反向傳播-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在輻照黑椒牛肉品質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

游 云，黃曉霞，肖斯立，劉巧瑜,*，藍(lán)碧鋒，胡 昕，吳俊師，楊 娟，曾曉房,*

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東省嶺南特色食品科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510225；2.廣東省工業(yè)鈷-60伽瑪射線應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511400；3.廣州皇上皇集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510170）

黑椒牛肉是以牛腱肉為原料，經(jīng)適當(dāng)加工（分切、調(diào)味、腌制）包裝后冷凍或冷藏貯運(yùn)、銷售，經(jīng)簡(jiǎn)單加熱即可食用的肉制品[1]。肉制品在貯運(yùn)過程中極易受到微生物的污染，常用的高溫殺菌方式雖然殺菌效果好，但對(duì)肉制品的風(fēng)味和質(zhì)地都有很大影響，易造成產(chǎn)品品質(zhì)下降[2]。輻照作為一種冷殺菌技術(shù)，可以直接通過破壞微生物DNA的磷酸二酯鍵殺死肉類中的微生物，對(duì)肉品質(zhì)影響較小[3]，且輻照還具有節(jié)約能源、易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，目前已成熟地應(yīng)用于肉類的保鮮處理[4-5]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）作為模擬人腦神經(jīng)反饋的數(shù)學(xué)模型，具有自學(xué)能力、自適應(yīng)性、強(qiáng)容錯(cuò)性，可以處理復(fù)雜的非線性問題。隨著人工智能的快速發(fā)展，ANN已經(jīng)成熟應(yīng)用于復(fù)雜工藝過程的預(yù)測(cè)和建模。ANN通過調(diào)整輸入層、輸出層、隱含層中有關(guān)聯(lián)的相關(guān)神經(jīng)元所對(duì)應(yīng)的閾值反映相互之間的非線性關(guān)系[6]。目前，一些研究人員已將ANN與食品工業(yè)結(jié)合，獲得較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。Xing Wei等[7]基于ANN模型預(yù)測(cè)煙熏香腸多品質(zhì)指標(biāo)和苯并芘含量；Malfatti等[8]通過ANN評(píng)估了環(huán)境參數(shù)（溫度、貯藏時(shí)間和相對(duì)濕度）對(duì)雞蛋品質(zhì)的影響，但將其應(yīng)用于輻照肉制品的研究較少，因此利用ANN對(duì)輻照肉制品質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)有非常廣闊的發(fā)展空間。本實(shí)驗(yàn)基于硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn)物（thiobarbituric acid reaction substances，TBARS）值、總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值、蛋白條帶強(qiáng)度和游離氨基酸（free amino acids，F(xiàn)AA）含量建立了ANN模型預(yù)測(cè)輻照黑椒牛肉的多種品質(zhì)，以期為輻照肉制品的品質(zhì)預(yù)測(cè)提供了理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑椒牛肉由廣州皇上皇集團(tuán)股份有限公司提供。

硫代巴比妥酸（＞99%）、氫氧化鈉、氫氧化鉀、石油醚、乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）、對(duì)苯二酚（butylated hydroxytoluene，BHT）（＞99.0%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫代硫酸鈉 廣東銘固化學(xué)有限公司；三氯甲烷、乙醚 廣州化學(xué)試劑廠；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol，DTT）、三羥甲基氨基甲烷、30%丙烯酰胺、過硫酸銨、四甲基乙二胺（均為分析純）美國(guó)Sigma公司；營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；氨基酸混合物標(biāo)準(zhǔn)溶液AN-II型和B型（色譜級(jí)，＞99%）日本和光純藥株式會(huì)社。

