基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的茄子皮紫色素的提取研究

羅璇，周敏，李莉

(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院，武漢 430205)

茄子為一年生草本植物，種植地區(qū)廣泛，是人們喜愛的蔬菜之一[1]。茄子皮中含有豐富的花色苷，可作為天然食用色素[2]，茄子皮色素具有很強(qiáng)的抗氧化活性和生物穩(wěn)定性，可增強(qiáng)人體免疫機(jī)能，降低血脂[3,4]，然而茄子皮因口感粗糙，常作為食品副產(chǎn)物被丟棄，且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，從茄子皮中提取茄子皮色素具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重效益。目前關(guān)于茄子皮色素的研究主要是在響應(yīng)面微波輔助提取工藝[5]、紫茄皮中花色苷含量的測(cè)定及色素穩(wěn)定性方面[6]，還沒有關(guān)于ANN模擬和預(yù)測(cè)提取茄子皮色素綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道。而對(duì)于非線性系統(tǒng)有較強(qiáng)處理能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則因其獨(dú)特的魯棒性、自學(xué)習(xí)性、自我糾錯(cuò)能力及強(qiáng)大的運(yùn)算能力適合對(duì)提取過(guò)程的建模及仿真[7]。本研究擬以廢棄的紫茄皮為原料，采用蒸餾水提取茄子皮色素，結(jié)合ANN建模，熵值法求權(quán)重，優(yōu)化色素綜合評(píng)價(jià)值提取工藝，為茄子皮天然色素的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫長(zhǎng)茄：市售；丙酮、鹽酸、無(wú)水乙醇、檸檬酸-磷酸氫二鈉、乙酸乙酯、氯仿、氫氧化鈉：均為分析純。

UV2000紫外可見分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司；722可見分光光度計(jì) 天津市普瑞斯儀器有限公司；B-220 電熱恒溫水浴鍋 上海亞榮生化儀器廠；TG16-WS離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘智離心機(jī)儀器公司；RE52-CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；DFY-300高速粉碎機(jī) 溫嶺市林大機(jī)械有限公司；SHZ-D-Ш循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；FA2004B電子天平 上海越平科技儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 茄子皮色素的提取

將紫長(zhǎng)茄洗凈，均勻削皮，烘箱60 ℃烘24 h，粉碎，過(guò)60目篩，棕色瓶4 ℃冷藏保存。稱取1.00 g 茄子皮粉末于燒杯中，加入一定量的蒸餾水，在50 ℃溫度下浸置提取1 h，并記錄體積，取一半體積抽濾液放入鼓風(fēng)干燥箱干燥，得到的固體即為茄子皮紫色素的粗提物，計(jì)算茄子皮紫色素含量、色價(jià)和得率。

1.2.2 色素吸收光譜測(cè)定

用紫外分光光度計(jì)對(duì)蒸餾水浸提的茄子皮紫色素進(jìn)行光譜掃描，測(cè)其吸收光譜，確定最佳波長(zhǎng)。后續(xù)試驗(yàn)均采用最佳波長(zhǎng)來(lái)測(cè)吸光度。

1.2.3 茄子皮紫色素含量

取提取液2 mL定容至10 mL，測(cè)定最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度，計(jì)算茄子皮粉中花色苷含量[8]。

式中：A為花色苷溶液在最大吸收波長(zhǎng)(380 nm)下的吸光度；V為花色苷溶液定容體積，mL；N為稀釋倍數(shù)；98.2為花色苷色素在最大吸收波長(zhǎng)處的平均消光系數(shù)；M為紫茄皮粉質(zhì)量，g。

1.2.4 茄子皮紫色素得率

精確稱量制得的茄子皮紫色素粗提物質(zhì)量，根據(jù)下式計(jì)算茄子皮紫色素粗提物得率P。

式中：m為提取所得的茄子皮紫色素粗提物質(zhì)量，g；M為提取所用茄子皮粉末質(zhì)量，g。

1.2.5 茄子皮紫色素色價(jià)

