基于物聯網及NFC 技術研究土雞棲息位置與雞肉品質相關性

黃惠珍 劉善文 福建省農業科學院數字農業研究所 福州 350003

在如今品質消費的時代下， 現有家禽產品雖多樣，但高端且個性化產品供給不足，市場細分將給差異化競爭創造更多機遇[1]。 因此，亟待高效分級農產品，推出優品賣高價，提高農業經濟產值[2]，推動鄉村振興戰略發展。 另一方面， 據研究發現， 土雞具有晝夜節律性，白天在外站立或活動行為較多[3]，晚上習慣回雞舍的趴臥行為和棲息行為表現較多[4]，由此認為土雞作為群體動物同樣具有社會分層且棲息高度影響雞肉品質。 此外， 在傳統雞舍中因管理需要，人員時常進出，不僅易攜帶細菌感染雞群，還易造成應激，影響雞群的生長發育[5]。 因此在互聯網5G 時代，通過智能裝置取代人工檢測與評定[6]，可使更多的農事活動數字化、網絡化和自動化[7]，使數據精確有說服力[8]、可追溯防篡改和可參考可對照。 采用數字設施配置禽類棲息空間環境[9]，對研究禽類棲息活動與肉質性狀關系具有指導和參考意義[10]。 白士寶等[11]以棲桿為載體，安裝質量傳感器，實時獲取體重數據；郭云等[12]基于NFC 技術的物聯網溯源系統實現農產品物聯網監管；王明等[13]建立基于物聯網的北京油雞健康散養系統， 實現了雞個體識別和數據采集自動化的預期目標；毛濤濤等[14]構建基于LabVIEW 平臺的蛋雞棲架分布監測系統，實時采集蛋雞在飼養過程中上棲架的頻次、所處位置等數據，為蛋雞棲架布置形式、棲架優化等提供數據支持；姬真真等[15]研究籠養和棲架舍飼散養對產蛋前期蛋雞健康水平（發病率和死淘率）及福利狀況的影響，研究表明棲架舍飼散養相比籠養可以提高蛋雞健康水平。目前，對禽類棲息位置與雞肉品質的相關性鮮有報道。本研究基于物聯網與射頻技術，在保侍土雞自由活動、減少應激干擾的情況下[13]開展土雞飼養階段24 h 活動的自動監管，采集雞只個體棲息高度位置和停留時間的數據； 通過抽樣檢測雞肉氨基酸含量等明確雞只個體棲息高度位置與雞肉品質相關性。 根據停留時間， 測定不同棲息高度位置下土雞雞胸肉的營養成分， 建立土雞棲息高度與雞肉品質的關系模型。

1 材料與方法

1.1 試驗動物 選擇同批次63 日齡河田雞128 羽，入舍前全部戴上智能腳環，讓其在同一雞舍中自由活動，試驗期為150 d。 系統采集雞只棲息的高度位置、棲息時間和活動軌跡，分析雞群棲息分布規律。

1.1.1 定制智能腳環 以普通腳環制作硅膠模具，使用滴膠將線圈和芯片嵌入腳環中， 并保持水平位置（見圖1）。 再進行腳環試套試驗，從幾種腳環內徑15.7 mm、16.4 mm、16.8 mm、17.4 mm、17.8 mm 中篩選最適宜腳環內徑、寬度，確保智能腳環在成年雞只自由活動中不易脫落或人為輕易摘除。經試驗，最終選取內徑為16.4 mm 帶有NFC 防偽芯片標識雞只身份的腳環作為本試驗的智能設備（被動式電子標簽）。 芯片內置隨機數生成器及128 位密鑰加密算法[16]，讀取時給出不同的隨機驗算碼，服務器端根據驗算碼及ID 進行合法性驗算，進一步加強數據安全性，徹底解決防復制、防篡改、防偽冒認證等問題[17]。

1.1.2 智能電子棲架 試驗點智能電子棲架采用雙邊階梯型[18]，利用直徑10 cm 左右的毛竹（與地面呈45°、兩根斜支撐桿制成腳架）和直徑2 cm 的圓形小木棍（制作5 根與地面平行而高度不一的橫向棲桿，分布高、中、低三層，分別距離地面150 cm、100 cm、50 cm，側面如“A”字形）組合搭建[19]。 使用大功率射頻讀寫器[20]（讀取電子標簽編號）、讀寫器天線（發射接收射頻信號）、卡片式工控終端（獲取讀寫器讀取的標簽信息）、壓鑄鋁防水接線盒（防護卡片式工控終端） 等零配件組裝為電子棲架所需的物聯傳感系統[21]（見圖2），每根棲桿各安裝一個射頻讀寫器，棲桿內部安裝天線，應試驗需要，雞舍內設置兩臺相同配置的智能電子棲架。

