预测特定腐败菌生长模型：CHAID方法 VS oCelloScope系统
1.6 数据处理
1.6.1 CHAID方法
CHAID分析方法是一种敏感而直观的细分方法，可以用来提前筛选数据以剔除没有贡献的变量。一个细分变量包含着若干类别，但对因变量而言并不是每一个类别都是显著的，CHAID会进行统计检验，合并不显著的类别。CHAID方法适用于分类或等级数据，其核心思想是: 根据给定的结果变量和经过筛选的特征指标对样本进行最优分割，按照卡方检验的显著性进行多元列联表的自动判断分组。由此可以看出，CHAID分析方法就是针对某一设定的结果变量，对众多分类加以比较并找到最佳分类变量和最佳分类结果，从而分析出具有哪些特征的群体更可能发生此结果。CHAID分析通过运行SPSS软件实现，简便易行，结果直观。具体步骤如下:
1) 选定利用oCelloScope系统测得的菌种生长试验数据，然后将解释变量(时间)与目标变量(细菌数)进行交叉分类，产生一系列二维表。
2) 分别计算所生成二维表的卡方(x)统计量或似然估计统计量，比较统计量P值的大小，以统计量P值最大的二维表作为最佳初始分类表，在最佳二维分类表的基础上继续使用解释变量对目标变量的分类。
3) 重复上述过程直到分类条件满足P值大于拆分水准(α-split)为止。
1.6.2 模型的评价方法
一个模型的拟合程度能通过回归系数反映，它被用来作为预测水平的整体量度。并且它的值越高(0 < R2 < 1)，预测模型越准确。平均均方误差(MSE)，其值等于剩余值的平方除以自由度(DF)。用来衡量数值的变化程度。MSE的值越低，描述数据模型越准确。
Bias factor(偏差因子)回答了实测值在等价线的上面还是下面，并且表示距离曲线的程度。它给出了结构偏差的一个模型。biasfactor的值<1表示为安全模式。
Accuracy factor(准确因子)平均每个点与预测值和实测值的平均接近程度的等价线距离。值越大(>1)，平均估计的准确性越低。
2 结果与分析
2.1 菌种确认
通过选择性培养基分离出7个纯种菌落，然后进行生理生化鉴定与确认。对比试验结果与《常见细菌鉴定手册》比较可知，所分离出的菌种均为弧菌。通过文献分析可以看出弧菌是引起大黄鱼腐败变质的特定腐败菌，因此可以通过弧菌生长模型预测货架期。
2.2 生长模型构建与比较
2.2.1 模型构建与预测能力评价
在软件SPSS Clementine12.0进行分析，可以得到基于CHAID弧菌生长模型。运用该模型预测弧菌生长过程，并与利用oCelloScope系统获得的实测值比较(如表1和图1所示)。
| 时间/h | |||||||
| 0 | 24 | 48 | 72 | 96 | 120 | 144 | |
| 实测值 | 5.922 | 6.190 | 9.310 | 13.471 | 16.382 | 20.131 | 20.140 |
| 预测值 | 5.927 | 6.184 | 9.301 | 13.473 | 16.388 | 20.134 | 20.143 |
从图1a、b、c可看出，基于CHAID方法建立弧菌生长模型是可行的。而且，在利用oCelloScope系统获取的生长数据变化率较大情况下，预测结果比较准确，能够很好拟合生长曲线。
对于弧菌指数生长期的预测是锯齿形上升，能够大体预测弧菌生长达到某一生长时期所需天数的范围。
2.2.2 生长动力学模型与CHAID模型比较
应用软件spss16.0建模弧菌不同温度下生长动力学模型，并比较其预测值与CHAID模型的预测值，如图1所示。
由图1可以看出，在指数生长期动力学模型比CHAID模型能够更好的预测弧菌的生长，但在迟滞期和稳定期CHAID方法的预测值明显优于弧菌生长动力学模型。因此可以对弧菌动力学模型进行改进，提高其预测的准确性。
图1 0、5、10℃弧菌动力学模型预测值、CHAID模型预测值与实测值的比较
注: 因文档中未包含原始图片，此处保留原文图表位置说明。
2.3 弧菌生长模型的可靠性评价
弧菌生长数学模型求得的预测值，与利用oCelloScope系统获得的弧菌生长的实测值比较，依据均方差评价建立的生长动力学预测模型的可靠性。
从表2可以看出 0℃ 时回归系数 R2 比 5℃ 时大，主要是试验数据较多。10℃ 时的数据最少，但由于数据变化速率最大，所以 R2 最大。5℃ 时数据较少并且数据变化率较小，R2 最小。
实测值和模型拟合的生长曲线进行比较并对模型进行验证可知，得到的模型基本能够预测大黄鱼在0℃、5℃、10℃时弧菌的增殖状态。在实际的加工和储藏流通过程中，冷藏温度往往是0~10℃，在此温度范围用模型对加工和储藏流通过程进行控制，能取得很好的效果。
表2 不同温度下动力学模型和CHAID模型的统计分析比较
| 温度/℃ | 决定系数R2 | 平均均方误差MSE | 偏差因子BF | 准确因子AF |
| 0 | 0.9710 | 0.1712 | 0.9994 | 1.0282 |
| 5 | 0.9550 | 0.5958 | 0.9981 | 1.0460 |
| 10 | 0.9930 | 0.0031 | 0.9999 | 1.0001 |
3 结论
1) 经过选择性培养基选择和生理生化鉴定，验证和确认了弧菌是大黄鱼的特定腐败菌。在不同的储藏温度下，弧菌有不同程度的增长。
2) 基于CHAID方法建立弧菌生长模型是可行的。而且经过对不同温度下建立的CHAID模型的数据比较，表明利用oCelloScope系统测得的数据变化率较大情况下，预测结果比较准确，能够较好地拟合生长曲线。
3) CHAID方法模型在预测弧菌稳定期的生长状况时优于传统生长动力学模型，在指数生长期劣于传统生长动力学模型。因此，可以将其与动力学模型进行集成，构建组合预测模型，提高预测的精度。
4) 建立在恒温条件下的微生物生长模型，很难有效预测在实际生产、流通、贮藏、消费过程食品微生物的生长变化情况。在实际过程中温度是随机波动的，无法直接用数学式来描述时间温度的变化规律，现在多根据实际过程把时间温度的变化设定为多个短的假设为恒温的时间间隔，然后使用分段的数学模型来描述微生物的生长。本研究基于oCelloScope系统建立的数学模型可以快速大致预测大黄鱼0~10℃恒温冷藏过程细菌生长变化情况，符合实际流通过程的波动温度预测模型有待进一步研究。
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