低糖馬尾藻果醬加工工藝的研究

陳亞靜，王維民，李杰靈

(廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江524025)

傳統(tǒng)的果醬生產(chǎn)是將果蔬和糖混合熬制成的一種凝膠狀物質(zhì)，含糖量高達(dá)60%～65%，對(duì)健康不利。低糖果醬是指含糖量在25%～50%的果醬制品，其原果風(fēng)味濃郁，具有清爽的口感，可作為營(yíng)養(yǎng)豐富的佐餐佳品和旅游方便食品，市場(chǎng)潛力巨大［1］。馬尾藻(Sargassum siliquastrum)是褐藻中的一類(lèi)海藻，屬褐藻，墨角藻目、馬尾藻科、馬尾藻屬。馬尾藻含有豐富的膳食纖維、褐藻淀粉、海藻膠、褐藻糖膠、多酚、礦物質(zhì)和維生素以及優(yōu)質(zhì)的高度不飽和脂肪酸和合理的必需氨基酸組成，礦質(zhì)元素含量豐富，尤其是鐵和鋅含量高［2-4］。馬尾藻褐藻糖膠具有降血脂功能［5］、抗腫瘤［6］、抗氧化［7］、調(diào)節(jié)免疫等作用。大部分馬尾藻民間不能直接食用，只有小部分被用作飼料、海藻膠、飲料和醫(yī)藥工業(yè)的原料，每年約有70%以上馬尾藻會(huì)自然腐爛，并對(duì)環(huán)境造成一定的危害。國(guó)內(nèi)外對(duì)馬尾藻的養(yǎng)殖、活性成分研究比較多。例如選育馬尾藻建設(shè)人工藻礁，改善海域生態(tài)環(huán)境;以馬尾藻為主要原料生產(chǎn)海藻飼料和海藻膠。而以馬尾藻為主要原料的健康食品報(bào)道比較少，目前市場(chǎng)上很少有馬尾藻食品的銷(xiāo)售。本研究選用廣東湛江硇洲島海域盛產(chǎn)的硇洲馬尾藻，經(jīng)過(guò)清洗、打漿、熬制等工藝，加工成為馬尾藻果醬，用感官分析分級(jí)實(shí)驗(yàn)中的模糊數(shù)學(xué)法［8］評(píng)判果醬品質(zhì)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9-11］優(yōu)化果醬制作工藝，以期為工業(yè)生產(chǎn)和后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬尾藻 采于湛江市硇洲島，經(jīng)自來(lái)水清洗除雜，蒸餾水清洗，晾干，密封貯存?zhèn)溆?陳醋、白砂糖、檸檬酸、海藻酸鈉、黃原膠、CaCl2均為食用級(jí)。

AW120型島津托盤(pán)電子天平 日本島津;KQ-500DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;美國(guó)丹佛UB-7/10精密pH計(jì) 南京承正科學(xué)儀器有限公司;九陽(yáng)電磁灶JYC-21FS37 山東濟(jì)南市九陽(yáng)股份有限公司;飛利浦二合一攪拌機(jī)HR2839 荷蘭皇家飛利浦電子公司;WYT-4型手持糖量計(jì) 泉州萬(wàn)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備;NDJ-5S數(shù)字式粘度計(jì) 上海倫捷機(jī)電儀表有限公司。

1.2 低糖馬尾藻果醬工藝流程

干馬尾藻→除雜清冼→脫腥→打漿→配料→濃縮→裝瓶→密封→殺菌→冷卻→檢驗(yàn)貼標(biāo)→成品

表1 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The standards of sensory score

表2 1號(hào)實(shí)驗(yàn)所得果醬感官質(zhì)量評(píng)判結(jié)果Table 2 The results of sensory evaluation about the No.1 experiment

1.3 操作要點(diǎn)

1.3.1 除雜清洗 去除馬尾藻中雜質(zhì)，蒸餾水浸泡10min，使其充分吸水膨脹，撈出瀝干。原料吸水量為300%。

1.3.2 脫腥 瀝干的馬尾藻加入蒸餾水及0.26%醋酸浸泡20min，撈出瀝干，用蒸餾水洗滌去除醋味。

1.3.3 打漿 為保證制品的口感細(xì)膩，打漿機(jī)篩孔孔徑應(yīng)控制在1.2～0.4mm左右。打漿后為黑褐色糊狀液體。

1.3.4 配料準(zhǔn)備 糖漿的配制:將砂糖加水煮沸溶化，配成70%～75%的濃糖液，經(jīng)糖漿過(guò)濾器過(guò)濾(濾布為100目)，去掉糖液中的雜質(zhì);檸檬酸液的配制:檸檬酸配成50%的溶液;品質(zhì)改良劑:添加微量的CaCl2，少量60℃的溫水?dāng)嚢枞芙狻?/p>

