基于數(shù)據可視化方法分析冷鮮羊肉質構指標的誤差

張國祥，張海瑜，羅海玲

（1.中國農業(yè)大學 食品質量與安全北京實驗室，北京 100083；2.中國農業(yè)大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670；3.中國農業(yè)大學動物科技學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代食品產業(yè)的快速發(fā)展，食品質量安全問題越來越受到人們的關注。全質構分析（texture profile analysis，TPA）法作為食品質量安全檢測的重要方法，在各類食品質量檢測中的應用日益普遍，具有快捷、簡便、高效，且綜合檢測能力強等優(yōu)點。食品品質劣變期間大多會發(fā)生明顯的質構特征變化可以被人類感官所感知，也同樣可以使用專業(yè)質構儀進行TPA檢測，通過獲得準確客觀的TPA指標數(shù)據進行綜合量化表達。與剪切力測試、單次壓縮等質構檢測模式相比，質構儀利用數(shù)據可視化方法將傳感器獲得的TPA檢測數(shù)據形成直觀的力度-時間曲線（TPA曲線），因能夠包含更全面的樣品質構信息，在科學研究和實際應用中得到廣泛認可。通過計算樣品2 次受力壓縮形成TPA曲線上的峰值位置、峰值面積和形成時間等參數(shù)，可以確定食品相關質構特征指標。

檢測樣品進行TPA測定時的質構信息獲取，主要包括力度數(shù)值實時采集、數(shù)據可視化處理及提取指標數(shù)據等主要步驟，而20世紀80年代便開始利用計算機技術實現(xiàn)測定步驟的自動化處理。借助計算機輔助系統(tǒng)，從利用數(shù)據可視化方法生成的TPA曲線中自動分析提取所需的指標數(shù)據已成為目前TPA測定的常規(guī)方法。但是在實際測定過程中，由于儀器輕微震動、測定條件設置不合理、人員操作誤差等因素的綜合影響，檢測系統(tǒng)生成的實際TPA曲線與理想的曲線形態(tài)具有較大區(qū)別，導致獲取的部分TPA指標數(shù)值存在較大的數(shù)據誤差。

在眾多使用TPA檢測的食品中，肉類及肉制品作為人們膳食中的重要組成部分，為人類提供所需的蛋白質、氨基酸、脂肪等營養(yǎng)物質。冷鮮羊肉作為主要肉類食品，其質量安全問題尤為受到關注。冷鮮羊肉組織劣變過程中，其肌肉組織在蛋白酶和微生物作用進一步分解，肌纖維發(fā)生斷裂，使其整體結構變得松軟，冷鮮羊肉樣品表面出現(xiàn)具有黏性的蛋白?和蛋白胨，反映出相應的質構特性變化。

本研究以市售階段的冷鮮羊肉為測試實驗對象，通過解析基礎的TPA檢測過程，確定造成冷鮮羊肉TPA檢測數(shù)據誤差的主要原因及其對測定獲取的TPA指標的具體影響，在此基礎上進行研究結果的驗證。本實驗旨在為檢測樣品TPA測定指標數(shù)據的獲取提供理論參考，并提高其數(shù)據準確性和可靠性。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用冷鮮羊肉取樣于北京市售的內蒙古地區(qū)草原羔羊冷鮮里脊肉，依據GB 20799—2016《肉和肉制品經營衛(wèi)生規(guī)范》要求被保存在0～4 ℃的環(huán)境溫度下，樣品取自肉羊胴體背部最長肌，其均勻的肉質能夠有效消除筋骨、脂肪、筋膜等其他組織結構對實驗結果的影響。研究一次性共購置市售冷鮮羊里脊肉實驗樣品60 盒，質量為（30.0±0.1）kg，在低溫運輸攜帶條件下從超市運入實驗室0 ℃冷藏恒溫箱中。樣品被均分成2 份，分別用于開展TPA測定和樣品菌落總數(shù)等其他指標的測取。

TPA實驗測定時采用專業(yè)的切取裝置沿著肉樣纖維方向切割制取厚度均勻的標準圓柱狀冷鮮羊肉樣品，切割時避開肉眼可見的血管、結締組織及其他缺陷，樣品截面面積為10 cm，厚度為10～15 mm，平均質量控制在（10±2）g。切割制取的標準形狀檢測樣品共計120 份，被裝入獨立干凈的塑封袋中，排氣密封后重新放回恒溫箱，實驗周期在預實驗基礎上確定為0～10 d。

