潘 嘹，董 迪，盧立新，*

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無錫 214122)

生鮮肉及其制品是人類膳食的重要組成部分，其色澤是衡量品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)，肉色主要由肉中肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)及存在狀態(tài)決定。貯藏過程中，肉中脫氧肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白逐漸轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白，生鮮肉逐漸由鮮紅色轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?，最終腐敗變質(zhì)[1-3]。因此，檢測肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)對評估生鮮肉品質(zhì)至關(guān)重要。圍繞肌紅蛋白的檢測方法研究，Mancini等[4]采用K/S比率法測定，但其反射衰減比和極限值會導(dǎo)致誤差，為此，Krzywicki[5]提出應(yīng)用可見光分光光度計(jì)測量473、525、572、730 nm處的入射光投射衰減，以此計(jì)算肌紅蛋白的比例，該方法目前已成為肌紅蛋白測定的標(biāo)準(zhǔn)方法，但測定過程中需要制備樣品，無法滿足肉制品生產(chǎn)及銷售過程中實(shí)時在線檢測的需求[6-7]。

光譜無損檢測無需前處理和制備樣品，可實(shí)現(xiàn)肉制品的無損、即時、在線檢測。該方法已開始應(yīng)用于豬肉、牛肉等食品的品質(zhì)檢測研究[8-9]，其中光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及預(yù)測模型是實(shí)現(xiàn)光譜無損檢測的關(guān)鍵[10-11]。李偉等[12]利用全譜段光譜數(shù)據(jù)借助移動窗口平滑、一階差分求導(dǎo)和矢量歸一化預(yù)處理方法，建立線性偏最小二乘擬合模型，模型預(yù)測準(zhǔn)確率可達(dá)93.39%。姜沛宏等[13]應(yīng)用非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立牛肉新鮮度分級模型，克服了線性模型的局限性，模型預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)98.31%。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)選用全譜段光譜信息預(yù)測生鮮肉水分含量，光譜數(shù)據(jù)存在冗余信息。為減少冗余信息，Chen等[15]應(yīng)用連續(xù)投影算法和深度學(xué)習(xí)堆疊自動編碼器算法提取特征光譜，獲得的預(yù)測模型比基于全波長的預(yù)測模型更為準(zhǔn)確。

目前研究已基本實(shí)現(xiàn)肉制品多項(xiàng)指標(biāo)的無損檢測，但采用光譜無損檢測方法檢測肉制品中肌紅蛋白含量的研究未見報(bào)道。文章提出一種采用漫反射可見光譜定量檢測生鮮牛肉和豬肉中脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無損檢測方法，利用定義的光譜反射吸光度預(yù)測生鮮牛肉、豬肉中肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，檢測過程中無需制樣，可實(shí)現(xiàn)肌紅蛋白的無損檢測，以期為生鮮肉制品品質(zhì)監(jiān)控提供技術(shù)支持。

1 模型構(gòu)建

根據(jù)Krzywicki[16]研究，脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白的特征波長分別為545、565、572 nm，且3種肌紅蛋白在525 nm均有特征峰。525 nm處3種肌紅蛋白的消光系數(shù)相等，因此選定525 nm為基準(zhǔn)波長。定義肌紅蛋白特征波長處的表面漫反射率倒數(shù)的對數(shù)為反射吸光度，見式(1)。

(1)

式(1)中，Ai為反射吸光度；Ri為反射率，%；i=525、545、565、572。

將特征波長的反射吸光度、基準(zhǔn)波長的反射吸光度的比值作為自變量，構(gòu)建肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)多元線性回歸方程，見式(2)。

(2)

式(2)中，poxy為氧合肌紅蛋白的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；pdeoxy為脫氧肌紅蛋白的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；pmet為高鐵肌紅蛋白的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ak=0、1、2、3，bk=0、1、2、3，ck=0、1、2、3，均為模型參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取生鮮牛肉和生鮮豬肉黃瓜條部位作為實(shí)驗(yàn)對象，生鮮牛肉和豬肉購置于無錫某超市，將購回的整塊生鮮牛肉和豬肉黃瓜條上下左右表面切除，從中間部位切取大小尺寸一致(2 cm×2 cm×2 cm)、質(zhì)量為5 g的小塊，放入PP托盤內(nèi)用保鮮膜纏繞封口，將樣品隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證組各3組，放入4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，每天分別測定實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證組內(nèi)的6個平行樣，共36個樣品，每個平行樣測定6個點(diǎn)，共測定216個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

