应用近红外技术快速预判生猪血液指标及劣质肉

应用近红外技术快速预判生猪血液指标及劣质肉
摘要：为了实现白肌（pale soft exudative，PSE）肉和黑干（dark firm dry，DFD）肉等劣质猪肉的预判，实验收集了生猪屠宰时的血液样品，其中64 个样品用于建立血液皮质醇浓度预测模型，89 个样品用于建立血液葡萄糖浓度预测模型。

应用便携式近红外仪采集样品的近红外光谱信息并使用不同算法和算法组合对样品的光谱信息进行预处理
后利用偏最小二乘回归算法进行建模。

通过模型评价参数对预处理方法进行筛选后发现，针对预测生猪血液中的葡萄糖浓度，对样品的近红外光谱信息进行Savitzky-Golay求导和基线校正后建模，模型性能最佳。

模型的校正标准差和验证标准差分别为2.07和2.48，主因子数为6，校正集相关系数和验证集相关系数分别为0.88和0.85。

针对预测生猪血液中的皮质醇浓度，对样品的近红外光谱信息进行标准化、差分求导、Savitzky-Golay平滑和净分析信号后建模，模型性能最佳。

模型的校正标准差和验证标准差分别为0.05和0.15，主因子数为6，校正集相关系数和验证集相关系数分别为0.97和0.67。

应用筛选出的模型对另外采集的未用于建模的25 个生猪血液样品中的葡萄糖和皮质醇浓度进行检测，从而进行劣质猪肉预警，PSE和DFD肉的预判准确率分别达到92%和96%。

说明应用便携式近红外仪检测生猪血液中的葡萄糖和
皮质醇浓度，从而预判劣质猪肉的方法是可行的。

关键词：猪；劣质肉；近红外技术；血液指标
Fast Prediction of Pig Blood Parameters Using
Near-Infrared Spectroscopy for Discrimination of Inferior Quality Pork
ZOU Hao，TIAN Hanyou，LIU Fei，WANG Hui，LI Wencai，LI Jiapeng，CHEN Wenhua，QIAO Xiaoling*
（Beijing Key Laboratory of Meat Processing Technology，China Meat Research Center，Beijing Academy of Food Sciences，
Beijing 100068，China）
Abstract：In order to quickly discriminate pale，soft and exudative （PSE）pork and dark，firm，and dry （DFD）pork，64 blood samples were collected at slaughter and tested by near-infrared （NIR）spectroscopy for the establishment of a predictive model for serum cortisol concentration，and 89 additional sample were collected and also detected by NIR spectroscopy for the development of a model to predict serum glucose concentration. Spectral information was acquired employing a portable NIR spectrometer and preprocessed using individual and combined algorithms for modeling using partial
least square regression. Based on evaluation of the model parameters，the predictive model for serum glucose concentration developed by spectral pretreatment using Savitzky-Golay derivative + baseline correction had the best performance. The standard error of calibration and standard error of prediction of the model were 2.07 and 2.48，respectively and the number of principal components was 6. The correlation coefficients of calibration and prediction sets were 0.88 and 0.85，respectively. The optimal spectral pretreatment method for predictive modeling of serum cortisol concentration was autoscaling + difference derivative + Savitzky-Golay smoothing + net analyte signal. The standard error of calibration and standard error of prediction of the predictive model for serum cortisol concentration were 0.05 and 0.15，respectively and the number of principal components was 6. The correlation coefficients of calibration and prediction sets were 0.97 and 0.67，respectively. The built models were respectively used to predict serum glucose and cortisol concentrations of 25 unknown samples and consequently recognize PSE and DFD meat with an accuracy of 92% and 96%，respectively. Hence，it is feasible to predict serum glucose and cortisol concentrations of pig blood
using NIR spectroscopy in order to identify PSE and DFD meat.
Key words：pig；inferior quality pork；near-infrared spectroscopy；blood parameters
DOI：10.15922/ki.rlyj.2016.04.009
中图分类号：O657.3 文献标志码：A 文章编号：
1001-8123（2016）04-0041-05
引文格式：
邹昊，田寒友，刘飞，等. 应用近红外技术快速预判生猪血液指标及劣质肉[J]. 肉类研究，2016，30（4）：41-45. DOI：10.15922/ki.rlyj.2016.04.009. http：// ZOU Hao，TIAN Hanyou，LIU Fei，et al. Fast prediction of pig blood parameters using near-infrared spectroscopy for discrimination of inferior quality pork[J]. Meat Research，2016，30（4）：41-45. （in Chinese with English abstract）DOI：10.15922/ki.rlyj.2016.04.009. http：//
我国是猪肉生产和消费大国，近些年，随着国内经济的发展，人们生活水平的提高，对高质量冷鲜猪肉需求越来越高[1]。

