MATLAB軟件在食品工業(yè)中的應(yīng)用進展

程慧敏，趙格，徐瑩，許育銜，王君瑋*

1. 中國動物衛(wèi)生與流行病學(xué)中心致病微生物監(jiān)測室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（青島）（青島 266032）；2. 中國海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院（青島 266000）

隨著生活水平不斷提高，人們對食品的要求也越來越高。如今，人們不單單追求食品的口感與美味，還更加注重食品的質(zhì)量、營養(yǎng)與健康。過去幾十年，食品工業(yè)迅速發(fā)展，許多傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)加工方式逐漸被大規(guī)模機械化生產(chǎn)所替代。通過計算機自動化控制生產(chǎn)，在提高生產(chǎn)效率的同時，為后續(xù)監(jiān)測與優(yōu)化生產(chǎn)加工也帶來一些問題，比如SAS等統(tǒng)計軟件可以通過對加工過程中的確定因素進行多重比較和主成分分析從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，但對于一些非確定因素，SAS無法發(fā)揮其作用[1]，亟需要一個能夠?qū)ιa(chǎn)加工過程產(chǎn)生的動態(tài)變化進行準(zhǔn)確分析的工具，而MATLAB可以解決這一問題。

MATLAB是MATrix LABoratory的首字母縮寫詞，是美國馬薩諸塞州Mathworks公司開發(fā)的一種集數(shù)學(xué)和計算、算法開發(fā)、科學(xué)和工程制圖、建模、仿真和原型制作、數(shù)據(jù)分析、勘探、可視化以及圖形用戶界面構(gòu)建等為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，MATLAB在易于使用的環(huán)境中集成了計算、可視化和編程，其中問題和解決方案用熟悉的數(shù)學(xué)符號表示。MATLAB語言一個最大的特點就是簡單直接，它的編程方式與人們的思維邏輯更加接近，容易學(xué)習(xí)理解，有較高的編程效率；MATLAB的主工具箱還擁有31個函數(shù)庫，可以直接用于復(fù)雜的計算[2]。

MATLAB具有一系列特定應(yīng)用程序的工具箱，可擴展MATLAB環(huán)境以解決特定的問題。比如，食品工業(yè)中常用的工具箱有模糊控制邏輯工具箱、圖像處理工具箱、動態(tài)仿真工具箱、遺傳算法工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱。該綜述會通過實例列舉各種工具箱在食品工業(yè)不同領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。

1 MATLAB在食品加工中的應(yīng)用

1.1 食品干燥工藝

干燥是降低食品水分含量的重要方式，它既能夠延長食品的儲藏時間，也可以改變食品的風(fēng)味，是食品加工中最常用的工藝之一。但是食品干燥過程復(fù)雜且難以控制，了解干燥過程中食品內(nèi)部發(fā)生的動態(tài)變化對于干燥方法的進一步開發(fā)、優(yōu)化和升級非常重要，而利用數(shù)學(xué)模型可以很好地復(fù)現(xiàn)食品干燥過程中的動態(tài)變化。

姜苗等[3]在MATLAB中構(gòu)建用于模擬洋蔥干燥過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合實際數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。結(jié)果表明，該模型可準(zhǔn)確模擬洋蔥干燥的不同階段以及干燥溫度和干燥風(fēng)速對洋蔥絲干燥速率的影響。林喜娜等[4]利用MATLAB中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱成功得到雙孢蘑菇遠紅外干燥過程中干燥速率與干燥時間、輻射距離、輻射強度、物料厚度、物料溫度等因素之間的關(guān)系，結(jié)果顯示模型預(yù)測值與實際值的相關(guān)系數(shù)R2為0.981 3，模型可靠。毛志幸等[5]為研究白果微波干燥特性，利用MATLAB構(gòu)建微波干燥物料水分變化的動力學(xué)模型，通過輸入不同的微波功率密度預(yù)測白果干燥的水分含量。Onwude等[6]為了捕捉紅薯干燥過程相關(guān)物理參數(shù)并深入了解紅薯切片的紅外熱風(fēng)干燥過程，在MATLAB中開發(fā)了一種考慮液態(tài)水、氣體和固體基質(zhì)的非平衡多相模型，該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測紅薯干燥過程中蒸發(fā)率、氣壓、液態(tài)水和蒸汽通量的變化。

