基于ATR-MIR和2D-COS技术的鲢鱼糜快速鉴别及其蛋白质二级结构变化原位分析

摘要

鱼糜是深受广大消费者欢迎的食品原料。过去十几年里，世界鱼糜产业尤其是淡水鱼糜产业蓬勃发展。我国鱼糜产业也发展迅速，但同时出现了一些相关问题。比如，不同品种鱼糜相互掺杂，以次充好而无法快速识别;冷冻鱼糜的搬运和长途运输，造成温度波动，出现反复冻融影响鱼糜品质;淡水鱼糜凝胶强度低，凝胶机理研究不够深入，目前还不适合用来制备高端鱼糜制品，这些都严重限制了我国鱼糜产业，尤其是淡水鱼糜产业的进一步发展。因此实现鱼糜品质快速检测和评价，加强鱼糜蛋白质变化机制研究，已经成为促进鱼糜行业发展和保证食品安全的重要环节之一。
　　本文利用ATR-MIR（衰减全反射傅立叶变换中红外光谱分析技术）和2D-COS（二维相关光谱学方法）对掺杂和冻融鲢鱼糜进行了快速鉴别研究。还利用ATR-MIR和2D-COS技术直接采集鲢鱼糜中红外光谱，对冻融以及凝胶过程中鲢鱼糜蛋白质二级结构变化进行了原位分析。主要研究结论如下：
　　(1)对比分析了基于掺杂鱼糜ATR-MIR光谱建立的不同鉴别模型的性能，结果表明:在光谱采集条件完全相同的情况下，当掺杂比例间隔大于20％时，ATR-MIR光谱结合DA和SIMCA建立的模型可用于掺杂鲢鱼糜样本的检测，最优的光谱预处理方法分别为二阶导数加11点SG平滑和一阶导数。而掺杂比例小于等于20％的样本比较难区分，比如5％和10％的样本无论采用DA还是SIMCA建模都有较多错误出现。其它4种方法PLS-DA、ID3-决策树、SVR和KNN所建鉴别模型对所有掺杂比例的鱼糜样品的分类效果都比较差，不适合掺杂鱼糜的鉴别分析。
　　(2)利用二维相关ATR-MIR光谱差异量化法，对不同掺杂水平鲢鱼糜进行定性鉴别。比较了欧氏距离和相关系数两种量化参数的鉴别效果。方差分析结合不同鱼糜样本间的欧氏距离和相关系数都可以对不同掺杂水平的鱼糜样本进行鉴别，而且还可以对掺杂水平进行估计。而聚类分析结合两种参数的估计结果稍差，将掺杂水平间隔低于20％的样本均归为一类。所以在对掺杂鱼糜进行鉴别时，基于方差分析的二维相关ATR-MIR差异量化法鉴别效果较DA和SIMCA方法建立的鉴别模型效果更优。
　　(3)对比分析了基于冻融鱼糜ATR-MIR光谱建立的不同鉴别模型的性能，结果表明:在光谱采集条件完全相同的情况下，基于D2处理的ATR-MIR光谱建立的ID3决策树鉴别模型效果最优，总鉴别正确率为94.56％，校正集和预测集单独分类正确率分别为98.48％和84.61％;其次是DA和PLS-DA鉴别模型。其它建模方法效果不佳。分析以上三种模型对每一类鱼糜样本详细分类情况发现，绝大多数误判样本集中在冻融0次和冻融1次的鱼糜样本之间。而对于冻融2次和冻融3次的样本与其它冻融次数样本都能正确区分。所以在对冻融次数大于1次的鱼糜样本进行鉴别时，ATR-MIR光谱结合ID3决策树建立的鉴别模型最具潜力。
　　(4)利用二维相关ATR-MIR光谱差异量化法，对冻融鱼糜进行了鉴别。比较了欧氏距离和相关系数两种量化参数鉴别效果。方差分析结果表明:基于二维相关红外光谱相关系数的判断效果，好于欧氏距离的判断效果。基于相关系数方差分析除了冻融1次和冻融0次样本外，其它冻融次数的样本间均差异显著。而基于欧氏距离的方差分析，冻融1次和冻融0次样本差异不显著，冻融2次和冻融3次样本间差异也不显著。而聚类分析无论是结合欧氏距离还是结合相关系数给出的分类效果完全相同，只能将冻融1次的鱼糜样本和冻融2、冻融3次的样本分开，而冻融2次和冻融3次的鱼糜样本被归为一类。所以在冻融鱼糜鉴别上，传统建模方法和二维相关ATR-MIR光谱差异量化法结果相当。
