模糊數學感官評價法結合響應面法優化即食蓮子片的工藝研究

孔祥佳,蘇婉瑩,吳水生

(福建中醫藥大學藥學院,福建福州 350122)

蓮子為睡蓮科蓮屬(NympheaceaeNelumboAdans)水生草本植物荷花的種子,又稱蓮實、蓮米、蓮肉、蓮蓬子,分布于全國各省市。蓮子不但營養價值高,具有蛋白質、碳水化合物、維生素和鈣、磷、鐵、鋅等微量元素[1-2],而且含有豐富的生物活性成分和較高的藥理作用,富含多糖[3-4]、酚類物質[5]和超氧化物歧化酶[6],具有降血糖、抗氧化、抗衰老、免疫調節、美白抗皺、抗炎抗病毒和保肝護肝等功效[7]。福建是我國蓮子分布較多且品質上乘的省份;據統計,2010年福建省蓮子播種面積5.55千公頃,總產量6397 t,至2017年福建省蓮子播種面積7.18千公頃,總產量12205 t[8]。隨著蓮子播種面積和總產量的增加,如何高效利用蓮子資源、合理加工并豐富產品類型成為生產上亟待解決的問題。目前,蓮子的加工產品主要有蓮子粉、蓮子飲料、蓮蓉、蓮子餅干等,有關即食蓮子片的加工工藝及優化未見報道。即食食品是指將食品原料經預處理、調味、熟制、包裝等工藝制作而成的食品,其攜帶食用方便、品種多樣、安全衛生等特點已被廣大消費者所青睞,亦滿足人們快節奏的生活方式[9]。有關即食食品的報道已在即食筍片、即食香菇脆片等即食蔬菜以及即食牡蠣、即食蝦仁等即食水產品中廣泛運用[10-13]。

在食品加工過程中,感官評價占據主要地位。感官評價采用評分方式對加工食品的色、香、味、型進行等級劃分,極易受主觀因素的影響,評價結果誤差較大。因此,為了弱化主觀因素對加工食品感官評價的影響,得到較為科學和客觀的評價結果,將模糊數學感官評價體系運用在食品加工領域,目前已在果汁飲料[14-16]、醬[17]、香菇菌湯[18]、餅干[19-21]等產品中應用。而有關即食蓮子片的模糊數學感官評價方法未見報道。本實驗以建蓮子為試材,采用模糊數學感官評價法對即食蓮子片進行感官評價,同時結合響應面法優化即食蓮子片的加工工藝,以期獲得最佳即食蓮子片品質。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蓮子 福建南平建寧種植基地;糯米粉、食鹽、白糖、味精等 均購于超市。

400Y型多功能粉碎機 永康市鉑歐五金制品有限公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;WZ-GDZ017型單缸電熱炸爐 香港萬卓國際集團有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 即食蓮子片加工工藝

1.2.1.1 即食蓮子片加工流程 調配→調漿→糊化→調粉→蒸汽熟化→老化→切片→干燥→油炸→脫油。

1.2.1.2 即食蓮子片加工操作要點 調配調漿:將一定比例的蓮子粉、糯米粉及1%鹽、5%白糖、0.5%味精混勻,取全粉的20%以質量比1∶2加水調制成漿。糊化調粉:將漿加熱攪拌至透明粘稠狀,倒入剩余全粉,再加等量水攪拌成團。汽蒸:將面團用保鮮膜包裹好放入蒸鍋中待上汽后汽蒸15 min。老化:將蒸好的面團放入4 ℃冰箱冷藏。切片干燥:將老化后的面團切成薄片,于50 ℃恒溫箱內干燥2 h。油炸脫油:將蓮子片均勻地放入油鍋油炸。

1.2.2 單因素實驗 分別考察蓮子含量、老化時間、切片厚度、油炸溫度和油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響。

1.2.2.1 蓮子含量對即食蓮子片的影響 以蓮子粉+糯米粉=93.5%為基礎,分別取40%、45%、50%、55%、60%、65%的蓮子粉,再添加對應量的糯米粉,加入1%鹽、5%白糖、0.5%味精,混勻,固定老化時間21 h,切片厚度0.75 mm,油炸溫度170 ℃,油炸時間6 s。探討蓮子含量對即食蓮子片感官評分的影響,通過模糊數學模型,得到模糊數學感官評分,其樣品序號分別為1～6。

1.2.2.2 老化時間對即食蓮子片的影響 取50%蓮子粉和43.5%糯米粉,加入1%鹽、5%白糖、0.5%味精,混勻,老化時間分別取18、19、20、21、22、23 h,固定切片厚度0.75 mm,油炸溫度170 ℃,油炸時間6 s。探討老化時間對即食蓮子片感官評分的影響,通過模糊數學模型,得到模糊數學感官評分,其樣品序號分別為7～12。

