近紅外光譜技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的應用進展

陳穎 王璐 尚宏鑫 許巖

摘要：介紹了近紅外光譜分析技術（NIR）的原理與特點，綜述其在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中育種育苗、養(yǎng)殖水水質(zhì)監(jiān)測和水產(chǎn)苗種飼料方面的應用現(xiàn)狀，對近紅外光譜分析技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)應用中出現(xiàn)的問題進行分析，并對其應用規(guī)模預測和發(fā)展前景展望。

關鍵詞：近紅外光譜;水產(chǎn)養(yǎng)殖;應用;模型

中國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國。作為世界上從事水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史最悠久的國家之一，自改革開放以來，在以養(yǎng)為主的發(fā)展方針指導下，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)布局變化巨大，從傳統(tǒng)養(yǎng)殖區(qū)（沿海地區(qū)和長江、珠江流域等）逐步擴展至全國各地。水產(chǎn)養(yǎng)殖已成為推動我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要動力之一。然而，由于水體污染日趨嚴重，大量的圍湖造田造成湖泊沼澤化，再加上投料過剩、排泄物積累等問題，導致養(yǎng)殖水域環(huán)境條件不斷惡化，水產(chǎn)資源遭到不同程度的污染和破壞，生態(tài)環(huán)境逐步惡化[1]。此外，由于生長環(huán)境、養(yǎng)殖工藝、養(yǎng)殖密度以及加工等環(huán)節(jié)存在的各種問題，造成某些水產(chǎn)品不同程度地受到包括重金屬、化學農(nóng)藥、抗生素、飼料添加劑和激素殘留物的污染，養(yǎng)殖種質(zhì)退化、病害泛濫等問題更是層出不窮，這些問題已嚴重影響到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。開展水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的實時快速監(jiān)測現(xiàn)已成為關注的重點問題。

近紅外光譜分析技術（NIR）作為現(xiàn)代最有應用前途的快速分析技術之一，世界各國都有投入專門的科研力量從事相關方面的研究。我國從20世紀80年代后期開始首次嘗試研發(fā)了應用在糧食飼料方面的近紅外分析儀，而后相繼開展近紅外光譜技術的研究和應用工作，到90年代后期逐漸應用到農(nóng)業(yè)、石油化工、生物制藥、紡織、食品和煙草等多個領域。在計算機技術、化學計量學的不斷進步和帶動下，近紅外技術得到快速發(fā)展。近紅外光譜分析技術應用在水產(chǎn)領域的時間不算太長，主要多集中于水產(chǎn)品品質(zhì)及其質(zhì)量安全方面的研究，但考慮到近紅外光譜分析技術的操作方便、分析成本低、無損、高效、環(huán)保等特點，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖領域也具有廣闊的應用前景。

1近紅外光譜技術的原理及特點

1.1近紅外光譜技術的原理

通常，分子基頻振動產(chǎn)生的吸收譜帶位于中紅外區(qū)域（400～4000cm-1），分子基頻振動的倍頻和組合頻產(chǎn)生的吸收帶位于近紅外區(qū)域，美國ASTM（AmericanSocietyofTestingMaterials，美國材料檢測協(xié)會）將近紅外譜區(qū)定義為4000～14285cm-1（700～2500nm），近紅外區(qū)域又被劃分成短波近紅外區(qū)（700～1100nm）和長波近紅外區(qū)（1100～2500nm）。近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，反映的是包括含氫基團（如CH-、-OH、NH-、SH-、PH-等）振動的倍頻和合頻吸收的信息。在不同化學環(huán)境中不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團的近紅外吸收波長與強度都有顯著差異。所以通過近紅外光譜可以得到樣品中所有有機分子含氫基團的特征信息，能同時檢測多種有機分子。不同的物質(zhì)在近紅外區(qū)域有著特定且豐富的吸收光譜，為近紅外光譜分析樣品提供了基礎。

近紅外光譜分析技術包括定性分析和定量分析，定性分析是為了確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與組成，而定量分析則是為了確定物質(zhì)中某些組分的含量（如水分、脂肪、蛋白質(zhì)等）或是物質(zhì)的品質(zhì)屬性的值（如密度、硬度、酸度等）。與傳統(tǒng)的化學分析方法不同，近紅外光譜技術是用統(tǒng)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個校正模型。校正模型的建立需要前期搜集一定量有代表性的校正樣品，獲得用近紅外光譜儀器測得的樣品光譜數(shù)據(jù)和用化學分析方法測得的真實數(shù)據(jù)，通過化學計量學進行處理，建立光譜與待測參數(shù)之間的對應關系。因為樣品的組成相同，則其近紅外光譜也相同，那么只要測得樣品的近紅外光譜，通過光譜數(shù)據(jù)和上述對應關系，就能很快得到所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.2近紅外光譜技術的特點

