将可解释型人工智能（Explainable Artificial Intelligence, XAI）技术应用于评估发酵烘烤的牛油果籽粉作为牛肉饼中天然抗氧化剂的效能

《Food Research International》：Integrating explainable artificial intelligence (AI) to evaluate fermented-roasted avocado seed powder as a natural antioxidant in beef patties

可持续抗氧化剂发酵烘烤鳄梨种子粉抑制牛肉饼脂质氧化的机制与AI解析

　　

赵志宇|埃尔菲格·图伦|乌切·埃约尔|托尼·陈|凯文·坎托诺|罗斯曼·卡姆|纳齐玛·哈米德

新西兰奥克兰科技大学健康与环境科学学院，未来食品中心

摘要

本研究评估了发酵烘烤后的牛油果籽粉（ASP）作为牛肉饼可持续抗氧化剂的潜力，并结合了可解释的人工智能（AI）技术，以揭示其对脂质氧化控制的机制机制。ASP通过使用Lactobacillus plantarum进行控制发酵后烘烤制成，并以0.95克/千克的比例添加到牛肉饼中。在4°C的冷藏条件下储存10天后，将其性能与丁基羟基甲苯（BHT）和未经处理的对照组进行了比较。结果显示，ASP的初始还原抗氧化能力（以抗坏血酸当量（AAE）计为0.283毫克/克）最高，且在整个储存过程中其抗氧化活性显著高于BHT和对照组（p<0.05）。硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）分析表明，ASP使脂质氧化减少了21%，接近BHT的效果。此外，ASP还改善了肉品的颜色稳定性，并保留了关键的脂肪酸，尤其是油酸。挥发性成分分析显示，ASP的抗氧化作用主要依赖于马利亚德反应生成的化合物，而非合成添加剂。通过将SHAP（Shapley Additive Explanations）分析应用于极端梯度提升模型（XGBoost），发现γ-亚麻酸、油酸、戊醛和2-庚酮是影响抗氧化稳定性的主要因素，这突显了ASP的广谱保护作用。这些发现表明，ASP不仅实现了牛油果籽废料的再利用，还为合成抗氧化剂提供了一种可行的替代方案，有助于实现可持续发展目标。将可解释的AI技术与多变量分析相结合，为理解肉类系统中的脂质氧化途径和抗氧化剂性能提供了新的见解。

引言

牛肉是全球主要的动物蛋白来源，因其高生物价值以及铁、锌、硒和B族维生素等必需微量营养素而受到重视，这些营养素对免疫功能、认知健康和新陈代谢至关重要（Nascimento等人，2024年）。定期摄入牛肉有助于预防营养缺乏并促进长期健康（Hawley等人，2022年）。尽管如此，由于牛肉含有较高的脂质，容易发生氧化降解，从而降低其营养价值和消费者接受度（Lu等人，2022年）。在牛肉饼等加工产品中，由于组织结构被破坏，脂质更容易与氧气和促氧化剂接触，加速了脂质氧化过程，导致产生醛类、酮类等化合物，进而产生异味。

脂质氧化是肉类科学中的一个重大挑战，尤其是在牛肉饼等加工产品中，组织结构的破坏使得脂质更容易受到氧化（Tatiyaborworntham等人，2022年）。这种氧化过程会导致风味、颜色、质地和营养价值的不良变化，最终缩短产品的保质期和市场竞争力（Oliveira等人，2025年）。传统上，人们使用丁基羟基甲苯（BHT）等合成抗氧化剂来有效抑制脂质氧化。然而，日益严格的法规限制以及消费者对清洁标签产品的需求促使人们转向天然替代品（Bampidis等人，2022年）。

牛油果籽通常被作为废弃物丢弃，但实际上是一种未被充分利用的富含酚类化合物的资源，这些化合物具有很强的抗氧化潜力，占果实生物量的13-18%（Ejiofor等人，2018年）。发酵和烘烤后的牛油果籽含有高达2100毫克GAE/100克的抗氧化活性（Zhao等人，2022年）。代谢物分析显示，其抗氧化活性增强，对Hep G2、MDA-MB-231和MCF-7癌细胞系具有细胞毒性作用（Zhao等人，2023年），甚至超过了传统抗氧化剂如浆果渣的效果（Tarasevi?ien?等人，2022年）。Tarasevi?ien?等人报告称，1%的树莓渣可以显著降低牛肉饼中的脂质氧化，表明牛油果籽可能具有类似或更强的抗氧化效果。同样，Nigella sativa籽提取物在九天内将猪肉中的TBARS含量降低到了0.9毫克MDA/千克肉，而对照组为1.3毫克MDA/千克肉（Chauhan等人，2018年）。南瓜籽提取物在羊肉糜中的效果也优于BHA（Gadekar等人，2025年），而Bersama abyssinica籽提取物的IC??值为0.55微克/毫升，超过了抗坏血酸的IC??值（1.10微克/毫升，Alemu等人，2024年）。这些发现凸显了植物基抗氧化剂在肉类保鲜中的潜力，值得进一步研究像发酵烘烤后的ASP这样的全加工粉末。

