潘 嘹，董 迪，盧立新，*

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無(wú)錫 214122)

生鮮肉及其制品是人類(lèi)膳食的重要組成部分，其色澤是衡量品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)，肉色主要由肉中肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及存在狀態(tài)決定。貯藏過(guò)程中，肉中脫氧肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白逐漸轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白，生鮮肉逐漸由鮮紅色轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?，最終腐敗變質(zhì)[1-3]。因此，檢測(cè)肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)評(píng)估生鮮肉品質(zhì)至關(guān)重要。圍繞肌紅蛋白的檢測(cè)方法研究，Mancini等[4]采用K/S比率法測(cè)定，但其反射衰減比和極限值會(huì)導(dǎo)致誤差，為此，Krzywicki[5]提出應(yīng)用可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量473、525、572、730 nm處的入射光投射衰減，以此計(jì)算肌紅蛋白的比例，該方法目前已成為肌紅蛋白測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，但測(cè)定過(guò)程中需要制備樣品，無(wú)法滿(mǎn)足肉制品生產(chǎn)及銷(xiāo)售過(guò)程中實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的需求[6-7]。

光譜無(wú)損檢測(cè)無(wú)需前處理和制備樣品，可實(shí)現(xiàn)肉制品的無(wú)損、即時(shí)、在線檢測(cè)。該方法已開(kāi)始應(yīng)用于豬肉、牛肉等食品的品質(zhì)檢測(cè)研究[8-9]，其中光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及預(yù)測(cè)模型是實(shí)現(xiàn)光譜無(wú)損檢測(cè)的關(guān)鍵[10-11]。李偉等[12]利用全譜段光譜數(shù)據(jù)借助移動(dòng)窗口平滑、一階差分求導(dǎo)和矢量歸一化預(yù)處理方法，建立線性偏最小二乘擬合模型，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)93.39%。姜沛宏等[13]應(yīng)用非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立牛肉新鮮度分級(jí)模型，克服了線性模型的局限性，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)98.31%。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)選用全譜段光譜信息預(yù)測(cè)生鮮肉水分含量，光譜數(shù)據(jù)存在冗余信息。為減少冗余信息，Chen等[15]應(yīng)用連續(xù)投影算法和深度學(xué)習(xí)堆疊自動(dòng)編碼器算法提取特征光譜，獲得的預(yù)測(cè)模型比基于全波長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型更為準(zhǔn)確。

目前研究已基本實(shí)現(xiàn)肉制品多項(xiàng)指標(biāo)的無(wú)損檢測(cè)，但采用光譜無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)肉制品中肌紅蛋白含量的研究未見(jiàn)報(bào)道。文章提出一種采用漫反射可見(jiàn)光譜定量檢測(cè)生鮮牛肉和豬肉中脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無(wú)損檢測(cè)方法，利用定義的光譜反射吸光度預(yù)測(cè)生鮮牛肉、豬肉中肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需制樣，可實(shí)現(xiàn)肌紅蛋白的無(wú)損檢測(cè)，以期為生鮮肉制品品質(zhì)監(jiān)控提供技術(shù)支持。

1 模型構(gòu)建

根據(jù)Krzywicki[16]研究，脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白的特征波長(zhǎng)分別為545、565、572 nm，且3種肌紅蛋白在525 nm均有特征峰。525 nm處3種肌紅蛋白的消光系數(shù)相等，因此選定525 nm為基準(zhǔn)波長(zhǎng)。定義肌紅蛋白特征波長(zhǎng)處的表面漫反射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)為反射吸光度，見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中，Ai為反射吸光度；Ri為反射率，%；i=525、545、565、572。

將特征波長(zhǎng)的反射吸光度、基準(zhǔn)波長(zhǎng)的反射吸光度的比值作為自變量，構(gòu)建肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)多元線性回歸方程，見(jiàn)式(2)。

(2)

式(2)中，poxy為氧合肌紅蛋白的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；pdeoxy為脫氧肌紅蛋白的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；pmet為高鐵肌紅蛋白的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ak=0、1、2、3，bk=0、1、2、3，ck=0、1、2、3，均為模型參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取生鮮牛肉和生鮮豬肉黃瓜條部位作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，生鮮牛肉和豬肉購(gòu)置于無(wú)錫某超市，將購(gòu)回的整塊生鮮牛肉和豬肉黃瓜條上下左右表面切除，從中間部位切取大小尺寸一致(2 cm×2 cm×2 cm)、質(zhì)量為5 g的小塊，放入PP托盤(pán)內(nèi)用保鮮膜纏繞封口，將樣品隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證組各3組，放入4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，每天分別測(cè)定實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證組內(nèi)的6個(gè)平行樣，共36個(gè)樣品，每個(gè)平行樣測(cè)定6個(gè)點(diǎn)，共測(cè)定216個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

