模糊數學優化南極磷蝦酶解液美拉德反應的工藝條件

張 迪,吉 薇,吉宏武,2,3,4,*,高 靜

(1.廣東海洋大學食品科技學院,廣東湛江 524088;2.廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東湛江 524088;3.廣東省海洋食品工程技術研究中心,廣東湛江 524088;4.廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室,廣東湛江 524088)

模糊數學優化南極磷蝦酶解液美拉德反應的工藝條件

張 迪1,吉 薇1,吉宏武1,2,3,4,*,高 靜1

(1.廣東海洋大學食品科技學院,廣東湛江 524088;2.廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東湛江 524088;3.廣東省海洋食品工程技術研究中心,廣東湛江 524088;4.廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室,廣東湛江 524088)

為了得到南極磷蝦美拉德反應的最佳工藝條件,以感官評定為基礎對南極磷蝦美拉德反應產物的色澤、氣味、滋味和組織形態進行權重分析,建立感官綜合評分體系;采用正交實驗結合模糊數學感官評價方法分析D-木糖添加量、初始pH、反應時間、反應溫度、4個指標對南極磷蝦酶解液美拉德反應感官評價的影響。正交實驗結果表明,南極磷蝦酶解液美拉德反應最佳工藝條件:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反應時間90 min、反應溫度105 ℃,食鹽添加量20 g/L。在此條件下,南極磷蝦美拉德反應產物的感官等級評定為優,其優秀峰值為0.462。將模糊數學應用于南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的感官評價,使結果更加客觀準確,為南極磷蝦深加工的應用與研究提供了參考數據。

南極磷蝦,酶解液,模糊數學,感官評價,美拉德反應

南極磷蝦(Euphausiasuperba)是一種磷蝦目海洋浮游甲殼類生物,其資源儲量巨大,據估計高達3.8億噸,是地球上重要的蛋白質資源之一[1]。南極磷蝦因其營養價值高而廣受人們關注,是制備呈味基料的優質原料,蝦肉中不僅含有豐富的氨基酸、短肽和核苷酸,還有可以刺激味覺和嗅覺并且對食欲有促進作用的生糖氨基酸,經過加工后具有豐富的多肽、氨基酸等呈味物質以及濃郁的海鮮風味,其中硒、鐵、鉀、磷、鈉等礦物質元素、磷脂和類胡蘿卜素的含量也很高,其營養保健功能越來越受人們的親睞[2-6]。南極磷蝦體內氟含量很高[7],因此利用南極磷蝦加工食品首先要降低氟含量,才能安全食用。目前,蝦類呈味基料常用的加工方法有微生物發酵法[8]、酶解法[9]等,其中發酵法耗時長,效率較低,酶解法得到的產品風味單一,利用上述方法加工,南極磷蝦的產品通常醇厚感不足且香味較淡。美拉德反應工藝耗時短、生產設備簡單,成本低廉、易于大規模推廣,若經過酶解后脫氟并加入還原糖、食鹽等輔料,經過反應可得到口感醇厚、香氣濃郁的呈味基料,具有廣闊的市場前景。

模糊數學(Fuzzy math)可以將模糊的事物和現象用數學模型較為直觀的描述出來,自1965年由Amerine等人首先提出來[10],現在已被初步應用于模糊決策、綜合評判、信息檢索、醫學、生物等各個方面[11]。判斷食品感官品質的好壞,要分析其氣味、滋味、形態、外觀等各個方面。應用模糊數學的分析方法可以對這些屬性進行數學化和定量化的處理和描述,綜合考慮相關因素對分析指標的影響,從而得出更加可靠、客觀和準確的結果,因此模糊數學是食品感官評價研究的重要工具[12]。國內外許多學者將模糊數學綜合評判法廣泛應用于食品感官品質的分析。國外的研究起步較早,在食品工業中將模糊數學應用于法蘭克福香腸[13]、米飯[14]等食品的感官分析。國內已有研究人員將模糊數學結合感官評價應用于燉煮豬肉[15]、香腸[16]、魷魚[17]、泡菜[18]等產品的工藝條件優化,并評價了食醋[19]、方便面[20]、綠豆糕[21]、醬牛肉[22]的品質,在食品領域取得一定的進展。目前鮮有將模糊數學綜合評價法應用于南極磷蝦美拉德反應產物的相關報道,在前人研究的基礎上,本文將模糊數學結合感官評價法運用于優化南極磷蝦酶解液美拉德反應工藝,研究最佳工藝條件,這對于南極磷蝦的產品開發和工藝改進提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南極磷蝦 購自中國水產有限公司;動物蛋白水解酶、風味酶 購自南寧龐博生物工程有限公司;D-木糖、食鹽 為食品級,購自湛江科美儀器商行;醋酸鈣、鹽酸、無水乙醇等 為分析純,購自國藥集團化學試劑有限公司。