冷鲜猪肉生产的各个环节中，生猪的屠宰对冷鲜肉的品质影响很大[2-4]。

由于宰前运输条件、天气、击晕方式等原因导致生猪出现应激反应，产生白肌（pale soft exudative，PSE）肉和黑干（dark firm dry，DFD）肉等劣质猪肉的情况屡屡发生，已经成为冷鲜猪肉产业的一大难题[5-12]。

生猪血液中的肌酸激酶、乳酸脱氢酶、葡萄糖浓度等指标是反映动物生理状态的重要指标[13-19]，田寒友等[20]发现产生PSE肉的生猪在屠宰时血液中葡萄糖浓度显著高于正常肉，而产生DFD肉的生猪在屠宰时血液中皮质醇浓度显著高于正常肉，其中，当生猪屠宰时血液中的葡萄糖浓度高于17.21 mmol/L时，很可能产生PSE肉；当皮质醇浓度高于0.51 mmol/L时，很可能产生DFD肉。

本实验在屠宰场收集生猪血液样品，应用便携式近红外仪采集样品的近红外光谱，利用试剂盒检测葡萄糖和皮质醇浓度，利用化学计量学方法建立生猪血液中的葡萄糖和皮质醇浓度预测模型，实现现场快速检测生猪屠宰时血液中的葡萄糖和皮质醇浓度，从而预判PSE肉和DFD肉的产生，为生猪应激预警技术及防控方法打下一定基础。

1 材料与方法
1.1 材料与试剂
生猪品种包括杜长大和杜洛克，体质量为（100±5）kg，年龄约6 个月。

5 mL促凝剂分离胶采血管湖南三立实业有限公司；皮质醇检测试剂盒德国罗氏诊断有限公司；葡萄糖测定试剂盒（GLU葡萄糖氧化酶终点法）北京利德曼生化股份有限公司。

1.2 仪器与设备
SupNIR-1520型便携式近红外仪及比色皿配件
聚光科技（杭州）股份有限公司；05P-22离心机、7080全自动生化仪器日本日立公司；Cobas E601全自动免疫分析仪德国罗氏公司；SevenGo?手持肉用pH计
瑞士梅特勒-托利多有限公司；肉色等级标准比色板日本食用肉类规范协会。

1.3 方法
1.3.1 血液样品的采集与制备
使用5 mL促凝剂分离胶采血管在屠宰车间内给生猪放血时对每头生猪的血液进行收集，静置2 h后以3 000 r/m 离心15 min，吸取血清并置于0～4 ℃冰箱保存。

1.3.2 血清中皮质醇浓度的测定
采用电化学发光法，使用皮质醇检测试剂盒在Cobas
E601全自动免疫分析仪上进行检测。

1.3.3 血清中葡萄糖浓度的测定
采用GLU葡萄糖氧化酶终点法，使用葡萄糖测定试剂盒在7080全自动生化仪上进行检测。

1.3.4 样品光谱信息的采集
实验前将便携式近红外仪预热30 min，首先使用超纯水作为参比。

所有样品被保存于冰箱中以确保样品温度保持在0～4 ℃。

光谱采集方式为透射，每个样品进行两次光谱信息采集，之间间隔10 s。

每次采集，光谱扫描次数为10 次，
采集的近红外光谱波数范围为1 000～1 800 nm，分辨率为10 nm。

1.3.5 光谱的预处理与模型建立
使用不同算法和算法组合对样品的光谱信息进行预处
理以去除其中的无关干扰信息、降低随机噪声和强化谱带特征。

然后使用偏最小二乘回归算法进行建模，建模所用的近红外光谱信息波数范围为1 000～1 800 nm。

根据模型得校正标准差（standard error of calibration，sEC）、验证标准差（standard error of prediction，sEP）、校正集相关系数（correlation coefficient of calibration set，Rc）、验证集相关系数（correlation coefficient of prediction set，Rp）和主因子数对模型性能进行评价，从而选出针对生猪血液中的皮质醇和葡萄糖浓度的最佳预测模型和最佳预处理方法。

选择的预处理算法包括：1）数据增强类算法：均值中心化（mean centering，MC）和标准化（autoscaling，AS）；2）导数类算法：Savitzky-Golay求导（Savitzky-Golay derivative，SGD）和差分求导（difference derivative，DD）；3）平滑类算法：Savitzky-Golay平滑（Savitzky-Golay smoothing，SGS）；4）信号校正类算法：标准正态变量变换（standard normal variatetransformation，SNV）、多元散射校正（multiplication scatter correction，MSC）、静分析信号（net analyte signal，NAS）、正交信号校正（orthogonal signal correction，OSC）、
去趋势校正（de-trending，DT）
和基线校正（baseline correction，BLC）。

