CN104101570A - 一种红外光谱法检测带鱼产地的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，所述方法包括构建不同产地带鱼的参考指纹图谱；根据参考指纹图谱对不同产地带鱼的波长范围在4000-7000cm-1的原始光谱进行一阶导数和矢量归一化处理；以相同方法建立待测带鱼的指纹图谱；将待测带鱼的指纹图谱与参考指纹图谱进行聚类分析，得到待测带鱼的产地。本发明利用红外色谱法建立了带鱼的指纹图谱，方法性考察表明该方法可靠、重复性较好，符合指纹图谱的要求；检测带鱼产地的方法操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高，准确率高达91.42%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高的红外光谱法检测带鱼产地的方法。
背景技术
带鱼（Trichiurus lepturus），又称牙带、白带鱼、刀鱼等，属鱼纲鲈形目带鱼科动物，为暖温性中下层集群洄游鱼类，栖息于水深60-100m泥质海底，以各种鱼类、毛虾和乌贼等为主要食物，有明显的昼夜垂直移动现象，广泛分布于世界的温、热带海域（以印度洋和西太平洋居多）。
带鱼鱼体显著侧扁，延长成带状，尾细长如鞭，一般体长60~120厘米、体重200~400克。头窄长而侧扁，前端尖突。两颌牙发达而尖锐。眼大、位较高，眼间隔平坦、中间微凹。体表光滑，鳞退化成表皮银膜，全身呈富有光泽的银白色，背部及背鳍、胸鳍略显青灰色。背鳍长，起点于鳃孔后上角沿背部齐长，臀鳍不明显，只有鳍棘刺尖外露。无腹鳍。
带鱼肉嫩体肥、味道鲜美，只有中间一条大骨，无其他细刺，食用方便，营养价值高，是倍受人们喜爱的一种海洋鱼类。具有补虚、解毒、止血等功效，可用于体虚、乳汁分泌不足、外伤出血等症。同时，从带鱼表皮银膜中提取的咖啡因，可做照相工业和医药工业原料；提取的6-硫代鸟嘌呤制成药或治急性白血病，胃癌及淋巴肿瘤等，带鱼肉还可制取水解蛋白注射液。
带鱼是我国四大经济鱼类之一，我国东海、黄海、渤海、南海和北部湾均产，其中以东海产量最大（70%，2006），南海产量较少，浙江、山东沿海是产量较多的海区。1990年以前，东海区最高年产量为52.8万吨（1974年），浙江省为34万吨，占东海区的64%，1974年后产量开始滑坡，全省产量在20-30万吨之间，1989年降至最低，只有19.5万吨。自1989年开始，实施产卵带保护区，并开发外海带鱼资源，1995年又开始伏季拖网和帆张网休渔措施，是90年代以来的带鱼产量增长较快，从1990年24万吨1995年上升到58万吨，超过历史最高水平，2000年达到65万吨，2010年达118万吨。但是，带鱼产量的增长，并不意味着带鱼资源的好转，带鱼个体小型化，低龄化严重，冬汛捕捞群体当龄鱼比例从1967年20.5%，1982年上升到59.3%，90年代前期平均为71.1%，90年代后期达到78.2%，目前达到82.3%，可见带鱼捕捞群体以当龄的捕捞群体为主，带鱼产量的增长靠强化捕捞所得，带鱼资源处于生长型过度捕捞状态。
舟山带鱼，由于其所处海域独特的地理位置和水文环境，鲜度和质地同其他地区相比独占鳌头，是全国首批海鲜类地理标志证明商标的拥有者。但是，一些不法商贩为牟取利益，常以其他产地的带鱼冒充舟山带鱼，以次充好，严重损害了消费者利益，破坏了舟山海鲜的商誉。
于1997年9月发表水产学报第21卷第3期中有一篇关于东海带鱼种群鉴别研究的报道，通过对取样于东海不同海区29批2168尾带鱼鱼体的各项形态性状的观察、计测、并应用数学方法对性状差异进行统计比较和群体间聚类分析，结合有关资料进行综合分析。结果表明：东海带鱼，不论近海或外海的群体，相互间的形态特征基本酷似，呈现出密切的关系，从而确认它们为同一种群。这种方法来检测带鱼产地或者带鱼种群时间花费过久。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有带鱼产地难确定、没有一种快速有效检测带鱼产地方法的缺陷而提供一种操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高的红外光谱法检测带鱼产地的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，所述方法包括（1）构建不同产地带鱼的参考指纹图谱；（2）根据参考指纹图谱对不同产地带鱼的波长范围在4000-7000cm-1的原始光谱进行一阶导数和矢量归一化处理；（3）以相同方法建立待测带鱼的指纹图谱；（4）将待测带鱼的指纹图谱与步骤（1）的参考指纹图谱进行聚类分析，得到待测带鱼的产地。