　　(5)对鱼糜凝胶过程中蛋白质二级结构变化进行了分析。从鲢鱼糜3000-3500cm-1范围内的MIR光谱看:生鲢鱼糜在加工成鱼糜凝胶以后，其蛋白内部氢键断裂，含量下降;从3000-2800 cm-1范围内的MIR光谱可以看出:鲢鱼糜在制成鱼糜凝胶后，蛋白质分子极性增强，疏水作用力增加，另外蛋白质中二硫键含量也增加;从鲢鱼糜1800-1200 cm-1波段MIR光谱可以获得以下蛋白质二级结构变化的有关信息:α-螺旋结构含量下降，转变为β-折叠、转角以及无规卷曲等;从鲢鱼糜拉曼光谱分析可以获得更多的信息:500-550 cm-1波段二硫键的变化主要是由较低能量的间扭式构象转变为高能量构象;处理后的鱼糜样本的双键(I850/830)值比生鱼糜的高，说明鲢鱼糜凝胶制备前加入盐斩拌，拆解肌原纤维蛋白，破坏了离子键，使得酪氨酸残基大部分已经暴露，鱼糜蛋白疏水性增加;鲢鱼糜生鱼糜蛋白质二级结构主要以α-螺旋结构为主，而形成鱼糜凝胶后，则主要转变为β-折叠结构和无规卷曲结构，而且在不同的β-折叠结构中，反平行β-折叠含量增加明显;凝胶化的鲢鱼糜峰强度比I3220/3400值较生鱼糜的值下降，表明鱼糜在形成凝胶以后蛋白质用来包裹水分的空间变小了。这个比值可以说明凝胶化程度，比值越小说明凝胶化程度越高。以上结论都与以往化学方法研究结果是一致的。
　　除此之外，本研究结果还表明:鱼糜中的α-螺旋结构在形成鱼糜凝胶后，除了转变为无规卷曲外，也有一部分转变为β-折叠和转角。而且鱼糜中含有的β-折叠结构也发生了变化，变化的主要趋势是:分子内的β-折叠结构转化为分子间的β-折叠结构。平行的β-折叠结构转变成反平行的β-折叠结构。这些变化伴随着β-折叠间氢键的形成和断裂，总体上β-折叠间氢键呈减少趋势。鲢鱼糜二维相关MIR光谱分析结果表明:鲢鱼糜1770 cm-1处MIR吸收峰与其它鱼糜蛋白质的吸收峰对温度外扰的反应机制是不同的。凝胶过程中，鲢鱼糜主要MIR光谱峰的变化顺序为:2927、2854、1770 cm-1→1567 cm-1→1630、1457 cm-1→1650 cm-1→3361、3285、1683、1503 cm-1。这说明鱼糜凝胶过程中，蛋白质疏水作用力首先发生变化，鱼糜中的脂肪类物质也最先受到影响，然后是蛋白质的二级结构受到影响并发生变化，随着蛋白质二级结构的进一步变化，蛋白质多肽链的N-H键受到影响。
　　(6)对不同冻融循环鲢鱼糜原始MIR光谱和二阶导数光谱进行分析，结果表明:冻融循环加速了鱼糜蛋白质的氧化过程，随着冻融次数的增加，羰基吸收峰强度明显增强，二硫键吸收峰也有所增加。鱼糜蛋白质二级结构中α-螺旋结构含量明显降低。以上结论都与以往化学方法研究结果基本一致。此外本研究还发现，冻融循环导致鱼糜蛋白质二级结构中β-折叠结构含量下降，反平行β-折叠结构含量上升。与凝胶形成过程不同:冻融过程中，蛋白质二级结构中β-转角和无规卷曲没有明显变化;以冻融次数为外扰进行了二维相关分析，结果表明:冻融循环过程中，鱼糜蛋白质二级结构中α-螺旋结构首先遭到破坏，然后反平行的β-折叠结构含量上升，最后发生羰基化反应;以恒定温度为外扰的二维相关分析结果表明:冻融1次鱼糜蛋白影响不明显，冻融2次和3次的鱼糜二维相关MIR光谱图中，自相关峰和交叉峰的变化都变得不明显了，说明蛋白质二级结构已经受到严重破坏。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