1.2 儀器與設備

TA-XTPlus質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 冷鮮羊肉TPA檢測

通過參考過往冷鮮肉類TPA測定相關文獻材料，采用的儀器設定參數(shù)包括：預壓力5 g，實驗使用探頭為P/5平底柱形探頭，第1次壓縮及第2次壓縮之間的恢復時間間隔為5 s，采用較慢的測試速率以更充分反映樣品內部組織狀態(tài)的變化，測前、測中和測后速率均設置為1.00 mm/s。根據TA-XTPlus質構儀操作手冊，研究采用20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%的8種不同壓縮比測定條件。在實際測定前對TA-XTPlus質構儀進行必要的檢測力度校核和探頭高度校核，測定實驗環(huán)境的空氣溫度24～28 ℃、相對濕度為25%～45%。研究每天定點定時采用8種不同壓縮比條件進行單個標準形狀冷鮮羊肉樣品的TPA測定，采用五點取樣法獲取5組平行指標數(shù)據，取其平均值作為樣品的TPA指標測定值。

研究使用TA-XTPlus質構儀對冷鮮羊肉樣品進行TPA檢測時，固接有力度傳感器的探頭會對樣品進行2 次循環(huán)往復的按壓過程，期間檢測系統(tǒng)實時連續(xù)采集探頭受力數(shù)值，并借助數(shù)據可視化方法形成實時TPA曲線。TAXTPlus質構儀附帶的系統(tǒng)程序需要操作者對TPA曲線上的3個峰值點（、和）進行選定，而對于其余曲線參數(shù)則是由系統(tǒng)對曲線波峰和波谷進行自行識別選擇，最終確定6個曲線特征節(jié)點的位置用以提取最終的TPA指標數(shù)據，如圖1所示。

圖1 TA-XTPlus質構儀生成的冷鮮羊肉TPA曲線Fig. 1 TPA curves of chilled mutton generated by TA-XTPlus texture analyzer

通過單次TPA檢測，通常可以從所得的TPA曲線中獲得檢測樣品的8個質構特性指標，分別為脆性、硬度、彈性、內聚性、黏性、回復性6個測定指標值和咀嚼性、膠著性2個計算指標值。其中，脆性的評價對于消費者購買和食用冷鮮羊肉并沒有實際意義，而冷鮮羊肉被廣泛認為是固態(tài)的，用于評價半固體的膠著性指標并不適用于冷鮮羊肉。因此脆性和膠著性的指標數(shù)據忽略不計。其余6個與冷鮮羊肉相關的TPA指標的具體解釋定義如表1所示。

表1 質構儀測定TPA指標的具體解釋定義Table 1 Definition of the TPA indicators

結合圖1和表1可知，根據指標的具體解釋定義，各個TPA指標數(shù)值均可以通過峰值點、峰值面積以及壓縮時間等TPA曲線參數(shù)予以充分表達，再經過相應的公式換算后，可以得到測定TPA指標具體計算方法為：硬度為，彈性為/，內聚性為/，黏性為，回復性為/，咀嚼性為內聚性、硬度和彈性的乘積，因此通過計算獲得相應的TPA曲線參數(shù)值即可得到反映檢測樣品質構特性的TPA指標值。

1.3.2 樣品參考評價指標測取

研究檢測冷鮮羊肉樣品的揮發(fā)性鹽基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）、菌落總數(shù)以及大腸菌群計數(shù)所涉及的實驗儀器（包括恒溫培養(yǎng)箱、恒溫水浴箱等）和實驗試劑均按照現(xiàn)行的GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》、GB 4789.2—2016《食品微生物學檢驗 菌落總數(shù)測定》和GB 4789.3—2016《食品微生物學檢驗 大腸菌群計數(shù)》執(zhí)行，且將其作為冷鮮羊肉品質變化的參考評價指標。實驗期間按照現(xiàn)行食品安全國家標準完成3個平行冷鮮羊肉樣品的參考評價指標數(shù)據測取，將其平均值作為測定值。

1.3.3 TPA指標數(shù)據修正量計算

研究對不同壓縮比測定條件下測定的冷鮮羊肉實驗期間TPA指標數(shù)據進行分析，將特征節(jié)點修正前后的TPA指標數(shù)據相對變化量的絕對值定義為TPA指標修正量，按式（1）計算：

對實驗期間內冷鮮樣品的6個TPA指標數(shù)據修正量結果進行統(tǒng)計分析，獲得單個壓縮比條件下的任意TPA指標數(shù)據對應的平均修正量，按式（2）計算：