1.3.5 濃縮 果漿先入鍋加熱控制火候，使得醬體溫度為(80±1)℃，將準(zhǔn)備好的75%的熱糖液分批次邊攪拌邊加入，以防燒焦，待濃縮接近終點(diǎn)時(shí)，加入檸檬酸和穩(wěn)定劑，攪拌均勻，繼續(xù)濃縮至可溶性固形物達(dá) 45%左右［12-13］，立即裝罐。

1.3.6 熱罐裝、密封 果醬出鍋后應(yīng)迅速裝罐，醬體中心溫度不低于80℃。密封使罐內(nèi)形成一定的真空度。

1.3.7 殺菌、冷卻 該果醬為酸性食品，常壓殺菌即可。控制在100℃，40min為宜［14］。殺菌后采用分段冷卻法迅速冷卻至室溫。殺菌后應(yīng)迅速冷卻至室溫，取出擦干瓶身，檢查有無(wú)破裂等異常現(xiàn)象，貼標(biāo)簽。

1.4 果醬感官質(zhì)量的評(píng)價(jià)

共30人的感官評(píng)定小組，將果醬分為五個(gè)等級(jí)，上等(Ⅰ級(jí))，中上等(Ⅱ級(jí))，中等(Ⅲ級(jí))，中下等(Ⅳ級(jí))，下等(Ⅴ級(jí))。85～100分為Ⅰ級(jí)，80～84為Ⅱ級(jí)，75～79為Ⅲ級(jí)，70～74為Ⅳ級(jí)，65～69為Ⅴ級(jí)。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)所制得的果醬感官質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，因素集U={色澤與氣味，凝膠性，涂抹性，質(zhì)地，滋味}，權(quán)重集 X={0.15，0.10，0.20，0.25，0.30}。評(píng)語(yǔ)集 V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。第 i個(gè)因素的評(píng)價(jià)為Ri={ri1，ri2，…，rin}，Ri為 U 的模糊子集，rin表示從因素i到該因素評(píng)判結(jié)果Vj的隸屬度，以此類(lèi)推可知其余因素的R集。在求出R和X后進(jìn)行模糊變換:Y=X·R={y1，y2，y3，y4，y5}，將等級(jí)區(qū)間分值的平均數(shù)組成分?jǐn)?shù)矩陣，S={92.5，82，77，72，67}，算出各個(gè)產(chǎn)品最終得分W:W=Y·S。

1.5 工藝優(yōu)化

利用粘度計(jì)測(cè)量室溫時(shí)果醬的粘度，低糖果醬的粘度控制在15～20Pa·s。結(jié)合感官評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判結(jié)果與果醬的粘度值，分別對(duì)液料比、品質(zhì)改良劑的選用及添加量、濃縮時(shí)間等進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)合感官評(píng)價(jià)和粘度測(cè)定的結(jié)果，選擇低糖馬尾藻果醬制作工藝的較佳條件。

1.6 理化指標(biāo)測(cè)定

用NDJ-5S數(shù)字式粘度計(jì)4號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速:12r·min-1，對(duì)果醬粘度進(jìn)行測(cè)定;手持糖度儀測(cè)定可溶性固形物含量;凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量;索氏抽提測(cè)定脂肪含量;總糖含量測(cè)定采用蒽酮硫酸法;pH 計(jì)測(cè)定果醬的 pH［15］。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果用平均值表示，并進(jìn)行方差分析(p＜0.01)。單因素實(shí)驗(yàn)采用Origin8.5軟件進(jìn)行單因素方差分析;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析采用JMP 7.0軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官品質(zhì)評(píng)定

以Box-Behnken設(shè)計(jì)中1號(hào)果醬為例，進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，23.24%的人認(rèn)為1號(hào)果醬為Ⅰ級(jí)，40.89%人認(rèn)為是Ⅱ級(jí)，16.83%人認(rèn)為是Ⅲ級(jí)，12.03%人認(rèn)為是Ⅳ級(jí)，7.01%的人認(rèn)為是Ⅴ級(jí)。則1號(hào)果醬的感官質(zhì)量最終得分為:

