水中Ca2+,Mg2+，Na+對水豆腐品質的影響及兩種模型優化Ca2+,Mg2+，Na+配比的對比

于政鮮，任 凱，陶 康，劉明偉，劉 通，王水興

(南昌大學a.資源環境與化工學院，江西 南昌 330031；b.食品學院；c.中德聯合研究院，江西 南昌 330047)

水豆腐的生產中水起著至關重要的作用。不同水質的硬度千差萬別，主要原因是水中所含無機鹽的種類和含量不同引起的[1]。研究表明，軟水制作的水豆腐優于硬水制作的水豆腐。因為水中Ca2+、Mg2+和Na+等會降低大豆蛋白質的溶解度，減少水溶性蛋白質的含量，使水豆腐產量降低、硬度變大、結構變得粗老[2]。楊芳[2]等人通過研究發現金屬離子種類和含量會對豆腐凝膠中水分狀態產生明顯的影響，從而影響豆腐品質。劉海杰[3]等探究弱電解水對豆腐品質的影響，發現電解產生的弱堿性或弱酸性水能顯著影響大豆的吸水率、豆腐的得率、質構品質等。由于水豆腐的生產制作用水取自不同地方，各地水中Ca2+、Mg2+和Na+的濃度和比例不確定，且水豆腐品質受用水的影響較大，可以將水質調控作為改變水豆腐品質的方法，向去離子水中添加Ca2+、Mg2+和Na+，控制水質得到理想中的水豆腐品質。

質構儀是通過探頭切割、擠壓和拉伸進行測試，得到質構性質以及相關關系曲線的設備，廣泛應用于食品物料的力學研究中[4]，如對食品的質構特性、硬度和斷裂應力等參數進行測定，其中質構儀的TPA測試和穿刺測試是食品質構測定的常用模式。TPA測試主要是模仿人們咀嚼食物的過程，通過兩次壓縮樣品并對柱形探頭、錐型探頭等常用探頭受到的力與時間的圖譜進行分析，得到物料的一系列參數[5]。穿刺測試被廣泛應用于果蔬質地的儀器測定中[6-7]，是利用質構儀的圓形探頭配合一個較大的、特定的力穿插至食物組織中，以達到預定的深度。近年來，正規的豆制品生產企業廣泛替代家庭式的小作坊，然而目前還沒有統一標準的水豆腐質構測定及評價體系，不同的TPA測試參數得出不同的測試結果，且人體感官評估與穿刺測試的流變參數密切相關，這會影響豆腐的研究進展，嚴重阻礙工廠大規模標準化生產豆腐。國內外研究通過利用質構分析和感官評價有效結合的方法綜合評定食品，得出兩者具有一定的相關性，從而得到一種具有統計意義的預測模型[8-9]，其中BP神經網絡是使用最廣泛的一種人工神經網絡模型[10]。BP神經網絡的主要特征是信號的正向傳輸和誤差的反向傳播，其近似函數可以用來建立各種預測模型[11-13]。目前人工神經網絡已應用于農產品和食品質量的預測，獲得了令人滿意的結果。

本文借助TPA測試和穿刺測試，以Ca2+、Mg2+和Na+的含量為3個單因素，分別研究Ca2+、Mg2+和Na+的種類和含量對水豆腐質構指標的影響；通過BP神經網絡預測模型得到Ca2+、Mg2+和Na+的最優配比及豆腐感官指標的預測值；根據Box-Behnken中心組合實驗設計原理，采用3因素3水平的響應面分析方法進行優化[14]，得到Ca2+、Mg2+和Na+的最佳含量配比；對比兩種模型使豆腐感官指標得分更可信，以此為水豆腐的生產應用和研究工作提供數據支持。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

