一種黃花魚水分和脂肪含量的無損測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料的分析測(cè)定領(lǐng)域，具體涉及一種基于核磁共振的分析測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 黃花魚隸屬魚綱，石首魚科，分為大黃魚（Pseudosciaena crocea)和小黃魚 (Psendosciaena polyactis)，分別為我國四大海洋業(yè)品種之一。大黃魚也叫大先、金龍、黃 瓜魚、紅瓜、黃金龍、桂花黃魚、大王魚、大黃鲞；小黃魚也叫梅子、梅魚、小王魚、小先、小春 魚、小黃瓜魚、厚鱗仔、花魚。近幾十年來，黃花魚一直是中國、韓國和日本的一個(gè)重要的經(jīng) 濟(jì)漁業(yè)資源，且每年的產(chǎn)量超過30萬噸（Conservation Genetics Resources，2013，6，397-399;Fisheries Research,2014,153,41-47)。黃花魚富含多不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、多種微 量元素和豐富的生理活性物質(zhì)(鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,11，32-34)，對(duì)人體有很好的補(bǔ)益 作用，對(duì)體質(zhì)虛弱和中老年人來說，食用黃魚會(huì)收到很好的食療效果，其營養(yǎng)成分是消費(fèi)者 和海產(chǎn)品行業(yè)最關(guān)心的品質(zhì)參數(shù)。黃花魚的脂肪和水分含量是評(píng)價(jià)其品質(zhì)和安全性的重要 指標(biāo)。脂肪含量的高低不僅直接影響魚肉的營養(yǎng)價(jià)值，也影響黃花魚的后期加工。另一方 面，由于黃花魚中含有大量的水分，存儲(chǔ)過程中水分含量高低影響微生物群落的增長，從而 影響魚肉的貨架期。因此檢測(cè)黃花魚中脂肪和水分含量具有十分重要的意義。
[0003] 傳統(tǒng)方法測(cè)量黃花魚的水分和脂肪含量，分別是直接加熱干燥和有機(jī)溶劑萃取獲 得的。這些傳統(tǒng)方法雖然可以獲得直接、可靠的測(cè)量結(jié)果，但它們需要破壞樣品，只檢測(cè)小 部分代表性的樣本以獲得平均值，無法保證測(cè)定數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染環(huán)境。 因此發(fā)展一種快速無損、可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)黃花魚脂肪和水分含量的檢測(cè)方法是非常必要 的。近紅外光譜可以成功地用于檢測(cè)魚中水分和脂肪的含量，與物理化學(xué)分析方法測(cè)得的 結(jié)果具有較高相關(guān)性（Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 1988,42: 199-207)。然而，近紅外光譜技術(shù)的主要缺點(diǎn)是反射光譜僅提供樣品表層的信息，無法檢測(cè) 不均勻樣品的內(nèi)部脂肪和水分含量。
[0004] 核磁共振作為一種重要的現(xiàn)代分析手段已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，與近紅外光譜相 比，由于低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)具有固定磁矩的原子核(主要是氫質(zhì)子），它能夠測(cè)量完整樣品 而不受表面性質(zhì)的影響，具有非侵入、快速、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等顯著優(yōu)勢(shì)。低場(chǎng)核磁共振已被 證明是一個(gè)通用的分析方法用于研究魚的品質(zhì)（Journal of food science and technology 2013,50,228-38)，水和脂肪含量（Journal of the Science of Food and Agriculture，2005，85，1299-1304)。但是，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)檢測(cè)完整黃花魚中水分 和脂肪含量的研究尚未報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明目的是提供一種基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的 黃花魚水分和脂肪含量的快速無損測(cè)定方法，該方法不僅可以同時(shí)測(cè)定黃花魚水分和脂肪 含量，而且不破壞樣品，不受樣品表面性質(zhì)影響，適合于黃花魚品質(zhì)質(zhì)量控制。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：