W=Y·S=(0.2324，0.4089，0.1683，0.1203，0.0701)(92.5，82，77，72，67)T=81.3442

1號(hào)果醬感官評(píng)分為81.3442，取結(jié)果81.34，屬于Ⅱ級(jí)，質(zhì)量為中上等。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)果醬濃縮時(shí)間、打漿液料比、改良劑(海藻酸鈉、黃原膠、CaCl2)的選擇和用量實(shí)驗(yàn)分析見(jiàn)圖 1～圖3。

圖1 濃縮時(shí)間對(duì)果醬的影響Fig.1 Effect of different concentration time on jam

圖2 打漿液料比對(duì)果醬的影響Fig.2 Effect of different ratio of water and material on jam

由圖1～圖3知，液料比、濃縮時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的感官品質(zhì)影響極顯著(p＜0.01);改良劑種類(lèi)不同(海藻酸鈉、黃原膠、CaCl2)對(duì)產(chǎn)品粘度的影響極顯著(p＜0.01)，對(duì)產(chǎn)品的感官性品質(zhì)影響差異不大(p=0.4184164＞0.05);改良劑的濃度對(duì)產(chǎn)品的粘度和感官性質(zhì)影響極顯著(p＜0.01)。由圖1可知，濃縮時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)品中可溶性固形物含量降低，形成良好的凝膠狀態(tài)需要時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的燒焦現(xiàn)象，影響產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)增加成本，故濃縮時(shí)間以25min最佳。在圖2中，隨著打漿液料比的增大，果醬的感官總分先增大后減小，選擇液料比為5∶1最佳。圖3中，同一條件下，三種品質(zhì)改良劑(海藻酸鈉、黃原膠、CaCl2)都不添加，果醬較稀，口感不厚實(shí)，隨著三者添加量的增加，感官評(píng)分先增大后減少，且均表現(xiàn)為增幅少減幅大，從感官評(píng)分可判斷，在低糖的條件下，三者最佳添加量應(yīng)控制在0.10%內(nèi)，海藻酸鈉和黃原膠的添加量在0.10%內(nèi)對(duì)粘度影響較大，已達(dá)到25Pa·s，并且果醬口感粗糙，流動(dòng)性差，涂抹性差。相比下，氯化鈣添加量為0.10%時(shí)，果醬的感官品質(zhì)最好，口感更厚實(shí)爽口，有較好的凝膠形態(tài)和涂抹性。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化果醬配方參數(shù)

2.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)的采集 研究以感官評(píng)分Y1和果醬粘度值Y2作為響應(yīng)值，考察糖料比、檸檬酸的添加量、CaCl2的添加量對(duì)其的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)來(lái)確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因素水平見(jiàn)表3，實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 三種品質(zhì)改良劑對(duì)果醬品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of three kinds of quality improver on jam

表3 因素水平表Table 3 Code value of the factors and levels

2.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立 選擇“K折疊”交叉驗(yàn)證法擬合變量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。經(jīng)訓(xùn)練后選擇3×5×2結(jié)果的單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(圖4)。即輸入三個(gè)神經(jīng)元，分別代表糖料比(X1)、檸檬酸量(X2)、CaCl2量(X3);5個(gè)隱藏神經(jīng)元;2個(gè)輸出神經(jīng)元，各代表感官評(píng)分(Y1)和果醬粘度值(Y2)。5個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)，過(guò)擬合罰項(xiàng)0.001，歷程數(shù)16，最大迭代數(shù)50，收斂準(zhǔn)則0.00001，交叉驗(yàn)證組數(shù)K為5。執(zhí)行擬合迭代過(guò)程，決定系數(shù)R2分別為0.9980、0.9996，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能較好地預(yù)測(cè)果醬品質(zhì)。

2.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化與分析 糖料比(X1)、檸檬酸添加量(X2)和CaCl2添加量(X3)對(duì)果醬的感官評(píng)分和粘度的影響，可利用JMP軟件中的三維圖來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。見(jiàn)圖5、圖6。

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Experiment design and results

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of artificial neural network

