BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化海南‘羅非魚’魚皮提取膠原蛋白工藝

李新年，尚學(xué)峰，張玉蒼,2，王江，2

(1.海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570228)

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BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化海南‘羅非魚’魚皮提取膠原蛋白工藝

李新年1，尚學(xué)峰1，張玉蒼1,2，王江1，2

(1.海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570228)

【目的】 正交試驗(yàn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化魚皮膠原蛋白提取工藝.【方法】 通過層次分析法(AHP)確定海南‘羅非魚’魚皮前處理工藝.采用酶提取法提取膠原蛋白，以膠原蛋白提取率為評價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)考察NaCl濃度、乙酸濃度、提取時(shí)間及固液比對提取的影響，篩選最佳提取工藝.正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，對主要影響因素進(jìn)行仿真優(yōu)化.【結(jié)果】 優(yōu)化得到的提取工藝條件為NaCl濃度2 mol/L，乙酸濃度0.2 mol/L，提取時(shí)間24 h，固液比1∶20(V/V)，檢驗(yàn)樣本的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值和實(shí)際測量值相對誤差為5%.【結(jié)論】 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)不需要增加試驗(yàn)次數(shù)，就能分析酶提取膠原蛋白影響因素的變化規(guī)律，找到最佳參數(shù).

海南‘羅非魚’；膠原蛋白；層次分析法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；酶法提取

我國是世界上最大的‘羅非魚’養(yǎng)殖國、出口國和消費(fèi)國，而海南省‘羅非魚’出口量占全國的1/3.開發(fā)利用‘羅非魚’加工下腳料具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效應(yīng)[1-2].‘羅非魚’加工下腳料里含有大量的膠原蛋白，良好的生物相容性[3]，低抗原性和低過敏性[4]，使其在生物材料領(lǐng)域有廣泛的研究應(yīng)用[5].

酶提取膠原蛋白反應(yīng)條件溫和，具有較高的提取率，對蛋白質(zhì)影響較小[6-8].1986年，Rumellhart等首次提出多層前饋網(wǎng)的反向傳播學(xué)習(xí)方法，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).此后BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)在提取工藝上逐步應(yīng)用.張超等[9]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化苦參方中荊芥揮發(fā)油的提取工藝，預(yù)測值與實(shí)際值相對誤差小于1%.邵方元等[10]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化胰蛋白酶提取魚腥草多糖工藝，也成功得到最佳提取工藝.本試驗(yàn)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)法，以正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為樣本，建立提取工藝的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測最佳提取工藝，以期為海南‘羅非魚’魚皮膠原蛋白的提取提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海南‘羅非魚’魚皮(海南泉益公司)；胃蛋白酶(1∶3 000，生工生物工程股份有限公司)；馬弗爐，KSL-1100X；冷凍干燥機(jī)FD-1A-50；臺式高速離心機(jī)；TG16-WS.

1.2 基于層次分析法的魚皮前處理工藝選取

1.2.1 海南‘羅非魚’魚皮成分測定 海南‘羅非魚’魚皮成分的測定方法如表1所列.

1.2.2 層次模型圖構(gòu)建 查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]，經(jīng)優(yōu)化得到下表(表2).由此得到層次模型結(jié)構(gòu)圖，見圖1.

表1 魚皮成分測定方法

Tab.1 The method for skin component

檢測項(xiàng)目檢測方法水分含量測定CB5497-85糧食、油料檢測水分測定法灰分含量測定GB5009.4-2010蛋白質(zhì)含量測定GB5009.5-2010及第1號修改單(第一法)脂肪含量測定GB5009.6-2010

表2 魚皮前處理工藝

Tab.2 Treatment process for fish skin

魚皮前處理工藝P1P2P3P4試劑及步驟⑴NaOH浸泡6h⑵NaCl浸泡6h⑶乙醚⑴NaCl浸泡6h⑵NaOH浸泡6h⑶乙醚⑴NaOH浸泡6h⑵NaCl浸泡6h⑶正丁醇⑴NaCl浸泡6h⑵NaOH浸泡6h⑶正丁醇

圖1 魚皮前處理工藝層次模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Analytic hierarchy process for fish skin

1.3 魚皮膠原蛋白提取工藝設(shè)計(jì)

1.3.1 魚皮膠原蛋白的提取 稱量已預(yù)處理的魚皮50 g放入燒杯.加入含胃蛋白酶和冰醋酸(1%)，磁力攪拌溶解一定時(shí)間；高速離心機(jī)離心(12 000 r/min)吸取上清液.在上清液中加入NaCl至2 mol/L攪拌24 h；將所得沉淀低溫冷凍干燥制成膠原蛋白樣品，備用.