PP托盤(pán)購(gòu)置于無(wú)錫某超市，長(zhǎng)寬高分別為18.5 cm×12 cm×2.5 cm，為減少托盤(pán)顏色對(duì)肉樣漫反射影響，研究采用的PP托盤(pán)為黑色。

保鮮膜采用市場(chǎng)上普遍使用的PE纏繞型保鮮膜，樣品貯藏時(shí)用保鮮膜封口。

2.2 儀器與設(shè)備

2.2.1光譜檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

PG2000-Pro-EX型光纖光譜儀，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司(信噪比450∶1，分辨率1.67 nm，積分時(shí)間10 ms～120 s，波段195～1 125 nm，波長(zhǎng)間隔0.44 nm)；Morpho通用光譜儀控制軟件、STD-WS型標(biāo)準(zhǔn)白板，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司；數(shù)據(jù)收集器；反射支架(304不銹鋼)，實(shí)驗(yàn)室自制；EOS 80D型數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)，日本佳能公司；Spectra Light QC型標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱，美國(guó)X-rite公司。

2.2.2光譜檢測(cè)系統(tǒng)連接

將光纖光譜儀、反射支架、盛有生鮮牛肉與豬肉的黑色托盤(pán)放于標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱中，黑色托盤(pán)放于反射支架上(防止光纖支架陰影對(duì)光譜采集的影響)，檢測(cè)中標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱用黑色織物遮蓋防止環(huán)境光線對(duì)測(cè)定的影響，數(shù)據(jù)收集器在光纖輸出端采集光譜數(shù)據(jù)，數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)拍攝樣品形貌。光譜檢測(cè)系統(tǒng)連接方式如圖1。

1-標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱；2-光源；3-反射支架；4-實(shí)驗(yàn)樣品；5-光纖檢測(cè)端；6-石英光纖；7-反射光譜測(cè)量支架；8-光纖光譜儀；9-三腳架；10-數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)；11-黑色織物；12-數(shù)據(jù)連接線；13-數(shù)據(jù)收集器；14-實(shí)驗(yàn)臺(tái)。圖1 光譜檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Spectral detection system

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1漫反射光譜采集

1)設(shè)置D65光源(光源強(qiáng)度3 000 a·u、環(huán)境溫度25 ℃、光纖光譜儀信噪比450∶1)。

2)實(shí)驗(yàn)樣品(表面溫度為4 ℃)放置在黑色托盤(pán)中，放于反射支架上，關(guān)閉室內(nèi)燈光待測(cè)。

3)采集光譜，拍攝樣品形貌(光圈5.6，快門(mén)1/125 s，ISO 200)，每塊樣品測(cè)定6個(gè)點(diǎn)，6次平均值作為樣品反射光譜。反射光譜每天采集1次，直到肉表面呈現(xiàn)淺綠色伴有黏液，散發(fā)刺激性氣味時(shí)停止光譜采集，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。生鮮牛肉和豬肉的實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為6 d。

2.3.2可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

研究參照Krzywicki[5]實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1)取5 g待測(cè)樣品，加入25 mL濃度為0.04 mol/L，pH值6.8的磷酸鈉緩沖溶液。

圖2 生鮮牛肉光譜分析Fig.2 Analysis of spectrum of fresh beef

2)將加入磷酸鈉緩沖溶液的樣品在室溫下用勻漿器均質(zhì)30 s，置勻漿后的均質(zhì)液于4 ℃恒溫恒濕箱中保存1 h。

3)均質(zhì)液于4 ℃恒溫恒濕箱取出，放入轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的離心機(jī)中離心20 min。

4)將上清液通過(guò)濾紙過(guò)濾，用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定濾液吸光度。

3 結(jié)果與分析

3.1 光譜分析

生鮮牛肉和豬肉于4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，貯藏過(guò)程中生鮮牛肉和豬肉光纖光譜儀反射光譜、可見(jiàn)分光光度計(jì)光譜如圖2、圖3。由光纖光譜儀采集到的光譜與可見(jiàn)分光光度計(jì)采集到的光譜相比，生鮮牛肉和豬肉在545、565 nm處存在顯著吸收峰或反射峰。此外，隨貯藏時(shí)間增加，特征峰峰值呈現(xiàn)反射率降低、升高、降低的3個(gè)階段變化規(guī)律，反映了不同肌紅蛋白在貯藏期內(nèi)的相互轉(zhuǎn)變。

