Μια περίπτωση εφαρμογής της υπερφασματικής κάμερας CHNSpec FS-13 στη μη καταστροφική ανίχνευση αμινοξέων σε ζωντανά ψάρια

Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο "Food Research International" χρησιμοποίησε τεχνολογία υπερφασματικής απεικόνισης ορατής/εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας για να επιτύχει μη καταστροφική πρόβλεψη της περιεκτικότητας σε αμινοξέα των μυών σε ζωντανό κοινό κυπρίνο. Αυτή η μελέτη ολοκληρώθηκε από κοινού από το Shanghai Ocean University, την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών Αλιείας και άλλες μονάδες. Η υπερφασματική κάμερα FS-13 (FigSpec FS-13) που παρέχεται από την CHNSpec Technology χρησιμοποιήθηκε ως βασικός εξοπλισμός ανίχνευσης. Ο Xiajun Qi, μηχανικός της CHNSpec Technology, συμμετείχε βαθιά στην έρευνα, παρέχοντας μια νέα τεχνική διαδρομή για την αξιολόγηση της διατροφικής ποιότητας των ζωντανών ψαριών σε πραγματικό χρόνο.

Ι. Ερευνητικό Ιστορικό και Απαιτήσεις Ανίχνευσης
Η σύνθεση αμινοξέων του κρέατος του ψαριού είναι ένας σημαντικός δείκτης για τη μέτρηση της θρεπτικής του αξίας και της εμπορικής του αξίας. Αν και οι παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης (όπως η υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης) είναι ακριβείς, είναι καταστροφικές - τα ψάρια δεν μπορούν να πωληθούν περαιτέρω ή να χρησιμοποιηθούν για επιλεκτική αναπαραγωγή μετά την ανίχνευση. Για σενάρια εφαρμογών που απαιτούν τη διατήρηση της ζωντανής κατάστασης των ψαριών, όπως η ακριβής σίτιση, η διατροφική ταξινόμηση και η γονική επιλογή, η βιομηχανία δεν έχει εδώ και καιρό ένα γρήγορο, μη καταστροφικό και διαδικτυακό εργαλείο ανίχνευσης.

Το σημείο εκκίνησης αυτής της μελέτης βρίσκεται στο: μπορούν τα λέπια των ψαριών να χρησιμεύσουν ως «παράθυρο» για φασματικά σήματα; Μπορεί το εγγύς υπέρυθρο φως να διαπεράσει τα λέπια και το δέρμα των ψαριών, μεταφέροντας πληροφορίες χημικής σύνθεσης από τον μυ πίσω στον ανιχνευτή; Εάν είναι εφικτό, θα λύσει θεμελιωδώς το πρόβλημα της ανίχνευσης της διατροφής των ζωντανών ψαριών.

II. Πειραματικό Πρωτόκολλο και Βασικός Εξοπλισμός
Η ερευνητική ομάδα συνέλεξε δύο πληθυσμούς κοινού κυπρίνου διαφορετικών ετών και διαφορετικών σειρών βάρους, συνολικά 481 ζωντανά ψάρια. Για κάθε ψάρι, πρώτα αναισθητοποιήθηκε για λίγο χρησιμοποιώντας αναισθητικό MS222 και η επιφάνεια των φολίδων στην περιοχή του ραχιαίου πτερυγίου στέγνωσε απαλά με απορροφητικό χαρτί. Στη συνέχεια, η υπερφασματική κάμερα CHNSpec Technology FS-13 (φασματική περιοχή 400-1000 nm, φασματική ανάλυση 2,5 nm) χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη υπερφασματικών εικόνων της περιοχής του ραχιαίου πτερυγίου της ζυγαριάς. Η περιοχή ενδιαφέροντος για κάθε δείγμα κάλυπτε 200×200 pixel, με κάθε pixel να περιέχει φασματικές πληροφορίες σε 300 ζώνες.

Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία στην αντίστοιχη θέση του ραχιαίου μυός και η πραγματική περιεκτικότητα σε 17 αμινοξέα προσδιορίστηκε με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης για μοντελοποίηση και επικύρωση.

III. Κατασκευή μοντέλου και εφέ πρόβλεψης
Οι ερευνητές συνέκριναν πέντε μοντέλα: Μερική παλινδρόμηση ελάχιστων τετραγώνων (PLSR), Μηχανή διανυσμάτων υποστήριξης ελάχιστων τετραγώνων (LS-SVM), Extreme Learning Machine (ELM), Τυχαίο Δάσος (RF) και Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο Backpropagation (BP-ANN). Η μοντελοποίηση διεξήχθη χρησιμοποιώντας φασματικά σήματα πλήρους ζώνης (400-1000 nm) και οι τιμές R² διαφορετικών μοντέλων στα σύνολα εκπαίδευσης και πρόβλεψης ήταν γενικά υψηλότερες από 0,95.

Μεταξύ αυτών, το μοντέλο BP-ANN έδειξε σχετικά σταθερά αποτελέσματα πρόβλεψης για τα περισσότερα αμινοξέα. Στο ανεξάρτητο σύνολο επικύρωσης (181 ψάρια από διαφορετικά έτη και διαφορετικά περιβάλλοντα εκτροφής), οι τιμές επικύρωσης R² του μοντέλου BP-ANN υπερέβησαν όλες το 0,777. Η επικύρωση R² για τα τρία αμινοξέα υψηλότερης περιεκτικότητας -γλουταμικό οξύ, ασπαρτικό οξύ και λυσίνη- έφτασε στο 0,848, 0,858 και 0,858, αντίστοιχα. Η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι μετά την αντικατάσταση των πλήρων ζωνών με χαρακτηριστικά μήκη κύματος (που επιλέχθηκαν από τον αλγόριθμο CARS), η βελτίωση στην ακρίβεια πρόβλεψης ήταν περιορισμένη (το μέσο R² αυξήθηκε κατά περίπου 0,013), υποδεικνύοντας ότι οι φασματικές πληροφορίες που σχετίζονται με τα αμινοξέα είναι ευρέως κατανεμημένες.

