近紅外光譜儀測(cè)定雞蛋的參數(shù)化模型建立

近紅外光譜儀測(cè)定雞蛋的參數(shù)化模型建立

作為一種理想的動(dòng)物蛋白食品，蛋石已成為人們?nèi)粘ｏ嬍车闹匾M成部分。隨著蛋雞生產(chǎn)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化,雞蛋品質(zhì)的提高和改良也倍受關(guān)注,雞蛋物理品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括蛋白高度、蛋殼強(qiáng)度、蛋殼厚度、哈氏單位(HU)、蛋型指數(shù)、蛋殼顏色、氣室高度、氣室直徑、蛋比重等。此外,生產(chǎn)和銷(xiāo)售環(huán)節(jié)也以蛋品質(zhì)測(cè)定結(jié)果作為雞蛋分級(jí)的主要依據(jù),其中蛋品新鮮度(包括蛋白高度、哈氏單位)是分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中最重要的一項(xiàng)。因此,發(fā)展雞蛋新鮮度的檢測(cè)方法對(duì)科研、生產(chǎn)有非常重要的理論與應(yīng)用價(jià)值,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(如通過(guò)紅外線、超聲波等技術(shù))是未來(lái)一個(gè)重要的研究方向。雞蛋品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)研究已有一些報(bào)道,吳瑞梅等運(yùn)用紫外光譜等技術(shù)研究了雞蛋蛋白高度的變化,Berardinelli等利用紅外技術(shù)測(cè)定雞蛋蛋白高度也取得一定研究進(jìn)展。另外還有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)雞蛋裂紋、幾何外形、雞蛋表面污染的相關(guān)方法。氣室高度作為國(guó)際上雞蛋新鮮度和現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)的衡量指標(biāo)之一,但迄今為止,還沒(méi)有針對(duì)氣室高度、氣室直徑等品質(zhì)參數(shù)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),而傳統(tǒng)的檢測(cè)手段、精度、效率急需提高。因此,亟需建立一種新的能夠應(yīng)用于蛋雞育種、蛋品質(zhì)量監(jiān)督和雞蛋市場(chǎng)分級(jí)的快速無(wú)損檢測(cè)方法。傅里葉變換近紅外反射(Fouriertransformnearinfraredreflectance,FT-NIR)光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外分析農(nóng)牧產(chǎn)品和食品中的蛋白質(zhì)、水分、脂肪、纖維素、淀粉等營(yíng)養(yǎng)成分,以及農(nóng)作物品質(zhì)育種、食品品質(zhì)和加工過(guò)程的控制。本研究利用FT-NIR技術(shù)對(duì)雞蛋進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),探討利用FT-NIR技術(shù)對(duì)雞蛋新鮮度(蛋白高度、哈氏單位、氣室高度、氣室直徑)進(jìn)行評(píng)價(jià)的可行性。1實(shí)驗(yàn)與研究1.1分離雞蛋樣品試驗(yàn)共收集了15只45周齡商品代白來(lái)航母雞24天內(nèi)所產(chǎn)的雞蛋,每隔一天收集一次雞蛋(如收集雞蛋當(dāng)天未產(chǎn)蛋,則延續(xù)一天留蛋),共計(jì)得到雞蛋樣品163枚。樣品采集后放到溫度為16℃、濕度為75%的蛋庫(kù)中保存。1.2帶的應(yīng)用軟件光譜測(cè)定儀器:AntarisFT-NIRAnalyzer(美國(guó)ThermoNicolet公司),利用光譜直接掃描雞蛋的鈍端(大頭),附帶的應(yīng)用軟件為:TQAnalystv6,RESULT-Integration,RE-SULT-Operation。主要工作參數(shù)為:掃描譜區(qū)范圍4000~10000cm-1;掃描次數(shù):64;分辨率:8cm-1;數(shù)據(jù)形式:Log(1/R)。光譜掃描儀操作方法:儀器預(yù)熱2h之后進(jìn)行檢測(cè),每一枚雞蛋掃描3次,每次均掃描背景,計(jì)算其平均光譜。圖1為所測(cè)定的同一個(gè)樣本3個(gè)不同保存時(shí)間的傅里葉變換近紅外漫反射光譜圖。1.3室高度、氣室直徑在光線較暗處利用照蛋燈劃出雞蛋氣室的位置和形狀,使用電子游標(biāo)卡尺測(cè)定氣室高度(Airheight)、氣室直徑(Airdiameter)。為了校正不同大小的雞蛋對(duì)氣室直徑的影響,計(jì)算了氣室直徑與雞蛋縱徑(D/L)、橫徑(D/S)的比值,然后比較幾個(gè)不同指標(biāo)之間的建模是否有區(qū)別。1.4品質(zhì)測(cè)定和指數(shù)測(cè)定利用日本Robotmation公司的Egg-shellForce(Model-Ⅱ)儀器測(cè)定蛋殼強(qiáng)度(Eggshellforce);日本Robotmation公司的EMT-5200蛋品質(zhì)測(cè)定儀測(cè)定蛋黃顏色(Color)、蛋白高度(Eggalbumenheight)、哈氏單位(HU)、蛋重(Eggweight);日本FHK公司的蛋型指數(shù)測(cè)定儀測(cè)定蛋型指數(shù);日本FHK公司的蛋殼厚度測(cè)定儀測(cè)定蛋殼厚度(eggshellthickness)。1.5光譜數(shù)據(jù)處理利用TQAnalystv6軟件,采用無(wú)偏最小二乘法建立定標(biāo)模型,在前期研究的基礎(chǔ)上以及結(jié)合Berardinelli等研究結(jié)果,選用4000~6600cm-1光譜范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本試驗(yàn)163個(gè)樣品中的130個(gè)用作定標(biāo)集,其余33個(gè)樣品作為驗(yàn)證集。