活性涂层：Lepidium perfoliatum黏液与Lactiplantibacillus plantarum OC-D的组合应用——延长产品保质期及基于支持向量回归的预测分析

《Applied Food Research》：Active Coating of Lepidium perfoliatum Mucilage and Lactiplantibacillus plantarum OC-D: Shelf-Life Extension and Support Vector Regression Prediction

本研究利用Lepidium perfoliatum种子胶与Lactiplantibacillus plantarum OC-D细胞游离 supernatant（CFS）复合制备可食用涂层，显著延缓牛肉TVB-N、TBARS等指标升高，抑制微生物生长，延长冷藏保质期至10天，并基于支持向量回归（SVR）模型准确预测12项质量参数（MAPE 0.81%-4.73%，R2 0.95-0.99）。

　　在现代食品工业中，保持肉类的新鲜度和品质是至关重要的挑战。由于新鲜牛肉具有高水分含量和丰富的营养成分，其易受细菌生长和氧化反应的影响，导致经济损失和潜在的食品安全问题。为应对这一挑战，研究人员探索了天然材料和生物活性成分的结合，以开发有效的保鲜技术。这项研究提出了一种由植物种子黏液和乳酸菌细胞游离上清液（CFS）组成的可食用涂层，旨在延长牛肉的保质期并维持其品质。此外，该研究还引入了支持向量回归（SVR）模型，用于预测12项关键质量参数，从而实现对牛肉在冷藏期间质量变化的准确预测。

### 可食用涂层的组成与作用

本研究采用的可食用涂层主要由两种成分构成：一种是从植物种子中提取的黏液，另一种是从乳酸菌中获得的CFS。植物种子黏液是一种天然的多糖类物质，具有良好的成膜性和柔韧性，可有效形成保护层，防止水分流失和气体交换。而CFS是从乳酸菌中提取的富含生物活性物质的上清液，含有多种代谢产物，如有机酸、酶和肽。这些物质具有抗菌和抗氧化特性，可以抑制有害微生物的生长，延缓氧化反应，从而提高肉类的保鲜效果。

通过将这两种成分结合使用，研究人员开发出了一种多功能的可食用涂层。这种涂层在实验中表现出优异的保鲜效果，特别是在冷藏条件下，能够显著延缓牛肉中总挥发性碱性氮（TVB-N）的增加，减少颜色变化，并有效控制微生物含量。结果显示，使用2%浓度的CFS-黏液涂层的牛肉样品在第10天时表现出最低的过氧化值（PV）和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）含量，同时具有较高的感官接受度。这表明，该涂层不仅能够物理性地保护牛肉，还能通过其生物活性成分，增强其抗菌和抗氧化能力，从而有效延长牛肉的保质期。

### 涂层的机械性能

在研究过程中，对黏液涂层的机械性能进行了评估，包括拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）。结果显示，随着CFS浓度的增加，涂层的TS显著提高，但EB略有下降。这一趋势表明，TS和EB在一定程度上相互制约，因此需要在实际应用中根据具体需求进行调整。黏液涂层的TS值在12-13 MPa范围内，而EB值在1-5%之间，具体取决于甘油含量。当CFS浓度提高时，TS进一步增强，而EB略有下降，但这种变化在统计学上并不显著（p > 0.05）。这些机械性能的变化可能影响涂层在实际应用中的稳定性和耐用性，因此需要在实验设计中进行综合考量。

### 涂层的结构特性

为了进一步理解CFS对黏液涂层结构的影响，研究人员使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。结果显示，黏液的FTIR光谱在3100-3500 cm?1和2800-3000 cm?1范围内显示出显著的吸收峰，这些峰与羟基水和碳-氢键的伸缩振动有关。此外，在750-1300 cm?1范围内观察到一个显著的峰，与碳-氧键的伸缩振动相关。而1620 cm?1和1420 cm?1的峰则分别对应于酰胺I带和对称羧酸基团（如尿酸）的伸缩振动。这表明，黏液主要由多糖组成，而CFS则包含蛋白质/肽和有机酸/脂肪酸等成分，这些成分在抗菌和抗氧化方面发挥了重要作用。

通过引入CFS，黏液涂层的FTIR光谱在1620 cm?1和1200-1400 cm?1范围内表现出细微的变化，这可能与CFS中不同成分的加入有关。这些变化进一步验证了CFS对涂层抗菌和抗氧化性能的增强作用，表明其在实际应用中具有重要的价值。

