高水分南美白對蝦蝦干貨架期預(yù)測模型的構(gòu)建

宣曉婷，陳思媛，樂耀元，尚海濤，曾昊溟， 凌建剛，張文媛

（1.寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，浙江 寧波 315040；2.鎮(zhèn)海中學(xué)，浙江 寧波 315040）

南美白對蝦（Litopenaeus vannamei），學(xué)名凡納濱對蝦，又稱為萬氏對蝦、白對蝦等，其具備高產(chǎn)量、快生長、強(qiáng)適應(yīng)性、易養(yǎng)殖等優(yōu)點，是目前世界上主要的養(yǎng)殖蝦品種之一[1-5]。南美白對蝦營養(yǎng)價值高，富含必需氨基酸、維生素、礦物質(zhì)元素、蛋白質(zhì)等，對彌補(bǔ)膳食結(jié)構(gòu)不足和改善人體健康狀況均具有明顯的作用[6-8]。近年來，高水分蝦干制品受到消費者的喜愛，不僅具有豐富的營養(yǎng)、獨特的風(fēng)味，并且具有口感優(yōu)良、攜帶方便等特點，使得市場需求逐年增長，前景廣闊。

干制是我國傳統(tǒng)的加工方法，干制后的產(chǎn)品很大部分保留了食品本身的營養(yǎng)成分、風(fēng)味獨特、容易貯藏、攜帶及食用方便，屬高蛋白、低膽固醇、低脂肪的食品[9-11]，深受廣大消費者的喜愛。隨著對蝦加工技術(shù)的不斷提升，為了加快干燥速率與效率，干燥技術(shù)已由傳統(tǒng)的自然晾曬法轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊母稍锓绞?，如真空干燥、氣流干燥、真空冷凍干燥等[12-13]。通過干燥可以大大延長對蝦的貯藏貨架期，同時通過控制干燥后含水量可以改善對蝦蝦干的口感。由于高水分南美白對蝦蝦干具有相對較高水分和高蛋白，貯藏過程中容易受到微生物污染，易出現(xiàn)食用不安全性和品質(zhì)劣變等問題，因此貯藏溫度是影響蝦干貨架期的重要因素[14]。

食品的剩余貨架期是指食品被顧客所接受并滿足其各項指標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的時間長度。當(dāng)食品貯藏了一段時間后，其一種或幾種理性指標(biāo)、品質(zhì)屬性不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即已不適合再放到貨架上進(jìn)行銷售，這就是到達(dá)了這種食品的貨架期，應(yīng)當(dāng)另做處理[15-16]。

目前，食品貨架期預(yù)測模型的構(gòu)建方法分為基于化學(xué)動力學(xué)的方法、基于微生物生長動力學(xué)的方法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Q10 模型和威布爾危險值分析方法，其中以Arrhenius 方程為代表的基于化學(xué)動力學(xué)方法的模型是最為經(jīng)典且適用性較強(qiáng)的[17]。Arrhenius 方程用于反映食品品質(zhì)指標(biāo)變化與溫度的關(guān)系，其一般形式為：

式中：A——阿倫尼烏斯常數(shù)；

Ea——反應(yīng)活化能，KJ/mol；

R——氣體常數(shù)，KJ/（mol·K）；

T——絕對溫度，K；

k——速率常數(shù)。

基于Arrhenius 方程，研究綜合蝦干的質(zhì)構(gòu)、色差、微生物和揮發(fā)性鹽基氮4 種指標(biāo)，建立4～30 ℃下高水分南美白對蝦蝦干貯藏預(yù)測模型，以期為其品質(zhì)預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

選擇體型大小均勻一致、無機(jī)械損傷的新鮮南美白對蝦，自來水清洗干凈后，用6% 的鹽水煮制1 min 后，撈出瀝水，置于-18 ℃冰箱中預(yù)凍過夜，將預(yù)凍后的蝦置于冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行干燥20～30 h，干燥溫度為50 ℃，獲得水分含量為30%，35%和40%的3 組樣品組，干燥后用高溫蒸煮袋真空包裝，取真空包裝的樣品，進(jìn)行100 ℃水浴殺菌，殺菌完成后，流水冷卻15 min，晾干，獲得高水分南美白對蝦蝦干產(chǎn)品，備用。

