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        應(yīng)用低場核磁共振技術(shù)檢測注水肉的探討

        2018-11-28 05:26:44王佳慧艾竹君馮蔚旭許建梅
        農(nóng)產(chǎn)品加工 2018年22期
        關(guān)鍵詞:分類測量信號

        王佳慧,艾竹君,馮蔚旭,何 丹,楊 芳,許建梅

        (1.海南醫(yī)學(xué)院熱帶醫(yī)學(xué)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院,海南???571199;2.海南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院,海南海口 571199;3.海南醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心,海南???571199)

        一些不法商人為了牟取利益,采取人為的方式將水泵入肉中,增加肉的質(zhì)量,生產(chǎn)注水肉。注水肉流入市場不僅會導(dǎo)致肉品市場秩序紊亂,還會因?yàn)樗淖⑷敫淖內(nèi)庠镜纳憝h(huán)境,容易引起病菌感染,危害人們的身體健康。隨著生活水平的提高,人們對肉品的質(zhì)量要求也變得更高。因此,有必要尋找一種快速、準(zhǔn)確檢測注水肉的方法,為人們采購生肉提供質(zhì)量保障。

        目前有多種方法可以用于檢測注水肉,例如感官檢驗(yàn)法、鏡檢法、熟食率法、試紙法和干燥法等。感官檢驗(yàn)法雖可以快速檢測注水肉,但是由于個體感官的差異,每個人判斷的結(jié)果有可能不同,導(dǎo)致準(zhǔn)確性較差。試紙法雖簡單易行,但是靈敏度不高。干燥法雖準(zhǔn)確可靠,但耗時(shí)耗電,且破壞了樣本[1]。近年來,無損檢測注水肉的方法有生物電阻抗法、超聲波法和低場核磁共振法等[2-5]。其中生物電阻抗法雖然操作簡單、功能齊全,但阻抗值精度除受肉品組分影響,還與溫度、頻率、電極形狀等因素有關(guān)。超聲波法雖然快速準(zhǔn)確且能應(yīng)用于透明體系,但氣泡的存在會降低其他組分的超聲波信號,對測定產(chǎn)生干擾[6]。低場核磁共振技術(shù)具有非破壞性、小體積和快速檢測的優(yōu)點(diǎn),成為近些年研究肉類的含水量和檢測注水肉的熱點(diǎn)之一。

        豬里脊肉中水分占72.6%,蛋白質(zhì)占21.5%,脂肪占4.5%,水分所占比例最大。蓋圣美等人[7]利用低場核磁共振檢測分析注水豬肉中水分子的弛豫特性,分析了不同質(zhì)量(1,2,3,4,5 g) 下,不同注水比例(0,10%,20%,30%,40%,50%) 下肉樣品的橫向弛豫譜參數(shù)的變化。得出在樣品質(zhì)量為3 g時(shí)采樣,有利于獲得穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果。但該研究要求注水比例偏大,對注水比例較小的肉樣品無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測。Jianmei Xu等人[8]通過研究注水比例較低(0,2%,6%,10%,14%)肉樣品的橫向弛豫譜參數(shù)的規(guī)律性變化,建立了注水肉的識別模型,回代驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證的正確率均為88%。試驗(yàn)是在此基礎(chǔ)上通過增大樣本量來試探性地提高檢測的正確率,進(jìn)一步驗(yàn)證建立的注水肉識別模型,為提高市場上對低注水比例注水肉的檢測能力提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與設(shè)備

        材料:豬里脊肉,購于當(dāng)?shù)爻?,去除表面的脂肪和結(jié)締組織。

        設(shè)備:MesoMR23-060H-I型核磁共振成像分析儀,蘇州紐邁分析儀器股份公司產(chǎn)品;JA1003型電子天平,上海良平儀器儀表有限公司產(chǎn)品;H.SWX-420BS型電熱恒溫水溫箱,上海新苗醫(yī)療器械制造股份公司產(chǎn)品;100μL微量注射器,上海高鴿工貿(mào)有限公司產(chǎn)品;手術(shù)刀。

        1.2 原理

        含氫質(zhì)子的樣品受射頻脈沖激勵發(fā)生核磁共振現(xiàn)象,隨后從激發(fā)態(tài)回到平衡態(tài)發(fā)生弛豫。對單組分的樣品,其在弛豫過程中產(chǎn)生的核磁共振信號按指數(shù)規(guī)律衰減。而肉是多組分樣品,其在弛豫過程中產(chǎn)生的信號按多重指數(shù)規(guī)律衰減,如公式(1)所示。

