王小燕，顾赛麒，刘 源，陆 烨，王锡昌

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

近红外光谱法快速检测带鱼肉中的水分和蛋白质含量

王小燕，顾赛麒，刘 源，陆 烨，王锡昌*

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

应用傅立叶变换近红外光谱分析技术对带鱼肉中水分和蛋白质含量进行了研究。分别建立原始光谱、间隔2点一阶导数（dblg2）、3点平滑（sa3）、标准归一化（SNV）和多元散射校正（MSC）的偏最小二乘回归（PLS）模型，比较定标相关系数（Rc）、预测相关系数（Rv）、定标标准差（SEC）和预测标准差（SEP），建立了MSC预测模型，水分和蛋白质近红外检测模型的相关系数均在0.9以上。SEC分别为0.74和0.68，SEP分别为0.81和0.73。将确定的模型进行了外部验证，水分和蛋白质NIR预测值和化学分析值的配对t检验差异均不显著。说明近红外光谱法应用于带鱼肉中水分和蛋白质含量的快速检测是可行的。

近红外，带鱼肉，水分，蛋白质

带鱼（Trichiurus japonicas）广泛分布于中国各海域，据统计带鱼渔获量在中国海洋渔业单鱼种中位居第一，而其中又以东海区渔获量最高，占中国同种渔获量的80%～90%[1]。因此本研究选取东海带鱼作为研究对象具有重要的现实意义。带鱼营养丰富、味道鲜美，有一定的食疗保健作用。现阶段，随着人民生活水平的不断提高，消费者对带鱼的品质提出了更高的要求。而水分和蛋白质作为带鱼的两大组分，对其口感、风味和营养价值均有较大影响，更与带鱼品质高低直接相关。目前，针对此2种指标的常规检测方法有恒温干燥法和凯氏定氮法，但它们具有费时、费力、试剂消耗量大等缺点，难以实现样品的大批量快速检测，无法满足相关企业的现代化生产需求，故开发一种绿色、无损的快速检测手段已成为市场关注的热点。近红外光谱分析技术（Near Infrared Reflectance Spectroscopy，NIRS）是近年来迅速发展起来的一种绿色分析技术，因其快速、无损、操作简便、环保等特点广泛应用于石油化工、医药、农业等领域[2-3]。刘魁武[4]等和杨建松[5]等分别利用近红外光谱技术研究了冷鲜猪肉和牛肉品质。Khalil Khodabux[6]等建立了金枪鱼中水分、脂肪和蛋白质含量的近红外检测模型，Gerard Downey[7]和Are Folkestad等[8]分别应用近红外光谱技术研究了三文鱼中水分、脂肪含量和脂肪、色素含量。本研究采用780～2526nm的近红外反射光谱对带鱼肉进行分析，建立了其水分和蛋白质含量的近红外快速检测模型。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

东海带鱼共71尾 分5个批次采购于上海芦潮港水产市场、南汇区惠南镇乐购超市和欧尚超市，体重范围0.48～1.00kg，购买后放入内置冰袋的隔热泡沫箱内立即带回实验室，快速处理样品后转移至-18℃冰箱中贮藏。

全自动凯氏定氮仪Kjeldahl 2300 丹麦FOSS公司；NIR Flex N-500傅立叶变换近红外光谱仪 瑞士BUCHI公司，光源为钨灯，检测器为珀耳帖温控InGaAs，波长精度为±0.2cm-1，带固体测量池和培氏培养皿附件。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 鱼样去头、去内脏、去骨、去鳞，用清水冲洗干净，纱布吸干表面水分，切块后放入研磨机研磨3次，10s/次，使其充分均质。每尾带鱼取300g均质后肉样，分配成3份，每份100.0g（71尾带鱼共得213份），立即装入食品级密封袋封口，置于-18℃冰箱中贮藏。每份小样均进行近红外光谱采集和水分、蛋白质指标的测定，每个样品重复测定3次。

1.2.2 水分含量 按照GB 5009.3-2010进行测定。

1.2.3 蛋白质含量 按照GB 5009.5-2010进行测定。

1.2.4 近红外检测

1.2.4.1 光谱采集 每份小样中取60g肉样放入培氏培养皿中（剩余肉样进行水分、蛋白质含量检测），将肉样充分压实，以玻璃皿底部不存在较大气泡为准。

光谱采集采用漫反射方式，扫描谱区波数范围为4000～10000cm-1，扫描次数为32次，分辨率为8cm-1，以Spectralon为参照背景。每4cm-1采集一个数据点，共采集1501个。扫描温度控制在20～25℃之间。