大豆、無水氯化鈣、氯化鎂和氯化鈉，江西寶靈科技發展有限公司；葡萄糖酸-σ-內酯，江西新黃海醫藥食品化工有限公司；消泡劑，河南省鶴壁宇康食品添加劑有限公司。

自分渣磨漿機，型號DM-Z80，河北鐵獅磨漿機械有限公司；電子萬用爐，型號161111509437949，北京市永光明醫療儀器有限公司；無極調速攪拌器，型號JJ-1，鄭州長城科工貿有限公司；電子天平，型號HC2004，上海蒲春計量儀器有限公司；質構儀，型號Universal TA，上海騰拔儀器科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水豆腐的制作

稱取大豆250 g，在4 ℃溫度下用配置好的含離子水浸泡12 h，按照5:1的比例將含離子水與瀝干后的大豆混合并進行碾磨，用100目過濾篩過濾；在生豆漿加熱5 min內加入適量消泡劑，豆漿冷卻到80 ℃時用5 g葡萄糖酸-δ-內脂進行點腦，再放入80 ℃水浴鍋中保溫5 min；最后進行適量地壓制成型。

1.2.2 TPA測試

用質構儀自帶的取樣器，取每塊豆腐的中心區域，制作成高10 mm，直徑40 mm的圓柱形豆腐樣品。探頭采用直徑50 mm的柱形探頭P50。

具體測試條件設置為：測試方向為平行方向；測試前和返回速度都設定為1 mm·s-1，測試中速度分別設定為3 mm·s-1；壓縮比設定為35%；間隔的間設定為3 s；觸發力為5 g；數據采集頻率為200 Hz。考慮到豆腐樣品的差異性，每個工況重復5次。

1.2.3 TPA測試圖解曲線[15]

脆性：在第一次壓縮周期中，曲線第一主峰上出現的肩峰，定義為脆性。硬度：第一次壓縮時的最大峰所對應的力值。黏性：樣品經過加壓變形之后，樣品表面若有黏性，會產生負向的力量，數值為面積3。彈性：樣品在第一次壓縮后能恢復的高度，用第二次壓縮與第一次壓縮的高度比值表示，即長度2/長度1。凝聚性：定義為第一壓縮與第二壓縮正受力面積的比值。即面積2/面積1。膠著性：用于描述半固體樣品的黏性特性，數值上被定義為硬度x凝聚力。咀嚼性：為膠著性x彈性?？梢越忉尀榫捉拦腆w食物所需的能量?；貜托裕旱谝幌聣簳r，壓縮時和返回時的曲線所包裹的面積比值。在曲線上用面積5和面積4的比值來表示。

t/s

1.2.4 穿刺測試

用質構儀自帶的取樣器，取每塊豆腐的中心區域，制作成高10 mm，直徑40 mm的圓柱形豆腐樣品。探頭采用直徑2 mm的柱形探頭P2。

具體測試條件設置為：測試方向設定為平行方向；測試前速度為0.3 mm·s-1，返回速度都設定為0.5 mm·s-1，測試中速度設定是0.8 mm·s-1；觸發力為5 g；數據采集頻率為200 Hz?？紤]到豆腐樣品的差異性，每個工況重復5次。

1.2.5 穿刺測試圖解曲線

根據已有穿刺測試的研究和豆腐自身的特點，得到豆腐穿刺測試的經典圖解曲線，如圖2所示。豆腐穿刺測試的4個階段介紹:

第一階段：探頭接觸到豆腐表面并不斷下壓至觸發力，開始到達錨1處，在錨1處穿破豆腐表面，得到第一個高峰。把錨1處的力值定義為表面強度，把表面強度與運行距離的比值稱為豆腐的韌性(N·mm-1)。