MATLAB除了可以通過構(gòu)建模型來直接反映食品干燥過程中的相關(guān)變化，還可以通過將樣品圖像信息轉(zhuǎn)換為相關(guān)數(shù)據(jù)，間接反映干燥過程的非線性變化，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件無法分析不確定因素產(chǎn)生的非線性響應(yīng)的困難。Nagvanshi等[7]利用MATLAB開發(fā)了一種計算機視覺系統(tǒng)，能夠?qū)⑾憬督?jīng)過酶促褐變與美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的顏色變化量化處理，通過顏色參數(shù)直觀地表達出香蕉片干燥過程的動態(tài)變化，以此來調(diào)整干燥條件，最終達到控制香蕉片感官質(zhì)量的目的。Rahman等[8]為探究植物型食品材料干燥過程的微觀傳輸現(xiàn)象，采集蘋果切片電子顯微鏡圖像，結(jié)合MATLAB對圖像進行分割與識別，通過COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)模型，該模型準(zhǔn)確反映出蘋果不同干燥階段細胞和細胞間隙的水分分布與溫度分布。

1.2 食品發(fā)酵工藝

微生物發(fā)酵受多種因素的影響，內(nèi)在機理十分復(fù)雜，一般的數(shù)學(xué)模型難以對在此期間的微生物生長狀態(tài)進行分析，而MATLAB能夠解決這一問題。

Agarwal等[9]利用MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)構(gòu)建一種數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確地預(yù)測發(fā)酵過程水分活度和生物量的變化，有助于擴大工業(yè)固態(tài)發(fā)酵規(guī)模和提高產(chǎn)品產(chǎn)量。Tallapragada等[10]為探尋紅曲霉發(fā)酵甜菜根產(chǎn)生淀粉酶的最佳使用條件，以pH、溫度和時間為因素，使用MATLAB進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH 5、孵育溫度50 ℃和時間10 min的條件下，淀粉酶活性最高。Kouamé等[11]利用MATLAB構(gòu)建可可豆發(fā)酵過程中酵母的生長動力學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葡萄糖濃度與發(fā)酵溫度對酵母生長的促進作用十分顯著，而氧分壓、pH、游離氮等對酵母的生長幾乎沒有影響。

由此可見，MATLAB不僅可以分析發(fā)酵過程中微生物的動態(tài)變化，還可以預(yù)測微生物在特定條件下的發(fā)酵效率，極大地減少了傳統(tǒng)微生物發(fā)酵試驗所需的時間，在食品發(fā)酵領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景。

1.3 食品工藝優(yōu)化

食品經(jīng)過原料挑選、預(yù)處理、調(diào)配、加工、滅菌、包裝等工藝步驟，其外觀、質(zhì)地、成分、味道及營養(yǎng)等特征均發(fā)生很大的變化。為了保證食品安全、改善食品的風(fēng)味、延長其保質(zhì)期、提高食品生產(chǎn)的效率、盡量不減少食品的營養(yǎng)特性和盡量減少能源消耗等，需要在食品原有的加工基礎(chǔ)上，對加工工藝進行優(yōu)化，而加工對食品產(chǎn)生的非線性響應(yīng)很難通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件呈現(xiàn)，MATLAB可以通過模擬、仿真預(yù)測等功能對食品加工工藝實現(xiàn)快速尋優(yōu)，既能避免大量試驗帶來的繁瑣，也在一定程度上節(jié)省了耗材，在食品工藝優(yōu)化與改良上發(fā)揮了重要的作用。

張帥中等[12]利用MATLAB構(gòu)建的模型對人參果中總黃酮提取工藝進行優(yōu)化，得到提取率最高的參數(shù)組合。李囡囡等[13]以提取時間、提取次數(shù)、提取劑與溶劑量為影響因素，利用MATLAB中圖形用戶操作界面，模擬西洋參在不同參數(shù)條件下總皂苷的提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入7.45倍量80%乙醇回流提取1.26 h，所提取的總皂苷最多。張超等[14]利用MATLAB中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、仿真預(yù)測模型及遺傳算法對pH、酶解時間、酶解溫度和加酶量4個主要影響因素進行預(yù)測，通過比較膠原蛋白提取率得到最優(yōu)的提取工藝參數(shù)。Golchin等[15]利用MATLAB探究了面包烘焙過程中瓜爾膠、不同烘烤溫度和烘烤時間對面包質(zhì)量損失和面包皮溫度的影響，為面包烘烤溫度的優(yōu)化和改進劑的選擇提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