1.3.2 膠原蛋白含量的測定 膠原蛋白測定，采用分光光度法測定魚皮中羥脯氨酸含量[13]，乘以相應(yīng)的系數(shù)計(jì)算膠原蛋白含量.

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定NaCl濃度、乙酸濃度、提取時(shí)間和固液比為考察因素，按L16(44)型表進(jìn)行提取.以膠原蛋白提取率為評價(jià)指標(biāo)，因素水平見表3.

1.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及方法 在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對外部環(huán)境提供的模式樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并能存儲學(xué)習(xí).經(jīng)過學(xué)習(xí)之后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對外部環(huán)境有適應(yīng)能力，能自動提取外部環(huán)境變化特征，輸出學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中的特定結(jié)果.其實(shí)質(zhì)為是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，原理如圖2所示.

表3 提取影響因子水平表

Tab.3 The impact factor level table

水平因素A:NaCl濃度/(mol·L-1)B:乙酸濃度/(mol·L-1)C:提取時(shí)間/hD:固液比/(m∶V)110.131∶1021.50.291∶15320.3151∶2042.50.4241∶25

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理Fig.2 The diagram of BP neural network

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在2種信號：函數(shù)信號和誤差信號.其通過輸入函數(shù)信號，通過每一層網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元向前傳播，到達(dá)網(wǎng)絡(luò)輸出層的末端即成為一個輸出信號.與函數(shù)信號正相反，一個誤差信號產(chǎn)生于網(wǎng)絡(luò)的一個輸出神經(jīng)元，并沿著原來的連接通道反向傳播.經(jīng)過一定的訓(xùn)練次數(shù)，誤差信號不斷的反饋來調(diào)整，最終達(dá)到所需要的網(wǎng)絡(luò).

1.3.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與正交試驗(yàn)結(jié)合依據(jù) 正交試驗(yàn)?zāi)芊从橙嬖囼?yàn)結(jié)果，且不進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，利于節(jié)省.當(dāng)討論某一因素，其他因素不用考慮，這極其方便.但是正交試驗(yàn)對其指標(biāo)貢獻(xiàn)值大小的排序不是很準(zhǔn)確.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)模式，可以找出數(shù)據(jù)中人不能發(fā)現(xiàn)的隱藏的規(guī)律.但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限性也很明顯.BP算法可以使網(wǎng)絡(luò)權(quán)值收斂到一個解，但是很有可要會是一個局部最小值.

所以當(dāng)采用正交試驗(yàn)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)保證大的方向是對的，根據(jù)BP對其所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)預(yù)測，可以保證其指標(biāo)的貢獻(xiàn)較好的表達(dá).這是因?yàn)檎辉囼?yàn)利用多元線性回歸方程來擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)而獲取最優(yōu)工藝，但是提取過程中受多因素、多水平的影響，需要考察的指標(biāo)有很多，它們常呈非線性變化，使其很難對試驗(yàn)中各因素的變化規(guī)律做出準(zhǔn)確的描述.

1.3.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中，隱含層函數(shù)為tansig;輸出層函數(shù)為purelin;其中期望誤差、訓(xùn)練的最大次數(shù)和學(xué)習(xí)速率參數(shù)值分別為0.001、1 000、0.05.輸入層以NaCl濃度，乙酸濃度，提取時(shí)間和固液比作為輸入層，即輸入層為4輸出層只以膠原蛋白提取率輸出層，即輸出層層數(shù)為1.隱含層神經(jīng)元數(shù)的選取能夠直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率和精確度.目前確定隱含層神經(jīng)元數(shù)還缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)原則.參照文獻(xiàn)[15-16]得到下式.

式中，m為輸入層層數(shù)；n為輸出層層數(shù)；l為隱含層層數(shù)；本文設(shè)隱含層為6，式中a為1～10的常數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 魚皮組成成分

魚皮處理后的基本成分分析見表4.從表4可知魚皮蛋白質(zhì)含量高達(dá)33.15%，羥脯氨酸測定膠原蛋白含量為25.32%，其純度高達(dá)76.38%.說明‘羅非魚’皮是很好的提取膠原蛋白的材料，也給魚皮預(yù)處理提供了方向.