取1 mL的茄子皮色素提取液，用 pH為3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配制成1%的色素溶液，在380 nm波長(zhǎng)下，用pH為3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液作參比，于1 cm比色皿中測(cè)茄子皮粗提物吸光度，色價(jià)計(jì)算如下：

式中：A為茄子皮色素溶液在380 nm下的吸光度；n為稀釋倍數(shù)。

1.2.6 熵值法求權(quán)重

對(duì)于茄子皮色素提取的效能評(píng)價(jià)，茄子皮紫色素(花色苷)含量、得率和色價(jià)是3個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用熵值法將三者的權(quán)重分析出來(lái)，得到提取茄子皮紫色素綜合評(píng)價(jià)公式。

1.2.7 正交試驗(yàn)

課題組前期單因素試驗(yàn)表明，利用溶劑進(jìn)行茄子皮紫色素提取時(shí)，溶劑種類、料液比、提取時(shí)間、提取溫度、提取劑pH 對(duì)茄子皮色素的綜合評(píng)價(jià)值均有不同程度的影響。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明最佳提取工藝條件為：提取劑為蒸餾水，料液比為1∶50(g/mL)，提取時(shí)間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。將料液比、提取時(shí)間、提取溫度、提取劑pH分別記為A，B，C，D 4個(gè)因素，對(duì)提取茄子皮紫色素的工藝條件進(jìn)行4因素3水平的正交試驗(yàn)。

1.2.8 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取茄子皮色素模型的建立

本文選用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

1.2.9 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)并驗(yàn)證

根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)出的茄子皮色素的最佳提取工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)樣品做3組平行試驗(yàn)，比較BP預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)驗(yàn)證值之間的誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 茄子皮紫色素的光譜特征

對(duì)茄子皮紫色素溶液在波長(zhǎng)300～600 nm下進(jìn)行光譜掃描，結(jié)果見圖 1。

圖1 不同波長(zhǎng)下蒸餾水作為提取劑的OD值Fig.1 The OD value with distilled water as extractant at different wavelengths

由圖 1 可知，茄子皮色素在蒸餾水中有著明顯的吸光度，且在波長(zhǎng)為380 nm左右有著最大吸收峰。因此，后面的測(cè)定均采用波長(zhǎng)380 nm。

2.2 熵值法求權(quán)重的結(jié)果

根據(jù)熵值法的求解步驟，用matlab軟件編寫代碼，得到綜合評(píng)價(jià)公式：y=0.5123×茄子皮色素含量+0.3321×得率+0.1556×色價(jià)。熵值法求權(quán)重的結(jié)果見表1。

表1 熵值法求權(quán)重的結(jié)果Table 1 The weights' results with entropy method

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

由表2可知，若以茄子皮紫色素含量為提取茄子皮紫色素效能的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4個(gè)因素對(duì)茄子皮紫色素得率的影響有差別，其重要性依次為D>A>B>C，即：提取劑pH>料液比>提取時(shí)間>提取溫度，4個(gè)因素的優(yōu)水平組合是A1B1C2D2，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時(shí)間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。

若以得率為提取茄子皮紫色素效能的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4個(gè)因素的重要性依次為C>A>D>B，即：提取溫度>料液比>提取劑pH>提取時(shí)間，優(yōu)水平組合是A3B2C2D2，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶60(g/mL)，提取時(shí)間為2 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。

若以色價(jià)為提取茄子皮紫色素效能的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4個(gè)因素的重要性依次為A>D>C>B，即：料液比>提取劑pH >提取溫度>提取時(shí)間，優(yōu)水平組合是A1B1C2D3，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時(shí)間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為4。

2.4 茄子皮色素的最佳提取條件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.4.1 提取茄子皮紫色素的BP網(wǎng)絡(luò)模型的建立