作為一種現(xiàn)代的間接分析技術，近紅外光譜分析技術必須通過建立校正模型來實現(xiàn)未知樣品的定量或定性分析。它的分析過程主要包括樣品采集光譜、光譜預處理、樣本集劃分、特征波段提取優(yōu)化、建立模型、修正模型等幾個步驟。與傳統(tǒng)的分析技術相比，近紅外光譜分析技術在分析測試中具有獨特的優(yōu)越性。

1.2.1樣品無損檢測樣品無需進行前處理，無需化學試劑參與反應，因此樣品無損耗，測定后仍可用做其他用途。這樣既節(jié)約成本費用，又能避免污染環(huán)境。

1.2.2測定速度快不用稱樣，樣品無損，且能夠連續(xù)多次測定，只需幾秒鐘就能完成多個指標的檢測，大大提高了工作效率。

1.2.3操作簡單儀器可以針對客戶需求任意設計生成操作方案，對操作人員要求低，避免了傳統(tǒng)分析帶來的誤差，重現(xiàn)性好、成本低。

1.2.4多組分多通道同時測定近紅外光譜屬于分子振動光譜，原則上只要含有CH-、-OH、NH-等能產(chǎn)生近紅外光譜的物質(zhì)均存在近紅外光譜分析的可能，在實際應用時可以不斷拓展測定指標，且可以多指標同時測定。

2近紅外光譜技術在育種育苗方面的應用

目前，近紅外光譜技術尚未普及到水產(chǎn)生物遺傳育種范圍，這也預示著其廣闊的市場前景。Norris等[2]曾嘗試通過近紅外光譜分析手段來選育鮭魚肉質(zhì)性狀;Brown[3]通過近紅外光譜技術來分析長牡蠣肉質(zhì)成分，并建立了快速分析模型來揭示肉質(zhì)成分的變化與環(huán)境和生長狀態(tài)的差異;Wang等[4]利用118個長牡蠣干樣肉質(zhì)樣本建立近紅外模型，實現(xiàn)了糖原和蛋白質(zhì)成分含量的快速預測;黃冠明等[5]利用6個產(chǎn)地的105份葡萄牙牡蠣樣本建立近紅外模型，能夠較準確地預測葡萄牙牡蠣中蛋白質(zhì)、糖原、?；撬?、鋅、硒、鈣的含量，對選育肉質(zhì)性狀佳的新品系葡萄牙牡蠣具有重要意義;于穎等[6]應用傅里葉變換近紅外光譜儀和氨基酸分析儀兩種分析方法定量分析牡蠣中氨基酸含量，結(jié)果證實傅里葉變換近紅外光譜儀法的測定重復性更好;王衛(wèi)軍等[7]采用傅里葉變換近紅外（FT-NIR）光譜技術，研究了近紅外光譜技術預測長牡蠣鮮樣組織中水分、糖原、總蛋白質(zhì)、總脂肪、鋅、硒、?；撬岷突曳?種成分含量的可行性;李尚俊[8]用便攜式近紅外光譜儀和傅里葉變換式近紅外光譜儀分別對仿刺參多糖、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、皂苷、鋅和硒7種品質(zhì)成分進行建模，比較發(fā)現(xiàn)傅里葉變換式近紅外光譜儀建模的各參數(shù)更優(yōu)，且蛋白質(zhì)、鋅和硒預測效果最理想。目前未見近紅外光譜技術在魚類、蝦類和蟹類育種方面的相關研究報道。上述關于近紅外光譜技術在貝類和參類育種方面的研究報道必將對未來近紅外光譜技術在整個水產(chǎn)生物育種領域的應用推廣具有一定的借鑒意義。

3近紅外光譜技術在養(yǎng)殖水水質(zhì)監(jiān)測方面的應用

水產(chǎn)養(yǎng)殖的過程中，水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測是極為重要的一環(huán)。水作為水生生物依賴的生存環(huán)境，通過對其監(jiān)測可以判斷是否需要相應調(diào)整水產(chǎn)苗種的養(yǎng)殖環(huán)境，使水產(chǎn)苗種更好地生長。養(yǎng)殖過程中缺乏病害預警機制與預防策略，水質(zhì)實時監(jiān)測與報警比較落后，這些問題在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖中普遍存在，而水質(zhì)監(jiān)測技術的應用可以提高養(yǎng)殖過程的安全性，因此快速、準確、無污染、低能耗的監(jiān)測技術是目前水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的主要研究課題之一。目前的近紅外光譜技術尚處于生活污水、湖泊、河流和海洋等水質(zhì)監(jiān)測研究中，在養(yǎng)殖水水質(zhì)監(jiān)測中缺乏嘗試。