KQ-500DE型數控超聲波清洗器 常州國華電器有限公司;MS300型磁力攪拌器 上海精密科學儀器有限公司;PHST-3F型酸度計 上海雷磁儀器廠;GL-10LND型離心機 上海安亭科學儀器廠;WFO-700W型送風恒溫干燥箱 上海愛郎儀器有限公司;LDZX-50KBS型立式蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 南極磷蝦酶解液美拉德反應工藝

1.2.1.1 制備南極磷蝦低氟酶解液 南極磷蝦切碎,加一定比例的水(料∶水=1∶1),用分散均質機以10000 r/min轉速均質5 min,均質好的漿液加入酶為混合酶,動物蛋白水解酶(150000 U/g)∶風味酶(140000 U/g)=1∶1,添加量為600～900 U/g,于50 ℃恒溫攪拌反應4 h,反應完全的酶解液經高溫滅酶,并在離心力為4000×g的條件下離心5 min,取離心后的上清液進行脫氟反應,脫氟條件為:醋酸鈣添加量為20 g/L,溫度30 ℃,pH10.0,攪拌反應2 h,在離心力2000×g的條件下離心5 min過濾得到上清液,即為南極磷蝦低氟酶解液,于4 ℃保存備用[23]。

1.2.1.2 美拉德反應工藝 取南極磷蝦低氟酶解液60 mL置于燒杯中,調節pH,并添加一定量的D-木糖和食鹽,攪拌均勻后用錫箔紙封口,放入立式蒸汽滅菌器反應一段時間,反應結束后快速冷卻到室溫,并在離心力為2000×g的條件下離心5 min,取離心后的上清液進行感官評價[24]。

1.2.2 南極磷蝦酶解液美拉德反應工藝優化

1.2.2.1 南極磷蝦美拉德反應的單因素實驗 基本條件定為:D-木糖添加量40 g/L,初始pH8.0,反應時間80 min,反應溫度110 ℃,食鹽添加量20 g/L。固定其它條件,改變其中的一個條件分別分析對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響。各因素濃度梯度為:D-木糖添加量10～80 g/L;初始pH5.0～9.0(使用濃度為0.01 mol/L的HCl溶液和NaOH溶液調節);反應時間40～120 min;反應溫度80～120 ℃。

1.2.2.2 南極磷蝦美拉德反應的正交實驗 在單因素實驗的基礎上,分析南極磷蝦酶解液美拉德反應D-木糖添加量、初始pH、反應時間、反應溫度對美拉德反應產物感官評分的影響,采用L9(34)正交實驗優化南極磷蝦酶解液美拉德反應的工藝條件(表1)。

表1 L9(34)正交實驗因素和水平

1.2.3 南極磷蝦酶解液美拉德反應產物感官綜合評價

表2 美拉德反應產物感官評定標準表

1.2.3.1 感官評價小組的建立 選取經過感官評定培訓的10人組成的感官評價小組,進行感官評價。待評樣品反應結束后冷卻至室溫,稀釋十倍并用統一的容器盛裝,隨機取樣進行感官評價。在評價前12 h,禁止評價員吸煙、飲酒,吃刺激性食物。

1.2.3.2 因素集的確立 確立影響被評判對象風味質量的因素集合,以U=(u1,u2,…,ui,…,um)來表示,其中U為因素集,ui為第i個影響因素。對南極磷蝦酶解液美拉德反應產物,確定由4項評判指標組成的因素集,即U=(色澤u1,氣味u2,滋味u3,形態u4)。

1.2.3.3 評語集的確立 確立被評價對象風味質量級別的評語集合,表示為:V=(v1,v2,…,vi,…,vm)(2

本實驗中采用用戶調查法[24]。根據感官評定標準(表2),由10名感官評價員對南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的色澤、氣味、滋味、形態4個質量因素在風味感官評價中的影響程度進行打分,總分10分。感官評價員認為越重要的因素在綜合評價中所占的權重越大,所得評分則越高。最終的結果,將每個因素所得分數之和除以所有指標總分100分,可得到各因素的權重因子。

1.2.3.5 模糊矩陣的確立及模糊變換 感官評價員對樣品的每個影響因素進行等級評定,統計影響因素在每個等級中的票數分布情況,將各等級的票數除以總人數得到樣品的質量評價模糊關系矩陣[15]。采用模糊數學的方法處理南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的綜合評價結果,根據模糊矩陣變換原理,將權重集X與模糊關系矩陣A相乘得到每組的評價結果Y,即Y=X×A,則對第j組樣品的評價結果為Yj=X×Aj(j為1～9)。分析每組樣品的評價結果,優秀峰值最大的樣品即可認為其風味質量綜合評分最高,在此條件下的反應工藝為最佳工藝。