1.2 儀器與設(shè)備

RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器公司；K9860全自動(dòng)凱氏定氮儀 山東海能科學(xué)研究?jī)x器設(shè)備公司；LDZM-40KCS-11立式高壓蒸汽滅菌鍋 上海市申安醫(yī)療器械廠；RT-600酶標(biāo)分析儀 深圳雷杜生命科學(xué)股份有限公司；JY04S-3C電泳凝膠成像分析系統(tǒng)北京君意東方電泳設(shè)備有限公司；LA8080氨基酸全自動(dòng)分析儀 日本日立公司；Q（H）型60Co-γ射線固定源室濕存儲(chǔ)源γ輻照裝置 廣州輻銳高能技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將黑椒牛肉（100 g/袋，真空包裝）分別以0 kGy（對(duì)照組）及2、3、4、6 kGy（輻照組）60Co-γ射線輻照后4 ℃冷藏，第0、14、28天取樣，測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3.2 汁液流失率測(cè)定

參考劉巧瑜等[9]的方法測(cè)定汁液流失率，計(jì)算如式（1）所示：

式中：m1為真空袋加黑椒牛肉的質(zhì)量/g；m2為盛有汁液的真空袋質(zhì)量/g；m3為干凈真空袋的質(zhì)量/g。

1.3.3 TBARS值測(cè)定

參考Ulu[10]的方法，稍作修改。稱取攪碎的黑椒牛肉5 g加入30 mL 7.5%的三氯乙酸溶液（含0.1%的EDTA和0.1% BHT）后均質(zhì)混勻，靜置20 min，8 000 r/min離心10 min，吸取5 mL上清液，加入5 mL 0.02 mol/L硫代巴比妥酸溶液，100 ℃水浴30 min，流水降溫，于532 nm波長(zhǎng)處測(cè)定樣品溶液的吸光度。利用丙二醛標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y＝0.700 7x-0.001 9（R2＝0.999）。TBARS值計(jì)算公式如下：

式中：c為從標(biāo)準(zhǔn)曲線中得到的試樣溶液中丙二醛的質(zhì)量濃度/（μg/mL）；V為試樣溶液定容體積/mL；m為稱取的試樣質(zhì)量/g；1 000為換算系數(shù)。

1.3.4 TVB-N值測(cè)定

根據(jù)GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測(cè)定》中自動(dòng)凱氏定氮儀法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5 SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳（polyacrylamide gel electrophoresis，PAGE）

1.3.5.1 蛋白提取

參照魏燕超等[11]的方法，稱取2 g樣品于離心管，加入6 mL緩沖溶液（0.1 mol/L Tris（pH 8.3）、0.01 mol/L DTT），均質(zhì)渦旋后離心，取沉淀物，加入20 mL 5% SDS緩沖溶液，渦旋、混勻，80 ℃水浴30 min，分裝并置于-20 ℃保存，用于肌原纖維蛋白（myofibrillar proteins，MP）的分析。通過雙縮脲法測(cè)定蛋白質(zhì)量濃度，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)量濃度為5 mg/mL。

1.3.5.2 SDS-PAGE

制備12%分離膠和5%濃縮膠，MP樣品與2×上樣緩沖液1∶1（V/V）混勻，100 ℃水浴5 min，5 000 r/min離心3 min，每孔上樣8 μL。取出凝膠片用考馬斯亮藍(lán)快速染色液染色1 h，脫色過夜至凝膠澄清，拍照成像。

1.3.6 FAA含量測(cè)定

參考Qi Jun等[12]的方法并加以修改，4 g黑椒牛肉樣品加入20 mL 3%磺基水楊酸溶液，均質(zhì)、離心。上清液與2 mL正己烷混合振蕩靜置分層，將水相過0.22 μm膜，氨基酸全自動(dòng)分析儀檢測(cè)，進(jìn)樣量20 μL。

1.3.7 色差值測(cè)定

使用便攜式色差儀測(cè)定黑椒牛肉不同部位的L*值、a*值和b*值，每個(gè)樣品重復(fù)5 次。

1.3.8 質(zhì)構(gòu)參數(shù)分析（texture parameters analysis，TPA）

取3 cm×3 cm×3 cm的黑椒牛肉，使用TPA模式測(cè)定黑椒牛肉的硬度。

1.3.9 肌纖維形態(tài)觀察

參考劉巧瑜等[9]的方法，利用蘇木素-伊紅（hematoxylin-eosin，HE）染色分析肌纖維形態(tài)變化。

1.3.10 反向傳播（backpropagation，BP）-ANN模型設(shè)計(jì)