在本技术方案中，近红外（near-infrared spectroscopy，NIRS)是指介于可见区与中红外区之间的电磁波，其波数范围为12000～4000cm-1。与经典的红外光谱法相比，样品无需压片，可直接进行检测且检测速度极快。近红外检测技术是一种快速无损绿色的分析方法，。本发明研究了近红外光谱检测技术对来自5个产地的28个带鱼样品进行聚类分析，建立不同产地指纹图谱，并对未知样品进行分析，本发明操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高。
作为优选，步骤（4）中通过匹配值Y与阀值Z之间的大小来体现待测带鱼所属，匹配值Y为待测样品的指纹图谱与参考指纹谱图之间的光谱距离，所述阀值Z的计算公式为阀值=最大匹配值+X*Sdev，其中，Sdev为各光谱与平均光谱距离的标准偏差， 0.26≤X≤0.28。
在本技术方案中，如果X值设定太大，阈值会相应的增大，不同类别间就会发生重叠；X值太小，阈值的范围会缩小，归类时易把属于该类的样品排斥在外，发生错判。
作为优选，构建不同产地带鱼的指纹图谱的步骤包括：
a）带鱼样品的预处理：带鱼样品选择体表富有光泽、腮呈鲜红、粘液透明、眼球饱满、角膜清晰的带鱼，取10-15g带鱼背部肌肉样品在0到-10℃下干燥12-18h，备用；然后加入5-6倍带鱼质量的去离子水搅拌均与得到带鱼肉浆，用带鱼质量的0.36-0.97%的内切蛋白酶、鱼肉浆质量的0.2-0.33%的壳聚糖与鱼肉浆质量的0.5-1.35%的茶多酚溶液，35-40℃下搅拌30-50min，pH为5.5-8.5；搅拌结束后，调节pH至10-11.2，保持30-45min后将pH调节至中性，然后4000rpm下离心，取上清液，将上清液完全干燥后得到带鱼样品固体；
b）红外光谱采集及数据处理：称取步骤a）得到的带鱼样品固体1.2-4.5g，研磨粉碎，过40目筛，然后用红外光谱仪采集红外光谱，然后用OPUS5.0软件进行预处理，光谱以OPUS格式保存，然后进行聚类分析。
作为优选，内切蛋白酶为木瓜蛋白酶、Neutrase或Alcalase中的一种。
作为优选，采集近红外光谱时，采用光纤反射采样，将光纤探头直接接触带鱼样品，压实后采样。
作为优选，红外光谱仪的扫描范围4000-12000cm-1，分辨率3.5 cm-1，扫描次数40次。
作为优选，带鱼样品用红外光谱仪检测，重复测定5次，取5次扫描的平均光谱作为带鱼样品的最终指纹图谱。
作为优选，匹配值Y与阀值Z越接近，则表明待测带鱼所属产地。
作为优选，构建参考指纹谱图的带鱼的产地为舟山、大连、青岛、漳州、印度洋。
本发明的有益效果：
1）本发明利用红外色谱法建立了带鱼的指纹图谱，方法性考察表明该方法可靠、重复性较好，符合指纹图谱的要求；
2）本发明检测带鱼产地的方法操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高，准确率高达91.42%以上。
附图说明
图1是实施例1得到的平均近红外光谱图。
图2是不同产地带鱼样品近红外一阶导数和矢量一化光谱图。
图3是不同产地带鱼样品聚类图。
具体实施方式
以下通过具体实施例，对本发明做进一步的解释：
本发明中，若非特指，所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
构建不同产地带鱼标准指纹图谱的来源见下表。
表1、不同产地带鱼样品来源
| 样品号 | 产地 | 来源 | 时间 |
| 1 | 舟山 舟山渔场 | 浙江兴业有限公司 | 2011年11月 |
| 2 | 舟山 舟山渔场 | 舟山普陀金鹏水产有限公司 | 2011年11月 |
| 3 | 舟山 舟山渔场 | 舟山市东河市场 | 2011年11月 |
| 4 | 辽宁大连 渤海湾 | 大连荔沅海产有限公司 | 2012年4月 |
| 5 | 山东青岛 黄海 | 青岛城阳金利源水产商行 | 2011年12月 |
| 6 | 福建漳州 东海 | 东山县鑫连水产食品有限公司 | 2011年12月 |
| 7 | 印度洋 | 杭州农都市场 | 2011年12月 |
本发明所用红外光谱仪为Matrix-F 型近红外光谱仪(德国Bruker公司)，5个产地的带鱼样品共28份，处理得到的指纹图谱见图1，处理得到的一阶导数+矢量归一化光谱图见图2，经过聚类分析得到的聚类分析图见图3。
实施例1
一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，所述方法包括以下步骤：