式中：δ為壓縮比條件下冷鮮羊肉樣品任意TPA指標數(shù)據的平均修正量結果。

1.3.4 TPA指標數(shù)據修正效果驗證

冷鮮羊肉貯藏期間的品質劣變過程中不僅表現(xiàn)出黏性等質構特性的改變，其同樣伴隨著TVB-N等標志物含量增加，因此劣變期間的TPA指標數(shù)據和TVB-N、菌落總數(shù)等生理指標特征變化存在明顯的內部聯(lián)系。研究借助其彼此之間聯(lián)系進一步說明數(shù)據誤差對TPA檢測指標的影響。研究采用Pearson相關系數(shù)用來描述修正前后TPA指標和參考評價指標之間的關聯(lián)程度，其取值范圍介于-1與1之間，其絕對相關系數(shù)||值越接近1，說明2個變量之間的線性相關的密切程度越高，越接近0則說明密切程度越低。不同壓縮比條件下的TPA指標數(shù)據和參考評價指標的Pearson相關系數(shù)r，按式（3）計算：

式中：x為實驗期間（0～10 d）冷鮮羊肉在第個壓縮比測定條件下測定的第個TPA指標數(shù)據；x為測定的第個參考評價指標數(shù)據；Cov為協(xié)方差。

1.4 數(shù)據處理

2 結果與分析

2.1 基于數(shù)據可視化的TPA測定誤差分析

2.1.1 冷鮮羊肉TPA測定誤差分析

通常在食品理化分析過程中，檢驗結果的誤差按其來源性質可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和過失誤差3大類。就冷鮮羊肉TPA檢測而言，偶然誤差一般是由于樣品受到實驗環(huán)境變化等偶然因素影響導致，可通過環(huán)境控制和多次測定的方式予以消減；而過失誤差一般是由于質構儀操作過失導致測定結果出現(xiàn)明顯錯誤，在數(shù)據核定過程被舍棄；而系統(tǒng)誤差則是作為樣品TPA測定過程中的固有誤差難以避免，多是由于測定方法不合理、儀器細微震動等具體原因，具有分析和解釋的意義。

TPA指標數(shù)據的獲取源于其TPA曲線參數(shù)的解析，因此測定誤差的影響同樣會反映到可見的TPA曲線上。例如，在Alvarez、吳偉都等獲取的蘋果、濕面等樣品的TPA曲線表現(xiàn)的異常峰值和曲線波動，這些測定誤差的表現(xiàn)在本實驗冷鮮羊肉TPA曲線中有所體現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 第10天30%壓縮比條件下獲取的冷鮮羊肉樣品TPA曲線AFig. 2 TPA curve A obtained at a 30% compression ratio for chilled mutton sample stored for 10 days

圖2 中的2 處異常峰（a和b）及其之間的曲線波動在實驗期間獲取的TPA曲線中均有所體現(xiàn)，且其并不會隨設定測定條件等因素的改變而完全消失，其數(shù)值的變化幅度也較為穩(wěn)定，如圖3所示，說明其是系統(tǒng)固有且存在規(guī)律性的系統(tǒng)誤差，具有進一步分析和解釋的意義。

冷鮮羊肉TPA檢測過程中，探頭從樣品表面運動到達預定壓縮比設定位置后，立即返回并停留在冷鮮羊肉樣品表面，完成第1次壓縮過程，經過設定的壓縮間隔時間，探頭重新啟動并重復壓縮過程后回到樣品表面位置，至此完整的TPA曲線形成。結合圖2和圖3可知，特殊峰a、b獨立于測定曲線的循環(huán)壓力峰之外，出現(xiàn)在探頭停止和啟動的瞬間。因此導致特殊峰a、b出現(xiàn)并不是樣品壓縮過程的偶然因素作用，而是儀器完成循環(huán)壓力峰前后，探頭運動狀態(tài)發(fā)生改變而造成的固有且無法避免的輕微震動所致。而儀器安裝的力度傳感器采集信號時的自身數(shù)據抖動導致特殊峰a、b之間的曲線波動在全程TPA曲線A、B上均有所體現(xiàn)。測定誤差分析結果幫助研究進一步明確冷鮮羊肉TPA檢測過程并為TPA曲線參數(shù)解析提供參考。

圖3 第0天80%壓縮比條件下獲取的冷鮮羊肉樣品TPA曲線BFig. 3 TPA curve B obtained at a 30% compression ratio for chilled mutton sample stored for zero days

特殊峰和曲線波動等系統(tǒng)誤差的產生會干擾到檢測系統(tǒng)對TPA曲線的特征節(jié)點識別和后續(xù)的參數(shù)解析，進而造成提取TPA指標數(shù)據誤差的產生。因此，研究通過修正特征節(jié)點位置說明特殊峰和曲線波動等系統(tǒng)誤差對冷鮮羊肉TPA檢測的具體影響。