建立一種基于理化指標(biāo)的三層全連接BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)貯藏過程中輻照黑椒牛肉的多種品質(zhì)變化。BPANN模型由輸入層（汁液流失率、TBARS值、TVB-N值、原肌球蛋白條帶強(qiáng)度比率、肌球蛋白重鏈條帶強(qiáng)度比率和FAA含量）、輸出層（硬度、L*、a*、b*和肌纖維間隙、肌纖維直徑）以及隱藏層組成。

構(gòu)建模型前，使用均值-方差標(biāo)準(zhǔn)化將數(shù)據(jù)量綱定義在0～1內(nèi)，轉(zhuǎn)化如式（3）所示：

式中：X i*為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)；X i表示原數(shù)據(jù)；mean（Xn）表示原數(shù)據(jù)序列平均值；Var（Xn）表示原數(shù)據(jù)序列方差。

隨后以0.7∶0.15∶0.15的比例將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。

在BP-ANN設(shè)計(jì)過程中，需要確定合適的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，過多的神經(jīng)元會(huì)造成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過擬合，即模型過度適應(yīng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)不佳；神經(jīng)元個(gè)數(shù)過少會(huì)導(dǎo)致模型的表達(dá)能力受到限制，無法很好地捕捉數(shù)據(jù)的復(fù)雜特征，導(dǎo)致模型的性能較差，出現(xiàn)欠擬合的問題。因此隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)在12～20中選取。為了提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度，在使用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置“輸入-隱藏層”和“隱藏-輸出層”在激活函數(shù)ReLU和Tanh中選取，ReLU函數(shù)收斂速度快，計(jì)算速度快，無論是其函數(shù)還是導(dǎo)數(shù)都不存在復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在輸入值≥0時(shí)，輸出等于輸入（式（4）），此時(shí)梯度為1，能夠完整地傳遞梯度，不存在梯度消失和梯度爆炸問題；Tanh函數(shù)的輸出是S型曲線（式（5）），可以打破網(wǎng)絡(luò)層與網(wǎng)絡(luò)層之間的線性關(guān)系，將非線性輸入映射到（-1，1）區(qū)間上。

式中：x表示輸入值。

模型在測(cè)試集上的預(yù)測(cè)精度用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、平均絕對(duì)百分比誤差（mean absolute percentage error，MAPE）、平均絕對(duì)誤差（mean absolute error，MAE）表示。擬合過程中保持學(xué)習(xí)率為0.1，動(dòng)量系數(shù)為0.5，進(jìn)行100 次迭代，定義均方誤差（mean square error，MSE）為損失函數(shù)，用于衡量網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與實(shí)際輸出結(jié)果之間的差異，幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果。其計(jì)算如式（6）～（9）所示：

式中：yi為實(shí)際輸出值；為預(yù)測(cè)輸出值；n表示樣本量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著，使用Origin 2021軟件作圖，HE肌纖維染色用Case Viewer 2.0軟件進(jìn)行圖像采集分析，SDSPAGE圖利用ImageJ軟件分析蛋白條帶強(qiáng)度，采用Python 3.9.7進(jìn)行BP-ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照處理對(duì)黑椒牛肉冷藏過程中品質(zhì)的影響

2.1.1 汁液流失率

汁液流失率是用來衡量肉制品持水性的指標(biāo)，肉制品的質(zhì)量伴隨汁液流失而降低[13]。由圖1可知，黑椒牛肉的汁液流失率隨輻照劑量的增加顯著增加（P＜0.05），由對(duì)照組的（2.36±0.11）%上升至（5.04±0.71）%。輻照處理能夠使雞肉蛋白結(jié)構(gòu)變性，促進(jìn)肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白融合，使可貯存水分的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)變小，影響肌肉組織的保水能力，汁液流失率增加[14]。整個(gè)貯藏期，對(duì)照組和輻照組的汁液流失率均顯著增加（P＜0.05），而輻照組比對(duì)照組的汁液流失率上升緩慢。貯藏28 d時(shí)，對(duì)照組和2 kGy組的汁液流失率分別上升至（9.18±0.64）%和（7.39±0.08）%，而≥3 kGy組的汁液流失率僅上升至5.8%左右。說明≥3 kGy輻照能夠有效延緩黑椒牛肉在貯藏過程中的汁液流失。

