肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)構(gòu)建

侯志強，李苗云，趙改名，田 瑋

(1.河南農(nóng)業(yè)大學食品科學與技術(shù)學院，河南鄭州450002;2.河南省肉制品加工與質(zhì)量安全控制重點實驗室，河南鄭州450002)

預(yù)測食品微生物學是一個將微生物學、數(shù)學和統(tǒng)計學等結(jié)合在一起的新學科，它的發(fā)展方向是通過建立一些數(shù)學模型來預(yù)測微生物在不同環(huán)境條件下的生長、死亡情況［1］。目前，國內(nèi)外科學家已經(jīng)可以應(yīng)用一些很成熟的預(yù)測方法，通過電腦人機對話，預(yù)測出各種環(huán)境條件下的微生物生長情況［2］。預(yù)測微生物技術(shù)在國外已經(jīng)被廣泛研究，產(chǎn)生了許多微生物生長模型的預(yù)測軟件，如:Com-Base作為微生物對食品環(huán)境響應(yīng)的公共數(shù)據(jù)庫，是目前世界上最全面的預(yù)測微生物學信息庫，且還在不斷完善中［3］。SSSP(sea food spoilage and safety predictor，SSSP)［4］為海產(chǎn)魚類的剩余貨架期預(yù)測軟件，該軟件中部分預(yù)測微生物模型的建立采用了重復(fù)法(Iterative approach)，即在數(shù)據(jù)生成之前就對建模過程中涉及的特定腐敗菌、腐敗范圍和培養(yǎng)基等進行反復(fù)驗證，因此可以最大限度地減小模型應(yīng)用中的誤差。SMAS［5］是一個正在開發(fā)的冷鏈肉制品綜合管理系統(tǒng)，它能使原料從加工到產(chǎn)品售出的全過程得到安全和品質(zhì)的保障。這些國外模型預(yù)測軟件的思路值得我們參考和借鑒。目前國內(nèi)還沒有比較正式、規(guī)范、公共的預(yù)測微生物的平臺，以便科學家進行研究、探討、學習和交流［6］。

肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)(以下簡稱預(yù)報模型系統(tǒng))是依照“成果共用、資源共享、信息共通”的原則進行建設(shè)，匯集國內(nèi)外預(yù)報模型研究成果，博覽全球眾多相關(guān)資料，最后建成適合各類微生物預(yù)報模型存儲、檢索、應(yīng)用的共享服務(wù)平臺，為中國肉品微生物風險評估構(gòu)建提供資源共享平臺，為科研人員及相關(guān)單位提供一個在線探討、交流互動的共享平臺。本研究主要針對托盤冷卻肉中的假單胞菌分布和作用進行了系統(tǒng)研究，應(yīng)用修正的Gompertz函數(shù)建立了不同溫度條件下豬肉的生長模型曲線，即在不同的溫度下豬肉中影響腐敗品質(zhì)的生長模型，建立的數(shù)學模型與計算機軟件技術(shù)結(jié)合后更好地預(yù)測微生物生長動態(tài)。

1 肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)的總體架構(gòu)

預(yù)報模型系統(tǒng)采用ASSF(access service standard fundation)模式［7］，用戶可以通過瀏覽器、移動終端或PC端訪問本系統(tǒng)，各個模塊的訪問、顯示不受終端因素影響。系統(tǒng)主要模塊包括:模型存儲模塊、模型檢索模塊、模型展示模塊和資料顯示模塊，如圖1所示。

圖1 預(yù)報模型系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of information froecasting

1.1 模型存儲模塊

模型存儲模塊主要讓操作員按一定的統(tǒng)一格式錄入模型信息，如:名稱、搜索關(guān)鍵字、模型內(nèi)容、模型類型等。管理員可以審核用戶錄入的模型信息，凡通過審核的模型可以在系統(tǒng)中查詢得到，如果審核不通過，管理員會通知用戶。