1.2 測定方法

1.2.1 質(zhì)構(gòu)的測定

去殼后切取蝦腹部第二節(jié)腹節(jié)中部肌肉進(jìn)行TPA 測試。選取P/5 柱形探頭，探頭下行速度5 mm/s，下壓速度0.5 mm/s，回升速度0.5 mm/s，測試形變量50%，觸發(fā)力5 g，下壓深度5 mm，做3 個平行樣，每個平行樣測定3 次，記錄數(shù)據(jù)。由質(zhì)地特征曲線得到表征對蝦質(zhì)構(gòu)狀況的評價參數(shù)：硬度（Hardness）、彈性（Springiness）、咀嚼性（Chewiness）。

1.2.2 色差的測定

使用色差計測定干燥后樣品的L，a，b 值，在Hunter 表色系統(tǒng)中L 值表示明度，值越大表示亮度越大；a 值正數(shù)代表紅色，負(fù)數(shù)代表綠色；b 值正數(shù)代表黃色，負(fù)數(shù)代表藍(lán)色。以對蝦第二腹節(jié)為測定點，在其表面附一層保鮮膜，相同自然燈光條件下每組測定3 尾蝦干，每尾重復(fù)測定3 次。

1.2.3 菌落總數(shù)的測定

參考《GB/T 4789.2—2010 菌落總數(shù)測定》進(jìn)行試驗。菌落總數(shù)指檢測經(jīng)過處理的樣品在一定條件下培養(yǎng)后，得到的每1 mL 或每1 g 的樣品中所形成的微生物菌落總數(shù)。

在無菌操作臺中，取高水分南美白對蝦10 g，與90 mL 無菌生理鹽水以轉(zhuǎn)速8 000 r/min 均質(zhì)1 min，取各組均質(zhì)液1 mL，加入到裝有9 mL 無菌生理鹽水的試管中進(jìn)行梯度稀釋，稀釋至合適濃度后進(jìn)行微生物測定，即吸取1 mL 混合液加入到PCA 培養(yǎng)基測定菌落總數(shù)，接種后的培養(yǎng)基于37 ℃下分別培養(yǎng)36～48 h 后，統(tǒng)計菌落并計算，菌落數(shù)以log CFU/g為單位。

1.2.4 揮發(fā)性鹽基氮含量的測定

參考《GB 5009.228—2016 食品中揮發(fā)性鹽基氮的檢測》進(jìn)行試驗操作。

稱取高水分南美白對蝦樣品10 g 于250 mL 錐形瓶中，加90 mL 高氯酸溶液，均質(zhì)2 min 后過濾，濾液處于2～6 ℃的環(huán)境條件下貯藏，備用。然后將有10 mL 的硼酸吸收液（30 g/L）中加入2～3 滴混合指示液（2 g/L 甲基紅乙醇溶液，1 g/L 溴甲酚綠乙醇溶液），將5 mL 樣品濾液置于整流器反應(yīng)室上面，加入1～2 滴酚酞試劑、1～2 滴硅油消泡劑、5 mL 氫氧化鈉溶液，混合均勻，加上蓋后，加水進(jìn)行密封，隨后通入蒸汽，當(dāng)冷凝管中出現(xiàn)第一滴冷凝水時開始記時，蒸餾5 min 后停止，用0.01 mol/L 標(biāo)準(zhǔn)鹽酸進(jìn)行急性滴定，紫藍(lán)色為滴定的終點，同時用5.0 mL高氯酸溶液（0.6 mol/L）代替樣品做空白對照。半微量凱氏定氮法（mg/100 g）計算公式為：

式中：TVBN——樣品中揮發(fā)性鹽基氮的含量，mg/100 g；

V1——測定用樣液消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

V2——試劑空白消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

C——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的實際濃度，mol/L；

m——樣品質(zhì)量，g；

14——1 mL 1N 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液相當(dāng)于氮的毫克數(shù)。

1.2.5 脂質(zhì)氧化TBA 值

取10 g 研細(xì)的樣品，加入50 mL 7.5% 的三氯乙酸（含有0.1%EDTA 乙二胺四乙酸，略加熱溶解），振搖30 min，雙層濾紙過濾2 次。取5 mL 上清液，加入0.02 mol/L TBA 硫代巴比妥酸溶液5 mL，沸水浴中保存40 min，取出冷卻1 h，以轉(zhuǎn)速5 500 r/min 離心25 min，取其上清液，隨后加入氯仿5 mL 將其搖勻，待靜置分層后取上清液于波長532 nm 和600 nm 處記錄吸光度，進(jìn)行比色，并代入以下公式計算TBA 值。