圖1 輻照劑量對(duì)黑椒牛肉貯藏過程中汁液流失率的影響Fig.1 Effect of irradiation dose on the juice loss of black pepper beef during storage

2.1.2 TBARS值和TVB-N值

TBARS值是衡量肉制品脂質(zhì)次級(jí)氧化程度的指標(biāo)[15-16]。如圖2a所示，輻照處理后，黑椒牛肉的TBARS均顯著增加（P＜0.05）?？赡苁且?yàn)檩椪占涌焐勺杂苫?，促進(jìn)自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而自由基則通過改變脂肪酸或甘油三酯的構(gòu)成誘導(dǎo)脂肪氧化[17]。貯藏過程中，對(duì)照組和輻照組的TBARS值總體呈上升趨勢(shì)。對(duì)照組和2 kGy組的TBARS值顯著上升（P＜0.05），而≥3 kGy組的TBARS值上升緩慢?？赡苁且?yàn)殡S著貯藏期延長(zhǎng)，較高輻照劑量促使丙二醛與蛋白質(zhì)、核酸等反應(yīng)進(jìn)一步氧化成羧酸[18]。藍(lán)碧鋒等[19]發(fā)現(xiàn)輻照處理的鱸魚在貯藏后期硫代巴比妥酸值下降可以解釋這一現(xiàn)象。

圖2 輻照劑量對(duì)黑椒牛肉貯藏過程中TBARS（a）和TVB-N（b）的影響Fig.2 Effect of irradiation dose on TBARS (a) and TVB-N (b) values of black pepper beef during storage

TVB-N是指微生物和酶分解蛋白質(zhì)后生成氨以及胺類等可揮發(fā)性堿性含氮物質(zhì)，其含量被視為與食物腐敗程度相符率最大的生化指標(biāo)之一[20-22]。從圖2b可知，對(duì)照組的TVB-N值為（7.32±0.94）mg/100 g，經(jīng)2、3、4、6 kGy輻照處理后，黑椒牛肉TVB-N值分別上升至（7.99±0.33）、（8.23±0.41）、（8.66±0.77）、（9.35±0.82）mg/100 g。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組和輻照組的TVB-N值均顯著上升（P＜0.05）。尤其是當(dāng)貯藏時(shí)間為28 d時(shí)，對(duì)照組的TVB-N值達(dá)到（23.07±0.99）mg/100 g，這可能是因?yàn)橘A藏后期微生物大量增殖，氨基酸被微生物降解，導(dǎo)致TVB-N值升高[23]。輻照組的TVB-N值上升速率小于對(duì)照組，4 kGy組和6 kGy組在貯藏第28天TVB-N值分別為（14.92±0.91）mg/100 g和（13.60±0.76）mg/100 g，符合國(guó)標(biāo)二級(jí)新鮮度要求，可能是由輻照殺滅微生物抑制蛋白質(zhì)降解導(dǎo)致[24]。