1.2.2.3 切片厚度對即食蓮子片的影響 取50%蓮子粉和43.5%糯米粉,加入1%鹽、5%白糖、0.5%味精,混勻,固定老化時間21 h,切片厚度分別取0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm,油炸溫度170 ℃,油炸時間6 s。探討切片厚度對即食蓮子片感官評分的影響,通過模糊數學模型,得到模糊數學感官評分,其樣品序號分別為13～18。

1.2.2.4 油炸溫度對即食蓮子片的影響 取50%蓮子粉和43.5%糯米粉,加入1%鹽、5%白糖、0.5%味精,混勻,固定老化時間21 h,切片厚度0.75 mm,油炸溫度分別取150、160、170、180、190、200 ℃,油炸時間6 s。探討油炸溫度對即食蓮子片感官評分的影響,通過模糊數學模型,得到模糊數學感官評分,其樣品序號分別為19～24。

1.2.2.5 油炸時間對即食蓮子片的影響 取50%蓮子粉和43.5%糯米粉,加入1%鹽、5%白糖、0.5%味精,混勻,固定老化時間21 h,切片厚度0.75 mm,油炸溫度170 ℃,油炸時間分別取4、5、6、7、8、9 s。探討油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響,通過模糊數學模型,得到模糊數學感官評分,其樣品序號分別為25～30。

1.2.3 響應面優化試驗 根據單因素試驗結果以及Box-Behnken試驗設計原理,以蓮子含量、油炸時間、切片厚度為主要考察因素,以模糊數學感官評價結果為指標,進行三因素三水平試驗設計,從而優化即食蓮子片的工藝條件。其響應面試驗設計因素及水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface experiments design

1.2.4 感官評價 來自食品科學與工程專業的教師和學生共10人組成的評價小組,分別對即食蓮子片的質地、外觀、色澤、口感、氣味5個指標進行感官評價,對每個評價指標從很好、較好、一般、差、很差5個等級進行評定,其產品品質評價標準見表2。

1.2.5 模糊數學模型的建立 參照葉琳弘等[17]、張鐘等[20]、吳靖娜等[22]的方法建立即食蓮子片模糊數學感官評價方法。根據產品品質評判標準,設定2個評定論域:因素集,即感官質量指標集U=[A質地,A外觀,A色澤,A口感,A氣味];評語集,即感官質量評語集V=[很差、差、一般、較好、很好]。

采用用戶調查法[17,23]請評價小組成員對即食蓮子片的質地、外觀、色澤、口感和氣味5個因素在感官評價中所占權重進行打分,確定權重集a=(a1,a2,a3,a4,a5),且權重總和為1。

表2 產品品質評判標準Table 2 Standards of sensory evaluation for products

表3 即食蓮子片感官評價結果Table 3 Results of sensory evaluation for instant lotus seed slices

模糊關系綜合評價結果:b=a·R,其中a表示權重集,R表示評判矩陣。

2 結果與分析

2.1 模糊數學感官評價結果

由10人組成的評價小組對30個樣品進行評價打分,將評價結果收集匯總并進行統計分析,得到即食蓮子片感官評價結果,評價結果見表3。

2.2 模糊矩陣的建立結果

由表3可知,在10人組成的感官評價小組對樣品1的質地進行評價中,有0人認為很好,5人認為較好,4人認為一般,1人認為較差,0人認為差,則A質地=[0 0.5 0.4 0.1 0],同理A外觀=[0.1 0.2 0.7 0 0],A色澤=[0 0.1 0.6 0.3 0],A口感=[0 0.5 0.3 0.2 0],A氣味=[0 0.2 0.7 0.1 0],把上述5個因素的評價結果寫成樣品1的評判矩陣,即為R1:

同理可得R2～R30樣品的矩陣。

根據評價小組成員對質地、外觀、色澤、口感、氣味5個因素所占權重進行打分,確定權重集a=(0.1,0.1,0.2,0.4,0.2)。

將權重a乘以評判矩陣R進行模糊變換,即bi=aRi(i=1,2,…,30),可得到各個樣品的模糊關系綜合評價結果,該矩陣反映對樣品進行感官評價時很好、較好、一般、差、很差的贊成比。以樣品1為例,其模糊變換綜合評價結果為:

b1=(0.1,0.1,0.2,0.4,0.2)

其中,b11=0.1×0+0.1×0.1+0.2×0+0.4×0+0.2×0=0.01,b12=0.1×0.5+0.1×0.2+0.2×0.1+0.4×0.5+0.2×0.2=0.33,b13=0.49,b14=0.17,b15=0,即b1=(0.01,0.33,0.49,0.17,0);上述結果表明,在該工藝條件下,樣品1得到很好評價的贊成比為1%、較好的贊成比為33%、一般的贊成比為49%、差的贊成比為17%、很差的贊成比為0%。同理可得b2～b30樣品的模糊關系綜合評價結果。

