حالة تطبيقية للكاميرا فائقة الطيف CHNSpec FS-13 في الكشف غير المدمر للأحماض الأمينية في الأسماك الحية

استخدمت دراسة نشرت في "Food Research International" تكنولوجيا التصوير الطيفي المرئي/القريب من الأشعة تحت الحمراء لتحقيق تنبؤ غير مدمر لمحتوى الأحماض الأمينية العضلية في سمك الشبوط الشائع الحي. تم الانتهاء من هذه الدراسة بالاشتراك مع جامعة شنغهاي للمحيطات، والأكاديمية الصينية لعلوم مصايد الأسماك، ووحدات أخرى. تم استخدام الكاميرا الفائقة الطيفية FS-13 (FigSpec FS-13) المقدمة من تقنية CHNSpec كمعدات الكشف الأساسية. شارك Xiajun Qi، وهو مهندس من شركة CHNSpec Technology، بعمق في البحث، حيث قدم مسارًا تقنيًا جديدًا للتقييم في الوقت الفعلي للجودة الغذائية للأسماك الحية.

I. خلفية البحث ومتطلبات الكشف
يعد تركيب الأحماض الأمينية في لحوم الأسماك مؤشرا هاما لقياس قيمته الغذائية وقيمته التجارية. على الرغم من أن طرق الكشف التقليدية (مثل التحليل اللوني السائل عالي الأداء) دقيقة، إلا أنها مدمرة - فلا يمكن بيع الأسماك أكثر أو استخدامها للتربية الانتقائية بعد الكشف. بالنسبة لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب الحفاظ على الحالة الحية للأسماك، مثل التغذية الدقيقة، والتصنيف الغذائي، واختيار الوالدين، افتقرت الصناعة منذ فترة طويلة إلى أداة كشف سريعة وغير مدمرة وعلى الإنترنت.

تكمن نقطة البداية في هذه الدراسة في: هل يمكن أن تكون حراشف الأسماك بمثابة "نافذة" للإشارات الطيفية؟ هل يمكن للأشعة تحت الحمراء القريبة أن تخترق قشور الأسماك وجلدها، وتحمل معلومات التركيب الكيميائي من العضلات إلى الكاشف؟ إذا كان ذلك ممكنا، فإنه سوف يحل بشكل أساسي مشكلة الكشف عن تغذية الأسماك الحية.

ثانيا. البروتوكول التجريبي والمعدات الأساسية
قام فريق البحث بجمع مجموعتين من أسماك الكارب الشائع من سنوات مختلفة ونطاقات أوزان مختلفة، بإجمالي 481 سمكة حية. بالنسبة لكل سمكة، تم تخديرها أولاً لفترة وجيزة باستخدام مخدر MS222، وتم تجفيف سطح الحراشف في منطقة الزعنفة الظهرية بلطف باستخدام ورق ماص. بعد ذلك، تم استخدام الكاميرا الفائقة الطيفية CHNSpec Technology FS-13 (المدى الطيفي 400-1000 نانومتر، الدقة الطيفية 2.5 نانومتر) للحصول على صور فائقة الطيف لمنطقة الزعنفة الظهرية من المقاييس. غطت المنطقة محل الاهتمام لكل عينة 200 × 200 بكسل، ويحتوي كل بكسل على معلومات طيفية عبر 300 نطاق.

بعد ذلك، تم إجراء أخذ العينات في موقع العضلات الظهرية المقابل، وتم تحديد المحتوى الفعلي لـ 17 من الأحماض الأمينية بواسطة تحليل كروماتوجرافي سائل عالي الأداء للنمذجة والتحقق من الصحة.

ثالثا. بناء النموذج وتأثيرات التنبؤ
قارن الباحثون خمسة نماذج: انحدار المربعات الصغرى الجزئية (PLSR)، وآلة ناقل دعم المربعات الصغرى (LS-SVM)، وآلة التعلم المتطرفة (ELM)، والغابات العشوائية (RF)، والشبكة العصبية الاصطناعية للانتشار العكسي (BP-ANN). تم إجراء النمذجة باستخدام إشارات طيفية كاملة النطاق (400-1000 نانومتر)، وكانت قيم R² للنماذج المختلفة في مجموعات التدريب والتنبؤ أعلى بشكل عام من 0.95.

من بينها، أظهر نموذج BP-ANN تأثيرات تنبؤية مستقرة نسبيًا لمعظم الأحماض الأمينية. في مجموعة التحقق المستقلة (181 سمكة من سنوات مختلفة وبيئات زراعية مختلفة)، تجاوزت قيم التحقق R² لنموذج BP-ANN 0.777. وصل التحقق من صحة R² للأحماض الأمينية الثلاثة الأعلى محتوى - حمض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك والليسين - إلى 0.848 و0.858 و0.858 على التوالي. ووجدت الدراسة أيضًا أنه بعد استبدال النطاقات الكاملة بأطوال موجية مميزة (تم تحديدها بواسطة خوارزمية CARS)، كان التحسن في دقة التنبؤ محدودًا (زاد متوسط ​​R² بحوالي 0.013)، مما يشير إلى أن المعلومات الطيفية المتعلقة بالأحماض الأمينية موزعة على نطاق واسع.