2.1.3 SDS-PAGE分析

由圖3 a 可知，黑椒牛肉M P 有清晰的肌球蛋白重鏈（220 kDa）和輕鏈（17～22 kDa）、肌動(dòng)蛋白（43 kDa）、原肌球蛋白（40 kDa）、肌鈣蛋白（35 kDa）以及尚不明確的結(jié)構(gòu)性調(diào)節(jié)蛋白條帶[25]。除肌動(dòng)蛋白條帶強(qiáng)度差異不大外，各蛋白條帶強(qiáng)度都不同程度地隨輻照劑量的增加而減弱，Xie Yong等[26]也得出相似結(jié)論。如圖3b和3c所示，隨著輻照劑量增加，肌球蛋白重鏈和原肌球蛋白含量顯著減少（P＜0.05），但貯藏過程中兩者變化不顯著（P＞0.05）。Shi Yan等[27]發(fā)現(xiàn)草魚經(jīng)輻照處理后，肌球蛋白重鏈發(fā)生有序性結(jié)構(gòu)變化，降解成更小的蛋白分子或肽鏈結(jié)構(gòu)。電泳圖表明輻照影響大分子蛋白空間結(jié)構(gòu)使其降解，但貯藏過程中蛋白無顯著變化。

圖3 輻照黑椒牛肉貯藏過程蛋白SDS-PAGE圖（a）及肌球蛋白重鏈（b）、原肌球蛋白（c）含量變化Fig.3 SDS-PAGE patterns (a) and changes in contents of myosin heavy chain (b) and tropomyosin (c) during the storage process of irradiated black pepper beef

2.1.4 FAA含量

由圖4a可知，輻照黑椒牛肉共檢出17 種FAA，其中必需氨基酸7 種，呈味氨基酸6 種。呈味氨基酸中天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）呈鮮味，丙氨酸（Ala）呈甜味，其余呈苦味[28]。與對(duì)照組相比，除2 kGy輻照處理外，黑椒牛肉的FAA含量（圖4b）和呈味氨基酸（圖4c）增加但不顯著（P＞0.05），必需氨基酸含量（圖4d）顯著增加（P＜0.05），說明輻照對(duì)黑椒牛肉的營(yíng)養(yǎng)及滋味起到了積極的改善作用[29]。而不同的FAA含量隨著輻照劑量的增加呈增減現(xiàn)象變化趨勢(shì)，這是由于輻照產(chǎn)生自由基，攻擊蛋白質(zhì)多肽鏈?zhǔn)蛊鋽嗔?，肽鏈中氨基酸殘基的脫氨、脫羧和氧化作用增?qiáng)，又由于氨基酸結(jié)構(gòu)及其對(duì)γ射線敏感程度不同，輻照對(duì)各種氨基酸的影響程度不一樣[30]。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組的總FAA含量呈先增加后減少的現(xiàn)象，由0 d的2 113.81 mg/kg上升至4 856.98 mg/kg再下降至1 632.45 mg/kg。這可能是輻照產(chǎn)生自由基或水合離子引起蛋白質(zhì)分解，而貯藏后期又因微生物大量增殖，導(dǎo)致氨基酸被微生物降解。

圖4 輻照黑椒牛肉貯藏期FAA含量變化Fig.4 Changes in FAA contents in irradiated black pepper beef during storage

2.1.5 色差值

色差是反映肉制品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，通過色澤的變化能夠評(píng)價(jià)黑椒牛肉的新鮮度。由表1所示，經(jīng)輻照處理后，黑椒牛肉的L*值呈上升趨勢(shì)（P＜0.05），a*值呈下降趨勢(shì)（P＜0.05），b*值在輻照后無顯著變化。當(dāng)輻照劑量≥3 kGy時(shí)，黑椒牛肉的L*值由40.11±1.27分別增加了3.90、2.95和5.28。當(dāng)輻照劑量≥4 kGy時(shí)，a*值分別下降了1.26和2.54。這可能是輻照能夠促使蛋白質(zhì)變性，從而導(dǎo)致牛肉保水性下降，自由水流出后積累在表面，增強(qiáng)了黑椒牛肉表面對(duì)光的反射[31]。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組和輻照組的L*、a*和b*值均顯著下降（P＜0.05），但輻照組的L*和a*值較對(duì)照組下降緩慢，而對(duì)照組的b*值較輻照組下降緩慢。貯藏過程中肉制品微生物繁殖分解蛋白質(zhì)能夠影響其L*值[32]，而輻照具有殺菌功效，能有效降低其對(duì)黑椒牛肉L*值的影響。高立紅等[33]發(fā)現(xiàn)牛肉在貯藏過程中，肌紅蛋白與氧合肌紅蛋白能夠再次結(jié)合被氧化生成高鐵肌紅蛋白，通過與微生物代謝產(chǎn)生的過氧化物和硫化氫的共同作用使牛肉呈褐色。鄭維莎[34]也發(fā)現(xiàn)輻照可降低雞脯肉的a*值，而輻照能夠促進(jìn)黑椒牛肉的蛋白質(zhì)降解和脂質(zhì)氧化，使黑椒牛肉b*值下降[35]。

