食品缓冲pH值自动量化GUI程序BufferCapacity3的开发和应用

软件X 22（2023）101351原始软件出版物BufferCapacity3是一个交互式GUI程序，用于模拟食品成分缓冲和pH值弗雷德·布莱特美国农业部，食品科学和市场质量和处理研究单位，北卡罗来纳州立大学，322 Schaub Hall，Box7624，Raleigh，NC 27695-7624，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收6十月2022收到修订版2022年12月16日接受2023年保留字：缓冲液pH缓冲容量模拟滴定食品成分a b st ra ct对于许多酸性食物，包括发酵和酸化蔬菜，沙拉酱，沙拉酱等，保持pH值低于4.6是防止肉毒杆菌中毒的关键控制。酸性食物的pH值是可控的通过酸含量，低酸成分和缓冲;然而，食品的缓冲仍然在很大程度上没有表征。开发了一个Matlab GUI程序“BufferCapacity 3”，用于利用酸/碱滴定数据自动量化食品中存在的缓冲剂。BufferCapacity3程序可用于帮助产品开发，并帮助确保酸性食品的pH值控制和安全性由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本3.5用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00318可复制胶囊的永久链接USDA/ARS作品不受版权限制：CreativeCommonsZero（CCO）使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务Matlab版本2022b编译要求、操作环境和依赖关系Matlab应用程序如果可用，请链接到开发人员文档/手册https://www.ars.usda.gov/southeast-area/raleigh-nc/fsmqhru/docs/buffer-能力建模/问题支持电子邮件fred. usda.gov1. 动机和意义溶液的pH值由缓冲组分的浓度和pK值（酸或碱平衡常数的负对数）定义。大多数生物来源的食品成分在化学上是不确定的，使得基于离子平衡理论[1]对食品成分混合物的pH进行定量估计变得困难或不可能。最近，已经开发了新的方法酸性沙拉酱[2，3]。这些模型是基于估计缩略语：BC，缓冲容量; ABD，电子邮件地址： fred. usda.gov。https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.101351从食品成分或混合物的滴定数据中得出的一系列单质子缓冲液的浓度和pK这些缓冲液可能代表实际成分弱酸或弱碱，或多种一元或多元酸或碱的复合缓冲[4]。因为可以鉴定出近似溶液的总缓冲的一元酸或碱的缓冲基质，所以从该基质估计的pH将近似食物的pH。以前，需要经验测量来确定pH值如何随着添加的酸或食品成分而变化。开发BufferCapacity3程序是为了根据使用自动滴定仪滴定食品获得的数据自动生成BC模型，如Longtin等人[2]对沙拉酱成分的描述。BC模型和数据可用于酸性和酸化食品行业，包括确定食品的pH稳定性，帮助产品配方和开发，以及阐明监管状态和安全性2352-7110/Elsevier B. V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx弗雷德·布莱特软件X 22（2023）1013512n×[客户端][客户端]（我 我）+的W缓冲区表中的字符，默认情况下，该缓冲区表是根据各个缓冲区pK值分配的，字符这些食物[5，6]。BufferCapacity3软件可用于分析各种食品、介质或含有弱酸或弱碱的溶液的水相。软件算法还用于分析发酵盐水[7]，以预测黄瓜汁培养基发酵期间产生有机酸时的pH变化。