IV. Βασικοί Παράγοντες που Επηρεάζουν την Ακρίβεια
Η μελέτη αξιολόγησε συστηματικά την επίδραση έξι παραγόντων στην ακρίβεια της πρόβλεψης και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι: η ετερογένεια του πληθυσμού του δείγματος ήταν ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ακρίβεια. Όταν το μοντέλο εφαρμόστηκε σε ανεξάρτητους πληθυσμούς διαφορετικών ετών και βαρών, ο μέσος όρος R² μειώθηκε κατά περίπου 0,182. Αυτό μπορεί να σχετίζεται με διαφορές στην κατανομή της περιεκτικότητας σε αμινοξέα μεταξύ των δύο πληθυσμών (π.χ., η διάμεση τιμή των περισσότερων αμινοξέων στον πρώτο πληθυσμό ήταν σημαντικά υψηλότερη από αυτή του δεύτερου πληθυσμού). Παρόλα αυτά, το μοντέλο BP-ANN εξακολουθούσε να διατηρεί αποδεκτή ακρίβεια (R² > 0,777) σε ετερογενείς πληθυσμούς.

Αντίθετα, ο τύπος του μοντέλου, ο τύπος αμινοξέος, η μέθοδος επιλογής μήκους κύματος, το σωματικό βάρος του ψαριού και το μήκος σώματος είχαν μικρότερη επίδραση στην ακρίβεια (μέση διακύμανση R² μικρότερη από 0,103). Για παράδειγμα, μετά τη διαίρεση των ψαριών σε ανώτερες, μεσαίες και κάτω ομάδες ανάλογα με το σωματικό βάρος, η μέση διαφορά στο R² για το μοντέλο BP-ANN ήταν μόνο 0,076 (όταν χρησιμοποιήθηκαν χαρακτηριστικά μήκη κύματος). Αυτό δείχνει ότι το φασματικό σήμα καθοδηγείται κυρίως από τη βιοχημική σύνθεση του μυός και όχι από τα απλά αποτελέσματα σκέδασης φυσικού μεγέθους.

Όσον αφορά τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος, ο αλγόριθμος CARS επέλεξε ευαίσθητες ζώνες για γλουταμικό οξύ και λυσίνη συγκεντρωμένες σε 516-584 nm, 707-738 nm, 828-834 nm και 939-1032 nm. Αυτές οι περιοχές σχετίζονται με τους τόνους και τις συνδυαστικές συχνότητες των δεσμών CH, των δεσμών OH και των δεσμών NH, επικυρώνοντας τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης του εγγύς υπέρυθρου φωτός με μόρια αμινοξέων στον μυ μετά τη διείσδυση στις κλίμακες.

V. Χωρική κατανομή και αξία εφαρμογής
Χρησιμοποιώντας τις φασματικές πληροφορίες κάθε εικονοστοιχείου από την υπερφασματική κάμερα FS-13, η ερευνητική ομάδα χαρτογράφησε την κατανομή του χάρτη θερμότητας της συνολικής περιεκτικότητας σε αμινοξέα σε όλο το σώμα των ζωντανών ψαριών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι: η συνολική περιεκτικότητα σε αμινοξέα στους μυς της κάτω γνάθου, του θωρακικού πτερυγίου και της κοιλιάς ήταν σχετικά υψηλή, ενώ στην περιοχή του ραχιαίου πτερυγίου και της ουράς ήταν σχετικά χαμηλή. Αυτή η κατανομή ταιριάζει με τις λειτουργικές διαφορές στους τύπους μυϊκών ινών (κόκκινος μυς και λευκός μυς) σε διαφορετικά μέρη - το θωρακικό πτερύγιο και η κοιλιά κυριαρχούνται από οξειδωτικό κόκκινο μυ αργής συστολής, όπου ο μεταβολισμός των πρωτεϊνών είναι πιο ενεργός. Αυτός ο χάρτης θερμότητας μπορεί να παρέχει μια οπτική αναφορά στους καταναλωτές για την επιλογή εξαρτημάτων με υψηλή θρεπτική αξία.

Η υπερφασματική κάμερα CHNSpec FS-13 σε συνδυασμό με αλγόριθμους βαθιάς μάθησης έσπασε με επιτυχία το τεχνικό σημείο συμφόρησης της μη καταστροφικής ανίχνευσης αμινοξέων σε ζωντανά υδρόβια προϊόντα, παρέχοντας ένα ελαφρύ, πρακτικό εργαλείο ανίχνευσης για υδατοκαλλιέργεια ακριβείας και υψηλής ποιότητας έλεγχο υδρόβιων προϊόντων. Στο μέλλον, με τη συνεχή βελτίωση της βάσης δεδομένων μοντέλων και την ανάπτυξη φορητού εξοπλισμού, αυτή η λύση μπορεί να προωθηθεί περαιτέρω σε μια ποικιλία ειδών ψαριών γλυκού νερού και θαλάσσιων ειδών, βοηθώντας την υδρόβια βιομηχανία να αναβαθμιστεί προς την ευφυΐα, την τυποποίηση και τη διατροφική οπτικοποίηση.

Σύσταση προϊόντος: Υπερφασματική κάμερα FigSpecFS-13 (Σάρωση γραμμής)

• Φασματικό εύρος: 400-1000nm
• Φασματική Ανάλυση: 2,5 nm
• Φασματικές Ζώνες: 1200
• Χωρικά εικονοστοιχεία: 1920