1.3 數據統計

數據采用origin7.0和Microsoft Excel 2007進行統計分析,數據用平均值±標準偏差(n=3)表示。

2 結果與討論

2.1 南極磷蝦酶解液美拉德反應單因素實驗

2.1.1 D-木糖添加量對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響 不同D-木糖添加量對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響見圖1。隨著D-木糖添加量的增加,美拉德反應程度提高,產生了更多的香味物質,感官評分上升;D-木糖添加量超過40 g/L,感官評分略有下降。在美拉德反應的過程中,隨著還原糖添加量的增加,具有香味的小分子物質不斷地生成,賦予美拉德反應產物良好的風味,達到反應平衡后反應速率降低,同時過量的木糖在反應過程中可能生成了不良氣味的大分子物質,會影響美拉德反應產物的整體風味,使感官評分降低。最終確定D-木糖添加量為40 g/L。

圖1 D-木糖添加量對美拉德反應產物感官評價的影響Fig.1 Effects of D-xylose on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.1.2 初始pH對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響 有研究發現,pH低于7.0時,美拉德反應主要產生糠醛或者羥甲基糠醛。當pH高于7.0 時,Amadori重排后反應產生還原酮,如丙酮醇、丙酮醛和雙乙酰等,而這些物質進一步參與美拉德反應,使反應速率加快[25]。美拉德反應在偏堿性環境中反應較快,且堿性越高,反應速度越快。南極磷蝦酶解液不同初始pH對美拉德反應的影響見圖2。當酶解液pH5.0～8.0時,美拉德反應產物的綜合評價緩慢上升;在pH8.0時反應產物的綜合評價最好;之后隨著pH的增加,綜合評價得分降低,這可能是過高pH時產生的NH3較多,不利于風味物質的形成。綜上,選定反應體系初始pH為8.0。

2.1.3 反應時間對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響 不同反應時間對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響見圖3。當反應時間在40～80 min時,隨著反應時間的延長,氨基酸和D-木糖不斷反應,產生一系列吡嗪、吡啶、吡咯等含氮雜環化合物等小分子風味物質,感官評分增加,而反應時間超過80 min后,反應產物中明顯帶有焦糊的氣味,感官評分降低。最終確定反應時間為80 min。

表3 美拉德反應正交實驗設計表

圖2 初始pH對美拉德反應產物感官評價的影響Fig.2 Effects of initial pH on sensory evaluation for Maillard reaction products

圖3 反應時間對美拉德反應產物感官評價的影響Fig.3 Effects of reaction time on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.1.4 反應溫度對南極磷蝦酶解液美拉德反應的影響 溫度是影響美拉德反應的重要因素,隨著溫度升高,D-木糖和氨基酸的反應速率也會提高,而且較高的溫度有利于產生大量的揮發性物質。當反應溫度超過180 ℃,就會產生較強烈的異味;溫度過低,反應不充分,香氣不夠濃郁[26]。不同反應溫度對南極磷蝦美拉德反應產物感官評價的影響見圖4,在80～110 ℃范圍內,隨著反應溫度的升高,反應速度加快,同時也產生較多的香氣物質,感官評分升高。當溫度高于110 ℃時,會產生明顯的焦糊味。綜上,最終確定反應溫度為110 ℃。

圖4 反應溫度對美拉德反應產物感官評價的影響Fig.4 Effects of reaction temperature on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.2 南極磷蝦酶解液美拉德反應正交實驗

根據單因素實驗結果,分別確定了D-木糖添加量、初始pH、反應時間、反應溫度3個水平,進行L9(34)正交實驗。實驗安排見表3。

2.3 南極磷蝦酶解液美拉德反應產物感官綜合評價

2.3.1 美拉德反應產物評價因素的權重分布 感官評定員對4項風味質量影響因素的權重統計結果見表4。從結果可知,各感官評價員對色澤、氣味、滋味和形態4個影響因素在南極磷蝦美拉德反應產物風味質量中的權重分配有一定差異。每個質量因素權重得分除以總分100,得到質量因素的權重,即為:色澤(0.235)、氣味(0.27)、滋味(0.32)、形態(0.125),因此南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的權重因子X=(0.235,0.27,0.37,0.125)。由統計結果可知,四個風味質量因素中權重最大的為氣味和滋味,權重較小的是色澤和形態。

