پژوهشنامه حلال

پژوهشنامه حلال

تجزیه و تحلیل نمونه‌های گوشت: ارزیابی مقایسه‌ای روش‌های یادگیری ماشین خطی و غیرخطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 مرکز تحقیقات حلال جمهوری اسلامی ایران، سازمان غذا و دارو، وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی، تهران، ایران
2 مرکز تحقیقات فرآورده‌های آرایشی و بهداشتی سازمان غذا و دارو، وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی، تهران، ایران
چکیده
سابقه و هدف: مقدار رطوبت، پروتئین و چربی در گوشت از مهم‌ترین ویژگی‌های این ماده غذایی در تعیین کیفیت آن است. روش‌های سنتی اندازه‌گیری این ویژگی‌ها معمولاً زمان‌بر، تخریبی و پر هزینه هستند. جایگزینی روش‌های طیف‌سنجی می‌تواند گام مهمی در ابداع روش‌های سریع در این حوزه باشد. ترکیب روش‌های یادگیری ماشین خطی یا غیرخطی با اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی زیرقرمز نزدیک، امکان اندازه‌گیری این مولفه‌ها را در نمونه‌های گوشت ایجاد می‌کند. هدف این پژوهش مقایسه کارآمدی‌های دو روش یادگیری ماشین خطی و غیرخطی در تعیین سه ویژگی در نمونه‌های گوشت است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، داده‌های طیفی نزدیک به زیرقرمز (NIR) از ۲۴۰ نمونه گوشت چرخ‌شده با استفاده از طیف‌سنج NIR در محدوده طول موج ۸۵۰ تا ۱۰۵۰ نانومتر ثبت شد. از این تعداد، ۱۷۰ نمونه برای کالیبراسیون و ۷۰ نمونه برای آزمون استفاده شدند. دو روش یادگیری ماشین، شامل حداقل مربعات جزئی (PLS) به‌عنوان روش خطی و شبکه عصبی مصنوعی با تابع پایه شعاعی (RBF-ANN) به‌عنوان روش غیرخطی، برای مدل‌سازی و پیش‌بینی غلظت رطوبت، پروتئین و چربی به کار برده شدند. مدل‌سازی با نرم‌افزار MATLAB 2018b و بسته MVC1 انجام شد.
یافته‌ها: داده‌های طیفی ۲۴۰ نمونه گوشت با استفاده از روش‌های حداقل مربعات جزئی (PLS) و شبکه عصبی مصنوعی- تابع پایه شعاعی (RBF-ANN) تحلیل شد. برای کالیبراسیون، ۱۷۰ نمونه و برای آزمون، ۷۰ نمونه استفاده شد. مقادیر RMSEP برای پیش‌بینی رطوبت، پروتئین و چربی با RBF-ANN به ترتیب ۰/۸۵۰۰، ۰/۶۵۳۸ و ۰/۶۷۶۱ و با PLS به ترتیب ۲/۳۱۳۲، ۲/۸۰۲۳ و ۰/۷۶۱۵ محاسبه شد. مقادیر REP% برای RBF-ANN در رطوبت، پروتئین و چربی به ترتیب ۱/۳۴۹۴، ۳/۵۶۸۰ و ۳/۸۲۵۴ درصد و برای PLS به ترتیب ۳/۶۷۲۵، ۱۵/۲۹۲۲ و ۴/۳۰۸۳ درصد بود.
نتیجه‌گیری: روش‌های حداقل مربعات جزئی (PLS) و شبکه عصبی مصنوعی- تابع پایه شعاعی
(RBF-ANN) برای تجزیه و تحلیل داده‌های طیفی از ۲۴۰ نمونه گوشت به کار برده شدند. متغیرهای هر کدام از ماشین‌های یادگیری فوق در مرحله کالیبراسیون طیف‌های زیرقرمز نزدیک ۱۴۰ نمونه گوشت،
در موقعیت‌های بهینه خود تنظیم شدند و از مدل‌های خطی و غیرخطی متناظر برای پیش‌بینی غلظت سه آنالیت (محتوای رطوبت، پروتئین و چربی) در ۷۰ نمونه مستقل گوشت استفاده شد. هرچند ماشین غیرخطی
RBF-ANN به عنوان یک مدل هوش مصنوعی، کارآمدی بیشتری را در پیش‌بینی غلظت نشان داد، ولی ماشین خطی PLS هم در تعیین چربی در نمونه‌های گوشت، بازده قابل قبولی را ارائه داد.
 
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analyzing Meat Samples: A Comparative Evaluation of Linear versus Nonlinear Machine Learning Techniques

نویسندگان English

Somaye Vali Zade 1
Hossein Rastegar 2
1 Halal Research Center of IRI, Food and Drug Administration, Ministry of Health and Medical Education, Tehran, Iran
2 Cosmetic Products Research Center,, Food and Drug Administration, Ministry of Health and Medical Education, Tehran, Iran
چکیده English

Objective: The moisture, protein, and fat content in meat are among the most critical characteristics determining its quality. Traditional methods for measuring these attributes are typically time-consuming, destructive, and costly. Substituting these with spectroscopic methods could be a significant step toward developing rapid techniques in this field. Combining linear or nonlinear machine learning methods with near-infrared spectroscopy enables the quantitative determination of these components in meat samples. This study aims to compare the performance of linear and nonlinear machine learning methods in determining these three attributes in meat samples.
Materials and Methods: In this study, near-infrared (NIR) spectral data from 240 ground meat samples were collected using an NIR spectrometer in the wavelength range of 850 to 1050 nm. Of these, 170 samples were used for calibration and 70 for testing. Two machine learning methods, partial least squares (PLS) as a linear method and radial basis function artificial neural network (RBF-ANN) as a nonlinear method, were employed to model and predict the concentrations of moisture, protein, and fat. Modeling was performed using MATLAB 2018b with the MVC1 package.
Findings: Spectral data from 240 meat samples were analyzed using partial least squares (PLS) and radial basis function artificial neural network (RBF-ANN) methods. A total of 170 samples were used for calibration, and 70 samples were used for testing. The RMSEP values for predicting moisture, protein, and fat using RBF-ANN were 0.8500, 0.6538, and 0.6761, respectively, and for PLS, they were 2.3132, 2.8023, and 0.7615, respectively. The REP% values for RBF-ANN were 1.3494%, 3.5680%, and 3.8254%
for moisture, protein, and fat, respectively, while for PLS, they were 3.6725%, 15.2922%, and 4.3083%, respectively.
Conclusion: Partial least squares (PLS) and radial basis function artificial neural network (RBF-ANN) methods were applied to analyze spectral data from 240 meat samples. The variables of each machine learning method were optimized during the calibration phase using near-infrared spectra from 140 meat samples, and the corresponding linear and nonlinear models were used to predict the concentrations of three analytes (moisture, protein, and fat) in 70 independent meat samples. Although the nonlinear RBF-ANN model, as an artificial intelligence approach, demonstrated higher efficiency in predicting concentrations, the linear PLS model also provided acceptable performance in determining fat content in meat samples.

کلیدواژه‌ها English

Machine learning
Partial least squares
Artificial neural networks
Meat