表1 輻照劑量對(duì)黑椒牛肉冷藏過程中色差的影響Table 1 Effect of irradiation dose on color parameters of black pepper beef during refrigeration

2.1.6 質(zhì)構(gòu)特性

硬度是肉制品的內(nèi)部結(jié)合力，能夠保持肉制品的自身形狀。由圖5可知，經(jīng)輻照處理的黑椒牛肉的硬度隨輻照劑量的增加均有所下降。輻照促使黑椒牛肉肌肉蛋白分解，肌肉纖維滲透壓增高，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)變得疏松，硬度下降[36]。當(dāng)貯藏時(shí)間為14 d時(shí)，各組的硬度仍無顯著變化。當(dāng)貯藏時(shí)間為28 d時(shí)，對(duì)照組的硬度顯著下降（P＜0.05），由原本的（3 375.77±207.97）g下降至（2 080.67±275.59）g。這是因?yàn)殡S著時(shí)間延長(zhǎng)，黑椒牛肉開始腐敗變質(zhì)，蛋白降解，持水能力下降，造成肉質(zhì)變軟，硬度減小[37]。

圖5 輻照劑量對(duì)黑椒牛肉貯藏期硬度的影響Fig.5 Effect of irradiation dose on hardness of black pepper beef during storage

2.1.7 肌纖維形態(tài)

為了解輻照處理對(duì)黑椒牛肉肌纖維變化的影響，對(duì)黑椒牛肉的垂直肌纖維切片進(jìn)行HE染色，圖6a為Case Viewer放大20 倍拍照?qǐng)D。由圖6b、c可知，對(duì)照組的肌纖維形態(tài)整體相對(duì)完整緊密。輻照處理后，黑椒牛肉的肌纖維開始分離歪曲，形狀不均勻，且肌束間隙隨輻照劑量增大而變大，輻照劑量≥4 kGy時(shí)有顯著性差異（P＜0.05）。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，各組的肌纖維間隙增大，輻照組比對(duì)照組的肌纖維間隙增長(zhǎng)顯著（P＜0.05）?？赡苁且?yàn)殡S著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)和輻照劑量的增加，微生物和輻照對(duì)蛋白骨架結(jié)構(gòu)的破壞程度加大，MP的持水性降低，導(dǎo)致汁液流失、肌纖維間隙變大[38]。肌纖維直徑在貯藏過程中無顯著變化（P＞0.05）。當(dāng)輻照劑量≥4 kGy時(shí)，黑椒牛肉的肌原纖維結(jié)構(gòu)模糊，細(xì)胞排列不整齊，與Huang Xiaoxia等[39]探究輻照雞胸肉保鮮品的結(jié)論相似。

圖6 輻照黑椒牛肉貯藏期肌纖維形態(tài)的變化Fig.6 Changes in muscle fiber morphology of irradiated black pepper beef during storage

2.2 BP-ANN模型

為了預(yù)測(cè)貯藏過程中輻照黑椒牛肉的品質(zhì)變化，利用BP算法構(gòu)建了多層前饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的ANN模型。表2為不同激活函數(shù)、不同隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)下測(cè)試的預(yù)測(cè)結(jié)果。從測(cè)試集的RMSE、MAE和MAPE看，當(dāng)激活函數(shù)為ReLU，并且神經(jīng)元個(gè)數(shù)為14時(shí)，測(cè)試集的RMSE最小，為0.612 8；當(dāng)神經(jīng)元個(gè)數(shù)為15時(shí)，MAE最小，為0.412 1；神經(jīng)元個(gè)數(shù)為13時(shí)，測(cè)試集的MAPE最小，為1.430 8%。與之相比，激活函數(shù)Tanh的效果較差，確定激活函數(shù)為ReLU，隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為14，構(gòu)建6-14-6全連接BP-ANN模型，如圖7所示。

