基于物联网及NFC 技术研究土鸡栖息位置与鸡肉品质相关性

黄惠珍 刘善文 福建省农业科学院数字农业研究所 福州 350003

在如今品质消费的时代下， 现有家禽产品虽多样，但高端且个性化产品供给不足，市场细分将给差异化竞争创造更多机遇[1]。 因此，亟待高效分级农产品，推出优品卖高价，提高农业经济产值[2]，推动乡村振兴战略发展。 另一方面， 据研究发现， 土鸡具有昼夜节律性，白天在外站立或活动行为较多[3]，晚上习惯回鸡舍的趴卧行为和栖息行为表现较多[4]，由此认为土鸡作为群体动物同样具有社会分层且栖息高度影响鸡肉品质。 此外， 在传统鸡舍中因管理需要，人员时常进出，不仅易携带细菌感染鸡群，还易造成应激，影响鸡群的生长发育[5]。 因此在互联网5G 时代，通过智能装置取代人工检测与评定[6]，可使更多的农事活动数字化、网络化和自动化[7]，使数据精确有说服力[8]、可追溯防篡改和可参考可对照。 采用数字设施配置禽类栖息空间环境[9]，对研究禽类栖息活动与肉质性状关系具有指导和参考意义[10]。 白士宝等[11]以栖杆为载体，安装质量传感器，实时获取体重数据；郭云等[12]基于NFC 技术的物联网溯源系统实现农产品物联网监管；王明等[13]建立基于物联网的北京油鸡健康散养系统， 实现了鸡个体识别和数据采集自动化的预期目标；毛涛涛等[14]构建基于LabVIEW 平台的蛋鸡栖架分布监测系统，实时采集蛋鸡在饲养过程中上栖架的频次、所处位置等数据，为蛋鸡栖架布置形式、栖架优化等提供数据支持；姬真真等[15]研究笼养和栖架舍饲散养对产蛋前期蛋鸡健康水平（发病率和死淘率）及福利状况的影响，研究表明栖架舍饲散养相比笼养可以提高蛋鸡健康水平。目前，对禽类栖息位置与鸡肉品质的相关性鲜有报道。本研究基于物联网与射频技术，在保侍土鸡自由活动、减少应激干扰的情况下[13]开展土鸡饲养阶段24 h 活动的自动监管，采集鸡只个体栖息高度位置和停留时间的数据； 通过抽样检测鸡肉氨基酸含量等明确鸡只个体栖息高度位置与鸡肉品质相关性。 根据停留时间， 测定不同栖息高度位置下土鸡鸡胸肉的营养成分， 建立土鸡栖息高度与鸡肉品质的关系模型。

1 材料与方法

1.1 试验动物 选择同批次63 日龄河田鸡128 羽，入舍前全部戴上智能脚环，让其在同一鸡舍中自由活动，试验期为150 d。 系统采集鸡只栖息的高度位置、栖息时间和活动轨迹，分析鸡群栖息分布规律。

1.1.1 定制智能脚环 以普通脚环制作硅胶模具，使用滴胶将线圈和芯片嵌入脚环中， 并保持水平位置（见图1）。 再进行脚环试套试验，从几种脚环内径15.7 mm、16.4 mm、16.8 mm、17.4 mm、17.8 mm 中筛选最适宜脚环内径、宽度，确保智能脚环在成年鸡只自由活动中不易脱落或人为轻易摘除。经试验，最终选取内径为16.4 mm 带有NFC 防伪芯片标识鸡只身份的脚环作为本试验的智能设备（被动式电子标签）。 芯片内置随机数生成器及128 位密钥加密算法[16]，读取时给出不同的随机验算码，服务器端根据验算码及ID 进行合法性验算，进一步加强数据安全性，彻底解决防复制、防篡改、防伪冒认证等问题[17]。

1.1.2 智能电子栖架 试验点智能电子栖架采用双边阶梯型[18]，利用直径10 cm 左右的毛竹（与地面呈45°、两根斜支撑杆制成脚架）和直径2 cm 的圆形小木棍（制作5 根与地面平行而高度不一的横向栖杆，分布高、中、低三层，分别距离地面150 cm、100 cm、50 cm，侧面如“A”字形）组合搭建[19]。 使用大功率射频读写器[20]（读取电子标签编号）、读写器天线（发射接收射频信号）、卡片式工控终端（获取读写器读取的标签信息）、压铸铝防水接线盒（防护卡片式工控终端） 等零配件组装为电子栖架所需的物联传感系统[21]（见图2），每根栖杆各安装一个射频读写器，栖杆内部安装天线，应试验需要，鸡舍内设置两台相同配置的智能电子栖架。