2.1.2 TPA曲線特征節(jié)點修正

TPA曲線上的特征節(jié)點位置修正需要對在冷鮮羊肉TPA測定過程中提取的6個特征節(jié)點的具體位置、標志意義以及影響曲線參數(shù)進行分析。對此在相關研究基礎上，結合冷鮮羊肉TPA指標數(shù)據提取過程以及特殊峰等因素的考慮，最終得出的TPA曲線特征節(jié)點分析結果如表2所示。

表2 TPA曲線特征節(jié)點分析結果Table 2 Analysis results of key characteristic nodes on TPA curve

結合圖1和表2內容可知，TPA曲線上的特征節(jié)點1、2、5、6都有較為明確的位置定義，確認方法簡單直接，存在位置偏差的可能性較小。而特征節(jié)點3的位置位于第1次壓縮過程的循環(huán)正值峰末端點，研究將第1個循環(huán)正值峰結束后的第1個零值點作為特征節(jié)點3的明確位置。而特征節(jié)點4則是完全由系統(tǒng)進行自動識別選定，同時受到曲線波動和特殊峰的顯著影響，存在著位置偏差的較大可能。研究結合誤差分析結果和TPA指標定義及其計算方法進行特征節(jié)點4的位置選定。由表2可知，TPA曲線上的特征節(jié)點4所在位置的選擇嚴重影響彈性、內聚性和黏性的指標數(shù)值結果。

其中，黏性反映的是探頭測試樣品的黏著作用所消耗的功，在TPA曲線上表征為第1次壓縮過程中循環(huán)負值峰的面積。因此提取其指標數(shù)據時，特征節(jié)點4的位置選于其負值峰的終點或是特殊峰a的起點，即圖4和圖5中的點c處。而彈性和內聚性的計算方法源于TPA曲線中2次壓縮過程中的循環(huán)正值峰面積和壓縮時間，因此在提取彈性和內聚性指標數(shù)據時，特征節(jié)點4的位置選擇在第2次壓縮中循環(huán)正值峰的起點或是特殊峰b的終點，即圖4和圖5中的點d處。選擇特征節(jié)點4時，將壓縮間隔時間內特殊峰a、b之間的數(shù)據曲線波動和視為無效內容予以忽略。

圖4 TPA曲線A上特征節(jié)點4的確定Fig. 4 Determination of node 4 on TPA curve A

圖5 TPA曲線B上特征節(jié)點4的確定Fig. 5 Determination of node 4 on TPA curve B

通過30%壓縮比測定條件下的TPA曲線A（圖4）和70%壓縮比測定條件下的TPA曲線B（圖5）的形態(tài)對比，可以初步觀察到不同壓縮比測定條件會導致探頭對于冷鮮羊肉樣品的實際作用力產生明顯差異。特殊峰和曲線波動的系統(tǒng)誤差對低壓縮比下獲取TPA指標數(shù)據獲取產生顯著影響，而在較大的壓縮比下則相對較為微弱。在此基礎上，研究采用人工操作調整的方式在TAXTPlus質構儀自帶系統(tǒng)的基礎上，完成6個特征節(jié)點的位置修正，并進一步展開修正結果分析和方法驗證。

2.2 修正結果分析與方法驗證

2.2.1 數(shù)據修正結果分析

基于以上分析結果，研究通過特征節(jié)點修正最終得到的不同壓縮比條件下的各個TPA指標平均修正量結果如圖6所示。

圖6 不同壓縮比條件下TPA指標的平均修正量結果分析Fig. 6 Analysis of average correction levels of TPA indexes under different compression ratios

TPA指標修正結果（圖6）分析表明，特征節(jié)點的修正效果受到壓縮比條件的影響，且對于不同TPA指標數(shù)據的具體影響效果存在差異和關聯(lián)性。其中，硬度的指標數(shù)據取決于第1次壓縮過程形成的循環(huán)正值峰峰值，因此僅受到曲線波動的干擾，其修正前后的平均修正量小于0.01%，未在圖6顯示。彈性、內聚性和咀嚼性由于在計算方法上存在相似性以及內部聯(lián)系，在修正效果的體現(xiàn)上呈現(xiàn)較為明顯的關聯(lián)性，且其最大平均修正量均出現(xiàn)在20%壓縮比測定條件下，隨后修正量急劇下降直至接近消失，其中彈性和咀嚼性的平均修正量在20%壓縮比測定條件下超過10%。不同壓縮比條件下的回復性的指標數(shù)據的平均修正量結果保持在1%左右，而冷鮮羊肉的黏性指標數(shù)據平均修正量隨著壓縮比的增大呈現(xiàn)相類似的平穩(wěn)遞減規(guī)律性變化，但均達到20%以上。