本試驗(yàn)中僅考慮含有1個(gè)隱含層的網(wǎng)絡(luò)，選取提取劑pH、時(shí)間、溫度、料液比4個(gè)參數(shù)和1個(gè)響應(yīng)值分別作為輸入和輸出變量，建立BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬和預(yù)測(cè)提取茄子皮色素的綜合評(píng)價(jià)。輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。采用歸一化處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。本試驗(yàn)選擇的輸入層與隱含層之間使用S型的正切函數(shù)tansig傳遞函數(shù)，隱含層與輸出層之間使用純線性purelin函數(shù)。

本試驗(yàn)選擇的學(xué)習(xí)函數(shù)為梯度下降權(quán)值/閾值的learngd，用函數(shù)trainlm來(lái)訓(xùn)練(調(diào)整)網(wǎng)絡(luò)，以均方誤差函數(shù)mse=1e-5為訓(xùn)練目標(biāo)，最大訓(xùn)練次數(shù)net.trainparam.epochs為1000，訓(xùn)練時(shí)間net.trainparam.time和最小性能梯度net.trainparam.min_grad等為軟件默認(rèn)值[9]。根據(jù)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立步驟，用matlab軟件編寫代碼。以單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中每組試驗(yàn)4個(gè)因素的數(shù)值作為輸入，以提取茄子皮紫色素的綜合評(píng)價(jià)值作為輸出，BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 BP network structure

圖3 提取模型網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖Fig.3 Network training diagram of extraction model

由圖3可知，通過(guò)有限次嘗試，得到一個(gè)恰當(dāng)?shù)腂P網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)模型的仿真與預(yù)測(cè)性能

運(yùn)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)提取茄子皮紫色素的綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)性能，用matlab軟件編寫代碼，結(jié)果見圖4。

圖4 預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合圖Fig.4 The fit chart of predicted values and experimental values

由圖4可知，網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值能較好地?cái)M合，最大相對(duì)誤差為0.000041，表明網(wǎng)絡(luò)模型有良好的預(yù)測(cè)性能。

表3 茄子皮紫色素提取正交試驗(yàn)樣本綜合評(píng)價(jià)值及ANNs模型仿真結(jié)果Table 3 Comprehensive evaluation values of orthogonal experimental samples of eggplant peel purple pigment and simulation results of ANNs model

由表3可知，提取茄子皮紫色素綜合評(píng)價(jià)值的正交試驗(yàn)最優(yōu)的工藝條件是A1B1C1D3，即料液比為1∶40(g/mL)，提取時(shí)間為1 h，提取溫度為55 ℃，提取劑pH為4。根據(jù)極差分析可知，4個(gè)因素對(duì)提取茄子皮紫色素的綜合評(píng)價(jià)值影響有差別，其重要性依次為D>A>C>B，即：提取劑pH>料液比>提取溫度>提取時(shí)間，因此在提取茄子皮紫色素時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇提取劑pH和嚴(yán)格控制料液比，以保證最佳提取效果。

2.4.3 利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)并驗(yàn)證的結(jié)果與分析

表4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 4 Experimental verification results

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)及ANN模型計(jì)算結(jié)果Table 5 Verification experiment and ANN model results

由表4和表5可知，在提取茄子皮紫色素綜合評(píng)價(jià)值的最優(yōu)工藝條件為A1B1C1D3時(shí)，茄子皮色素含量、得率、色價(jià)、綜合評(píng)價(jià)值均獲得最大值，優(yōu)于其他以單個(gè)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的綜合評(píng)價(jià)值與驗(yàn)證試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)值極其接近，誤差最大僅為0.000041，驗(yàn)證試驗(yàn)證明模型的預(yù)測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

為了提高茄子皮色素提取的綜合效能，本文首次采用正交試驗(yàn)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了茄子皮色素提取綜合評(píng)價(jià)的最佳提取工藝條件：在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時(shí)間為1 h，提取溫度為55 ℃，提取劑pH為4。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的茄子皮紫色素的綜合評(píng)價(jià)值為7.25421，優(yōu)于正交試驗(yàn)7.254的綜合評(píng)價(jià)值，ANN能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)茄子皮紫色素的綜合評(píng)價(jià)值，是研究茄子皮紫色素提取工藝的有力工具。