1.2 模型檢索模塊

模型檢索模塊可以提高用戶操作的便捷性，通過系統(tǒng)提供的檢索規(guī)則更快速地過濾數(shù)據(jù)。目前系統(tǒng)主要提供用戶類型和關(guān)鍵字組合檢索規(guī)則，用戶可以按照類型、關(guān)鍵字進行模糊檢索，也可以通過類型+關(guān)鍵字組合，檢索到更準確的數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 模型檢索界面Fig.2 Search interface of the model

1.3 模型展示模塊

模型展示可以提供用戶更加直觀的效果。采用圖形顯示插件可以從各個維度觀察模型的變化，更加直觀地體現(xiàn)模型與維度的關(guān)系。目前用戶可以通過改變時間、生長量和溫度3個維度［8］，間接改變微生物的生長環(huán)境條件，動態(tài)觀察這3個維度對每個模型的影響［9］。如圖3(托盤豬肉假單胞菌生長模型［10］)所示。

1.4 資料顯示模塊

資料顯示模塊主要提供給用戶查看某個模型的具體實現(xiàn)方式，用戶可以在資料顯示界面進行在線查看、下載操作。圖4為資料顯示界面。

圖3 托盤豬肉假單胞菌生長模型展示界面Fig.3 The tray pork pseudomonas growth model display interface

圖4 資料顯示界面Fig.4 Disphy interface of the data

2 肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

2.1 搜索技術(shù)

通過設(shè)定模型分類和關(guān)鍵字，提供給用戶的檢索模型，是一個比較有效、快速的方法［11］。通過在數(shù)據(jù)庫中增加2個字段kind和key來處理用戶的每次請求，當用戶的請求發(fā)送時，首先解析鏈接中的搜索方式，再根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢語句進行查詢，然后返回結(jié)果給用戶，圖5為搜索流程圖。

圖5 搜索流程Fig.5 Searching results

2.2 預(yù)報模型信息模板

信息模板［12］是指用于解析數(shù)據(jù)內(nèi)容的自定義格式文本文件。通過在模板文件中嵌入與頁面動態(tài)顯示數(shù)據(jù)項匹配的字段名稱，進而代替頁面中的動態(tài)顯示數(shù)據(jù)項，在數(shù)據(jù)展示時，結(jié)合對應(yīng)的模板，實現(xiàn)預(yù)報模型信息的自動化顯示。目前關(guān)于預(yù)測模型系統(tǒng)信息內(nèi)容剛剛起步，模型信息數(shù)據(jù)格式還沒有標準的格式，將信息展示方式提高到基于模板的層面，并提供智能化的信息展示是解決問題的根本和關(guān)鍵。

針對預(yù)報模型數(shù)據(jù)模板結(jié)構(gòu)［13］變化概率低，可以采用不同的預(yù)報模型模板參數(shù)進行設(shè)置，只要設(shè)置好這些參數(shù)，就能動態(tài)地展示模型數(shù)據(jù)。相關(guān)參數(shù)設(shè)置說明如表1所示，在試驗中，我們可以根據(jù)不同的預(yù)報模型對這個模板參數(shù)表進行添加參數(shù)［14］，進一步達到準確地獲取數(shù)據(jù)，圖6是試驗中托盤豬肉假單胞菌生長模型的配置信息模板。

表1 預(yù)報模型信息模板參數(shù)說明Table 1 Parameter description of froecasting model information template

2.3 統(tǒng)一預(yù)報模型展示

預(yù)報模型系統(tǒng)采用2種約定數(shù)據(jù)格式［15］，包括模型信息和參數(shù)信息，其中模型信息主要記錄模型的相關(guān)信息，參數(shù)信息主要記錄模型公式輸入的參數(shù)名稱、表達意思和參數(shù)的相關(guān)值。圖7為系統(tǒng)默認的數(shù)據(jù)錄入格式，表2為系統(tǒng)識別的數(shù)據(jù)格式，通過獲取模型信息和參數(shù)信息的相關(guān)值，自動形成一套模板數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過此模板進行解析數(shù)據(jù)。通過采用這2種格式，實現(xiàn)自動化對應(yīng)模型界面的數(shù)據(jù)展示。