可使用单独的酸（盐酸）和碱（氢氧化钠）滴定生成缓冲溶液的滴定数据。然后，软件可用于直接处理配对的酸和碱滴定仪输出文本文件，如[3]所述。然后，所得缓冲液模型可用于添加酸或碱的pH计算或估计总溶液缓冲（定义为tbeta）。食品成分的总缓冲可能有助于估计食品添加剂对食品最终pH值的影响[2]。2. 软件描述模型基于Price等人的一般方法。[3]。一个工作假设是，化学上未定义的食物摄入量被建模为一元酸和碱的基质[3，4]。给定pH值的BC值（β）使用迭代逐步导数从滴定数据中产生，基于：β=pH（酸[或碱]）/pH（1）其中，pH =Acid或pH =Base表示所添加的酸或碱的当量浓度变化，pH= pH表示所产生的pH变化。然后使用两步曲线拟合算法完成BC数据的曲线首先，使用三角最小二乘法基于以下等式拟合BC数据F（x）=Bo+A1sin（αx）+B 1cos（αx）+A 2sin（ 2αx）+B 2 cos（2 αx）+A 3 sin（3 αx）。. .（2）在Eq. F（x）表示给定pH的BC值，而Ai和Bi表示一系列标量参数。的价值将α固定（0.5），以拟合pH值在pH 2和pH 12之间的BC曲线。来自Eq. （2）（B0，A1，B1，A2，B2，. . .）通过求解矩阵方程得到如Price等人所述的偏导数。[3]，使用Matlab ML除法函数。默认情况下，15个术语用于回归模型。回归模型的设计并不吝啬，因为它只是作为一个平滑的数据模板 来拟合BC模型。模拟BC曲线（等式（3））如Butler和Cogley [1]所述进行，使用Matlab fmincon算法优化Ci和Ki（每种单质子缓冲液的浓度和平衡常数），如[3]所述。这些值被限制为正值，Kw被定义为平衡水的常数（10−14）。[H+]为氢离子浓度：∑（C K[H+]）K0（Ki+[H+]）2[H+]+Kw/[H+] − [H+]+adjC（4）下标a和b分别指酸或碱。BC基质仅限于8种单质子缓冲液，已发现其足以模拟所有测试食品的缓冲，包括沙拉酱产品水相中使用的成分混合物[2]。缓冲液的pK值根据已知或添加的盐含量（通常为2% NaCl，常见于许多酸性或酸化食品），使用如[1]所述的Davies方程调整基质中的离子强度。所有pK调整的温度都保持在25℃（用于公布的pK值），因为大多数酸性或酸化食品都储存在室温下，5℃或10 ℃的偏差对pK值几乎没有影响（F。Breidt，unpublished.未来的软件版本可能会将温度作为模型参数。2.1. 软件架构：BufferCapacity3可用于使用滴定数据生成食品成分溶液的缓冲模型。使用Matlab脚本readRPT.m从Hanna Instruments HI 931型滴定仪输出文本文件（Hanna Instruments，Smith field，RI，USA）中提取数据。程序提供的算法应适用于Hanna Instruments型号HI900和HI930系列滴定仪。虽然readRPT.m算法特定于给定的滴定仪制造商的报告文件，但可以使用来自不同制造商的其他文件格式来生成相同的输出通过修改readRPT脚本。从酸和碱滴定文件中提取的数据由两列矩阵（N2)其中第一列是以每个增量添加的酸或碱的体积（mL），并且第二列是所得pH。使用模块化软件设计来生成和填充ABD（酸碱数据）类对象，该ABD类对象被定义为Matlab“值对象”。类属性包括缓冲液表（含模型衍生的单质子缓冲液的浓度和pK值）、滴定溶液的名称和成分浓度、adjC值、离子强度、估计pH值、tBeta值以及用于建模过程的三个主要函数的数据输出。这些包括：（1）从滴定数据生成BC数据（Data 2Beta）;（2）三角回归（SCBCfit）;（3）BC模型优化（SimplexBCPK）。ABD类包括根据缓冲液表、adjC值和离子强度（来自滴定溶液）的添加或其他变化更新pH值的功能BufferCapacity3中使用的算法之前已使用沙拉酱产品的示例进行了说明和验证[2，3]。