3.1水質(zhì)N、P的快速分析

張誠飚和劉宏欣等[9-10]證明了基于近紅外方法分別利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）和逐步段元線性回歸（SMLR）+偏最小二乘（PLS）法無損定量分析地表水中總氮含量的可行性。關于總磷，早在2000年，Dbakk等[11]就嘗試了采用近紅外光譜技術測定了湖水中的總磷等參數(shù)。隨后劉宏欣等[12]還利用逐步段元線性回歸（SMLR）方法研究了地表水水樣中總磷含量與水樣的近外光譜之間的對應關系。杜艷紅等[13]采用近紅外光譜技術建立了生活污水水樣中氨氮濃度與其吸收光強的定量分析模型。

3.2水質(zhì)化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）的測定

2002年Stephens等[14]在測定賓夕法尼亞州立廢水處理廠廢水時，發(fā)現(xiàn)用近紅外/可見光譜技術建立的生化需氧量（BOD）預測模型，可以實時對單一廢水源的生化需氧量（BOD）含量快速預測。2004年，WangYunpeng等[15]利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測水庫水質(zhì)變化時，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的標準測量方法相比，用可見/近紅外光譜分析技術測得的生化需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）等指標相關性較高。隨后幾年，何金成等[16-17]、楊瓊等[18]和徐立恒[19]分別以廢水和河水為實驗對象，在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上建立了生化需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）含量的近紅外預測模型，且實際測量效果良好。陳維維等[20]通過優(yōu)化波段、波長點數(shù)、偏最小二乘（PLS）因子個數(shù)等最終確定了廢水中化學需氧量（COD）含量的近紅外優(yōu)化模型。粟暉等[21]通過分析近紅外譜圖中不同波長的光密度強度和分布，克服飽和鏈烴小分子有機物在紫外光譜區(qū)域弱吸收響應，模擬出生化廢水中化學需氧量（COD）含量測定的定量分析校正模型。

3.3水質(zhì)pH值的測定

關于近紅外光譜應用于水質(zhì)pH值的測定方面，1992年Korsman等[22]論證了應用近紅外反射譜法測量湖水pH值的可行性。杜艷紅等[23]在2012年水質(zhì)實驗中發(fā)現(xiàn)pH值分別在波長564nm、670nm和732nm處有特征峰存在，且水質(zhì)pH值與其吸收光強呈顯著的正相關，驗證了近紅外光譜技術用于水質(zhì)pH值預測的可行性。

3.4水體中重金屬離子的測定

NingYu等[24]以基灰石為水樣吸附劑富集水體中的重金屬離子，并采用近紅外光譜技術進行同步分析，建立的近紅外校正模型對幾種重金屬離子的預測效果各不相同，其中模型對Cu2+和Cr3+的預測精度最好。水樣吸附劑與不同重金屬離子之間的相互作用機理尚待研究。

筆者認為近紅外光譜分析技術的特點及其在水質(zhì)監(jiān)測領域中的應用現(xiàn)狀，可以很好地預示其未來在養(yǎng)殖水水質(zhì)監(jiān)測方面的應用前景。

4近紅外光譜技術在苗種飼料方面的應用

4.1餌料藻類應用

餌料生物的培養(yǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖育苗中是關鍵性環(huán)節(jié)。單細胞藻類是魚、蝦、貝類等苗種生產(chǎn)的天然基礎活餌料，所以這部分微藻也被稱為“餌料藻”。單細胞藻類作為水產(chǎn)動物的基礎活餌料，同時也對改良水質(zhì)、控制菌群、減少病害起到至關重要的作用。常作餌料的微藻有金藻類（如鐘罩藻）、硅藻類（如舟形藻）、甲藻類（如角甲藻）、藍藻類（如魚腥藻和螺旋藻）、綠藻類（如柵藻、小球藻和衣藻）等。因其遺傳特性、培養(yǎng)成本高、消化吸收率低等的影響與限制，生產(chǎn)中時常出現(xiàn)供不應求的局面。因此探索高效的培養(yǎng)餌料藻類新技術，對提高我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的整體水平具有重要的現(xiàn)實意義。目前，已有研究報道過亞心形扁藻[25]、雨生紅球藻[26]、螺旋藻[27]中葉綠素、蛋白質(zhì)等成分的近紅外特征光譜，可應用于餌料藻類生長狀況變化的監(jiān)測，進而為餌料藻類研究提供一種快速、實時、無損的檢測方法。

