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高光谱技术融合平板菌落法同步计数酸奶中益生菌

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-02-12
核心提示:目前市面上常见的功能性酸奶中含有的菌种主要有保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和植物乳杆菌等。
   目前市面上常见的功能性酸奶中含有的菌种主要有保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和植物乳杆菌等。其中,干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌为常见的益生菌种,而保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌在酸奶中主要起发酵作用,属于发酵菌种,难以通过胃部进入肠道正常的生长繁殖,不能发挥其保健功能。因此开发一种酸奶中益生菌的简单、快速、高效的鉴别计数方法对于维护消费者权益和保障食品安全具有重要意义。
 
  高光成像技术结合传统的光谱分析技术与图像分析技术于一体,能够同时捕获样本的光谱信息与空间位置信息,是近些年来在食品品质安全监测应用中新兴的一门快速无损检测技术。菌落在生长繁殖过程中,外部结构(形状、纹理)和内部结构(结构、成分)均会发生一定的改变。高光谱对菌落内部含氢基团较为敏感,由于不同菌种具有不同内部组分含量,因此可通过提取图像中像素点的光谱信息以达到鉴别及计数的目的,然而利用高光谱技术实现对益生菌酸奶中益生菌的鉴别计数研究鲜有报道。因此江苏大学食品与生物工程学院的石吉勇、吴胜斌、邹小波*等人采用高光谱技术对益生菌酸奶中各类益生菌进行鉴别及计数,解决混合发酵益生菌酸奶中多种益生菌同时存在的情况下对每种益生菌数量计数的难题,为快速、无损判断各类益生菌酸奶益生功能活性提供依据。
 
  1 光谱预处理及PCA结果
 
  光谱预处理结果
 
  标准正态变量变换(SNV)预处理后的光谱模型识别效果优于其他预处理后的模型,可以有效对光谱中的噪声和其他干扰进行校正。因此本研究在后续的实验中均采用SNV预处理方法。
 
  PCA结果
 
  第1主成分代表了77.03%的光谱信息,第2主成分代表了5.15%的光谱信息,第3主成分代表了4.88%的光谱信息,前3 主成分的累计贡献率达到85%以上,能够代表光谱中的大多数信息。根据各菌落在三维主成分中的分布来看,几种菌落均具备明显的聚类特征,暗示了菌落与菌落之间具备一定的类别特征。
 
  2 最优计数模型选择结果
 
  当主成分为9时,LS-SVM模型的识别率高于另外2 种模型,模型的综合识别率中校正集识别率为99.20%,预测集识别率为93.33%,为最优计数模型。KNN模型识别率相对于LS-SVM识别率低的原因可能在于内部算法方面不足。KNN模型采用的是“表决”方法,按照同类样本相互靠近和少数服从多数的原则进行表决,在解决不同种属的样本分类问题上效果较好,而在解决同种属、不同类问题上效果较差。在需要进行分类鉴定的几种菌落中,保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、植物乳杆菌属于相同的属(乳杆菌属)不同的种,因而区分率较低。尽管BP-ANN校正集的识别率达到了100%,但是在进行预测集验证的时候识别率仍然很低,其原因可能是BP-ANN算法是一种按照误差逆传播算法训练的多层前馈网络,当输出不等于期望输出时则进入反向传播过程,直到网络的全局误差小于给定的值后学习终止,实际上预测能力并没有达到相应的水平,因此导致较低的识别率。
 
  3 高光谱菌落计数法与传统培养基计数法的比较
 
  2 种不同的计数方法结果较为接近,其中相同的菌落采用不同的计数方法得到的结果均未达到显着性差异(P>0.05),但高光谱计数法未能与传统方法达到一致,其原因可能为:1)传统的微生物计数法本身就是一个大约近似的方法,选择性培养基并不是完全的具备选择性;2)在实验过程中存在着样品均匀性、偶然性问题;3)高光谱数据在进行处理的过程中仍然存在较大的噪声,导致在建立模型时,由于模型的精度不够而导致的模型错误识别等。但就总体而言,2 种方法在益生菌总数的计数中没有表现出较大的偏差,可以表明2 种方法在理论计数上无明显差异。
 
  结 论
 
  本实验运用高光谱技术实现对混合发酵酸奶中的发酵菌种(保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌)和益生菌种(干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌)的鉴别与计数。首先采集经过48 h培养的5 种菌种的高光谱信息,将得到的光谱信息分别采用不同的预处理方式(SNV、MSC、一阶导数、二阶导数)进行预处理降噪,采用PCA法对预处理后的光谱数据集进行降维,采用不同的模式识别方法建立5 种菌落的快速计数模型,根据几种模型的识别率确定最佳的计数模型。最后培养自制酸奶样品,对比高光谱菌落计数与传统培养计数法,判断高光谱菌落计数的可行性。结果表明,采用SNV预处理后的光谱在提高模型精度效果上最佳。当主成分数为9时,LS-SVM模型所对应的校正集识别率为99.20%,预测集识别率为93.33%,模型的识别率和稳定性为最佳计数模型。对比最佳模型菌落计数和传统计数法对自制酸奶中各种益生菌的计数结果,二者并无显着性差异(P>0.05),验证了高光谱技术对混合发酵酸奶中多种菌种同时存在情况下对每种益生菌同时计数方法的可行性。
 
 
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