1.2.4.2 定量模型建立 利用Buchi公司的NIRCal5.2软件作为数据处理软件，对采集的NIR光谱分别以间隔2点一阶导数法（dblg2）、3点平滑法（sa3）、标准归一化法（SNV）及多元散射校正法（MSC）4种方法进行预处理，以偏最小二乘法（Partial Least Square，PLS）建立定量分析模型。

1.2.4.3 模型的评价与验证 以随机筛选1/3总量的样品建立验证集（剩余2/3为定标集），进行模型内部验证；另以市场上新购买的5尾带鱼作为盲样进行模型外部验证。

以预测残差平方和（PRESS）最小为标准选择最佳主因子数，以定标相关系数（Rc）、预测相关系数（Rv）、定标标准差（SEC）、预测标准差（SEP）为指标优化建模参数以及衡量模型优劣。

2 结果与分析

2.1 理化分析结果

由表1可知，71个样本的水分和蛋白质含量范围较广，浓度分布均匀，满足建立近红外定量模型的基本条件。

表1 带鱼肉样品中水分和蛋白质含量的分析结果Table 1 Results of moisture and protein analysis of hairtail mince samples

2.2 最佳模型的确立

比较不同光谱预处理方法的建模效果，以定标集和验证集的相关系数和定标标准差、验证标准差4个指标，选择最佳的建立模型方法。本研究中，带鱼肉水分和蛋白质模型均采用偏最小二乘（PLS）的回归方法。水分和蛋白质的建模条件见表2，光谱数据各种预处理方法的比较结果见表3。

表2 水分和蛋白质的建模条件Table 2 Parameters for establishing the moisture and protein models

表3 不同处理方法的模型结果比较Table 3 The result of calibration models using different data processing

根据Rc和Rv最大且SEC和SEP最小，可确定水分和蛋白质的最优模型均为MSC处理后的模型。经MSC处理后，水分和蛋白质的定标相关系数和验证相关系数均达到了0.90以上，说明定标效果较好。经MSC处理后的带鱼肉近红外光谱图见图1。

从图1中可以看出样品近红外光谱的谱峰较宽，这是因为带鱼肉成分比较复杂，这些复杂成分中所含的多种分子、各类基团均可能在同一波段产生特征吸收，造成谱峰重叠。经多元散射校正（MSC）处理后，有效地消除基线平移和偏移现象，提高了光谱的信噪比，使得样品光谱特征更为清晰，有利于后期模型的建立[9]。

水分占带鱼肉总重70%以上，其所含的O-H键在红外谱区内存在很强的特征吸收带（其他分子的吸收相对较弱）。观察图1发现，5200、7000、8000、10000cm－1附近出现了较强烈的吸收峰，这是由样品中水分子所含O－H键导致。据文献报道[10]，水分子O－H键一级倍频吸收带在近红外区的6944cm－1（1440nm），二级倍频吸收带在10420cm－1（960nm）；其合频吸收带主要有2处，较强处在5155cm－1（1940nm），较弱处在8197cm－1（1220nm）。经比对后发现，图1结果与上述文献报导较为吻合。此外，在图1中有其他近红外特征吸收峰出现，由相关分析理论推知，4600cm－1（2174nm）可能为蛋白质分子中的含氢基团N－H键的伸缩振动和弯曲振动的合频吸收带，而6000cm－1处出现的吸收峰则可能为脂肪中C－H键的近红外吸收。

图2为带鱼肉蛋白质含量的化学分析值和近红外预测值的散点图。从图中可以直观看出预测值和化学分析值之间具有很好的相关性。蛋白质定标集和验证集的相对标准偏差（RSD）均小于10%，相对分析误差（RPD）均大于3，总体来说NIRS定标模型比较理想。

表4 模型的外部验证结果Table 4 The result of the models external validation

图1 MSC处理后的近红外光谱图Fig.1 NIR reflectance spectra of hairtail mince samples treated by MSC