PP托盤購置于無錫某超市，長寬高分別為18.5 cm×12 cm×2.5 cm，為減少托盤顏色對肉樣漫反射影響，研究采用的PP托盤為黑色。

保鮮膜采用市場上普遍使用的PE纏繞型保鮮膜，樣品貯藏時用保鮮膜封口。

2.2 儀器與設(shè)備

2.2.1光譜檢測系統(tǒng)構(gòu)成

PG2000-Pro-EX型光纖光譜儀，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司(信噪比450∶1，分辨率1.67 nm，積分時間10 ms～120 s，波段195～1 125 nm，波長間隔0.44 nm)；Morpho通用光譜儀控制軟件、STD-WS型標(biāo)準(zhǔn)白板，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司；數(shù)據(jù)收集器；反射支架(304不銹鋼)，實(shí)驗(yàn)室自制；EOS 80D型數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)，日本佳能公司；Spectra Light QC型標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱，美國X-rite公司。

2.2.2光譜檢測系統(tǒng)連接

將光纖光譜儀、反射支架、盛有生鮮牛肉與豬肉的黑色托盤放于標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱中，黑色托盤放于反射支架上(防止光纖支架陰影對光譜采集的影響)，檢測中標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱用黑色織物遮蓋防止環(huán)境光線對測定的影響，數(shù)據(jù)收集器在光纖輸出端采集光譜數(shù)據(jù)，數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)拍攝樣品形貌。光譜檢測系統(tǒng)連接方式如圖1。

1-標(biāo)準(zhǔn)多光源燈箱；2-光源；3-反射支架；4-實(shí)驗(yàn)樣品；5-光纖檢測端；6-石英光纖；7-反射光譜測量支架；8-光纖光譜儀；9-三腳架；10-數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)；11-黑色織物；12-數(shù)據(jù)連接線；13-數(shù)據(jù)收集器；14-實(shí)驗(yàn)臺。圖1 光譜檢測系統(tǒng)Fig.1 Spectral detection system

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1漫反射光譜采集

1)設(shè)置D65光源(光源強(qiáng)度3 000 a·u、環(huán)境溫度25 ℃、光纖光譜儀信噪比450∶1)。

2)實(shí)驗(yàn)樣品(表面溫度為4 ℃)放置在黑色托盤中，放于反射支架上，關(guān)閉室內(nèi)燈光待測。

3)采集光譜，拍攝樣品形貌(光圈5.6，快門1/125 s，ISO 200)，每塊樣品測定6個點(diǎn)，6次平均值作為樣品反射光譜。反射光譜每天采集1次，直到肉表面呈現(xiàn)淺綠色伴有黏液，散發(fā)刺激性氣味時停止光譜采集，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。生鮮牛肉和豬肉的實(shí)驗(yàn)時間均為6 d。

2.3.2可見分光光度計(jì)測定肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)

研究參照Krzywicki[5]實(shí)驗(yàn)方法測定肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1)取5 g待測樣品，加入25 mL濃度為0.04 mol/L，pH值6.8的磷酸鈉緩沖溶液。

圖2 生鮮牛肉光譜分析Fig.2 Analysis of spectrum of fresh beef

2)將加入磷酸鈉緩沖溶液的樣品在室溫下用勻漿器均質(zhì)30 s，置勻漿后的均質(zhì)液于4 ℃恒溫恒濕箱中保存1 h。

3)均質(zhì)液于4 ℃恒溫恒濕箱取出，放入轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的離心機(jī)中離心20 min。

4)將上清液通過濾紙過濾，用可見分光光度計(jì)測定濾液吸光度。

3 結(jié)果與分析

3.1 光譜分析

生鮮牛肉和豬肉于4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，貯藏過程中生鮮牛肉和豬肉光纖光譜儀反射光譜、可見分光光度計(jì)光譜如圖2、圖3。由光纖光譜儀采集到的光譜與可見分光光度計(jì)采集到的光譜相比，生鮮牛肉和豬肉在545、565 nm處存在顯著吸收峰或反射峰。此外，隨貯藏時間增加，特征峰峰值呈現(xiàn)反射率降低、升高、降低的3個階段變化規(guī)律，反映了不同肌紅蛋白在貯藏期內(nèi)的相互轉(zhuǎn)變。