插图清单

表格清单

英文缩略表

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 我国鱼糜产业发展及现状

1．1．2 国内外冷冻鱼糜及其制品快速检测技术

1．1．3 国内外冷冻鱼糜蛋白质研究

1．2 ATR-MIR在肉糜及其蛋白质变化检测中的研究进展

1．2．1 ATR-MIR光谱技术发展及现状

1．2．2 在肉糜品质检测应用中的研究进展

1．2．3 在肉糜蛋白质变化检测中的研究进展

1．2．4 2D-COS技术及有关研究介绍

1．2．5 本研究的意义

1．3 本文研究目标和研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究技术路线图

1．4 本章小结

第2章 基于ATR-MIR和传统化学计量学方法的掺杂鱼糜鉴别研究

本章提要

2．1 仪器设备、实验材料和方法

2．1．1 实验样本制备

2．1．2 仪器设备及光谱采集

2．1．3 数据分析软件

2．1．4 光谱预处理方法

2．1．5 光谱建模方法

2．1．6 模型的评价及评价指标

2．2 结果分析

2．2．1 MIR光谱解析

2．2．2 PCA分析

2．2．3 DA鉴别分析

2．2．4 PLS-DA鉴别分析

2．2．5 SIMCA鉴别分析

2．2．6 KNN鉴别分析

2．2．7 SVM鉴别分析

2．2．8 ID3鉴别分析

2．3 本章小结

第3章 基于ATR-MIR和2D-COS的掺杂鱼糜鉴别研究

本章提要

3．1 仪器设备、实验材料和方法

3．1．1 实验样本制备

3．1．2 仪器设备和用于二维相关分析的MIR光谱采集

3．1．3 二维相关光谱差异量化法介绍

3．2 结果分析

3．2．1 二维相关MIR光谱分析

3．2．2 欧氏距离比较

3．2．3 相关系数比较

3．2．4 未知样本鉴别

3．3 本章小结

第4章 基于ATR-MIR和传统化学计量学方法的冻融鱼糜鉴别研究

本章提要

4．1 仪器设备、实验材料和方法

4．1．1 实验样本制备

4．1．2 仪器设备及光谱采集

4．1．3 数据分析软件

4．1．4 光谱预处理方法

4．1．5 光谱建模方法

4．2 结果分析

4．2．1 MIR光谱解析

4．2．2 PCA分析

4．2．3 DA鉴别分析

4．2．4 PLS-DA鉴别分析

4．2．5 SIMCA鉴别分析

4．2．6 SVM鉴别分析

4．2．7 KNN鉴别分析

4．2．8 ID3鉴别分析

4．3 本章小结

第5章 基于ATR-MIR和2D-COS的冻融鱼糜鉴别研究

本章提要

5．1 仪器设备、实验材料和方法

5．1．1 实验样本制备

5．1．2 仪器设备和用于二维相关分析的MIR光谱采集

5．1．3 二维相关光谱差异量化法介绍

5．2 结果分析

5．2．1 二维相关MIR光谱分析

5．2．2 欧氏距离比较

5．2．3 相关系数比较

5．2．4 未知样本鉴别

5．3 本章小结

第6章 基于ATR-MIR和2D-COS的鲢鱼糜凝胶过程中蛋白质二级结构变化研究

本章提要

6．1 仪器设备、实验材料和方法

6．1．1 实验样本制备

6．1．2 仪器设备及光谱采集

6．1．3 拉曼光谱采集

6．1．4 用于二维相关分析的MIR光谱采集

6．2 结果分析

6．2．1 ATR-MIR光谱分析

6．2．2 拉曼光谱分析

6．2．3 二维相关MIR光谱分析

6．3 本章小结

第7章 基于ATR-MIR和2D-COS的反复冻融鲢鱼糜蛋白质二级结构变化研究

本章提要

7．1 仪器设备、实验材料和方法

7．1．1 实验样本制备

7．1．2 仪器设备及光谱采集

7．1．3 用于二维相关分析的MIR光谱采集

7．1．4 理化实验方法

7．3 结果分析

7．3．1 理化实验结果

7．3．2 ATR-MIR光谱结果分析

7．3．3 二阶导数光谱分析

7．3．4 以冻融次数为外扰的二维相关MIR光谱分析

7．3．5 以恒定温度为外扰的二维相关MIR光谱分析

7．4 本章小结

第8章 总结与展望

本章提要

8．1 主要研究结论

8．1．1 掺杂和冻融鲢鱼糜鉴别

8．1．2 鲢鱼糜凝胶过程及冻融循环引起的蛋白质二级结构变化

8．2 主要创新点

8．3 展望

参考文献

博士研究生期间主要成果