图2 蛋白质含量的化学分析值和NIR预测值散点图Fig.2 Scatter plots of the chemical analysis value versus NIR predictive value of protein content

2.3 模型的验证

校正模型建立以后，本研究另外选取了5个样品对所建立的模型进行外部验证，将水分和蛋白质模型的预测值和化学值作为成对数据，利用统计软件SPSS进行配对t检验，进一步分析模型的预测准确性，结果见表4。

设定置信度为95%时，t0.05（4）=2.78，水分和蛋白质的化学分析值和NIR预测值都没有显著性差异（P＞0.05）。说明近红外光谱法代替传统的标准方法分析测定带鱼肉中水分和蛋白质含量是完全可行的。

3 结论

本研究利用傅立叶变换近红外反射光谱采集了东海带鱼的光谱信息，比较了原始光谱以及dblg2、sa3、SNV和MSC预处理光谱建立的偏最小二乘回归（PLS）模型，经分析，MSC处理后的模型最佳。水分模型的定标相关系数和预测相关系数分别为0.96和0.92，蛋白质模型的定标相关系数和预测相关系数分别为0.92和0.90，并通过外部验证检验了模型的预测准确性。配对t检验结果表明，近红外预测值与化学分析值没有显著性差异。因此，近红外光谱技术能够快速、准确预测带鱼肉中水分和蛋白质含量。

由于受条件所限，本研究仍存在一些不足之处。如样品信息量不够强大；其次，如能采用光纤探头采集样品光谱，则能达到真正的无损检测。这些不足的地方，在以后的研究中有待进一步加强。

[1]凌建忠，严利平，林龙山，等.东海带鱼繁殖力及其资源的合理利用[J].中国水产科学，2005，12（6）：726－730.

[2]N Prieto，S Andrés FJ Giráldez.Ability of near infrared reflectance spectroscopy（NIRS）to estimate physical parameters of adult steers（oxen）and young cattle meat samples[J].Meat Science，2008，79（4）：692－699.

[3]Ragnar Nortvedt，Ole J Torrissen，Stig Tuene.Application of near－infrared transmittance spectroscopy in the determination of fat，protein and dry matter in Atlantic halibut fillet[J].Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，1998，42：199－207.

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[5]刘魁武，成芳，林宏建，等.可见/近红外光谱检测冷鲜猪肉中的脂肪、蛋白质和水分含量[J].光谱学与光谱分析，2009，29（1）：102－104.

[6]Khalil K，Maria SS L’O，Sabina J L，et al.Chemical and near－infrared determination of moisture，fat and protein in tuna fishes[J].Food Chemistry，2007，102：669－675.

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[8]Are Folkestad，Jens Petter Wold，Kjell－Arne Rorvik，et al. Rapid and non－invasive measurements of fat and pigment concentrations in live and slaughtered Atlantic salmon（Salmo salar L.）[J].Aquaculture，2008，280：129－135.

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[10]严衍禄，赵龙莲，韩东海，等.近红外光谱分析基础与应用[M].北京：中国轻工业出版社，2005.

Rapid determination of moisture and protein contents in hairtail mince by near infrared reflectance spectroscopy（NIRS）

WANG Xiao-yan，GU Sai-qi，LIU Yuan，LU Ye，WANG Xi-chang*
（College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Moisture and protein content of hairtail mince were determined by fourier transform near infrared reflectance spectroscopy（FT-NIRS）.The partial least squares（PLS）prediction models were developed based on the original，dblg2，sa3，SNV and multiplicative scatter correction（MSC）spectra，respectively.By comparing the Rc，Rv，SEC and SEP，the MSC model was established.The correlation coefficients of the moisture and protein calibration models obtained were above 0.9，the SEC was 0.74 and 0.68，respectively，the SEP was 0.81 and 0.73，respectively.The models were further validated，the result showed that there was no significant difference between NIR prediction value and chemical analysis value.So the NIR spectroscopy technology was a rapid and effective technique which was suitable to determine moisture and protein content in hairtail mince.

near infrared spectroscopy；hairtail mince；moisture；protein

TS254.1

A

1002-0306（2012）05-0317-03

2011－02－16 *通讯联系人

王小燕（1986-），女，硕士研究生，研究方向：食品营养与安全。

“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAD94B09）；国家自然科学基金（30901125）；上海市教委重点学科建设项目（J50704）。