        式中:Pi——樣品中第i種成分的信號強(qiáng)度;

        T2i——第i種成分的橫向弛豫時(shí)間,其大小與氫質(zhì)子所處的微觀環(huán)境有關(guān)。

        用CPMG序列測量不同時(shí)間的NMR信號,采用一定的算法計(jì)算出不同成分的Pi,得到樣品的橫向弛豫譜,該過程稱為反演。通過研究肉樣品的橫向弛豫譜與注水比例的關(guān)系,尋找檢測注水肉的方法。

        1.3 樣品制備

        試驗(yàn)?zāi)M用注射器將水直接泵入肉中產(chǎn)生的注水肉。采集來自14頭豬的14塊里脊肉。將每塊里脊肉制成15份肉樣品,每份肉樣品的質(zhì)量為10+0.1 g,盡可能將肉樣品切成方形,3份肉樣品為1組,共5組。其中沒有注入水的一組作為正常肉樣品,另外4組作為注水肉樣品,分別注射2%,6%,10%和14%的純凈水,共制備210個樣品,將每個樣品單獨(dú)裝入小型自封袋中,將這些樣品放置在4℃冰箱中冷凍保存6 h。

        1.4 NMR信號的測量

        1.4.1 設(shè)置序列參數(shù)

        使用低場核磁共振成像分析儀進(jìn)行NMR信號測量時(shí),必須合理設(shè)置序列參數(shù),才能保證測量的準(zhǔn)確性。為此,用質(zhì)量為10+0.1g的正常肉和注水比例為14%的2種肉樣品做預(yù)試驗(yàn),以確定正式試驗(yàn)時(shí)所選用的序列參數(shù)值。試驗(yàn)選用的射頻脈沖序列為CPMG序列。

        (1) 設(shè)置重復(fù)采樣等待時(shí)間(TW)。在進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí),為了保證每次測量的起點(diǎn)相同,必須在信號采集結(jié)束后,等待足夠長的時(shí)間再進(jìn)行下一次信號的采集和測量,以確保在等待時(shí)間內(nèi)樣品的縱向弛豫過程已經(jīng)基本完成。

        (2) 設(shè)置射頻延時(shí) (RFD)。MesoMR23-060HI型核磁共振成像分析儀的接收機(jī)開始接收信號的時(shí)間是固定的,過早施加90°射頻脈沖,開始接收的信號可能不是最大的信號。延遲發(fā)射90°射頻脈沖,可能在90°射頻脈沖發(fā)射前就已經(jīng)開始接收信號了,導(dǎo)致可能接收到射頻脈沖結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的振蕩信號,影響測量的準(zhǔn)確性。因此,需要通過預(yù)試驗(yàn),設(shè)置合理的序列參數(shù)RFD,確定第1個測量點(diǎn)的位置是排除振蕩信號的最大信號。

        (3) 設(shè)置前置放大增益 (PRG)、模擬增益(GR)1和數(shù)字增益 (DRG)

        這3個增益的作用是確定放大采集的磁共振信號的倍數(shù),提高信噪比。但信號放大的前提是不能出現(xiàn)信號失真。在對多組信號進(jìn)行測量時(shí),為了保證測量的一致性,3個設(shè)定好的增益值是不能改變的。因此,需要用正常肉樣品觀察信號是否太弱,用注水比例為14%的肉樣品觀察是否發(fā)生了失真,從而確定3個增益的合理取值。

        (4) 設(shè)置采樣頻率(SW)、回波時(shí)間 (TE) 和回波個數(shù)(NECH)。信號的采樣頻率不能太小,太小將導(dǎo)致部分信號的丟失,太大將使信噪比變小,弱的信號將被噪聲淹沒。采用CPMG序列測量NMR信號隨時(shí)間的變化曲線時(shí),采樣時(shí)間要足夠長,使樣本的橫向弛豫在采樣時(shí)間內(nèi)已經(jīng)基本完成。采樣時(shí)間由TE和NECH這2個參數(shù)的乘積決定。在保證采樣時(shí)間足夠長的前提下,選取的回波個數(shù)越多,回波時(shí)間就越短。回波個數(shù)多,采集的數(shù)據(jù)多,得到的NMR信號隨時(shí)間的變化曲線更準(zhǔn)確。但是,隨著回波個數(shù)的增多,回波時(shí)間的變短,信噪比變小,又將影響NMR信號測量的精度。需要用正常肉樣進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),找到合適的SW,TE和NECH。