表4 海南‘羅非魚’魚皮營養(yǎng)成分Tab.4 Nutrient contents of the skin of tilapia %

2.2 層次分析法魚皮前處理結(jié)果

由表5計(jì)算得出工藝排序結(jié)果，經(jīng)過單排序和總排序一致性檢驗(yàn)，得到組合權(quán)向量的權(quán)重，見表6.根據(jù)表6的結(jié)果可知對于魚皮預(yù)處理效果的優(yōu)先順序?yàn)椋篜1>P2=P3>P4.選取NaOH浸泡6 h，隨后NaCl浸泡6 h，最后用乙醚浸泡48 h.

表5 方案層對準(zhǔn)則層的計(jì)算結(jié)果Tab.5 The calculation results

表6 方案層對目標(biāo)層的權(quán)重Tab.6 Scheme layer on the target weight

2.3 魚皮膠原蛋白提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖中看出，在1 mol/L到2.5 mol/L時(shí)，隨著NaCl濃度的增加，提取率呈正相關(guān)，當(dāng)濃度達(dá)到2.5 mol/L時(shí)，提取率達(dá)到最高.隨后提取率隨著濃度的增加有下降趨勢，可能原因是NaCl濃度太大對膠原蛋白產(chǎn)生了一定的破壞；在0.1 mol/L到0.3 mol/L時(shí)呈正相關(guān)，此時(shí)達(dá)到最高提取率，隨著乙酸濃度的增加，提取率呈負(fù)相關(guān).這主要是由于膠原蛋白在較酸的環(huán)境下發(fā)生變性，導(dǎo)致提取率下降；若乙酸濃度太低，膠原蛋白則不能充分提取出來；提取時(shí)間中，21 h開始不再顯著增長，故最佳提取時(shí)間為24 h，此時(shí)達(dá)到最大提取率46.23%；固液比在一定范圍內(nèi)的增長與提取率呈正相關(guān).當(dāng)固液比達(dá)到1∶25時(shí)已經(jīng)開始下降，故最佳固液比為1∶20.

A：NaCl濃度；B：乙酸濃度；C：提取時(shí)間；D：固液比.圖3 單因素對蛋白提取率影響Fig.3 Effect of single factor to rate of protein extraction

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

以膠原蛋白提取率作為評價(jià)指標(biāo)[17]，試驗(yàn)樣本和結(jié)果見表7.

2.4.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的膠原蛋白提取率預(yù)測 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果顯示，經(jīng)過70次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練均方誤差達(dá)到了設(shè)定的最小訓(xùn)練目標(biāo)值，訓(xùn)練結(jié)果見圖4.網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完后，利用MATLAB中的仿真函數(shù)sim進(jìn)行仿真輸出網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值，使用檢驗(yàn)樣本作為網(wǎng)絡(luò)輸入，對訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測性能良好，測試結(jié)果見圖5和表8.

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相對誤差最好在5%以內(nèi)，模擬所得數(shù)據(jù)在5%左右.可能原因是數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本太少，模型參數(shù)還不完美.但是已經(jīng)具備用于實(shí)際用途.

2.5 膠原蛋白紅外分析

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練Fig.4 The BP neural network training

圖5 模擬值與真實(shí)值對比Fig.5 The simulation value and real value contrast figure

表8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對誤差表Tab.8 The BP neural network relative error table %

分析可知，3 321.24 cm-1處的吸收峰對應(yīng)著賴氨酸殘基中—NH伸縮振動、3 077.36 cm-1CN伸縮振動、2 927.24 cm-1—CH2不對稱伸縮振動、2 855.56 cm-1—CH2對稱伸縮振動、2 376.13 cm-1，1 652.00 cm-1處的吸收峰對應(yīng)著膠原中羰基的伸縮振動[18]，此處歸屬于酰胺I的—C=O伸縮振動、1 542.74 cm-1—COO振動、1 453.17 cm-1—CH2彎曲振動[19].此外，通過對比膠原蛋白的標(biāo)準(zhǔn)圖譜，發(fā)現(xiàn)兩圖非常接近，可以定性為膠原蛋白.膠原的紅外光譜也可反映出膠原分子的二級結(jié)構(gòu)信息，如酰胺I帶中的羰基伸縮振動，及其與N-H彎曲振動、C-N振動的耦合，就是反應(yīng)了膠原分子二級結(jié)構(gòu)中的α螺旋、β折疊等信息.