2.3 單因素實驗

2.3.1 單因素實驗感官評價 根據評語集和評價指標等級分布,設定很好100分,較好80分,一般為60分,較差40分,差0分,即評價等級集K=(100,80,60,40,0)。

即食蓮子片模糊綜合評價得分T=b·K,由第1個樣品b1=(0.01,0.33,0.49,0.17,0)可知,第1個即食蓮子片樣品的綜合評分T1=0.01×100+0.33×80+0.49×60+0.17×40+0×0=63.6,同理可得到T2～T30樣品的綜合評分。根據各單因素綜合評分探討蓮子含量、老化時間、切片厚度、油炸溫度和油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響。

2.3.2 蓮子含量對即食蓮子片感官評分的影響 蓮子中的淀粉以直鏈淀粉為主。由圖1可知,當蓮子含量在40%～45%時,隨著蓮子含量的升高,即食蓮子片的感官評分逐漸增加;即蓮子含量為45%時,即食蓮子片的感官評分達到最高,為67.8分;但隨著蓮子含量持續增加,即食蓮子片的感官評分快速下降。這說明面團內直鏈淀粉含量的多少會影響即食蓮子片的軟硬度。當面團內蓮子含量過低或過高時,會導致其質地偏軟或偏硬,從而影響感官評分。因此,選取蓮子含量為40%～50%進行響應面優化試驗。

圖1 蓮子含量對即食蓮子片感官評分的影響Fig.1 Effect of lotus seed content on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.3 老化時間對即食蓮子片感官評分的影響 由圖2可知,當老化時間在18～22 h時,即食蓮子片的感官評分逐漸增加;即老化時間為22 h時,即食蓮子片的感官評分達到最高,為68分;但隨著老化時間持續增加,即食蓮子片的感官評分略微降低。這可能是由于老化時間越長,面團內淀粉微晶束越多、凝膠網絡越密集,導致其質地變硬,從而影響口感[24]。但因老化時間對即食蓮子片的感官影響變化幅度較平緩,故優化試驗時選定22 h為最優老化時間。

圖2 老化時間對即食蓮子片感官評分的影響Fig.2 Effect of aging time on sensory score of instant lotus slices

2.3.4 切片厚度對即食蓮子片感官評分的影響 切片厚度對即食蓮子片的感官影響比較大。由圖3可知,當切片厚度在0.5～1 mm時,即食蓮子片的感官評分逐漸增加;即當切片厚度為1 mm時,即食蓮子片的感官評分達到最高,為76.4分;但隨著切片厚度繼續增加,即食蓮子片的感官評分快速下降。這是由于切片厚度較薄時,熱量傳遞到蓮子片中心的距離小,在相同油炸時間下,即食蓮子片出現輕微的焦味;而當切片厚度過厚時,熱量傳遞到蓮子片中心的距離變大,熱量在物料內部傳遞時不斷損耗,導致在相同油炸時間內即食蓮子片中心部分熱量不足,從而出現夾生的現象[25]。因此選擇切片厚度為0.75～1.25 mm進行響應面優化試驗。

圖3 切片厚度對即食蓮子片感官評分的影響Fig.3 Effect of slice thickness on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.5 油炸溫度對即使蓮子片感官評分的影響 由圖4可知,當油炸溫度在150～190 ℃時,即食蓮子片的感官評分逐漸增加;即油炸溫度為190 ℃時,即食蓮子片的感官評分達到最高,為75.6分;當油炸溫度繼續增加,即食蓮子片的感官評分下降。這與油炸溫度高,傳熱推動力大,傳熱速度快有關,從而影響即食蓮子片的硬度、質地等感官品質[26]。但因油炸溫度對即食蓮子片的感官影響變化幅度相對較小,故優化試驗時選定190 ℃為最優油炸溫度。

圖4 油炸溫度對即食蓮子片感官評分的影響Fig.4 Effect of frying temperature on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.6 油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響 由圖5可知,油炸時間在4～8 s時,即食蓮子片的感官評分快速增加;當油炸時間為8 s時,即食蓮子片的感官評分達到最高,為72.8分;而隨著油炸時間繼續增加,即食蓮子片的感官評分略有降低。這是由于油炸時間過短,熱量傳遞不充分,導致即食蓮子片出現不熟、夾生現象;但油炸時間過長,會因過度傳熱而出現焦味,從而影響感官評分。所以選擇油炸時間為7～9 s進行響應面優化試驗。

圖5 油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響Fig.5 Effect of frying time on sensory score of instant lotus seed slices

2.4 響應面試驗結果

2.4.1 Box-Behnken試驗設計及結果 根據單因素試驗結果及分析,鑒于老化時間和油炸溫度對即食蓮子片感官評價的影響較小,故采用響應面法優化即食蓮子片工藝時,考察蓮子含量、油炸時間、切片厚度對其感官評分的影響。試驗設計方案及數據處理結果見表4。