1.2 方法

1.2.1 系统管理平台 系统管理平台预存每个射频读写器所在栖杆的高度位置信息，通过佩戴的NFC智能脚环自动获取鸡只在电子栖杆的停留时长，系统实时记录和存储鸡群的活动轨迹， 用于统计与分析。

1.2.2 其他辅助物联网设备 鸡舍内外指定区域安装高清智能摄像系统（一台网络监控主机， 若干个300 万高帧率高清星光级夜视海康威视网络摄像机），对鸡群的活动轨迹进行影像记录以及对是否有其他动物骚扰鸡群进行远程监控。

1.2.3 土鸡栖息位置采集 外置远程主机（树莓派卡片机） 预存每根栖杆中射频读写器的高度位置信息以及所在栖架的位置信息。当佩戴NFC 智能脚环的鸡只个体停留电子栖杆上， 脚环内线圈与电子栖杆内部的天线形成磁场，基于13.56 MHz 射频技术，NFC 智能脚环通过该磁场获取能量并返回电磁波，被电子栖杆上射频读写器转换为数据信息， 远程主机通过编程语言执行机器指令， 实时采集、 存储NFC 智能脚环和电子栖杆交换的数据信息[14]，包括土鸡个体在所有栖杆上栖息的位置和停留时间。 系统管理平台进行批量数据特征提取， 结合高清视频图像采集和检测，在地面及低、中、高三层栖杆停留次数多且时间长的鸡群中， 按土鸡栖息水平高度层次分别随机抽取6 羽健康土鸡，合计24 羽土鸡作为鸡肉营养成分测试样品。

图1 NFC 脚环的设计与定制

图2 智能电子栖架构建示意图

1.2.4 鸡肉营养成分测定及方法 由系统管理平台抽取样本鸡只，取每羽鸡的胸肉，去掉多余脂肪、肌腱及结缔组织后将其分割成1~2 cm 见方的小块，作为1 份肌肉样品， 送至福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所， 按食品安全国家标准进行氨基酸、蛋白质、脂肪、水分、钙、肌苷酸等指标测定[14]。 各项指标测定依据如下：（1）氨基酸按食品安全国家标准GB5009.124-2016 测定；（2） 蛋白质按食品安全国家标准GB5009.5-2016 测定；（3） 脂肪酸按食品安全国家标准GB5009.168-2016 测定；（4） 脂肪按食品安全国家标准GB5009.6-2016 测定；（5） 水分按食品安全国家标准GB5009.3-2016第一法直接干燥法测定；（6）钙按食品安全国家标准GB5009.5-2016 测定；（7）肌苷酸以高效液相色谱法按DB37/T 3816-2019 标准测定。

水分、粗蛋白质、粗脂肪是肌肉营养品质评价中的常规性营养指标[22]。有研究发现，肉样中水分含量越低， 其营养含量就越高， 鸡肉中水分含量一般在70. 00%~75.00%，而在该范围内，肉样中含水量越高，口感越佳[23-24]。 肌肉中干物质的主要成分是蛋白质，虽然它对肌肉风味没直接产生影响，但影响肉成熟期蛋白质的分解，进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响肉质嫩度和风味[25]。蛋白质和脂肪的含量越高，肉品的营养价值越好。

氨基酸是肌肉鲜味的主要来源之一， 也是评价肌肉品质的重要指标，其含量的高低，直接决定肉品风味的优劣[26]。 研究认为，丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和苏氨酸是肉香味的必需前体物，如果这些氨基酸含量提高，则预示着肉品风味的改善[27]。 鲜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，它们的组成和含量直接影响着肉的鲜美程度[28]，尤其是谷氨酸，是禽肉中主要的鲜味物质[26]。 必需氨基酸是人体自身不能合成或合成速度不能满足人体需要， 必须从食物中摄取的氨基酸[29]，主要包括苏氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸。 另外，苏氨酸和苯丙氨酸可直接参与蛋白质的合成， 苯丙氨酸也可转化成酪氨酸，从而间接参与蛋白质的合成，提高肌肉中蛋白含量。

1.2.5 统计分析方法 用Excel 软件对样品信息和测定结果进行数据整理， 采用SPSS 19.0 软件对试验数据进行统计分析， 组间差异用单因素方差分析ANOVA 法进行分析。 试验数据以“平均值±标准误”表示，P<0.05 表示差异显著，P<0.01 表示差异极显著，P>0.05 表示差异不显著。