由圖5a可知，在同量CaCl2和少量檸檬酸的條件下，隨著糖料比的增加，感官評(píng)分緩慢上升再緩慢下降(見(jiàn)曲面上邊界)。在圖5b中，糖量低時(shí)，檸檬酸的添加量增加，感官評(píng)分下降(見(jiàn)曲面下邊界)，可能是果醬糖酸比小，加入糖之后糖酸比變大，接近口腔最適值;當(dāng)檸檬酸量較大時(shí)，糖量增加，感官評(píng)分迅速上升再緩慢下降(見(jiàn)曲面下邊界)，可能開(kāi)始時(shí)果醬過(guò)酸，當(dāng)糖加入時(shí)，使得糖酸比迅速上升然后接近最適值，滋味最佳，繼續(xù)加入糖，糖酸比逐漸增大，超過(guò)最適糖酸比值，口感降低。圖5c中，隨著CaCl2添加量增加，感官評(píng)分下降，這與CaCl2的澀味和果醬的粘度變化有關(guān)。

圖6a中，加入同量的CaCl2和少量檸檬酸時(shí)，糖料比(X1)增大，粘度值在增大(見(jiàn)曲面上邊界)，檸檬酸含量較高時(shí)，粘度先增大后減小(見(jiàn)曲面下邊界);圖6b中，加入同量的CaCl2和少量糖時(shí)，檸檬酸添加量(X2)對(duì)粘度的變化影響很小，糖含量高時(shí)，檸檬酸的添加量增加，粘度稍下降;可能由于蔗糖在檸檬酸作用下水解。圖6c中，CaCl2添加量(X3)對(duì)粘度影響顯著，隨著添加量的增加，粘度迅速增加，這是由于馬尾藻原料中的海藻酸鈉與Ca2+凝膠作用所致。

2.3.4 低糖馬尾藻果醬制作工藝參數(shù)的確定 在JMP軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)刻劃器(圖7)中，可以讀出，糖料比為1.695∶1、檸檬酸為0.663%、CaCl2為0.02%時(shí)，感官評(píng)分最高為87.01，粘度值為17.22Pa·s。低糖果醬的粘度一般控制在15～20Pa·s范圍內(nèi)，在以上三個(gè)因素的變化范圍內(nèi)粘度符合要求。但隨著CaCl2添加量(X3)的變化，感官評(píng)分和粘度變化的趨勢(shì)相反，所以CaCl2添加量選擇0.02%;糖料比增大，感官評(píng)分先增大后減小，所以選擇糖料比為(1.69±0.01)∶1，檸檬酸添加量為0.65%～0.70%。

圖5 糖料比(X1)、檸檬酸添加量(X2)和CaCl2添加量(X3)對(duì)果醬感官評(píng)分(Y1)的影響Fig.5 Effect of ratio of sugar and material(X1)，amount of citric acid(X2)and CaCl2on sensory index(Y1)

2.3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證 為了驗(yàn)證建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是否符合實(shí)際情況，選取3組新的因素水平組合數(shù)據(jù)測(cè)試該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證輸入，利用建立好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可知，建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)感官品質(zhì)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差較小，因此可利用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)果醬制作工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2.4 理化指標(biāo)

低糖馬尾藻果醬理化指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

3 結(jié)論

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)與感官評(píng)分，低糖馬尾藻果醬制作時(shí)的工藝條件為:打漿時(shí)加水量為馬尾藻重量的5倍、濃縮時(shí)間為25min，品質(zhì)改良劑選擇CaCl2。采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)減少了人的主觀因素的影響，使評(píng)判結(jié)果更為準(zhǔn)確、科學(xué)和有效。借助JMP軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立了低糖馬尾藻果醬配方的工藝參數(shù):糖料比(1.69±0.01)∶1、檸檬酸添加量為0.65%～0.70%、CaCl2添加量為0.02%，得到的產(chǎn)品總糖含量為29.73%，可溶性固形物含量為40%。

表5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Table 5 Comparison of predicted values and experimental values of artificial neural network

表6 低糖馬尾藻果醬的理化成分Table 6 Physical and chemical compositions of the low sugar jam

圖6 糖料比(X1)、檸檬酸添加量(X2)和CaCl2添加量(X3)對(duì)果醬粘度(Y2)的影響Fig.6 Effect of ratio of sugar and material(X1)，amount of citric acid(X2)and CaCl2on viscosity(Y2)

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)刻畫(huà)圖Fig.7 Prediction plot of artificial neural network

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