第二階段：探頭不斷刺入豆腐過程中受到的阻力越來越大，直到達到錨2處，此時探頭穿透了整個豆腐，得到第二個高峰。把錨2與錨1之間的平均力定義為豆腐的平均硬度(g)。

第三個階段：探頭穿透豆腐后持續下行，達到錨3處，此時當受到的力穩定不變時探頭受到豆腐內表面的摩擦，稱為粘性(g)。

第四個階段：探頭結束下行開始返回，剛好至豆腐的上表面處。

圖2 穿刺測試圖解曲線

1.2.6 豆腐感官評價

豆腐感官評定方法參照GB/T 14159。感官評價各指標含義及評定標準見表1。

表1 豆腐感官評價評分標準

1.2.7 BP神經網絡預測感官評分

已建立的BP神經網絡預測模型[16]采用3層BP神經網絡：第一層為輸入層，第二層隱含層，節點數均設置為8，第三層為輸出層。在進行神經網絡訓練和預測前，將輸入數據和輸出數據進行歸一化處理，歸一化后的數據范圍為[-1,1]。輸入層到到隱含層的傳遞函數為tansig；隱含層到輸出層的傳遞函數為purelin；訓練函數采用trainlm；學習函數采用learngdm；net.trainParam.lr=0.05；訓練次數為1 000；訓練目標為0.01。

先對不同含量的Ca2+、Mg2+、Na+的水豆腐TPA測試和穿刺測試結果進行主成分分析，將3個主成分分析得分作為BP神經網絡的輸入變量，并將豆腐感官評價硬度、細度、斷面結構、Q彈性和豆腐總體可接受性的結果用作輸出變量。主成分1主要代表了TPA測試中的硬度、咀嚼性、膠著性，穿刺測試中的表面強度、平均硬度和黏性；主成分2主要代表了TPA測試中的凝聚性和回復性；主成分3主要代表了TPA測試中的彈性和穿刺測試中的韌性。

1.2.8 單因素實驗設計

分別制備Ca2+、Mg2+、Na+的梯度溶液，并用蒸餾水作為溶劑制備每種離子溶液的梯度(表2)。

表2 Ca2+、Mg2+和Na+的濃度梯度 mg·L-1

1.2.9 響應面法優化實驗

根據Box-Behnken中心組合實驗設計原理，采用一種3因素3水平的響應面分析的方法。在單因素實驗的基礎上，自變量的實驗水平分別用-1，0，1進行編碼(表3)，并設計了17個實驗點。

2 結果與分析

2.1 水中Ca2+含量的影響

2.1.1 Ca2+含量對豆腐TPA質構指標的影響

水豆腐中蛋白質所帶負電荷通過相互作用力吸附Ca2+，使蛋白質之間通過鈣橋相互連接，這樣的連接使蛋白質發生相互交聯作用，形成立體網狀結構，改變水豆腐本身的結構[17]。

表3 響應面設計因素和水平

Ca2+/(mg·L-1)

圖3表明中水中Ca2+含量對水豆腐TPA質構指標具有一定的影響。圖A所示，隨著水豆腐用水中Ca2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和膠著性呈現出相同的變化趨勢，先升高后降低再升高，最終均有所加強。當Ca2+含量達到30 mg·L-1時硬度、咀嚼性和膠著性獲達到最大值。圖B表明，隨著Ca2+含量的增加，水豆腐的彈性在Ca2+含量為20 mg·L-1開始下降，在Ca2+含量為30 mg·L-1時彈性值最小，再小幅度增加。而凝聚性和回復力先緩慢增加再下降，在Ca2+含量為30 mg·L-1時達到最大值。這可能是在一定范圍內，隨著水中Ca2+含量增加，使水豆腐結構更加緊實；當水中Ca2+含量繼續增加，水中離子的總含量過大，可能破壞水豆腐原本的結構，影響豆腐的品質，所以水豆腐的TPA質構指標受Ca2+含量的影響程度不同。整體而言，隨著Ca2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性、膠著性、彈性和凝聚性均有增加，回復力略有降低。

2.1.2 Ca2+含量對豆腐穿刺質構指標的影響

圖4表明水中Ca2+含量對水豆腐穿刺測試指標具有一定的影響。圖A表明，隨著水中Ca2+含量的增加，水豆腐的表面強度和平均硬度發生相同的趨勢變化，先增加后降低，Ca2+含量為30 mg·L-1時達到最大值。這是因為水豆腐的表面強度和平均硬度之間存在一定的關聯性，一般而言，水豆腐的表面強度越大，其平均硬度越大。圖B表明，水豆腐的韌性先保持不變，然后緩慢增加再減小，Ca2+含量為40 mg·L-1時達到最大值。而水豆腐的粘性與表面強度、平均硬度有著相同的變化趨勢，且Ca2+含量為30 mg·L-1時達到最大值。當制作水豆腐的用水量過多時，容易使水豆腐成堆，使豆腐粘性下降。