a）带鱼样品的预处理：带鱼样品选择体表富有光泽、腮呈鲜红、粘液透明、眼球饱满、角膜清晰的带鱼，取10g带鱼背部肌肉样品在0到-10℃下干燥12h，备用；然后加入5倍带鱼质量的去离子水搅拌均与得到带鱼肉浆，用带鱼质量的0.36%的木瓜蛋白酶、鱼肉浆质量的0.2%的壳聚糖与鱼肉浆质量的0.5%的茶多酚溶液，35℃下搅拌30min，pH为5.5；搅拌结束后，调节pH至10，保持30min后将pH调节至中性，然后4000rpm下离心，取上清液，将上清液完全干燥后得到带鱼样品固体；
b）红外光谱采集及数据处理：称取步骤a）得到的带鱼样品固体1.2g，研磨粉碎，过40目筛，然后用红外光谱仪采集红外光谱，然后用OPUS5.0软件进行预处理，光谱以OPUS格式保存，然后进行聚类分析。
c）根据步骤a）的方法采集待测带鱼的指纹图谱。
实施例2
一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，所述方法包括：
a）带鱼样品的预处理：带鱼样品选择体表富有光泽、腮呈鲜红、粘液透明、眼球饱满、角膜清晰的带鱼，取12g带鱼背部肌肉样品在0到-10℃下干燥15h，备用；然后加入5.5倍带鱼质量的去离子水搅拌均与得到带鱼肉浆，用带鱼质量的0.54%的Neutrase、鱼肉浆质量的0.28%的壳聚糖与鱼肉浆质量的0.79%的茶多酚溶液，38℃下搅拌40min，pH为6.5；搅拌结束后，调节pH至11，保持35min后将pH调节至中性，然后4000rpm下离心，取上清液，将上清液完全干燥后得到带鱼样品固体；
b）红外光谱采集及数据处理：称取步骤a）得到的带鱼样品固体3.7g，研磨粉碎，过40目筛，然后用红外光谱仪采集红外光谱，然后用OPUS5.0软件进行预处理，光谱以OPUS格式保存，然后进行聚类分析。
c）根据步骤a）的方法采集待测带鱼的指纹图谱。
实施例3
一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，所述方法包括：
a）带鱼样品的预处理：带鱼样品选择体表富有光泽、腮呈鲜红、粘液透明、眼球饱满、角膜清晰的带鱼，取15g带鱼背部肌肉样品在0到-10℃下干燥18h，备用；然后加入6倍带鱼质量的去离子水搅拌均与得到带鱼肉浆，用带鱼质量的0.97%的木瓜蛋白酶、鱼肉浆质量的0.33%的壳聚糖与鱼肉浆质量的1.35%的茶多酚溶液，40℃下搅拌50min，pH为8.5；搅拌结束后，调节pH至11.2，保持45min后将pH调节至中性，然后4000rpm下离心，取上清液，将上清液完全干燥后得到带鱼样品固体；
b）红外光谱采集及数据处理：称取步骤a）得到的带鱼样品固体4.5g，研磨粉碎，过40目筛，然后用红外光谱仪采集红外光谱，然后用OPUS5.0软件进行预处理，光谱以OPUS格式保存，然后进行聚类分析。
c）根据步骤a）的方法采集待测带鱼的指纹图谱。
共有带鱼样本28个，其中17个作为训练集，11个作为验证集。
用OPUS 5.0软件中定性鉴别分析（Identity），建立参考谱图库。通过光谱预处理消除噪声和基线漂移的影响。预处理一阶导数+矢量归一化，在4000-8500cm-1光谱区间范围，采用因子法(Factorization)，建立这5个产地的谱图库。由于有5个组，因子的组合需尝试多次。主要通过改变X的值来改变阈值的大小，阈值Z的计算公式：阈值Z＝最大匹配值＋X*Sdev（Sdev为组内各光谱与平均光谱距离的标准偏差）。各组的阈值Z设定见表2，设定的X值为0.26。如果X值设定太大，阈值Z会相应的增大，不同类别间就会发生重叠；X值太小，阈值Z的范围会缩小，归类时易把属于该类的样品排斥在外，发生错判。实验结果证明，17个训练集样品能够被鉴定，样品分为5大类。
表2、各组设定的X值及阈值Z
| 产地 | 舟山 | 大连 | 青岛 | 漳州 | 印度洋 |
| X设定值 | 0.26 | 0.26 | 0.26 | 0.26 | 0.26 |
| 阈值Z | 0.675 | 1.134 | 1.247 | 0.895 | 0.734 |
然后将待测带鱼的指纹图谱与参考指纹谱图进行比较，得到匹配值Y，通过与阀值Z的比较，得出该带鱼的产地。结果见表3。
表3、判别分析模型预测结果
| 编号 | 判别值 | 匹配值 | 阈值 |
| S1 | 舟山 | 0.578 | 0.675 |
| S2 | 舟山 | 0.596 | 0.675 |
| S3 | 无法识别 | 1.327 | 0.675 |
| S4 | 大连 | 0.959 | 1.134 |