[0007] -種黃花魚水分和脂肪含量的無損測(cè)定方法，包括步驟：
[0008] (1)黃花魚樣品測(cè)試:將完整黃花魚樣品放于核磁共振成像分析儀的永磁場(chǎng)射頻 線圈的中心，利用CPMG序列采集橫向弛豫信號(hào)，每次重復(fù)采集1~5次信號(hào)，取平均值，進(jìn)行 多指數(shù)擬合得到黃花魚樣品的橫向弛豫圖譜；
[0009] (2)黃花魚水分和脂肪含量的測(cè)定:將黃花魚樣品恒重干燥，得到黃花魚樣品中的 水分含量;黃花魚樣品以石油醚為提取劑，采用索氏提取法得到黃花魚樣品中的脂肪含量；
[0010] (3)黃花魚水分和脂肪含量預(yù)測(cè)模型的建立:根據(jù)黃花魚的橫向弛豫數(shù)據(jù)T2和步 驟(2)測(cè)得的水分和脂肪含量數(shù)據(jù)，用回歸分析方法處理NMR弛豫數(shù)據(jù)和水分和脂肪含量數(shù) 據(jù)，以T2弛豫譜作為獨(dú)立變量、水和脂肪含量值作為因變量，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的主成分回歸 法(PCR)和/或偏最小二乘回歸法(PLSR)，建立黃花魚水分和脂肪含量預(yù)測(cè)模型；
[0011] (4)信號(hào)數(shù)據(jù)分析和處理：建立的模型可以通過校正集的相關(guān)系數(shù)(Rcal2)，校準(zhǔn) 的均方根誤差(RMSEC)，交叉驗(yàn)證的相關(guān)系數(shù)(Rcv2)，交叉驗(yàn)證的均方根誤差(RMSECV)和剩 余的預(yù)測(cè)偏差(RPD)中的一種或多種方法進(jìn)行評(píng)估。
[0012] 本發(fā)明所述的無損測(cè)定方法，具體地，用核磁共振成像分析儀采集橫向弛豫信號(hào) 的條件為:90度脈寬PI: 13ys，180度脈寬P2: 26ys，重復(fù)采樣等待時(shí)間Tw: 2000-10000ms，模 擬增益RG1:10到20,（均為整數(shù)），數(shù)字增益DRG1: 2到5(均為整數(shù)），前置放大增益PRG: 1到3 (均為整數(shù)），NS: 4、8、16，NECH: 2000-10000，接收機(jī)帶寬SW: 100、200、300KHz，開始采樣時(shí)間 的控制參數(shù) RFD: 0 · 002-0 · 05ms，時(shí)延 DL1:0 · 1-0 · 5ms。
[0013] 其中，所述步驟（1)中橫向弛豫數(shù)據(jù)T2的測(cè)定參數(shù)設(shè)置為:采樣點(diǎn)數(shù)TD: 200000-600000〇
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟⑵中水分的測(cè)定:將切碎的黃花魚樣品在40-80°C鼓風(fēng)干燥 箱中直接干燥，得到黃花魚樣品中的水分含量；
[0015] 脂肪的測(cè)定:將切碎的黃花魚樣品放入真空冷凍干燥儀中24-72h。從真空冷凍干 燥儀取出后，用粉碎機(jī)將干燥黃花魚樣品粉碎，粉碎的黃花魚樣品用濾紙包好，放入索氏提 取器中，然后向圓底燒瓶中加入50-150ml石油醚，在90°C下提取6-12h，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去石油 醚，再真空干燥l_3h，使油脂中殘留的石油醚徹底揮發(fā)，得到黃花魚樣品中的脂肪含量。
[0016] 通常，切碎的尺寸是厘米級(jí)大小，粉碎后尺寸是微米級(jí)大小的粉末，例如是100微 米以下的樣品粉末。
[0017] 其中，所述步驟(3)中，以建模集樣本的1000個(gè)CPMG回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)作為自變量X，因 變量Y是黃花魚的水分或脂肪含量，基于The Unscrambler軟件，通過PCR和PLSR建立X與Y的 相關(guān)性模型，采用全交互驗(yàn)證檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠癯霈F(xiàn)過擬合現(xiàn)象。
[0018] 進(jìn)一步地，在步驟(4)中，以模型決定系數(shù)R2和均方根誤差(RMSE)對(duì)步驟(3)建立 的含量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，R2越大，RMSE越小，獲得的模型效果越好?；诓襟E(4)的評(píng)價(jià)， 可確定兩種回歸方法建立的模型哪個(gè)更優(yōu)。