1.2.6 預(yù)測模型的建立

（1）基于動力學(xué)模型的貨架期預(yù)測。動力學(xué)模型能很好地反映和描述某種食品品質(zhì)的變化過程，是目前常用的食品貨架期預(yù)測模型之一，而且現(xiàn)在的大多數(shù)食品品質(zhì)的變化都遵循零級或者一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律[18]。試驗以TVBN 值來反映高水分南美白對蝦的品質(zhì)。零級、一級動力學(xué)模型反映的食品貨架期預(yù)測公式分別為：

式中：Ct——貯藏t 天后的某理化指標(biāo)；

C0——起始時刻的某理化指標(biāo)；

T——絕對溫度K；

k0——常數(shù)；

Ea——活化能，J/mol；

R——氣體常數(shù)，取8.314 J/（K·mol）；

tslz——零級動力學(xué)模型貨架期預(yù)測結(jié)果；

tslf——一級動力學(xué)模型貨架期預(yù)測結(jié)果。

（2）基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的貨架期預(yù)測模型。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)之一，其組成一般有輸入層、隱含層和輸出層。多采用全互連方式將層與層之間連接，但同一層單元間沒有相互連接[19-20]。它能夠非常有效地將各個指標(biāo)間的非線性關(guān)系表達(dá)出來，所以常用來構(gòu)建預(yù)測模型，如今已廣泛應(yīng)用在各種食品貨架期的預(yù)測研究中，具有很好的現(xiàn)實意義。

如今，大多數(shù)關(guān)于水產(chǎn)貨架期預(yù)測的研究幾乎都聚集在水產(chǎn)關(guān)鍵指標(biāo)上，如菌落總數(shù)和TVBN 值等。但是除了這些，還有很多指標(biāo)也能夠反映高水分南美白對蝦的品質(zhì)變化，如蝦體的色差（L*，a*和b*）、質(zhì)構(gòu)（硬度、彈性等）、脂質(zhì)氧化TBA 值等。TBA 值指的是油脂中的不飽和脂肪酸被空氣中的氧慢慢氧化的過程。而且，目前還沒有很多權(quán)威性的研究表明這些指標(biāo)與南美白對蝦貨架期品質(zhì)有必然的聯(lián)系，所以這些指標(biāo)作為模型輸入?yún)?shù)時對最終模型精度是否有影響可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高水分南美白對蝦貨架期預(yù)測模型見圖1。

圖1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高水分南美白對蝦貨架期預(yù)測模型

（3）網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的選擇。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中涉及函數(shù)有很多，如訓(xùn)練函數(shù)、隱含層傳遞函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)、仿真函數(shù)等。

傳遞函數(shù)包括對數(shù)“l(fā)ogsig”（S 型）、正切“tansig”、線性函數(shù)“purelin”等，其中對數(shù)傳遞函數(shù)是通過神經(jīng)元的輸入使之映射到（0，1），輸出層參數(shù)均歸一化至（0，1）范圍，為了確保模型保持非線性，選擇對數(shù)傳遞函數(shù)作為隱含層及輸出層的傳遞函數(shù)。訓(xùn)練函數(shù)是全局調(diào)整權(quán)值和閾值，降低整體誤差實現(xiàn)最小化，其中trainlm 訓(xùn)練函數(shù)以誤差小、收斂快、訓(xùn)練效果佳而被確認(rèn)為模型的訓(xùn)練函數(shù)。學(xué)習(xí)函數(shù)是指權(quán)值和閾值的調(diào)整規(guī)則，其中l(wèi)earngdm 函數(shù)因只需通過神經(jīng)元的輸入、誤差計算其變化率，采用learngdm 為學(xué)習(xí)函數(shù)。此外，mse 作為網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)，sim 作為仿真函數(shù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。模型的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置參考劉雪等人[17]的研究，設(shè)置如下：動量常數(shù)為0.9，學(xué)習(xí)速率為0.05，網(wǎng)絡(luò)性能目標(biāo)誤差為0.005，訓(xùn)練最大步數(shù)為10 000。當(dāng)訓(xùn)練過程中滿足了所設(shè)定的誤差要求，即可停止訓(xùn)練。