表4 評價美拉德反應產物各風味質量因素的權重分析

2.3.2 模糊矩陣建立結果 等級票數分布結果見表5。感官評定員對每組樣品的色澤、氣味、滋味、形態4個影響因素進行逐一評價,將樣品的風味質量因素不同等級所得票數除以總票數可得到贊成比率。分別計算每個風味質量因素的贊成比率,得到模糊矩陣Aj,其中,j=1,2,3,…，9為樣品編號,i為風味質量因素,ri1,ri2,ri3,ri4分別為第i個評價因素不同評價等級的贊成比率。

表5 不同美拉德反應條件下感官評定票數分布

根據以上規定,得到9組樣品的模糊矩陣如下:

表6 各樣品綜合評價結果

圖5為正交實驗中9組實驗的風味質量等級頻率分布。可以看出第2,3,4,7組實驗的等級評定在優與良之間,而第7組實驗的等級評定為優,其優秀峰值為0.5135,比同等級的其他組均高。通過模糊綜合評價結果可知第7組的實驗結果較好,其工藝條件是:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反應時間90 min、反應溫度105 ℃、食鹽添加量20 g/L。

圖5 樣品頻率分布Fig.5 Ratio distribution of different grades

2.4 最佳工藝驗證

取南極磷蝦低氟酶解液放入燒杯,反應條件為:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反應時間90 min、反應溫度105 ℃、食鹽添加量20 g/L。反應結束后立即用水冷卻至室溫,過濾得到美拉德反應產物。將樣品稀釋10倍后進行感官評價,結果見表7。

表7 美拉德反應產物最佳工藝感官評價票數分布

模糊矩陣經過模糊變換后得到綜合評價結果:

3 結論

本實驗中以南極磷蝦酶解液為原料,在感官評價的基礎上確定色澤、氣味、滋味、形態為美拉德反應產物風味質量的評價因素;根據用戶調查法得到影響因素的權重因子為X=(0.235,0.27,0.37,0.125),應用模糊數學感官評價體系得到南極磷蝦酶解液美拉德反應的最佳工藝條件為:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反應時間90 min、反應溫度105 ℃、食鹽添加量20 g/L。在此條件下,南極磷蝦美拉德反應產物的感官等級評定為優,其優秀峰值為0.462。

傳統的食品感官分析方法對食品質量的評判標準和品質變化難以精確把握,其諸多的主觀因素會影響實驗結果的精確性。將模糊數學理論應用于食品的感官評定,具有準確、快捷、方便等優點,更加客觀的反映了有關因素對考察指標的綜合影響程度,結果更加客觀準確。將模糊數學應用于南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的感官評價,為南極磷蝦深加工的應用與研究提供了參考數據。

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Application of fuzzy mathematic evaluation in the optimum of Maillard reaction for Antarctic krill hydrolyzate

ZHANG Di1,JI Wei1,JI Hong-wu1,2,3,4,*,GAO Jing1

(1.College of food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Zhanjiang 524088,China; 3.Marine Food Engineering and Technology Research Center of Guangdong Provence,Zhanjiang 524088,China; 4.Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)

Fuzzy mathematic evaluation model was introduced to optimize the Maillard reaction technology of Antarctic krill hydrolyzate. As four key factors,colour,texture,taste and odour of Maillard reaction products were on weight analysis based on sensory evaluation,and the integrated assessment system was established. The technology of Maillard reaction products was optimized by single factor and orthogonal tests,combining with sensory evaluation method of fuzzy mathematics.The effects of addition of D-xylose,initial pH,reaction time,reaction temperature on sensory evaluation for Maillard Reaction were investigated. The results showed that the optimum stewed conditions were as follows:D-xylose addition of 40 g/L,initial pH of 8.5,reaction time of 90 min,reaction temperature of 105 ℃ and salt addition of 20 g/L. Under this optimal condition,the sensory evaluation level of Maillard reaction products was excellent with the peak of 0.462. Sensory evaluation combined with fuzzy mathematics make the estimation more objective and correct,which provide reference basis for the application and research of deep process of Antarctic krill.

Antarctic krill;hydrolyzate;fuzzy mathematics;sensory evaluation;Maillard reaction

2016-06-17

張迪(1991-),男,碩士研究生,研究方向:水產品加工與貯藏工程,E-mail:zjs578180838@sina.com。

*通訊作者:吉宏武(1962-),男,教授,研究方向:水產品加工與貯藏工程,E-mail:jihw62318@163.com。

廣東省高等學校學科建設項目(2013CXZDA020);廣東省產學研項目(2013B090600155);廣東海洋大學創新強校基金項目(GDOU2013050314,GDOU2014050203)。

TS

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000