[0019]更優(yōu)選地，在步驟⑶中，主成分回歸分析法(PCR)建立預(yù)測(cè)t型時(shí)，通過殘余方差 分析確定水分和脂肪的因子數(shù)為1和8。
[0020]其中，在步驟(3)中，偏最小二乘回歸法(PLSR)建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，通過殘余方差分 析確定水分和脂肪的因子數(shù)為1和7。
[0021] 本發(fā)明所述方法還包括步驟:待測(cè)黃花魚樣品用核磁共振成像分析儀，采用和步 驟（1)同樣的方法采集橫向弛豫信號(hào)，基于步驟(3)求得的回歸模型。判定待測(cè)黃花魚樣品 中水和脂肪含量。
[0022] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0023] 本發(fā)明提出的方法，利用主成分回歸法(PCR)和偏最小二乘回歸法(PLSR)研究光 譜和組分之間的相關(guān)性，以黃花魚的低場(chǎng)核磁共振弛豫數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以黃花魚中水分 和脂肪含量為指標(biāo)，建立黃花魚水分和脂肪含量PCR和PLSR預(yù)測(cè)模型，并對(duì)PCR和PLSR預(yù)測(cè) 模型進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了黃花魚水分和脂肪含量的快速檢測(cè)。建立了一種基于低場(chǎng)核磁共振 技術(shù)的黃花魚水分和脂肪含量的快速無損測(cè)定方法。
[0024]本發(fā)明方法建立的模型，其中水分的PCR預(yù)測(cè)模型，校正集和交互驗(yàn)證集的相關(guān)系 數(shù)Rcal2和Rcv2均大于0.98，均方根誤差RMSEC和RMSECV均小于0.72，Rro值為9.1835，大于 3。脂肪的PCR預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)Rcal2和Rcv2均大于0.88,均方根誤差RMSEC和RMSECV均 小于0.16，RTO值為3.2015,大于3。
[0025]水分的PLSR預(yù)測(cè)模型，校正集和交互驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)Rcal2和Rcv2均大于0.98， 均方根誤差RMSEC和RMSECV均小于0.72，RPD值為9.2360，大于3。脂肪的PLSR預(yù)測(cè)模型的相 關(guān)系數(shù)Rcal2和Rcv2均大于0.89，均方根誤差RMSEC和RMSECV均小于0.16，RPD值為3.3730， 大于3。
【附圖說明】
[0026]圖1為黃花魚樣品的CPMG衰減曲線(A)和T2橫向弛豫圖譜(B)。
[0027] 圖2為黃花魚水分含量PCR模型的殘余方差和主成分?jǐn)?shù)關(guān)系圖(A)，及預(yù)測(cè)散點(diǎn)分 布圖(B)。
[0028] 圖3為黃花魚脂肪含量PCR模型的殘余方差和主成分?jǐn)?shù)關(guān)系圖(A)，及預(yù)測(cè)散點(diǎn)分 布圖(B)。
[0029]圖4為黃花魚水分含量PLSR模型的殘余方差和主成分?jǐn)?shù)關(guān)系圖（A)，及預(yù)測(cè)散點(diǎn)分 布圖(B)。
[0030] 圖5為黃花魚脂肪含量PLSR模型殘余方差和主成分?jǐn)?shù)關(guān)系圖(A)，及預(yù)測(cè)散點(diǎn)分布 圖⑶。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0032] 如無特殊說明，實(shí)施例中采用的手段均為本領(lǐng)域常規(guī)的技術(shù)手段。
[0033]實(shí)施例1黃花魚樣品的磁共振弛豫譜
[0034]取市售的新鮮黃花魚樣品，設(shè)三個(gè)平行樣，質(zhì)量為25.24 ± 9.29g，清水反復(fù)沖洗 后，用濾紙擦干表面水分。將黃花魚樣品分別放于核磁共振成像分析儀（型號(hào)是Mini MR-Rat)的永磁場(chǎng)射頻線圈的中心，利用Carr-Purce 11-Me iboom-Gi 11 (CPMG)序列測(cè)定，采樣參 數(shù)設(shè)置為：重復(fù)采樣等待時(shí)Tw: 3000ms，模擬增益RG1:15，數(shù)字增益DRG1:3，前置放大增益 PRG: 1，累加次數(shù)NS: 8，回波個(gè)數(shù)NECH: 1000，時(shí)延DL1:0.5ms，采樣點(diǎn)數(shù)TD: 208496，每個(gè)樣品 重復(fù)采集3次信號(hào)，取平均值，最后應(yīng)用Multi