1.2 方法

1.2.1 系統管理平臺 系統管理平臺預存每個射頻讀寫器所在棲桿的高度位置信息，通過佩戴的NFC智能腳環自動獲取雞只在電子棲桿的停留時長，系統實時記錄和存儲雞群的活動軌跡， 用于統計與分析。

1.2.2 其他輔助物聯網設備 雞舍內外指定區域安裝高清智能攝像系統（一臺網絡監控主機， 若干個300 萬高幀率高清星光級夜視?？低暰W絡攝像機），對雞群的活動軌跡進行影像記錄以及對是否有其他動物騷擾雞群進行遠程監控。

1.2.3 土雞棲息位置采集 外置遠程主機（樹莓派卡片機） 預存每根棲桿中射頻讀寫器的高度位置信息以及所在棲架的位置信息。當佩戴NFC 智能腳環的雞只個體停留電子棲桿上， 腳環內線圈與電子棲桿內部的天線形成磁場，基于13.56 MHz 射頻技術，NFC 智能腳環通過該磁場獲取能量并返回電磁波，被電子棲桿上射頻讀寫器轉換為數據信息， 遠程主機通過編程語言執行機器指令， 實時采集、 存儲NFC 智能腳環和電子棲桿交換的數據信息[14]，包括土雞個體在所有棲桿上棲息的位置和停留時間。 系統管理平臺進行批量數據特征提取， 結合高清視頻圖像采集和檢測，在地面及低、中、高三層棲桿停留次數多且時間長的雞群中， 按土雞棲息水平高度層次分別隨機抽取6 羽健康土雞，合計24 羽土雞作為雞肉營養成分測試樣品。

圖1 NFC 腳環的設計與定制

圖2 智能電子棲架構建示意圖

1.2.4 雞肉營養成分測定及方法 由系統管理平臺抽取樣本雞只，取每羽雞的胸肉，去掉多余脂肪、肌腱及結締組織后將其分割成1~2 cm 見方的小塊，作為1 份肌肉樣品， 送至福建省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所， 按食品安全國家標準進行氨基酸、蛋白質、脂肪、水分、鈣、肌苷酸等指標測定[14]。 各項指標測定依據如下：（1）氨基酸按食品安全國家標準GB5009.124-2016 測定；（2） 蛋白質按食品安全國家標準GB5009.5-2016 測定；（3） 脂肪酸按食品安全國家標準GB5009.168-2016 測定；（4） 脂肪按食品安全國家標準GB5009.6-2016 測定；（5） 水分按食品安全國家標準GB5009.3-2016第一法直接干燥法測定；（6）鈣按食品安全國家標準GB5009.5-2016 測定；（7）肌苷酸以高效液相色譜法按DB37/T 3816-2019 標準測定。

水分、粗蛋白質、粗脂肪是肌肉營養品質評價中的常規性營養指標[22]。有研究發現，肉樣中水分含量越低， 其營養含量就越高， 雞肉中水分含量一般在70. 00%~75.00%，而在該范圍內，肉樣中含水量越高，口感越佳[23-24]。 肌肉中干物質的主要成分是蛋白質，雖然它對肌肉風味沒直接產生影響，但影響肉成熟期蛋白質的分解，進而形成不同香味氨基酸，促成其肌肉的香味。另外，肌肉中脂肪含量及其分布影響肉質嫩度和風味[25]。蛋白質和脂肪的含量越高，肉品的營養價值越好。

氨基酸是肌肉鮮味的主要來源之一， 也是評價肌肉品質的重要指標，其含量的高低，直接決定肉品風味的優劣[26]。 研究認為，絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和蘇氨酸是肉香味的必需前體物，如果這些氨基酸含量提高，則預示著肉品風味的改善[27]。 鮮味氨基酸主要包括谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸、酪氨酸，它們的組成和含量直接影響著肉的鮮美程度[28]，尤其是谷氨酸，是禽肉中主要的鮮味物質[26]。 必需氨基酸是人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要， 必須從食物中攝取的氨基酸[29]，主要包括蘇氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、賴氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸。 另外，蘇氨酸和苯丙氨酸可直接參與蛋白質的合成， 苯丙氨酸也可轉化成酪氨酸，從而間接參與蛋白質的合成，提高肌肉中蛋白含量。

1.2.5 統計分析方法 用Excel 軟件對樣品信息和測定結果進行數據整理， 采用SPSS 19.0 軟件對試驗數據進行統計分析， 組間差異用單因素方差分析ANOVA 法進行分析。 試驗數據以“平均值±標準誤”表示，P<0.05 表示差異顯著，P<0.01 表示差異極顯著，P>0.05 表示差異不顯著。

3 結果與分析

3.1 土雞棲息位置采集 位置采集結果見表1。

表1 管理平臺讀取雞只個體腳環信息

3.2 雞肉營養成分測定 對樣本雞胸肉中主要化學成分分析結果見表2。 處于電子棲桿高、中、低及地面等四個水平位置的雞胸肉中，天門冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、纈草氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、蛋白質、脂肪、水分、鈣的含量雖有差異，但不顯著（P>0.05）。