3.2 肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

生鮮牛肉和豬肉于4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，貯藏過(guò)程中生鮮牛肉、豬肉顏色變化如圖4、圖5。結(jié)果表明：隨時(shí)間推移，生鮮牛肉和豬肉的顏色由暗紅色變?yōu)轷r紅色，最終呈現(xiàn)褐色。肌紅蛋白中鐵離子的化合價(jià)態(tài)(Fe2+或Fe3+)與氧氣結(jié)合的位置是導(dǎo)致其色澤變化的根本原因。圖6為采用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量的貯藏過(guò)程中生鮮牛肉和豬肉中脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白分別在總肌紅蛋白中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。

圖3 生鮮豬肉光譜分析Fig.3 Analysis of spectrum of fresh pork

圖4 生鮮牛肉顏色變化Fig.4 Color change of fresh beef

圖6 生鮮肉3種肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.6 Changes of relative mass fraction of myoglobin in fresh meat

整個(gè)貯藏過(guò)程中，反射光譜、生鮮肉顏色、肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)三者變化相互關(guān)聯(lián)[17-18]，生鮮牛肉和豬肉均在0～1 d、2～3 d、4～5 d呈現(xiàn)階段性變化，因此，將生鮮牛肉和豬肉指標(biāo)變化分為3個(gè)階段。

第1階段，肌紅蛋白依靠電子傳遞鏈?zhǔn)硅F離子處于還原狀態(tài)，3種肌紅蛋白相互轉(zhuǎn)化，脫氧肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變；脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成氧合肌紅蛋白的速率與脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白的速率一致，生鮮牛肉、豬肉呈現(xiàn)暗紅色，反射率降低。

第2階段，肉與空氣中的氧氣充分接觸，肌肉中二價(jià)鐵離子被氧化為三價(jià)鐵離子，脫氧肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變，脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成氧合肌紅蛋白的速率高于脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白的速率，生鮮牛肉、豬肉呈現(xiàn)鮮紅色，反射率升高。

第3階段，生鮮牛肉和豬肉脫氧肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。生鮮牛肉氧合肌紅蛋白的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)變化，4 d后急劇下降；高鐵肌紅蛋白的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)變化，第4天時(shí)高鐵肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成脫氧肌紅蛋白的能力消失，高鐵肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，生鮮牛肉開(kāi)始腐敗變質(zhì)，呈現(xiàn)褐色，反射率降低。生鮮豬肉氧合肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)變化，高鐵肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)變化，第5天時(shí)高鐵肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，生鮮豬肉開(kāi)始腐敗變質(zhì)，反射率降低。

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本研究建立的預(yù)測(cè)模型，將光纖光譜儀測(cè)得的光譜反射率[圖2(a)、圖3(a)]代入式(2)構(gòu)建回歸分析模型，經(jīng)回歸分析所得模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 肌紅蛋白多元線性回歸方程模型Tab.1 Multiple linear regression equation model parameters of myoglobin

實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值如圖6。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)模型精度，將實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性回歸，R2值與擬合曲線見(jiàn)圖7、圖8，擬合方程的截距均小于10-14，斜率等于1，說(shuō)明本研究提出的基于漫反射可見(jiàn)光譜肌紅蛋白無(wú)損檢測(cè)方法能預(yù)測(cè)生鮮牛肉和豬肉中3種肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖7 生鮮牛肉肌紅蛋白預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction chart of myoglobin in fresh beef

圖8 生鮮豬肉肌紅蛋白預(yù)測(cè)Fig.8 Prediction chart of myoglobin in fresh pork

4 結(jié) 論

基于表面漫反射可見(jiàn)光譜，提出了定量檢測(cè)生鮮牛肉和豬肉3種肌紅蛋白相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法，預(yù)測(cè)生鮮牛肉和豬肉3種肌紅蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，判定生鮮牛肉和豬肉的品質(zhì)。檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需制樣，對(duì)生鮮牛肉和豬肉無(wú)破壞，適用于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，證明了無(wú)損檢測(cè)3種肌紅蛋白預(yù)測(cè)模型在食品品質(zhì)預(yù)測(cè)方面的可行性，旨在為生鮮肉流通中品質(zhì)檢測(cè)提供基礎(chǔ)。