表4 響應面試驗設計方案及數據處理結果Table 4 Design and results of response surface experiments

2.4.2 模型建立及顯著性分析 按照Box-Behnken試驗設計的統計學要求,對上述17組試驗數據進行二次多元回歸擬合,獲得即食蓮子片感官評分(Y)對自變量蓮子含量(A)、油炸時間(B)、切片厚度(C)的多元回歸方程:

Y=87.00-2.65A+1.05B-9.20C-1.15AB+3.35AC+1.85BC-8.58A2-12.28B2-12.87C2

該二次多元回歸方程中,各項系數的絕對值大小反映了各個因子對即食蓮子片感官的影響程度,正、負號反映其影響方向。其中,方程的一次項系數大小決定了各影響因子對即食蓮子片感官的影響程度;由回歸方程可知,各個因子對即食蓮子片感官的影響程度為:切片厚度>蓮子含量>油炸時間。

為檢驗該二次多元回歸方程的有效性,進一步對即食蓮子片的顯著性和多元回歸模型的方差進行分析,其分析結果見表5。

表5 回歸模型方差分析結果Table 5 Analysis of variance for the regression model

圖6 加工條件對即食蓮子片感官評分交互影響的曲面圖及等高線圖Fig.6 Surface and contour plots mutual influence for the processing conditions on sensory score of instant lotus seed slices

注:*表示差異顯著,即P<0.05;**表示差異極顯著,即P<0.01。

回歸方程的A、C對響應值Y的影響極顯著(P<0.01),B對響應值Y的影響不顯著(P>0.05);回歸方程的二次項A2、B2、C2對響應值Y的影響均極顯著(P<0.01);交互項AB、BC對響應值Y的影響不顯著(P>0.05),AC對響應值Y的影響顯著(P<0.05)。

2.4.3 響應面交互作用分析 響應面圖是回歸方程的直觀體現;若響應面圖曲面坡度陡峭、等高線呈橢圓形表示兩因子交互作用大;若響應面圖曲面坡度平緩、等高線呈圓形表明兩影響因子交互作用小[27-28]。

由圖6可知,即食蓮子片加工過程中的參數變化對其感官評分的影響不同。其中,圖6(a)、(b)表明蓮子含量和油炸時間對即食蓮子片感官評分的影響,其響應面圖曲面坡度平緩,等高線趨于圓形,說明蓮子含量和油炸時間對即食蓮子片感官評分的交互影響弱,交互作用不顯著。圖6(c)、(d)表明蓮子含量和油炸厚度對即食蓮子片感官評分的影響,其響應面圖曲面坡度陡峭,等高線趨于橢圓形,說明蓮子含量和油炸厚度對即食蓮子片感官評分的交互影響大,交互作用顯著。同理,由圖6(e)、(f)可知油炸時間和油炸厚度對即食蓮子片感官評分交互影響較小。

2.4.4 工藝參數優化及模型驗證 由等高線和響應面分析,響應面圖曲面都是開口朝下的拋物曲面,說明所考察指標存在最大值。運用Design-Expert分析軟件求出被檢變量的最優組合,即蓮子含量為43.84%、油炸時間為8.02 s、油炸厚度為0.90 mm。在此操作條件下,即食蓮子片的感官評分為89.0935分。

為了驗證預測值與實測值之間的擬合程度及方程的有效性,進行驗證試驗。但考慮到操作的可行性,對自變量值進行修正:蓮子含量為44%、油炸時間為8 s、油炸厚度為0.90 mm。將以上數值代入擬合的二次回歸方程,計算得出即食蓮子片感官評分為 89.0756分。在此條件下,經過3次平行實驗,感官評分為89.0分,接近模型預測值。因此認為,本試驗所建立的數學模型是合適有效的。

3 結論

本試驗將模糊數學感官評價法與響應面法結合,優化即食蓮子片的最佳工藝配方。在固定老化時間為22 h、油炸溫度為190 ℃的條件下,獲得即食蓮子片的最優工藝參數為:蓮子含量為43.84%、油炸時間為8.02 s、油炸厚度為0.90 mm;考慮到試驗的可操作性,最優工藝參數調整為蓮子含量為44%、油炸時間為8 s、油炸厚度為0.90 mm。通過驗證,實際值與模型預測值擬合度高,利用該模型分析即食蓮子片感官評分的變化可靠度高。

本工藝所得到的即食蓮子片厚度適中,形狀規則,表面無油脂析出;色澤均勻,無焦、生現象;口感好,不粘牙,且帶有淡淡的蓮子味;因此可采用感官模糊綜合評價法與響應面優化法相結合優化即食蓮子片的加工工藝,所得即食蓮子片色、香、味、形具佳。