從具體的修正效來看，20%壓縮比條件下的5個TPA指標數(shù)據的修正效果均較為明顯，但都存在數(shù)據標準差較大的問題，這是由于該壓縮比測得的力度數(shù)值較小，極易因受到干擾導致測得的指標數(shù)據修正效果穩(wěn)定性較差，而隨著壓縮程度極大，測定指標數(shù)值的增大受到干擾的影響力度減弱，修正效果變得穩(wěn)定，其中回復性在90%的壓縮情況下平均修正量和標準誤差出現(xiàn)增大，則是由于過大的壓縮比條件使得冷鮮羊肉測試樣品出現(xiàn)嚴重破壞，造成的樣品黏附情況嚴重干擾特征節(jié)點3的選擇，導致直接與之直接相關的回復性數(shù)據的修正效果穩(wěn)定性變差。而從整體的特征節(jié)點的修正效果看，特征節(jié)點的修正效果在黏性指標數(shù)據方面體現(xiàn)的尤為顯著，這主要是由于彈性、內聚性、咀嚼性和回復性直接關聯(lián)的特征節(jié)點1、2、5、6在曲線上的位置定義相對比較明確，特征節(jié)點3的檢測系統(tǒng)識別難度也較低，存在的位置偏差可能均較小，使得最終的修正效果體現(xiàn)并不明顯。而對于存在著較大的不確定性的特征節(jié)點4，與之相關的黏性指標數(shù)據直接取決于由第1次壓縮過程形成的循環(huán)負值峰大小，和2 處特殊峰及其之間的曲線波動同處于2個循環(huán)正值峰中間位置，因此受到系統(tǒng)誤差的影響極為顯著，表現(xiàn)出較好的修正效果。以50%壓縮比條件下的修正前后黏性指標數(shù)據結果為例，如圖7所示。

圖7 修正前后50%壓縮比條件下的黏性Fig. 7 Comparison of adhesiveness data under 50% compression ratio before and after correction

從圖7可以看出，特殊峰和曲線波動的系統(tǒng)誤差對黏性指標數(shù)據變化規(guī)律的影響較小，但修正后的黏性指標數(shù)據相比修正前，隨貯藏時間延長逐漸下降的趨勢更加明顯，數(shù)值結果有所增加且標準差較小，穩(wěn)定性有所提升。

2.2.2 修正方法的驗證

研究同樣以黏性在50%壓縮比測定條件下的數(shù)據分析結果為例，計算其與參考評價指標數(shù)據的Pearson相關系數(shù)，結果如圖8所示。

圖8 50%壓縮比測定條件下黏性指標和參考評價指標的相關性結果Fig. 8 Correlation coefficients between adhesiveness and reference evaluation indicators under 50% compression ratio

從圖8可知，相比較特征節(jié)點修正前的冷鮮羊肉TPA數(shù)據，修正后的50%壓縮比測定條件下黏性指標數(shù)據與冷鮮羊肉樣本TVB-N、菌落總數(shù)對數(shù)以及大腸桿菌數(shù)對數(shù)的相關系數(shù)分別提高11.2%、20.7%和8.3%，說明修正后的黏性指標數(shù)據和反映冷鮮羊肉品質劣變的理化指標數(shù)據的密切程度更多，更能充分地反映冷鮮羊肉的貯藏實驗期間的質構特性變化。

3 結 論

以冷鮮羊肉為實驗對象，基于數(shù)據可視化方法分析冷鮮羊肉的具體TPA檢測過程，確定特殊峰和曲線波動等系統(tǒng)誤差使得檢測系統(tǒng)對冷鮮羊肉TPA曲線上特征節(jié)點選擇產生偏差，最終致使TPA指標數(shù)值產生數(shù)據誤差。結果表明：特殊峰和曲線波動等系統(tǒng)誤差受到壓縮比測定條件的影響，在20%壓縮比條件下影響較為顯著，且對于不同TPA指標數(shù)據的具體影響效果存在差異和關聯(lián)性，其中通過對TPA曲線上的特征節(jié)點進行修正得到的黏性指標數(shù)據在不同壓縮比條件下的平均修正量均超過20%；且修正后的50%壓縮比條件下的黏性指標數(shù)據與TVB-N、菌落總數(shù)等冷鮮羊肉參考評價指標的相關性顯著提升。綜上所述，通過修正TPA曲線特征節(jié)點位置可以有效地減少TPA測定時的數(shù)據誤差影響，從而提高獲取的TPA指標數(shù)據的準確性和可靠性。