使用CalcpH_ABT函数计算缓冲液表中的估计pH值函数输入对于使用BC矩阵的pH计算，adjC值为首先通过使用Matlab fminsearch.m算法从初始滴定中最小化观察到的和预测的食品成分pH之间的差异来估计。adjC值表示由于酸或碱的盐的浓度引起的离子贡献。阴性或阳性adjC值分别表示阳离子或阴离子校正。对于未定义的解，adjC项的值也可能包括模型误差[3]。随后，委员会注意到， 当量 （4） 数值求解H+我们-牛顿的最小化方法， H+是转换为pH值（取值的负对数）：为酸（pK等于或低于pH 7）指定值对于碱（pK高于pH 7）。最后，通过BC曲线的数值积分获得tBeta估计值，其中2.2. 软件功能：用于BufferCapacity 3程序的参数（Ta-n n表1）包含在逗号分隔的文本文件中，0=∑（CaiKak）/（Kai+[H+]）−∑Cbi[H+]/（[H+]+Kbi）00由用户编辑通常，可以使用默认参数适用于大多数食品配料缓冲模型。β= 2。30∗+[H+]（3）值包括浓度和pK值，a/b（酸）弗雷德·布莱特软件X 22（2023）1013513××××表1缓冲容量3的默认参数值值参数单位描述0.05Δ pHpH缓冲容量导数的pH值最小变化15秩序Int三角回归，谐波0.001最小浓度摩尔优化，最小缓冲液浓度0NaCl %%滴定用溶液中的盐百分比8NpKsInt优化，起始酸碱基质的pK数12UBpH缓冲容量曲线的pH值上限2LBpH缓冲容量曲线的较低pH值范围0.2pK_tolpH相似pKs允许的最小pH值0Trim_begInt从缓冲容量曲线的起点修剪数据点0Trim_endInt从缓冲容量曲线的末端修剪数据点0.3MinGappH自动填充缓冲容量曲线的最小pH间隙0.1增量浮子缓冲容量间隙填充的pH增量曲线2HCl常态用于滴定的HCl的正态分布2NaOH常态用于滴定的NaOH当量浓度0.05初始化_参数升酸或碱滴定的初始体积表2输出文件。文件名 *描述Addient.mat Matlab* 默认情况下，用户输入的成分名称用于文件前缀。如表2所示，为每个缓冲区模型生成几个输出文件。文件名是从主程序窗口中输入的元素名派生的。主要的输出文件是ABD类结构，作为Matlab.mat工作区二进制文件中的工作区变量（“变量”）。其他输出包括可在Matlab外部访问的PDF或逗号分隔电子表格文本格式的文件。其中包括缓冲容量图的pdf图像、以逗号分隔的电子表格文件形式的缓冲表、包含各图数据的附加文件（N 2列）以及包含总结滴定数据的一般信息文件。程序显示包括BC模型曲线，其中tBeta以图形方式显示为BC曲线下的阴影区域，从表示水缓冲的曲线中减去该区域（虚线，较浅阴影，见图2）。 1，下文）。从横坐标上的pK值到代表的高度绘制各个缓冲区（如图中的垂直线）估计缓冲液浓度的BC（Beta）值。内置Matlab图形功能包括使用鼠标区域选择的缩放功能如果需要，也可以使用默认的Matlab弹出图形图标手动复制图形。可以使用文件菜单（文件>保存数据库文件）保存包含缓冲区模型数据的ABD.mat文件。一个单独的菜单项（File >SaveAllDataFiles）将用表2中所示的所有文件填充所选目录。随后可通过打开.mat文件（文件>打开数据库文件）查看ABD文件的内容，以显示缓冲液矩阵、BC模型曲线和数据，并允许根据需要进行再处理。程序输出显示包括BC模型的最小二乘误差项、估计pH值、adjC值和tBeta值。pH值优化（基于初始滴定pH值）默认完成，可通过取消选中‘use 这将允许用户查看未针对酸或碱的盐进行校正的模型的pH缓冲液表包括每种估计的单质子缓冲液和酸碱指示剂（a/b）的摩尔浓度值。a/b值可以根据需要进行编辑，例如以校正酸性pK值高于10的弱酸性糖羟基，如Longtin等人所建议[2]的文件。3. 说明性实例黄瓜发酵培养基（CJ）的缓冲容量模型使用Breidt和Skinner [7]所述的2 N HCl或2 N NaOH滴定的滴定数据生成。