1.3.6 模型的验证
将筛选出的最佳预测模型导入到便携式近红外仪中，对另外采集的未用于建模的25 个生猪血液样品中的葡萄糖和皮质醇浓度进行检测，同时按照葡萄糖氧化酶终点法和电化学发光法对样品的葡萄糖和皮质醇浓度进行检测，根据文献方法，分别以葡萄糖浓度大于17.21 mmol/L和皮质醇浓度大于0.51 mmol/L作为预判PSE肉和DFD肉的标准，验证模型预判的准确性。

2 结果与分析
2.1 样品化学值测定结果分析
生猪血液样品中葡萄糖和皮质醇浓度化学测量值的统计结果如表1～2所示。

用于建立葡萄糖浓度预测模型的样品共89 个，范围为3.38～22.63 mmol/L；用于建立皮质醇浓度预测模型的样品共64 个，范围为0.04～0.76 mmol/L，样品的化学测量值分布范围较广，具有较好的代表性。

2.2 样品近红外光谱信息采集结果分析
由图1可知，在近红外区（1 000～1 799 nm）生猪血液样品有很好的光谱响应，不同葡萄糖浓度或皮质醇浓度的生猪血液样品的近红外光谱波形相似，但又不完全重合，既体现了样本间的差异，又显示了整个样品群体的连续性。

图2
为单一生猪血液样品扫描两次所得的样品近红外光谱曲线，2 次扫描所得的光谱曲线基本完全重合，说明本实验应用的便携式近红外光谱仪采集的样品的近红外光谱信息重复性
很高。

2.3 近红外模型的建立与优化
应用不同算法组合对样品的光谱信息进行预处理后，部分葡萄糖和皮质醇浓度预测模型的性能评价参数如表3～4
所示。

由表3～4可知，不同的算法或算法组合对模型的预测准确性和稳健性有很大影响，适当的预处理可以提高模型性能，不当的预处理甚至会降低模型性能；增加预处理算法的数量不一定能提高模型性能，有时甚至会造成预处理过度，导致样品的光谱信息中大量的细节信息丢失。

针对预测生猪血液中的葡萄糖浓度，对样品的近红外光谱信息进行Savitzky-Golay求导和基线校正后建模，模型性能最佳；模型sEC和sEP分别为2.07和2.48，主因子数为6，Rc和Rp分别为0.88和0.85。

针对预测生猪血液中的皮质醇浓度，对样品的近红外光谱信息进行标准化、差分求导、Savitzky-Golay平滑和净分析信号后建模，模型性能最佳；模型的sEC和sEP 分别为0.05和0.15，主因子数为6，Rc和Rp分别为0.97和0.67。

2.4 模型的内部验证
分别以葡萄糖或皮质醇浓度的化学测量值为横坐标，模型的预测值为纵坐标作图，结果如图3～4。

由图3～4可知，实验点很好地分布在回归线的两侧，模型的预测值与校正集样品的化学测量值吻合度较高，说明建模前对样品的光谱信息进行预处理后，模型较好地拟合了光谱信息中反映样品中葡萄糖或皮质醇浓度的信息。

2.5 模型的外部验证
应用筛选出的模型对另外采集的未用于建模的25 个生猪血液样品中的葡萄糖和皮质醇浓度进行检测，从而进行劣质猪肉的预判，预判结果如表5～6所示，筛选出来的预测模型对未知样品的葡萄糖或皮质醇浓度的预测值与化学测量值较接近，对PSE肉和DFD肉的预判准确率分别达到92%和96%，说明所选模型预判劣质猪肉的准确性很高。

3 结论
为了快速预判PSE肉和DFD肉，本实验从屠宰场收集屠宰时的生猪血液样品。

其中，用于建立葡萄糖预测模型的样品共89 个，范围为3.38～22.63 mmol/L，用于建立皮质醇预测模型的样品共64 个，范围为0.04～0.76 mmol/L。

使用不同算法和算法组合对样品的光谱信息进行预处理后利用偏最小二乘回归算法进行建模。

通过模型评价参数对预处理方法进行筛选后发现针对预测生猪血液中的葡萄糖浓度，对样品的近红外光谱信息进行Savitzky-Golay求导和
基线校正后建模，模型性能最佳；模型的sEC和sEP分别为2.07和2.48，主因子数为6，Rc和Rp分别为0.88和0.85。

针对预测生猪血液中的皮质醇浓度，对样品的近红外光谱信息进行标准化、差分求导、Savitzky-Golay平滑和净分析信号后建模，模型性能最佳；模型的sEC和sEP分别为0.05和0.15，主因子数为6，Rc和Rp分别为0.97和0.67。

应用筛选出的模型对另外采集的未用于建模的25 个生猪血液样品中的葡萄糖和皮质醇浓度进行检测，然后进行劣质猪肉的预判，PSE 和DFD肉的预判准确率分别达到92%和96%。

说明应用便携式近红外仪检测生猪血液中的葡萄糖和皮质醇浓度，从而预判劣质猪肉的方法是可行的。

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