華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者在牛奶中紅外光譜儀器標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動(dòng)物醫(yī)學(xué)院農(nóng)業(yè)動(dòng)物遺傳育種與繁殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張淑君教授團(tuán)隊(duì)在牛奶中紅外光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)化研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Research on a New Standardization Method for Milk FT-MIRS on Different Instruments based on Agglomerative Clustering and Application Strategies”為題在Computers and Electronics in Agriculture期刊上發(fā)表。

 

　　牛奶是人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)源，同時(shí)也已成為國(guó)際農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。傅立葉變換中紅外光譜法（Fourier Transform Mid-Infrared Spectroscopy , FT-MIRS）通過(guò)掃描牛奶樣品確定特定的化學(xué)鍵，形成由單個(gè)紅外光波數(shù)透射率/吸光度組成的光譜曲線，最終結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法形成的函數(shù)與超參數(shù)組合來(lái)構(gòu)建模型并預(yù)測(cè)奶牛生產(chǎn)性狀，從而快速、批量、低成本和高通量地對(duì)奶牛的產(chǎn)奶性狀（蛋白質(zhì)組成、脂肪酸組成、氨基酸組成和多種礦物質(zhì)）、奶牛的生理性狀（乳房炎等健康、發(fā)情妊娠等繁殖、能量平衡等代謝）、奶牛的環(huán)境釋放性狀（甲烷等溫室氣體排放）性狀表型組等進(jìn)行檢測(cè)和遺傳分析與選育。

 

　　FT-MIRS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定和奶牛群體改良（Dairy Herd Improvement, DHI），但不同儀器對(duì)FT-MIRS測(cè)定靈敏度、激光強(qiáng)度和穩(wěn)定性存在顯著差異。僅一臺(tái)儀器測(cè)定獲得的光譜直接應(yīng)用于其他儀器通常會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性降低，無(wú)法直接整合并應(yīng)用到表型指標(biāo)預(yù)測(cè)及相關(guān)研究。因此，需要對(duì)FT-MIRS儀器之間進(jìn)行光譜校正，從而進(jìn)行模型校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)移使用?，F(xiàn)有研究報(bào)道側(cè)重于分段直接標(biāo)準(zhǔn)化（Piecewise Direct Standardization,PDS）、追溯百分位標(biāo)準(zhǔn)化等校正方法，但均未考慮到光譜的共線和冗余性質(zhì)，應(yīng)用方面的靈活性欠佳，準(zhǔn)確性也需進(jìn)一步優(yōu)化。

 

　　本研究提出了一種基于凝聚聚類(lèi)（Agglomerative Clustering,AC）的波段分段方式，在PDS之前根據(jù)樣本對(duì)不同儀器間每個(gè)波數(shù)的光譜響應(yīng)進(jìn)行靈活的窗口選擇，避免了PDS方法在窗口選擇上存在的單一性和局限性。同時(shí)，還將優(yōu)化后的ACPDS方法與單波點(diǎn)直接標(biāo)準(zhǔn)化及PDS的光譜重現(xiàn)性水平、運(yùn)算時(shí)間、內(nèi)存占用以及乳成分模型預(yù)測(cè)的重復(fù)性水平進(jìn)行比較，并研究和優(yōu)化FT-MIRS標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用條件，提出了使用的流程和策略。

 

　　本研究創(chuàng)建的ACPDS新方法進(jìn)一步提升了不同F(xiàn)T-MIRS儀器間的標(biāo)準(zhǔn)化水平，打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，為基于FT-MIRS預(yù)測(cè)模型的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑，為中國(guó)甚至國(guó)際奶牛性能表型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和優(yōu)化、在跨地域和跨時(shí)間范圍的奶牛群體改良和聯(lián)合育種提供了技術(shù)支撐。

 

　　我校博士生樊懿楷和碩士生楊卓為文章共同第一作者，張淑君教授為通訊作者，全國(guó)畜牧總站劉剛和劉婷婷等為共同作者。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作和湖北省國(guó)際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.109422