4.2飼料常規(guī)成分檢測

目前我國使用的水產(chǎn)苗種飼料常規(guī)成分有水分、灰分、粗蛋白、粗纖維等。20世紀90年代開始，我國逐步對近紅外光譜法的研究和實踐，先后完成了飼料中各項指標的檢測工作，均取得良好成效。我國在2002年發(fā)布的GB/T18868-2002[28]中詳細描述了水分、粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸和蛋氨酸的近紅外定標模型的建立方法，此標準適用于各種飼料原料和配合飼料中水分、粗蛋白質(zhì)、粗纖維和粗脂肪，各種植物性蛋白類飼料原料中賴氨酸和蛋氨酸的測定，最低檢出限達到0.001%。為了加強近紅外光譜法在飼料中的應用效果，在國標的基礎上，宋軍[29]運用濕化學分析數(shù)據(jù)，研究建立了國產(chǎn)魚粉、進口魚粉和豆粕樣品在近紅外光譜儀上的17種氨基酸預測模型（不含色氨酸），大大提高了飼料氨基酸指標測定的效率。

5問題與展望

隨著近紅外光譜分析技術的不斷發(fā)展以及國家對水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的持續(xù)關注，近紅外光譜分析技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)將得到越來越廣泛的運用。但是，由于水產(chǎn)品本身成分復雜，易受到產(chǎn)地、生長周期等影響，養(yǎng)殖水水質(zhì)也會隨季節(jié)、氣候、污染等發(fā)生變化，這就可能會導致近紅外光譜預測模型效果不好，因此需要收集盡可能多的、具有代表性的樣本來建模。此外，由于近紅外光譜區(qū)的吸收強度較弱，吸收帶較寬，重疊嚴重且靈敏度相對較低，在提高預測模型精度、改善模型的自適應能力等方面需要加深研究。筆者認為可以考慮從光譜數(shù)據(jù)的預處理、特征波長的提取和建模方法三方面重點研究。常見的光譜數(shù)據(jù)預處理方法有平滑、小波變換（WT）和傅里葉變換（FT）等，可以有效消除基線漂移和其他背景的干擾，減弱各種非目標因素對光譜的影響。常見的光譜特征波段選擇方法包括競爭性自適應重加權采樣法（CARS）、連續(xù)投影算法（SPA）、主成分分析、逐步回歸法等，能夠去除冗余變量和無信息變量，提高光譜分析效率。近紅外光譜建模常用的算法有偏最小二乘、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、最小二乘支持向量機等。其中，偏最小二乘是線性建模算法，常用于建立近紅外光譜數(shù)據(jù)與待測物質(zhì)之間具有線性相關的模型，在水產(chǎn)品育種育苗和苗種飼料方面應用較多，人工神經(jīng)網(wǎng)絡和最小二乘支持向量機是非線性建模算法，常用于建立近紅外光譜數(shù)據(jù)與待測物質(zhì)之間具有非線性相關的模型，多應用于養(yǎng)殖水水質(zhì)監(jiān)測方面。進一步加強光譜預處理，優(yōu)化提取特征波段，創(chuàng)新更有效的建模算法，將會成為近紅外光譜分析技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)應用的研究重點。隨著更多相關指標納入近紅外光譜分析的范疇和預測模型的不斷擴充和修正，近紅外光譜分析技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖領域?qū)⒂懈訌V闊的應用空間。

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Applicationprogressofnearinfraredspectroscopyinaquaculture

CHENYing，WANGLu，SHANGHongxin，XUYan

（DalianModernAgriculturalProductionDevelopmentServiceCenter，DalianFisheriesTechnicalExtensionStation，Dalian116023，China）

Abstract：Theprincipleandcharacteristicsofnearinfraredspectroscopy（NIR）analysistechnologywereintroduced，andtheapplicationstatusofNIRinbreedingseedling，waterqualitymonitoringandseedlingfeedinaquacultureindustryweresummarized.Theexistingproblemswereanalyzedanditsapplicationprospectwasforecasted.

Keywords：nearinfraredspectroscopy;aquaculture;application;model

（收稿日期：2021-09-08;修回日期：2021-11-15）