四個水平的雞胸肉甘氨酸含量介于0.9500 g/100g~1.0450 g/100g，常位于棲桿中間水平雞群的甘氨酸含量最低， 與位于其他三組水平位置雞群的甘氨酸含量差異顯著（P<0.05），此外其他水平位置之間雞群的甘氨酸含量沒有顯著性差異（P>0.05），棲息不同水平位置雞群的甘氨酸含量大小，依次為：地面>棲桿高位>棲桿低位>棲桿中位。

四個水平的雞胸肉胱氨酸含量介于0.1017 g/100g~0.1567 g/100g，常位于棲桿中間水平雞群的胱氨酸含量最低， 與位于其他三組水平位置雞群的胱氨酸含量差異顯著（P<0.05），此外其他水平位置之間雞群的胱氨酸含量沒有顯著性差異 （P>0.05），棲息不同水平位置雞群的胱氨酸含量大小，依次為：地面>棲桿低位>棲桿高位>棲桿中位。

四個水平的雞胸肉亮氨酸含量介于1.8200 g/100g~1.9517 g/100g，常位于棲桿中間水平雞群的亮氨酸含量最低， 與位于地面及位于棲桿高位雞群的亮氨酸含量差異顯著（P<0.05），此外其他水平位置之間雞群的亮氨酸含量沒有顯著性差異（P>0.05），棲息不同水平位置雞群的亮氨酸含量大小，依次為：地面>棲桿高位>棲桿低位>棲桿中位。

4 結論與討論

試驗數據表明， 活躍在不同高度雞群的雞胸肉中，甘氨酸、胱氨酸及亮氨酸含量有顯著差異，且活躍地面雞群的雞胸肉中這三類氨基酸含量最高，位于棲桿中間位置的雞胸肉中這三類氨基酸含量最低。天門冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、纈草氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、蛋白質、脂肪、水分、鈣等指標， 在各水平雞群的雞胸肉中含量無顯著性差異。

在非必需氨基酸中，甘氨酸具有獨特的甜味，甘氨酸、精氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和谷氨酸是形成肉制品香味所必需的前體氨基酸， 與肉質的鮮味有直接關系[30]，谷氨酸具有形成肉鮮味并緩沖酸堿等特殊功效。 活躍地面雞群的雞胸肉中甘氨酸含量1.0450 ±0.04278 g/100g、 胱 氨 酸 含 量 0.1567 ±0.02338 g/100g 及亮氨酸含量1.9517±0.03656g/100g， 分別遠高于活躍在棲桿中間位置雞群的雞胸肉中甘氨酸含量0.9500±0.07403 g/100g、 胱氨酸含量0.1017±0.02137 g/100g 及亮氨酸含量1.8200±0.08099 g/100g。

對照雞肉風味品質評定的化學指標中的滋味物質， 表現甜味的呈味物質甘氨酸及表現苦味的呈味物質亮氨酸， 都是在地面活動頻率高的雞群中含量最高， 且與其他活動表現的雞群有顯著性差異。 說明喜歡活動空間大且地面行走、運動量多的雞群，可能通過改變體內與風味物質的合成， 尤其是氨基酸中呈味物質的有關代謝，使雞肉品質發生改變，呈現口感多樣化。

表2 不同棲息水平位置土雞雞胸肉指標測定值

隨著城鄉居民生活水平的提高及科技信息技術的發展，人們對于農產品不僅要求安全衛生、營養價值高，還期望食品口感和風味獨特，因此，種養過程中農產品的品質鑒定和產品篩選對現代農業的經濟效益影響越來越大。 雞肉品質分析是一項較為復雜的研究工作，不僅包含理化指標，還有感官指標。 但由于雞飼養的內外環境差異以及評價人員個人喜好， 在感官指標評定中易出現偏差。 而利用現代科技信息手段，特別是物聯網系統，能精準感知單體雞只的活動范圍和軌跡， 捕獲土雞全產業鏈過程的全信息化關鍵數據，建立土雞檔案數據庫；通過采樣檢測，全面獲取雞只個體的理化指標數據，利用分析軟件， 快速建立農業養殖生產過程與農產品品質評價模型，進一步為雞肉品質評判提供有力事實依據。

隨著智能信息技術的更替發展和農業生產者觀念的轉變，智慧農業未來可期。 基于物聯網和NFC技術的農產品品質評定分級，不但實現回溯農產品信息和定制認養銷售，保障農產品質量安全，建立農戶與消費者的互信關系， 還能增強優質農產品市場競爭力， 激發市場主體活力， 推動農業經濟更好發展。 本課題組今后將進一步細化研究數字信息在農業生產中的應用，降低數字裝備成本，讓農業大數據進行生產要素配置與產銷精準對接， 開辟以產業興農促鄉村振興的新路徑。