2 MATLAB在食品質(zhì)量控制中的應(yīng)用

2.1 食品質(zhì)量檢測

食品質(zhì)量的好壞，極大地影響著消費者的接受程度，食品質(zhì)量的檢測是食品安全控制中的重要一環(huán)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，食品質(zhì)量檢測技術(shù)出現(xiàn)新態(tài)勢，要求用更快速、更便捷、靈敏、無損的方式對食品品質(zhì)進行檢測。利用MATLAB檢測食品的品質(zhì)，不僅可縮短檢測所需的時間與人力，還能減少樣品損耗，確保準(zhǔn)確度。

Feng等[16]首次使用MATLAB開發(fā)了用于展示香腸發(fā)紅演變的預(yù)測模型。香腸的品質(zhì)與其色澤密切關(guān)聯(lián)，隨著儲藏時間的增加，香腸新鮮度下降，其顏色也發(fā)紅，但是基于肉眼很難通過微小的顏色變化識別不同儲藏天數(shù)的產(chǎn)品，通過數(shù)學(xué)模型量化香腸的顏色指標(biāo)，可用于快速、無損地檢測肉的顏色，更好地保證肉制品的質(zhì)量安全。Baek等[17]應(yīng)用短波紅外高光譜成像技術(shù)結(jié)合MATLAB開發(fā)了一種用于預(yù)測和可視化豬肉中揮發(fā)性鹽基氮的多變量模型，是一種快速無損的豬肉新鮮度在線檢測系統(tǒng)，克服了感官、微生物檢測等傳統(tǒng)檢測技術(shù)評價的弊端。Manuel等[18]基于近紅外光譜結(jié)合MATLAB構(gòu)建精品咖啡質(zhì)量檢測模型，可以準(zhǔn)確地從不同來源的、質(zhì)量參差不齊的咖啡中檢測出精品咖啡。Rahman等[19]利用MATLAB中的圖像處理技術(shù)對牛肉樣品進行分析，研究發(fā)現(xiàn)計算機視覺技術(shù)在肉類加工業(yè)中預(yù)測肉類品質(zhì)性狀中具有很大的潛力。

MATLAB還可應(yīng)用于食品摻假方面的檢測。Liu等[20]通過將番茄醬樣品圖片轉(zhuǎn)換為光譜信息，結(jié)合MATLAB進行化學(xué)計量學(xué)分析，開發(fā)出一種能快速有效地鑒別番茄醬摻假的質(zhì)量評價模型，能夠有效檢測出摻假番茄醬中的蔗糖，其檢出限為1%。Ao等[21]利用近紅外光譜結(jié)合MATLAB構(gòu)建了快速檢測不同奶粉中摻假香蘭素與三聚氰胺的偏最小二乘判別分析（PLSDA）和偏最小二乘回歸（PLSR）模型，研究發(fā)現(xiàn)PLSDA模型識別香蘭素的準(zhǔn)確率在94%以上，PLSR模型對三聚氰胺的檢出限為0.5%。

2.2 食品分級分類

在食品原材料收獲、加工及銷售前，需通過對食品的顏色、質(zhì)量、紋理等特征加以檢測，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的分級分類。傳統(tǒng)的人工識別雖然通過觸覺、味覺、嗅覺等達到一定的目的，但是由于主觀性強，個體間存在差異，缺乏準(zhǔn)確性，且費時費力，生產(chǎn)效率低[1]，急需開發(fā)一種快速高效的在線檢測分類技術(shù)。