        1.4.2 NMR信號的采集及測量

        從冰箱中取出冷藏6 h的樣品,將裝入自封袋的樣品置于32℃恒溫水浴箱中20 min,使肉溫達(dá)到32℃。將肉樣品置于專門設(shè)計(jì)的動物床上,并使用低場核磁共振成像分析儀進(jìn)行NMR信號的采集和測量。每個樣品重復(fù)測量2次。所選射頻脈沖序列為CPMG序列,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果,將序列參數(shù)設(shè)置如下:TW=6 000 ms, RFD=0.1 ms, PRG=2, RG1=20.0 db,DRG1=3,SW=100 kHz,TE=0.22 ms,NECH=18 000,NS=8。

        1.5 數(shù)據(jù)的處理與分析

        采用磁共振分析軟件Ver 4.0對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多組分反演,得到每個肉樣品的橫向弛豫譜及相對應(yīng)的弛豫譜參數(shù)的值。

        由于每組有3個平行樣品,每個樣品重復(fù)測量了2次。因此,最終的數(shù)據(jù)要取它們的平均值。共得到70組數(shù)據(jù)。

        應(yīng)用軟件IBM SPSSStatistics 24對70組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用判別分析法建立檢測注水肉的模型。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 肉樣品的NMR信號和橫向弛豫譜

        5種不同注水比例的肉樣品的NMR信號隨時(shí)間的變化曲線見圖1。

        圖1 5種不同注水比例的肉樣品的NMR信號隨時(shí)間的變化曲線

        NMR信號隨時(shí)間衰減,注水比例不同的肉樣品產(chǎn)生的信號大小不同,衰減的速度不同。注水比例大的肉樣品產(chǎn)生的NMR信號較強(qiáng),衰減的速度較慢。

        5種不同注水比例的肉樣品的橫向弛豫譜見圖2。

        每個肉樣品的橫向弛豫譜一般由3個峰組成,這3個峰對應(yīng)于3種不同狀態(tài)的水,它們分別是結(jié)合水,不易流動水和自由水[9]。橫向弛豫譜的3個峰的面積、總峰面積、每個峰面積占總面積的比例,以及3個峰的起點(diǎn)、頂點(diǎn)和終點(diǎn)對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間均稱為橫向弛豫譜參數(shù),共有16個橫向弛豫譜參數(shù)。從圖2可以看出不同注水比例的肉樣品的橫向弛豫譜參數(shù)存在差異。

        圖2 5種不同注水比例的肉樣品的橫向弛豫譜

        2.2 用判別分析法建立注水肉檢測模型

        判別分析是利用已知類別的樣本建立判別模型,對未知類別的樣本進(jìn)行判別的一種統(tǒng)計(jì)方法。判別分析的特點(diǎn)是根據(jù)已掌握的每個類別的若干樣本的數(shù)據(jù)信息,總結(jié)出客觀事物分類的規(guī)律性,建立判別公式和判別準(zhǔn)則,當(dāng)遇到新的樣本時(shí),根據(jù)總結(jié)出來的判別公式和判別準(zhǔn)則,就能判別該樣本所屬的類別[10]。使用判別分析的關(guān)鍵點(diǎn)有2點(diǎn),一是測量樣品的各種屬性在各類別之間是否存在顯著差異;二是哪些屬性適合用來判別分類。試驗(yàn)將肉樣品按注水比例0,2%,6%,10%,14%分為5個類別,分別用1~5的5個數(shù)字來表示。試驗(yàn)可以得到每個樣品的16個橫向弛豫譜參數(shù)值,這些參數(shù)值中的絕大多數(shù)隨注水比例發(fā)生規(guī)律性變化,且在5個不同類別間存在顯著差異,可以用這些參數(shù)值為區(qū)分注水比例提供信息。不同的橫向弛豫譜參數(shù)區(qū)分注水比例的能力不同,總峰面積、不易流動水比例、自由水比例及自由水峰的3個弛豫時(shí)間區(qū)分注水比例的能力較強(qiáng),可用這些參數(shù)作為預(yù)測變量建立判別函數(shù)[8]。

        考慮到預(yù)測變量的無多重共線性的要求,最終選擇總峰面積S,自由水比例P23和自由水峰終點(diǎn)對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間T23e作為預(yù)測變量,通過對測量樣本的訓(xùn)練,建立判別函數(shù),實(shí)現(xiàn)對不同注水比例的注水肉的區(qū)分。