高水分南美白對蝦貨架期品質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 反映了不同貯藏溫度和水分含量下南美白對蝦蝦干各項指標(biāo)參數(shù)隨時間的變化情況。微生物是影響食品貯藏期間品質(zhì)變化的主要因素，而其中的菌落總數(shù)是衡量食品是否變質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[21]，根據(jù)表1 可以得出，菌落總數(shù)隨著貯藏時間、溫度及水分含量的增加而增加，但是在水分含量達(dá)到50%時，隨著溫度的降低，菌落總數(shù)卻有一定程度的增加，在4 ℃水分含量50%及剩余貨架期0 d 時達(dá)到最高值。TVBN 值隨著貯藏時間和水分含量的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長，在含水量達(dá)到50%時，剩余貨架期0 d 時達(dá)到頂峰。MDA 值隨著剩余貨架期天數(shù)的減少而增加，在水分含量為35%時，MDA 數(shù)值普遍高于水分含量為20%和50%的試驗組。

表1 高水分南美白對蝦貨架期品質(zhì)指標(biāo)

色差值L*隨著剩余貨架期天數(shù)的減少而減少，a*，b*則與之相反。硬度與彈性也隨著剩余貨架期的天數(shù)減少而減少，但是在水分含量為35%時，下降的趨勢是最為明顯的。綜上，水分含量的變化對南美白對蝦蝦干的理化指標(biāo)的影響較溫度的影響更大[22]。

2 結(jié)果與分析

將預(yù)留25 ℃/20%第54 天，7 ℃/35%第96 天，4 ℃/20%第216 天，4 ℃/35%第162 天，4 ℃/50%第54 天試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，并且構(gòu)建動力學(xué)預(yù)測模型和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

（1）將預(yù)留出數(shù)據(jù)中的TVBN 系數(shù)依次代入一級反應(yīng)動力學(xué)模型方程中，計算出動力學(xué)模型預(yù)測剩余貨架期預(yù)測值。

（2）將預(yù)留數(shù)據(jù)分別代入構(gòu)建的基于關(guān)鍵指標(biāo)和綜合指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入端，隨后計算出歸一化貨架期預(yù)測值，若將預(yù)測結(jié)果進(jìn)行反歸一化處理則得出的是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型剩余貨架期預(yù)測值，其計算公式為：

式中：P1——反歸一化預(yù)測值。

不同預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果見表2。

通過模擬剩余貨架期試驗，由表2 可看出，動力學(xué)模型預(yù)測誤差在19%以內(nèi)，平均誤差為13.52%，其預(yù)測精度只有86.48%；基于關(guān)鍵指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差小于14%，平均誤差為9.67%，其預(yù)測精度在90.33%；基于綜合指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差在11%以內(nèi)，平均誤差為5.86%，其預(yù)測精度達(dá)到94.14%。因此基于綜合指標(biāo)（溫度、水分含量、色差、質(zhì)構(gòu)、菌落總數(shù)、TBA 值和TVBN 值）的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高水分南美白對蝦貨架期預(yù)測模型的預(yù)測精度比動力學(xué)模型和基于關(guān)鍵指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型略高，預(yù)測結(jié)果較接近真實貨架期情況，其中常溫保質(zhì)期達(dá)3 個月，低溫保質(zhì)期達(dá)12 個月。

表2 不同預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果

此外，在實際操作中應(yīng)用貨架期預(yù)測模型，則應(yīng)該以完整合理的溫度梯度和時間監(jiān)測系統(tǒng)作為前提要求，若無法掌握蝦干在貯藏過程中的溫度和時間等數(shù)據(jù)，則無法依據(jù)貨架期模型推算預(yù)測出較為正確的剩余貨架期。因此，貨架期預(yù)測建?？梢愿行У貛椭嚓P(guān)車間、企業(yè)等實時監(jiān)控調(diào)整貯運條件，從而將降低在運輸?shù)冗^程中產(chǎn)生的損失，具有重要的現(xiàn)實意義[23-25]。

3 結(jié)論

以真空冷凍干燥獲得的高水分南美白對蝦蝦干（水分含量30%～40%）為試驗材料，研究不同貯藏溫度（4，7，20，30 ℃）對高水分南美白對蝦貯藏過程中品質(zhì)的影響，且建立基于Arrhenius 方程的動力學(xué)模型和基于綜合指標(biāo)和關(guān)鍵指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過模擬剩余貨架期試驗，動力學(xué)模型平均誤差為13.52%，預(yù)測精度為86.48%；基于關(guān)鍵指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為9.67%，預(yù)測精度為90.33%；基于綜合指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為5.86%，預(yù)測精度為94.14%。因此，在綜合指標(biāo)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的高水分南美白對蝦貨架期預(yù)測模型能更加貼切地預(yù)測貨架期。