天然抗氧化剂在肉类保鲜中的应用越来越受到关注，但整个加工后的植物粉末的使用仍然有限。发酵和烘烤可以增强酚类化合物的释放和抗氧化活性，然而将其结合用于牛肉饼中的脂质氧化控制的研究尚未开展。利用牛油果籽不仅有助于循环经济和可持续发展，还有助于实现这一目标。本研究旨在评估发酵烘烤后的牛油果籽粉在冷藏储存过程中抑制牛肉饼脂质氧化的抗氧化效果，并探讨其对脂肪酸组成、挥发性化合物动态及抗氧化能力的影响与BHT的对比。

人工智能（AI）和机器学习（ML）已成为食品科学中的变革性工具，能够准确预测品质属性、优化配方并模拟复杂的生化反应。然而，许多ML模型就像“黑箱”一样，仅提供预测结果而不对背后的原理进行解释，这限制了科学的可解释性和实际应用（Gunning等人，2019年；Samek等人，2017年）。可解释的人工智能（XAI）通过提供对模型行为的可解释性，帮助研究人员识别特征贡献并揭示因果关系。在XAI方法中，Shapley Additive Explanations（SHAP）因其在合作博弈论方面的理论基础及其量化单个输入变量对预测结果影响的能力而备受关注（Lundberg等人，2017年）。在食品系统中，这种可解释性尤为重要，因为氧化稳定性、风味发展和保质期取决于脂质、酚类化合物和挥发性成分之间的多因素相互作用。

近期研究展示了SHAP和其他XAI技术在食品科学中的实用性，包括从酚类化合物谱预测抗氧化活性、建模脂质氧化途径以及识别感官品质的关键驱动因素（Hashem等人，2025年；Zhao等人，2025年）。通过将XAI融入食品研究，科学家们可以超越经验相关性，深入理解背后的机制，从而实现精准的食品保鲜和可持续的成分创新。基于此，本研究应用SHAP来阐明牛油果籽酚类化合物（ASP）与合成抗氧化剂BHT在抗氧化性能上的差异，这种方法已被验证适用于复杂生化数据集的解释（Lu等人，2025年；Yi等人，2025年）。像迷迭香和绿茶提取物这样的清洁标签抗氧化剂已被证明与合成添加剂具有相当的抗氧化效果（Inguglia等人，2023年），进一步证明了这项工作的价值。通过利用未被充分利用的牛油果籽，本研究为可持续食品系统做出了贡献，减少了废弃物，并开发了功能性清洁标签防腐剂。同时，SHAP分析确定了与抗氧化稳定性最密切相关的生物活性化合物和挥发性标志物，为天然抗氧化剂在食品中的靶向应用提供了科学依据。

部分内容摘要

发酵过程

在发酵之前，准备了粒径约为0.5-1毫米的牛油果籽粉末（Olivado Ltd., Kerikeri, 新西兰）。将1毫升Lactobacillus plantarum种子培养液（Fonterra Research Centre, Palmerston North, 新西兰）储存在20%甘油溶液中，温度为-80°C，该培养液的细菌浓度约为9.0×10^8 CFU/mL（相当于3.0 McFarland标准）。通过革兰氏染色验证了培养液的纯度。

ASP中的苦杏仁苷和苦杏仁素含量

本研究重点分析了牛油果籽产品中的苦杏仁苷和苦杏仁素，因为它们具有潜在的毒性和食品安全风险。与其他许多植物性食品不同，牛油果籽含有苦杏仁素，这种毒素会对牲畜产生不良影响，因此对其人类食用安全性存在担忧（Butt等人，2006年）。此外，某些种子中的苦杏仁苷在降解过程中会释放有毒的氰化氢（Bolarinwa等人，2014年）。

结论

研究表明，发酵烘烤后的牛油果籽粉（ASP）是一种有效的天然抗氧化剂，能够延缓冷藏牛肉饼中的脂质氧化，为BHT等合成抗氧化剂提供了一种可持续、清洁标签的替代品。CUPRAC测试显示，ASP的抗氧化潜力更强，10天后TBARS值降低了21%。尽管ASP的最终TBARS值略高于

CRediT作者贡献声明

赵志宇：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验设计、数据分析、概念化。埃尔菲格·图伦：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验设计。乌切·埃约尔：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验设计。托尼·陈：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、结果验证、资源管理、方法学设计、数据分析。凯文·坎托诺：撰写——审稿与编辑

资金来源

本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的资助。

未引用的参考文献

Ansorena和Astiasaran, 2004

European, 2022

Lepage和Roy, 1986

Lundberg和Lee, 2017

Nascimento等人, 2024

Ross和Smith, 2006

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Olivado Ltd.提供的牛油果籽支持。