3 结果与分析

3.1 土鸡栖息位置采集 位置采集结果见表1。

表1 管理平台读取鸡只个体脚环信息

3.2 鸡肉营养成分测定 对样本鸡胸肉中主要化学成分分析结果见表2。 处于电子栖杆高、中、低及地面等四个水平位置的鸡胸肉中，天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸、缬草氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、脯氨酸、蛋白质、脂肪、水分、钙的含量虽有差异，但不显著（P>0.05）。

四个水平的鸡胸肉甘氨酸含量介于0.9500 g/100g~1.0450 g/100g，常位于栖杆中间水平鸡群的甘氨酸含量最低， 与位于其他三组水平位置鸡群的甘氨酸含量差异显著（P<0.05），此外其他水平位置之间鸡群的甘氨酸含量没有显著性差异（P>0.05），栖息不同水平位置鸡群的甘氨酸含量大小，依次为：地面>栖杆高位>栖杆低位>栖杆中位。

四个水平的鸡胸肉胱氨酸含量介于0.1017 g/100g~0.1567 g/100g，常位于栖杆中间水平鸡群的胱氨酸含量最低， 与位于其他三组水平位置鸡群的胱氨酸含量差异显著（P<0.05），此外其他水平位置之间鸡群的胱氨酸含量没有显著性差异 （P>0.05），栖息不同水平位置鸡群的胱氨酸含量大小，依次为：地面>栖杆低位>栖杆高位>栖杆中位。

四个水平的鸡胸肉亮氨酸含量介于1.8200 g/100g~1.9517 g/100g，常位于栖杆中间水平鸡群的亮氨酸含量最低， 与位于地面及位于栖杆高位鸡群的亮氨酸含量差异显著（P<0.05），此外其他水平位置之间鸡群的亮氨酸含量没有显著性差异（P>0.05），栖息不同水平位置鸡群的亮氨酸含量大小，依次为：地面>栖杆高位>栖杆低位>栖杆中位。

4 结论与讨论

试验数据表明， 活跃在不同高度鸡群的鸡胸肉中，甘氨酸、胱氨酸及亮氨酸含量有显著差异，且活跃地面鸡群的鸡胸肉中这三类氨基酸含量最高，位于栖杆中间位置的鸡胸肉中这三类氨基酸含量最低。天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸、缬草氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、脯氨酸、蛋白质、脂肪、水分、钙等指标， 在各水平鸡群的鸡胸肉中含量无显著性差异。

在非必需氨基酸中，甘氨酸具有独特的甜味，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体氨基酸， 与肉质的鲜味有直接关系[30]，谷氨酸具有形成肉鲜味并缓冲酸碱等特殊功效。 活跃地面鸡群的鸡胸肉中甘氨酸含量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， 分别远高于活跃在栖杆中间位置鸡群的鸡胸肉中甘氨酸含量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。

对照鸡肉风味品质评定的化学指标中的滋味物质， 表现甜味的呈味物质甘氨酸及表现苦味的呈味物质亮氨酸， 都是在地面活动频率高的鸡群中含量最高， 且与其他活动表现的鸡群有显著性差异。 说明喜欢活动空间大且地面行走、运动量多的鸡群，可能通过改变体内与风味物质的合成， 尤其是氨基酸中呈味物质的有关代谢，使鸡肉品质发生改变，呈现口感多样化。

表2 不同栖息水平位置土鸡鸡胸肉指标测定值

随着城乡居民生活水平的提高及科技信息技术的发展，人们对于农产品不仅要求安全卫生、营养价值高，还期望食品口感和风味独特，因此，种养过程中农产品的品质鉴定和产品筛选对现代农业的经济效益影响越来越大。 鸡肉品质分析是一项较为复杂的研究工作，不仅包含理化指标，还有感官指标。 但由于鸡饲养的内外环境差异以及评价人员个人喜好， 在感官指标评定中易出现偏差。 而利用现代科技信息手段，特别是物联网系统，能精准感知单体鸡只的活动范围和轨迹， 捕获土鸡全产业链过程的全信息化关键数据，建立土鸡档案数据库；通过采样检测，全面获取鸡只个体的理化指标数据，利用分析软件， 快速建立农业养殖生产过程与农产品品质评价模型，进一步为鸡肉品质评判提供有力事实依据。

随着智能信息技术的更替发展和农业生产者观念的转变，智慧农业未来可期。 基于物联网和NFC技术的农产品品质评定分级，不但实现回溯农产品信息和定制认养销售，保障农产品质量安全，建立农户与消费者的互信关系， 还能增强优质农产品市场竞争力， 激发市场主体活力， 推动农业经济更好发展。 本课题组今后将进一步细化研究数字信息在农业生产中的应用，降低数字装备成本，让农业大数据进行生产要素配置与产销精准对接， 开辟以产业兴农促乡村振兴的新路径。