        2.2.1 驗(yàn)證預(yù)測變量

        組平均值的同等檢驗(yàn)見表1。

        表1是組平均值同等檢驗(yàn)的結(jié)果,Wilks'Lambda值在0~1,數(shù)值越小,類別之間的差異越大。從表1中可以看出總峰面積S的Wilks'Lambda值最小,即類別之間的差異最大,其次是自由水比例P23。類別之間差異最小的是自由水峰終點(diǎn)對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間T23e。由于S,P23,T23e三者的顯著性均小于0.05,說明這3個參數(shù)適合作為判別分析的預(yù)測變量。

        2.2.2 建立判別模型

        判別分析的方法有3種,分別為距離判別、Fisher判別和Bayes判別。采用適合于多組判別的Bayes準(zhǔn)則進(jìn)行判別分析。1,2,3,4,5分別表示注水比例為0,2%,6%,10%,14%的5個類別,選擇S,P23,T23e為3個預(yù)測變量,將試驗(yàn)測得的70組數(shù)據(jù)全部作為訓(xùn)練樣本,得到如表2所示的分類函數(shù)系數(shù)。利用分類函數(shù)系數(shù)建立Bayes判別函數(shù),用以區(qū)分不同注水比例的5類肉樣品。

        分類函數(shù)系數(shù)見表2。

        表1 組平均值的同等檢驗(yàn)

        表3 回代驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        表2 分類函數(shù)系數(shù)

        根據(jù)表2中的分類函數(shù)系數(shù)建立的貝葉斯判別函數(shù)為:

        將每個訓(xùn)練樣品的預(yù)測變量值分別代入到5個判別函數(shù)中,計(jì)算出每個函數(shù)值。比較這些函數(shù)值,函數(shù)值最大的就是肉樣品被分類的類別。根據(jù)Bayes判別函數(shù)和待檢測肉樣品的預(yù)測變量值,就可以實(shí)現(xiàn)對肉樣品按注水比例進(jìn)行分類。

        2.2.3 判別效果驗(yàn)證

        通過回代驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證對Bayes判別模型的效果進(jìn)行驗(yàn)證。回代驗(yàn)證是指將每個訓(xùn)練樣品的3個預(yù)測變量值代入已建立的Bayes判別函數(shù)中,進(jìn)行重新分類。交叉驗(yàn)證是指先將一個訓(xùn)練樣品去除,利用剩余的訓(xùn)練樣品數(shù)據(jù)重新建立判別函數(shù),再利用該判別函數(shù)對去除的樣品進(jìn)行分類。不斷重復(fù),直到完成對所有原訓(xùn)練樣品的重新分類。重新分類的結(jié)果越接近實(shí)際分類,判別效果越好。

        回代驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

        從表3可以看出,回代驗(yàn)證的正確率為94.3%,交叉驗(yàn)證的正確率為91.4%,2種驗(yàn)證方法得到的正確率都很高且接近,模型穩(wěn)定?;卮?yàn)證的結(jié)果,出現(xiàn)了4個錯誤判斷。1個屬于第1類的正常肉樣品被誤判為注水比例為2%的第2類;2個屬于第2類的注水比例為2%肉樣品被誤判為第1類,1個屬于第5類的14%的注水肉被誤判為第4類。交叉驗(yàn)證的結(jié)果,發(fā)生了6個錯誤判斷。1個屬于第1類的正常肉樣被誤判為第2類;2個屬于第2類的2%注水肉被誤判為第1類;1個屬于第3類的6%的注水肉被誤判為第2類;2個屬于第5類的14%注水肉被誤判為第4類。

        3 結(jié)論

        采用低場核磁共振技術(shù),用CPMG序列測量肉樣品的NMR信號,經(jīng)反演后得到每個肉樣品的橫向弛豫譜及對應(yīng)的16個橫向弛豫譜參數(shù)。以總峰面積S,自由水比例P23和自由水峰終點(diǎn)對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間T23e作為預(yù)測變量,對測量的訓(xùn)練肉樣品進(jìn)行判別分析,建立的Bayes判別模型能夠?qū)崿F(xiàn)對注水肉的注水比例的分組識別。將建立判別模型的訓(xùn)練樣本數(shù)從15個增加到70個時(shí)[8],對模型的回代驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證的正確率從88%提高到了94.3%和91.4%。說明增加建立模型的訓(xùn)練樣本量,能夠有效提高模型識別的正確率。

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