圖6 膠原蛋白的紅外光譜Fig.6 Collagen infrared spectrum

2.6 膠原蛋白紫外分析

從圖7中可以看出，提取膠原溶液的紫外光譜圖中只存在一個較強(qiáng)的吸收峰，位于234 nm處，對比膠原在232 nm，此處吸收峰是膠原蛋白的特征吸收峰，是膠原區(qū)別于其他蛋白質(zhì)的主要特征之一[20].

提取膠原蛋白和對比膠原蛋白的最大吸收峰略有差別，分析其原因，首先膠原蛋白的來源不同，且提取的方法不一樣也可能造成最后膠原蛋白的氨基酸含量略有不同.此外，紫外分析也有一定的誤差，但總體提取的膠原蛋白比較符合預(yù)期.

圖7 膠原蛋白的紫外光譜Fig.7 Collagen ultraviolet spectrum

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)研究中，首先選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對‘羅非魚’魚皮膠原蛋白提取工藝中的多因素、多水平進(jìn)行考察，再以正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過有限次的迭代計(jì)算從而建立一個反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對所建模型進(jìn)行訓(xùn)練和仿真預(yù)測.檢驗(yàn)樣本的預(yù)測值和實(shí)際測量值相對誤差在5%，表面網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測性能良好.得到的最佳提取工藝為NaCl濃度2 mol/L,乙酸濃度0.2 mol/L，提取時(shí)間24 h，固液比1∶20.驗(yàn)證結(jié)果表明該工藝可行，具有重復(fù)性.

目前，魚皮膠原蛋白提取工藝較為常用正交試驗(yàn)，由于其原理是利用多元線性回歸方程來擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)而獲取最優(yōu)工藝.但是膠原蛋白提取過程復(fù)雜，影響因素很多，往往呈非線性變化.而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是具有學(xué)習(xí)和處理非線性的最常用的模型之一.其通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小，能很好的反映出對象的關(guān)系.將傳統(tǒng)的方法—正交試驗(yàn)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可充分挖掘信息，模擬試驗(yàn)過程，反映各因素的變化規(guī)律，從而得到最優(yōu)組合.

試驗(yàn)表明，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合正交試驗(yàn)，進(jìn)行膠原蛋白提取工藝參數(shù)的優(yōu)化是可行的.該方法不需要增加試驗(yàn)次數(shù)，就能分析因素變化規(guī)律和尋找最佳參數(shù)組合，為提取工藝提供一個參考.

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(責(zé)任編輯 李辛)

Extraction optimization of collagen from tilapia fish skin by back propagation neural network and orthogonal design

LI Xin-nian1,SHANG Xue-feng1,ZHANG Yu-cang1,2,WANG Jiang1,2

(1.College of Materials and Chemical Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Advanced Materials in Tropical Island Resources,Haikou 570228,China)

【Objective】 To optimize collagen extraction techniques from fish skin by orthogonal test and BP neural network model. 【Method】 The analytic hierarchy process (AHP) was used to determine Hainan tilapia skin pretreatment. Enzymatic extraction method was conducted and the collagen extraction rate was as index,orthogonal test was based on four factors: NaCl concentration,acetic acid concentration,extraction time and solid-liquid ratio,the optimum technique was screened with the data of orthogonal test as back propagation neural network input. 【Result】 The optimized process conditions were NaCl at 2 mol/L,acetic acid at 0.2 mol/L,extracting for 24 h and solid-liquid ratio at 1∶20 (V/V). The relative error of network prediction and actual measured values were 5%. 【Conclusion】 The BP neural network combined with orthogonal experiment can analysis the changing of factors that affecting enzymes method and find the optimum parameters without increasing test number.

tilapia;collagen;analytic hierarchy process (AHP);BP neural network ;enzymatic method

李新年(1994-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锊牧?E-mail:newyear200888@126.com

王江，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樯锊牧?E-mail:wangjiang9623@126.com

海南省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(ZDXM20120066)；海南省自然科學(xué)基金(511106).

2015-11-03；

2015-12-09

TS 254.9

A

1003-4315(2016)06-0115-06