預(yù)報模型系統(tǒng)通過讀取每個模型的數(shù)據(jù)錄入

圖6 托盤豬肉假單胞菌生長模型的模板Fig.6 The model of pseudomonas from chilled meat informate template

圖7 數(shù)據(jù)錄入格式Fig.7 The format of data type

表2 數(shù)據(jù)識別格式Table 2 The format of data identify

3 肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)的試驗分析

使用預(yù)報模型系統(tǒng)對托盤豬肉假單胞菌生長模型進行顯示。試驗的硬件設(shè)備為:AMD速龍X2 5000 內(nèi)存 DDR4.0 G、硬盤 7 200 r·min-1。在試驗過程中，首先錄入模型數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 托盤豬肉假單胞菌生長模型數(shù)據(jù)Fig.8 The data of growth model for Pseudomonas’tray pork

進入系統(tǒng)，點擊對應(yīng)的模型鏈接，就可以顯示托盤豬肉假單胞菌生長模型對應(yīng)的界面，如圖9所示。

圖9中①是提供用戶的預(yù)報模型記錄列表。系統(tǒng)的預(yù)報模型列表是在加載界面啟動的時候，從服務(wù)器端更新的。②是預(yù)報模型的名稱，表明用戶當前正在查看的預(yù)報模型。③是預(yù)報模型的數(shù)據(jù)展示區(qū)域，用戶可以通過X、Y軸，觀察模型變化。④是預(yù)報模型對應(yīng)的變化維度，用戶通過修改這個維度，更加直觀、動態(tài)的觀察數(shù)據(jù)顯示區(qū)域界面的變化。

圖9 系統(tǒng)界面Fig.9 System interface

4 總結(jié)和展望

肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)，可以針對不同用戶的需求，提供多方面的微生物模型研究、交流、學習的平臺，也為科研人員提供一個在線探討、交流互動的共享平臺。它有自身的優(yōu)點和適用的用戶群體，但也存在一些不足，隨著計算機及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，微生物預(yù)報模型系統(tǒng)必將得到廣泛應(yīng)用，進而也迫切需要更多高效、直觀、多角度的預(yù)報模型。未來肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)研究中面臨的問題主要集中于以下幾個方面:

1)多種預(yù)報模型對比。目前，肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)，只能展示單個預(yù)報模型效果，如何比較多個相似的預(yù)報模型，是今后改善的一個重要方面。

2)多維度實時動態(tài)展示。在實現(xiàn)多種預(yù)報模型對比的基礎(chǔ)上，將搜索結(jié)果通過不同圖形展示出來，并能夠動態(tài)展示每個節(jié)點隱藏的數(shù)據(jù)，使用戶能夠更加直觀、有效地查看模型曲線，從而實現(xiàn)用戶的個性化定制，隨著用戶個性化定制的需求增多，考慮如何實現(xiàn)智能化和個性化，是下一步將要進行研究的重點。

3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。不同用戶關(guān)注的搜索結(jié)果各不相同，有些比較側(cè)重數(shù)據(jù)的詳細信息，另外有些則側(cè)重整體數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。增強數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能以及將其更好地展示給用戶，也是我們下一步要進行研究的問題。

盡管目前肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)本身存在一些不足，可能會限制它的應(yīng)用和發(fā)展，但隨著預(yù)報模型和其它技術(shù)(特別是人工智能)的不斷研究、發(fā)展以及相互之間有機的結(jié)合，肉品微生物預(yù)報模型系統(tǒng)必將進一步完善和升級，并有著很好的發(fā)展前景。

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