| S5 | 大连 | 0.905 | 1.134 |
| S6 | 青岛 | 1.214 | 1.247 |
| S7 | 青岛 | 1.209 | 1.247 |
| S8 | 漳州 | 0.881 | 0.895 |
| S9 | 漳州 | 0.817 | 0.895 |
| S10 | 印度洋 | 0.699 | 0.734 |
| S11 | 印度洋 | 0.713 | 0.734 |
从表3可以看出，10个待测带鱼的样品与各自类别中心位置的距离均在各自设定的阈值范围内，可以被正确识别。其中S3样品的匹配值大于所有类别的阈值而无法进行判别。
由图3聚类结果中可以看出，5个产地的带鱼样品基本能够被近红外光谱法区分开来，不同产地带鱼能够聚为五大类，其中聚类结果较接近的产地，其地理位置和水文环境也较为接近，结果满意。判别分析可以对未知样品进行分析。此法快速、便捷、具有科学性，为带鱼产地鉴别提供了一种新的手段和方法。
本发明检测带鱼产地的方法操作简单、检测效率高、检测结果可靠性好、快速、精确度高，准确率高达91.42%以上。
Claims (9)
1.一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，所述方法包括（1）构建不同产地带鱼的参考指纹图谱；（2）根据参考指纹图谱对不同产地带鱼的波长范围在4000-7000cm-1的原始光谱进行一阶导数和矢量归一化处理；（3）以相同方法建立待测带鱼的指纹图谱；（4）将待测带鱼的指纹图谱与步骤（1）的参考指纹图谱进行聚类分析，得到待测带鱼的产地。
2.根据权利要求1所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，步骤（4）中通过匹配值Y与阀值Z之间的大小来体现待测带鱼所属，匹配值Y为待测样品的指纹图谱与参考指纹谱图之间的光谱距离，所述阀值Z的计算公式为阀值=最大匹配值+X*Sdev，其中，Sdev为各光谱与平均光谱距离的标准偏差， 0.26≤X≤0.28。
3.根据权利要求1所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，构建不同产地带鱼的指纹图谱的步骤包括：
a）带鱼样品的预处理：带鱼样品选择体表富有光泽、腮呈鲜红、粘液透明、眼球饱满、角膜清晰的带鱼，取10-15g带鱼背部肌肉样品在0到-10℃下干燥12-18h，备用；然后加入5-6倍带鱼质量的去离子水搅拌均与得到带鱼肉浆，用带鱼质量的0.36-0.97%的内切蛋白酶、鱼肉浆质量的0.2-0.33%的壳聚糖与鱼肉浆质量的0.5-1.35%的茶多酚溶液，35-40℃下搅拌30-50min，pH为5.5-8.5；搅拌结束后，调节pH至10-11.2，保持30-45min后将pH调节至中性，然后4000rpm下离心，取上清液，将上清液完全干燥后得到带鱼样品固体；
b）红外光谱采集及数据处理：称取步骤a）得到的带鱼样品固体1.2-4.5g，研磨粉碎，过40目筛，然后用红外光谱仪采集红外光谱，然后用OPUS5.0软件进行预处理，光谱以OPUS格式保存，然后进行聚类分析。
4.根据权利要求3所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，内切蛋白酶为木瓜蛋白酶、Neutrase或Alcalase中的一种。
5.根据权利要求1或3所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，采集近红外光谱时，采用光纤反射采样，将光纤探头直接接触带鱼样品，压实后采样。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，红外光谱仪的扫描范围4000-12000cm-1，分辨率3.5 cm-1，扫描次数40次。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，带鱼样品用红外光谱仪检测，重复测定5次，取5次扫描的平均光谱作为带鱼样品的最终指纹图谱。
8.根据权利要求2所述的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，匹配值Y与阀值Z越接近，则表明待测带鱼所属产地。
9.根据权利要求1或2或3或4或8所属的一种红外光谱法检测带鱼产地的方法，其特征在于，构建参考指纹谱图的带鱼的产地为舟山、大连、青岛、漳州、印度洋。
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