رابعا. العوامل الرئيسية التي تؤثر على الدقة
قامت الدراسة بتقييم منهجي لتأثير ستة عوامل على دقة التنبؤ، وأظهرت النتائج أن: عدم تجانس مجتمع العينة كان العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على الدقة. عندما تم تطبيق النموذج على مجموعات سكانية مستقلة من سنوات وأوزان مختلفة، انخفض متوسط ​​R² بنحو 0.182. قد يكون هذا مرتبطًا بالاختلافات في توزيع محتوى الأحماض الأمينية بين المجموعتين (على سبيل المثال، كان متوسط ​​معظم الأحماض الأمينية في المجموعة الأولى أعلى بكثير من ذلك في المجموعة الثانية). على الرغم من ذلك، لا يزال نموذج BP-ANN يحافظ على دقة مقبولة (R² > 0.777) في المجموعات السكانية غير المتجانسة.

في المقابل، كان لنوع النموذج ونوع الأحماض الأمينية وطريقة اختيار الطول الموجي ووزن جسم السمكة وطول الجسم تأثير أقل على الدقة (متوسط ​​تباين R² أقل من 0.103). على سبيل المثال، بعد تقسيم الأسماك إلى مجموعات علوية ومتوسطة ودنيا وفقًا لوزن الجسم، كان متوسط ​​الفرق في R² لنموذج BP-ANN هو 0.076 فقط (عند استخدام أطوال موجية مميزة). يشير هذا إلى أن الإشارة الطيفية مدفوعة بشكل أساسي بالتركيب الكيميائي الحيوي للعضلات، بدلاً من تأثيرات تشتت الحجم المادي البسيطة.

من حيث الأطوال الموجية المميزة، اختارت خوارزمية CARS نطاقات حساسة لحمض الجلوتاميك والليسين المركزة في 516-584 نانومتر، 707-738 نانومتر، 828-834 نانومتر، و939-1032 نانومتر. ترتبط هذه المناطق بالإيحاءات والترددات المركبة لروابط CH وروابط OH وNH، مما يؤكد جدوى تفاعل ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة مع جزيئات الأحماض الأمينية في العضلات بعد اختراق المقاييس.

V. التوزيع المكاني وقيمة التطبيق
باستخدام المعلومات الطيفية لكل بكسل من الكاميرا فائقة الطيف FS-13، قام فريق البحث برسم خريطة لتوزيع الخريطة الحرارية لمحتوى الأحماض الأمينية الإجمالي في جميع أنحاء جسم السمكة الحية. أظهرت النتائج أن المحتوى الكلي للأحماض الأمينية في عضلات الفك السفلي والزعنفة الصدرية والبطن كان مرتفعاً نسبياً، بينما كان في منطقة الزعنفة الظهرية والذيل منخفضاً نسبياً. يتطابق هذا التوزيع مع الاختلافات الوظيفية في أنواع الألياف العضلية (العضلة الحمراء والعضلة البيضاء) عبر أجزاء مختلفة - تهيمن العضلات الحمراء المؤكسدة البطيئة الارتعاش على الزعنفة الصدرية والبطن، حيث يكون استقلاب البروتين أكثر نشاطًا. يمكن أن توفر هذه الخريطة الحرارية مرجعًا مرئيًا للمستهلكين لاختيار الأجزاء ذات القيمة الغذائية العالية.

نجحت كاميرا CHNSpec FS-13 فائقة الطيف المقترنة بخوارزميات التعلم العميق في اختراق عنق الزجاجة الفني للكشف غير المدمر عن الأحماض الأمينية في المنتجات المائية الحية، مما يوفر أداة كشف خفيفة الوزن وعملية لتربية الأحياء المائية الدقيقة وفحص المنتجات المائية عالية الجودة. في المستقبل، مع التحسين المستمر لقاعدة البيانات النموذجية وتطوير المعدات المحمولة، يمكن تعزيز هذا الحل بشكل أكبر لمجموعة متنوعة من أنواع المياه العذبة والأسماك البحرية، مما يساعد الصناعة المائية على الارتقاء نحو الذكاء والتوحيد والتصور الغذائي.

توصية المنتج: كاميرا FigSpecFS-13 فائقة الطيف (مسح الخط)

• النطاق الطيفي: 400-1000 نانومتر
• الدقة الطيفية: 2.5 نانومتر
• النطاقات الطيفية: 1200
• البكسلات المكانية: 1920