### 物理化学与微生物特性分析

在冷藏过程中，研究人员对牛肉样品的物理化学和微生物特性进行了详细分析。结果表明，经过CFS-黏液涂层处理的牛肉样品在微生物含量、过氧化值（PV）和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）方面表现出显著的改善。特别是，2%浓度的CFS-黏液涂层在第10天时表现出最低的微生物数量，且PV和TBARS值也远低于对照组。这表明，该涂层在抑制微生物生长和延缓氧化反应方面具有显著效果。

此外，pH值的变化也被监测。随着冷藏时间的延长，牛肉样品的pH值逐渐上升，但经过CFS-黏液涂层处理的样品pH值变化较小，表明涂层在维持pH稳定性方面也发挥了重要作用。硬度测试结果显示，2%浓度的CFS-黏液涂层处理的牛肉样品在第10天时表现出更高的硬度值，这可能与涂层对蛋白质的保护作用有关。相比之下，对照组的硬度值较低，表明其更容易发生蛋白质降解。

### 感官特性评估

为了评估涂层对牛肉感官特性的影响，研究人员进行了感官分析，包括颜色、气味、质地和整体接受度。结果显示，所有处理组的感官评分均高于对照组，其中2%浓度的CFS-黏液涂层表现出最高的接受度。这表明，该涂层不仅能够改善牛肉的物理化学特性，还能显著提升其感官品质。在冷藏过程中，对照组的牛肉样品出现了明显的颜色褪色和异味，而处理组的样品则保持了较好的颜色和气味，这可能是由于涂层中的抗菌和抗氧化成分有效抑制了微生物生长和氧化反应。

### 预测模型的开发与验证

为了实现对牛肉质量变化的精准预测，研究人员开发了基于支持向量回归（SVR）的预测模型。该模型能够预测12项关键质量参数，包括TVB-N、TBARS、pH、微生物数量、硬度、颜色变化、水分含量等。SVR模型的预测性能表现出色，其平均绝对百分比误差（MAPE）在0.81%到4.73%之间，决定系数（R2）则在0.95到0.99之间。这表明，SVR模型能够准确地预测牛肉在冷藏期间的质量变化，为食品质量监测提供了一种高效的数据驱动方法。

与传统的线性回归模型不同，SVR模型能够在不预设函数形式的情况下，直接从数据中学习复杂的非线性映射关系。这使得SVR特别适合于生物学系统，其中腐败过程往往是多因素和非线性的。此外，SVR模型的预测结果不仅具有高准确性，还表现出良好的泛化能力，能够适应不同的冷藏条件和样品特性。

### 模型的优化与验证

在模型开发过程中，研究人员采用了网格搜索和5折交叉验证（CV）相结合的方法，对SVR的三个关键超参数进行了优化：正则化参数C、核函数宽度γ和不敏感损失函数ε。通过这种方法，研究人员确保了模型的鲁棒性和泛化能力，避免了过拟合的风险。实验结果表明，经过优化的SVR模型在训练集和测试集上的表现均优于未优化的模型，显示出其在实际应用中的潜力。

此外，SVR模型的预测性能在所有12个参数上均表现出一致性，从水分含量（MAPE = 0.81%）到整体接受度（MAPE = 3.09%），均显示出良好的预测能力。这表明，SVR不仅能够同时预测物理化学参数，还能有效评估感官特性，为食品质量控制提供了一种综合的解决方案。

### 研究的意义与未来展望

本研究的意义在于，它不仅开发了一种新型的生物活性可食用涂层，还引入了一种高效的预测模型，用于评估牛肉在冷藏期间的质量变化。这种结合了天然材料和生物活性成分的涂层，为食品工业提供了一种环保、高效的保鲜方案。而基于SVR的预测模型，则为食品质量监测提供了一种数据驱动的方法，能够帮助食品企业更精确地预测产品保质期，从而减少浪费，提高生产效率。

此外，本研究还挑战了传统观点，即认为在食品科学中，大规模数据是实现可靠AI预测的必要条件。虽然深度学习模型通常需要数千个样本，但本研究表明，经过适当优化的SVR模型可以在较小的数据集上实现高精度的预测，这对于缺乏大数据基础设施的小型食品加工厂具有重要意义。

未来的研究可以进一步探索SVR模型在不同肉类类型、储存温度和包装环境中的应用。此外，还可以评估该涂层在实际生产环境中的适用性和稳定性，以及其在延长其他肉类保质期方面的潜力。通过这些进一步的研究，可以为食品科学提供更全面的解决方案，推动食品保鲜技术的发展。