表2 不同神經(jīng)元個(gè)數(shù)的BP-ANN擬合效果Table 2 Results of BP-ANN fitting with different numbers of neurons

圖7 6-14-6 BP-ANN模型結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Six-fourteen-six structure of the BP-ANN model

MSE為損失函數(shù)，用于衡量網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與實(shí)際輸出結(jié)果之間的差異，幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果。構(gòu)建6-14-6 BP-ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，模型在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的損失變化如表3所示。迭代過程中，損失函數(shù)的值不斷下降，經(jīng)過100 次迭代優(yōu)化參數(shù)后，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的MSE都到達(dá)了一個(gè)較低的數(shù)值，可以認(rèn)為模型預(yù)測(cè)的精度較高。

表3 訓(xùn)練集、驗(yàn)證集損失函數(shù)值變化Table 3 Variations in loss function values of the training and validation sets

根據(jù)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中得到的BP-ANN模型，使用測(cè)試集數(shù)據(jù)對(duì)模型的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間的比較如圖8所示。從預(yù)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然模型在個(gè)別成分上的預(yù)測(cè)值不是特別好，但整體趨勢(shì)基本一致；模型的RMSE、MAE、MAPE分別為0.612 8、0.416 1、1.459 6%，綜合以上信息可以認(rèn)為模型預(yù)測(cè)精度良好，且沒有過擬合。

圖8 測(cè)試集預(yù)測(cè)效果Fig.8 Prediction results for the testing set

模型在訓(xùn)練集中的預(yù)測(cè)效果與實(shí)際值比較如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差距不大，可以認(rèn)為模型具有較好的預(yù)測(cè)精度和泛化能力。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，模型對(duì)原肌球蛋白條帶強(qiáng)度比率的預(yù)測(cè)精度優(yōu)于其他輸入值，但其他輸入值的預(yù)測(cè)結(jié)果也都符合實(shí)際值的變化趨勢(shì)。全集的RMSE為0.573 5，MAE為0.468 1，MAPE為1.247 7%，可以認(rèn)為模型的精度較高。

圖9 訓(xùn)練集預(yù)測(cè)效果Fig.9 Prediction effect for the training set

圖10 全集預(yù)測(cè)效果Fig.10 Prediction results for the full set

3 結(jié)論

貯藏初期，輻照對(duì)黑椒牛肉的汁液流失率、TVB-N值、TBARS值有少許不利影響，但在貯藏過程中輻照能夠有效延緩其品質(zhì)的變化，且FAA的數(shù)據(jù)顯示輻照對(duì)黑椒牛肉營(yíng)養(yǎng)和滋味有積極影響。綜合輻照對(duì)黑椒牛肉冷藏過程中的影響，確定3～4 kGy為最優(yōu)的輻照劑量，能夠保障黑椒牛肉在冷藏過程中的品質(zhì)。

汁液流失率、TBARS值、TVB-N值、蛋白含量和FAA含量作為理化品質(zhì)指標(biāo)在輻照黑椒牛肉貯藏過程中差異顯著，作為輸入層建立黑椒牛肉品質(zhì)預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，采用6-14-6結(jié)構(gòu)的BP-ANN模型能夠獲得較高準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)效果，其中“輸入-隱藏層”和“隱藏-輸出層”的激活函數(shù)為ReLU函數(shù)，隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為14，輸入值的預(yù)測(cè)結(jié)果都符合實(shí)際值的變化趨勢(shì)，該模型可以較好的預(yù)測(cè)輻照黑椒牛肉的品質(zhì)變化。這些結(jié)果不僅為輻照在黑椒牛肉貯藏和保鮮的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，也為肉類行業(yè)的智能升級(jí)提供了參考。