使用文件按钮输入酸碱滴定文件在程序对话框屏幕上（或菜单中的文件打开命令）。 滴定曲线显示在图形窗口中，显示了酸滴定曲线（红色圆圈）和碱滴定曲线（蓝色圆圈），pH值由添加酸或碱的等分试样产生（图1）。1A）。每个滴定曲线从培养基的初始pH值（约pH 6）开始。一旦显示成对曲线（酸和碱滴定），生成BC曲线按钮将滴定数据转换为单个BC曲线（图1）。 1B）使用逐步导数程序（Eq. ①①）。通过两个数据点手动修剪BC曲线，以产生tBeta估计值曲线低pH端和高pH端的大致相等的BC值用于生成CJ的BC模型的优化函数的结果的逐步值如图所示。模型结果如图1C所示，模型结果如图1D所示。BC型曲线按钮旁边的绿灯表示达到了优化标准。基于对pK值为11.99的缓冲液（35mM浓度）的观察，假定该缓冲液代表弱酸性糖羟基而非强碱。因此，手动编辑该缓冲液的a/b值，以指示缓冲液代表酸而不是碱，如Longtin等人所述。[2]。这将adjC值从约20 mM降低至15.3mM。如Breidt和Skinner [7]所述，随后使用该模型的缓冲液基质估计发酵期间CJ培养基的pH值，对于在异乳酸发酵长达48 h期间产生的乳酸和乙酸组合，其pH值在0.1 pH单位内。建模步骤的顺序由程序按钮顺序旁边的绿灯指示。在初始处理步骤中，使用菜单选择或程序按钮按顺序打开滴定文件，并将酸和弗雷德·布莱特软件X 22（2023）1013514Fig. 1. CJ培养基的缓冲模型。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本。）碱滴定曲线分别以红色和蓝色圆圈绘制（图A）。“生成BC曲线”按钮生成对应于pH 2至pH 12范围内滴定曲线导数的BC曲线。接下来，需要输入以修剪BC曲线，使得曲线的末端具有相似的BC值（面板B）。最后一步，模型BC曲线，打开优化函数评估图，显示每次迭代的函数值（面板C）。然后显示导出的BC模型和缓冲液表，模型BC曲线显示为实线，图中的垂直线表示每个缓冲液，曲线下的灰色区域代表总缓冲（图D）。为了确定具有三种不同浓度乙酸的所选沙拉酱成分的BC，首先将从商业来源获得的成分合并并以50 mL等分试样滴定：黑胡椒（1%）;酪奶粉（3%）;洋葱粉（2%）;谷氨酸盐（0.1%）;大蒜粉（1%）; NaCl（2%）。未混合的混合物用于滴定。由此产生的缓冲区模型（图。然后将模型（图2A）与添加25 mM、50 mM和100 mM乙酸的相同成分混合物获得的模型进行比较（图2B）。2B-图2D）。对于混合物以及具有25 mM、50 mM和100 mM乙酸的混合物，从每种溶液的滴定获得的pH值分别为6.08、4.77、4.36和4.06。 基于从具有已知浓度和乙酸pK（针对2% NaCl调整）的成分补充BC基质的预测缓冲液模型显示为虚线（图2）。 2B-图2D）。使用高达400 mM乙酸的BC基质对水中乙酸浓度和pH值进行建模时，发现了类似的结果[3]。BC软件的未来发展将允许定量pH值和缓冲能力预测低酸成分混合物与各种弱酸，基于缓冲矩阵模型的低酸成分。显示了BufferCa-pacity 3中沙拉酱成分的缓冲模型（图A）。模型BC曲线（实线）和显示了添加的乙酸浓度为25 mM（图B）、50 mM（图C）和100mM（图D）时基于缓冲液模型的预测BC曲线（虚线）4. 影响缓冲区建模已用于水质分析，并在有限程度上用于食品分析[8然而，以前的努力没有将pH与缓冲模型联系起来，限制了它们的实用性在食品科学中的应用BufferCapacity3生成的缓冲液矩阵（浓度和pK表）可用于新溶液的pH预测。例如，基于食品成分的组合浓度-pK矩阵的计算机pH计算可用于估计组合成分的pH[2]。目前，沙拉酱行业已经使用这些缓冲模型来帮助确定低酸成分如何影响沙拉酱产品的水相的pH值，以确定根据美国联邦法规，调味品是否应被归类为酸性或酸化食品[5]。