实时质量控制提供了一种快速、试剂免耗、无损且高精度的技术途径。