首先用定標(biāo)集樣品建立模型,再選擇交互驗(yàn)證法對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),通過(guò)比較預(yù)測(cè)殘差均方根(RM-SEP)和交互驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)RVAL(Correlationcoefficientofcrossvalidation)、交互驗(yàn)證殘差均方根(RMSECV)等指標(biāo)來(lái)衡量定標(biāo)模型的準(zhǔn)確性,模型驗(yàn)證采用Murray等的方法。2結(jié)果與分析2.1噪聲分離提取雞蛋品質(zhì)光譜實(shí)際測(cè)量過(guò)程中不僅包括了雞蛋蛋品質(zhì)相關(guān)的各種信息,還包括儀器噪聲,外界干擾等,需要對(duì)原始光譜進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,將雞蛋品質(zhì)信號(hào)和噪聲分離,最大程度地提取雞蛋品質(zhì)的有效信息。本試驗(yàn)分別運(yùn)用了多元散射校正(multiplicativescattercorrection,MSC),平滑(Smoothing),微分處理(Derivatives)等手段,對(duì)不同的光譜數(shù)據(jù)形式和數(shù)據(jù)平滑方式,以及每種數(shù)據(jù)平滑方式相應(yīng)的最佳參數(shù)組合進(jìn)行了選擇,用每次剔除一個(gè)光譜點(diǎn)的方法進(jìn)行交互驗(yàn)證,然后分析光譜異常點(diǎn)和杠桿系數(shù),進(jìn)一步優(yōu)化模型。2.2蛋白高度的測(cè)定根據(jù)篩選出的最優(yōu)參數(shù)組合,確定了雞蛋蛋白高度、氣室直徑、氣室高度的預(yù)測(cè)模型,各模型的主要參數(shù)及驗(yàn)證效果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)各種指標(biāo)的優(yōu)化處理發(fā)現(xiàn),運(yùn)用Secondderivative以及Savitzky-Golay光譜預(yù)處理對(duì)雞蛋品質(zhì)的蛋白高度、氣室直徑、氣室高度的測(cè)定模型結(jié)果最好。蛋白高度的相關(guān)系數(shù)最高(R2=0.867),但RMSEP和RMSEC相對(duì)其他雞蛋品質(zhì)指標(biāo)相差較大。通過(guò)對(duì)氣室直徑的處理發(fā)現(xiàn),光譜數(shù)據(jù)與直接測(cè)定氣室直徑的相關(guān)系數(shù)比用雞蛋縱徑(D/L)、橫徑(D/S)處理后的相關(guān)系數(shù)高,運(yùn)用光譜數(shù)據(jù)能比較好的測(cè)定雞蛋氣室高度(R2=0.865)。哈氏單位是通過(guò)蛋白高度、蛋重進(jìn)行非線性變換計(jì)算得到的,這兩者之間有高度的相關(guān)性(R2=0.91),因此,可以通過(guò)對(duì)蛋白高度的測(cè)量來(lái)檢測(cè)雞蛋的新鮮度。本研究建立的雞蛋蛋白高度模型與Berardinelli等的結(jié)果類(lèi)似,但是相關(guān)系數(shù)(R2=0.867)要比Berardinelli等的結(jié)果高(R2=0.80)。分析結(jié)果還表明,蛋重、哈氏單位近紅外預(yù)測(cè)模型不好。2.3不同高度3個(gè)指標(biāo)預(yù)測(cè)能力的差異用33個(gè)外部樣本進(jìn)行模型驗(yàn)證,用預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差異來(lái)評(píng)價(jià)雞蛋蛋白高度、氣室直徑、氣室高度3個(gè)指標(biāo)(圖2)的預(yù)測(cè)能力,t檢驗(yàn)結(jié)果顯示差異不顯著(t>0.05)。雞蛋蛋白高度、氣室直徑、氣室高度3個(gè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間的相關(guān)系數(shù)(R2)分別達(dá)到0.873,0.861,0.895(見(jiàn)圖2),可以用于雞蛋蛋白高度、氣室直徑與氣室高度的預(yù)測(cè)。3雞蛋主要品質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)世界上的雞蛋新鮮度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一直執(zhí)行美國(guó)1970年制定的標(biāo)準(zhǔn),各個(gè)國(guó)家在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些調(diào)整,如我國(guó)的雞蛋新鮮度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以雞蛋氣室高度為主要標(biāo)準(zhǔn)之一,該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際操作中非常困難。尤其是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,缺少一些有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量蛋的新鮮度,亟需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。由于目前還沒(méi)有自動(dòng)測(cè)量的方法來(lái)測(cè)量氣室直徑、氣室高度,而氣室直徑與氣室高度又不是非常規(guī)則,雞蛋主要品質(zhì)參數(shù)的人工測(cè)量方法的準(zhǔn)確性不是非常高,因此雞蛋主要品質(zhì)參數(shù)近紅外測(cè)定模型的準(zhǔn)確度還有進(jìn)一步提高