这是一个重要的区别，因为酸性食品和酸化食品在美国法规中的规定不同BC模型也可用于预测发酵中的pH变化，其中随着时间的推移产生弱有机酸[7]。预测发酵中pH变化的能力可能适用于模拟受pH和质子化酸影响的细胞生长和死亡。5. 结论BufferCapacity3程序可自动根据滴定数据生成BC模型。程序输出包括缓冲液基质，可用于pH值计算，添加已知浓度和pK值的酸或碱。输出Matlab数据库文件可用于方便地访问单个食品配料的所有模型数据。 BufferCapacity3和相关软件的未来版本可能包括自动化弗雷德·布莱特软件X 22（2023）1013515图二、用 醋 酸 模拟沙 拉 酱 配 料 的缓冲能力。根据组合缓冲液基质或缓冲液基质与各种常见食品酸（乙酸、乳酸、柠檬酸等）的组合已公布pK值的人[11]。竞合利益作者声明以下经济利益/个人关系可被视为潜在的竞争利益：Fred Breidt报告称，敷料和酱汁协会提供了经济支持和用品弗雷德Breidt报告的财政支持是由泡菜包装国际提供。致谢和供资作 者 感 谢 Sandra Parker 女 士 协 助 准 备 手 稿 ， 感 谢 CaitlinSkinner女士协助滴定。这项研究的部分资金来自佐治亚州亚特兰大的调味酱和酱汁协会以及泡菜包装国际公司，华盛顿特区，和美国农业部-农业研究所食品科学研究单位，罗利，NC。数据可用性数据将根据要求提供。引用[1]Butler JN，Cogley DR.离子平衡：溶解度和pH计算。NewYork，NY：JohnWiley and Sons，1998.[2] 杨伟，王伟，王伟.缓冲能力建模沙拉酱产品中的成分。J Food Sci2020;85（4）：910-7. http://dx.doi.org/10.1111/1750-3841.15018网站。[3]Price RE ， Longtin M ， Conley-Payton S ， Osborne JA ， JohanningsmeierSD，Bitzer D，et al.酸和酸化食品中缓冲容量和pH值的建模。J食品Sci2020;85（4）：918-25。http://dx.doi.org/10.1111/1750-3841.15091网站。[4]戈登我们。未知溶液酸碱滴定的数据分析。Anal Chem1982;54（9）：1595-601.[5]CFR-代码的联邦条例标题21,部分114.1979年，https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?CFRPart=114& showFR=1。[2022年9月28[6]Ito KA，Chen JK，Lerke PA，Seeger ML，Unverferth JA.酸盐浓度对鲜包装泡菜中肉毒梭菌孢子生长的影响。应用环境微生物学1976;32（1）：121-4.[7] Breidt F，Skinner C. pentosus和肠膜明串珠菌发酵黄瓜汁中pH和酸度变化的缓冲模型。JFoodProt2022;85（9）：1273-81.http://dx.doi.org/10.4315/JFP-22-068。[8]Van Vooren L，VanDeSteene M，Ottoy JP，Vanrolleghem PA.以水质监测为目的的自动缓冲容量模型建立。水科学与技术2001;43（7）：105-13.[9]Gibbs J，Shoenberger RJ，Suffet IH.卫生填埋场渗滤液缓冲容量的简化模型。Water Res1982;16（2000）：699-705.[10]放大图片作者：J.葡萄酒中主要有机酸对葡萄酒在模拟溶液中缓冲能力贡献的研究。Am J Enol Vit 2000;51：352[11]《 儿 童 权 利 公 约 》 。 化 学 与 物 理 手 册 。 第 76 版 New York ， NY ：CRCPress;1995.