利用MATLAB可以對食品的成熟度進行分類。Harel等[22]通過MATLAB中的圖像分割工具對不同成熟度甜椒的圖像進行處理和特征提取，開發(fā)出不需要大型數(shù)據(jù)庫并且可以適用于不同數(shù)據(jù)集的分類算法。該模型對紅色和黃色甜椒成熟-未成熟的分類準(zhǔn)確率分別為98.2%和97.2%。Wang等[23]應(yīng)用近紅外光譜收集玉米種子胚和胚乳側(cè)的高光譜圖像，在MATLAB中開發(fā)一種能夠快速無損地檢測出玉米種子成熟度的模型，以提高種子的發(fā)芽率。

MATLAB還可促進大批量食品的自動化品質(zhì)分類。結(jié)合MATLAB的圖像處理工具和計算機視覺技術(shù)，Khojastehnazhand等[24]開發(fā)了對葡萄干的品質(zhì)進行分類的方法。Cruz-Domíngueza等[25]開發(fā)出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干辣椒大小和顏色識別分類新系統(tǒng)，得到用于干辣椒品質(zhì)分類的新方法。Kumaravel等[26]在MATLAB中開發(fā)了一種基于模糊邏輯的水果品質(zhì)分類技術(shù)，主要通過顏色傳感器確定水果的顏色，超聲波傳感器估計水果的大小。

3 MATLAB在食源性致病微生物中的應(yīng)用

食源性致病微生物污染食品導(dǎo)致的食源性疾病屢見不鮮。為防止食源性微生物的污染，研究食源性微生物的生長與傳播規(guī)律變得十分重要，MATLAB在其中也發(fā)揮著重要作用。Ranta等[27]基于WinBUGS和MATLAB軟件開發(fā)一種用于描述肉雞生產(chǎn)鏈中沙門菌流行率、垂直和水平傳播以及感染的動態(tài)模型。該模型根據(jù)雞群感染沙門菌的實際調(diào)查結(jié)果，可實現(xiàn)對沙門菌的定量評估，為雞肉中沙門菌風(fēng)險評估工作提供一定的技術(shù)支撐。Scaria等[28]利用MATLAB開發(fā)了一種鑒定沙門菌血清型的程序，將未知血清型的沙門菌樣本在該程序中比對，即可獲得樣本最為接近的血清型；除檢測血清型外，該程序還可用于研究沙門菌毒力基因的含量以及評估不同沙門菌分離株之間的遺傳關(guān)系。Possasa等[29]為探究單增李斯特菌的失活條件，利用MATLAB構(gòu)建單增李斯特菌滅活的預(yù)測微生物學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)微酸性電解水顯示出更高的殺菌活性。Jia等[30]基于MATLAB構(gòu)建了雞肉中沙門菌及其背景菌群競爭生長動力學(xué)模型，該模型成功地預(yù)測了雞肉中沙門菌及其背景菌群的生長和相互作用，為雞肉中沙門菌的風(fēng)險評估工作和貨架期的預(yù)測提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

上述研究表明，通過MATLAB構(gòu)建動態(tài)模型在微生物的監(jiān)測與風(fēng)險評估工作中發(fā)揮著重要作用，為研究食源性致病微生物的傳播及危害控制提供了一定的科學(xué)依據(jù)。但是，與其他研究領(lǐng)域相比，MATLAB在食源性致病微生物領(lǐng)域多應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理方面，其他功能還有待在未來的研究中進一步開發(fā)應(yīng)用。

4 結(jié)語與展望

MATLAB在食品工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)的食品工業(yè)技術(shù)相比，應(yīng)用MATLAB不僅能快速地對食品加工提出建議，從而提高生產(chǎn)效率，還能快速無損地對食品進行檢測，從而保證食品的質(zhì)量，而且還能分析食品微生物復(fù)雜的生長繁殖，從而控制有害微生物的傳播。雖然MATLAB能夠解決許多軟件無法解決的問題，但是它有著自己的局限性，例如，它不是一種結(jié)構(gòu)化的編程語言，而且它的數(shù)據(jù)類型有限，同時對于某些應(yīng)用程序來說，編寫大型程序和維護軟件是很困難的，使其在食品工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展面臨著許多艱巨的挑戰(zhàn)。但是，隨著軟件自身的不斷升級，或者嘗試與其他軟件聯(lián)用，相信在不久的將來，MATLAB在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越完善。