3.2 肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

生鮮牛肉和豬肉于4 ℃恒溫恒濕箱中分別貯藏6 d，貯藏過程中生鮮牛肉、豬肉顏色變化如圖4、圖5。結(jié)果表明：隨時間推移，生鮮牛肉和豬肉的顏色由暗紅色變?yōu)轷r紅色，最終呈現(xiàn)褐色。肌紅蛋白中鐵離子的化合價態(tài)(Fe2+或Fe3+)與氧氣結(jié)合的位置是導(dǎo)致其色澤變化的根本原因。圖6為采用可見分光光度計(jì)測量的貯藏過程中生鮮牛肉和豬肉中脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白分別在總肌紅蛋白中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。

圖3 生鮮豬肉光譜分析Fig.3 Analysis of spectrum of fresh pork

圖4 生鮮牛肉顏色變化Fig.4 Color change of fresh beef

圖6 生鮮肉3種肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.6 Changes of relative mass fraction of myoglobin in fresh meat

整個貯藏過程中，反射光譜、生鮮肉顏色、肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)三者變化相互關(guān)聯(lián)[17-18]，生鮮牛肉和豬肉均在0～1 d、2～3 d、4～5 d呈現(xiàn)階段性變化，因此，將生鮮牛肉和豬肉指標(biāo)變化分為3個階段。

第1階段，肌紅蛋白依靠電子傳遞鏈?zhǔn)硅F離子處于還原狀態(tài)，3種肌紅蛋白相互轉(zhuǎn)化，脫氧肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變；脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成氧合肌紅蛋白的速率與脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白的速率一致，生鮮牛肉、豬肉呈現(xiàn)暗紅色，反射率降低。

第2階段，肉與空氣中的氧氣充分接觸，肌肉中二價鐵離子被氧化為三價鐵離子，脫氧肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變，脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成氧合肌紅蛋白的速率高于脫氧肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白的速率，生鮮牛肉、豬肉呈現(xiàn)鮮紅色，反射率升高。

第3階段，生鮮牛肉和豬肉脫氧肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。生鮮牛肉氧合肌紅蛋白的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢變化，4 d后急劇下降；高鐵肌紅蛋白的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢變化，第4天時高鐵肌紅蛋白轉(zhuǎn)化成脫氧肌紅蛋白的能力消失，高鐵肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，生鮮牛肉開始腐敗變質(zhì)，呈現(xiàn)褐色，反射率降低。生鮮豬肉氧合肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢變化，高鐵肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢變化，第5天時高鐵肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，生鮮豬肉開始腐敗變質(zhì)，反射率降低。

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本研究建立的預(yù)測模型，將光纖光譜儀測得的光譜反射率[圖2(a)、圖3(a)]代入式(2)構(gòu)建回歸分析模型，經(jīng)回歸分析所得模型參數(shù)見表1。

表1 肌紅蛋白多元線性回歸方程模型Tab.1 Multiple linear regression equation model parameters of myoglobin

實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值如圖6。為進(jìn)一步評價模型精度，將實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值進(jìn)行線性回歸，R2值與擬合曲線見圖7、圖8，擬合方程的截距均小于10-14，斜率等于1，說明本研究提出的基于漫反射可見光譜肌紅蛋白無損檢測方法能預(yù)測生鮮牛肉和豬肉中3種肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖7 生鮮牛肉肌紅蛋白預(yù)測Fig.7 Prediction chart of myoglobin in fresh beef

圖8 生鮮豬肉肌紅蛋白預(yù)測Fig.8 Prediction chart of myoglobin in fresh pork

4 結(jié) 論

基于表面漫反射可見光譜，提出了定量檢測生鮮牛肉和豬肉3種肌紅蛋白相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法，預(yù)測生鮮牛肉和豬肉3種肌紅蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，判定生鮮牛肉和豬肉的品質(zhì)。檢測過程中無需制樣，對生鮮牛肉和豬肉無破壞，適用于實(shí)時在線檢測，證明了無損檢測3種肌紅蛋白預(yù)測模型在食品品質(zhì)預(yù)測方面的可行性，旨在為生鮮肉流通中品質(zhì)檢測提供基礎(chǔ)。