Ca2+/(mg·L-1)

2.1.3 主成分分析分析Ca2+對豆腐感官指標的影響

表4 Ca2+對豆腐質構測地結果的因子旋轉成分矩陣

2.2 水中Mg2+含量的影響

2.2.1 Mg2+含量對豆腐TPA質構指標的影響

張菊平等[18]研究鎂元素對日光溫室小白菜生長及品質的影響，得出在一定范圍內，隨著Mg2+濃度的增加，小白菜的產量和Vc含量均提高，從而改變小白菜的品質。該實驗以含Mg2+的溶液作為泡豆和打漿的用水，相當于大豆在不斷的主動或被動吸取Mg2+，從而改變用水中的礦物質成分，影響水豆腐的品質。

Mg2+/(mg·L-1)

圖5表明水中Mg2+含量對水豆腐TPA測試指標具有較明顯的影響。圖A表明，隨著用于制備水豆腐的水中Mg2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和膠著性呈現出相同的趨勢，先升高后降低，在Mg2+含量為12 mg·L-1時其最大值為695.00、806.45和851.66。圖B表明，隨著Mg2+含量的增加，水豆腐彈性基本上沒有變化。凝聚性先稍微增加，再緩慢減小，并且總體趨勢減小，在Mg2+含量為4 mg·L-1時其最大值為1.23。水豆腐回復性的總體變異性很小，先降低后增加，最后降低。

2.2.2 Mg2+含量對豆腐穿刺質構指標的影響

圖6表明水中Mg2+含量對水豆腐穿刺測試指標具有較明顯的影響。圖A表明，隨著水豆腐生產用水中Mg2+含量的增加，水豆腐的表面強度和平均硬度先升高后降低，并在Mg2+含量為12 mg·L-1時達到最大值，其值為7.53和7.72。圖B所示，水豆腐的韌性整體呈下降趨勢，其最小值和最大值分別為1.95和2.59；水豆腐粘度先呈上升趨勢，在Mg2+含量為0～12 mg·L-1之間顯著增加，在Mg2+含量為12～20 mg·L-1間略微降低。

Mg2+/(mg·L-1)

2.2.3 主成分分析Mg2+對豆腐感官指標的影響

表5 Mg2+對豆腐質構測地結果的因子旋轉成分矩陣

2.3 水中Na+含量的影響

2.3.1 Na+含量對豆腐TPA質構指標的影響

豆腐因其高蛋白含量享有“植物肉[19]”的美稱。低濃度的Na+可以促進蛋白質大分子的展開、聚集，增強蛋白質分子間的相互作用，從而改善豆腐的品質。在水豆腐制作用水中加入適量的Na+有利于豆腐形成的更加緊密均勻。

圖7表明水中Na+含量對水豆腐TPA測試指標具有較明顯的影響。圖A的結果表明，隨著Na+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和膠著性先降低后升高。并在Na+含量為15 mg·L-1時，其達到最低值。圖B所示，隨著Na+含量的增加，凝聚力和回復力呈先升高后降低的趨勢，在Na+含量為15 mg·L-1達到最大值，同時保持彈性基本上沒有變化。隨著Na+含量的增加，水豆腐的表面強度和平均硬度呈現出相同的趨勢，先緩慢下降后突然增加，最低點和拐點在Na+含量為15 mg·L-1時出達到最大，而彈性基本保持不變。

Na+/(mg·L-1)

2.3.2 Na+含量對豆腐穿刺質構指標的影響

圖8表明水中Na+含量對水豆腐穿刺測試指標具有較明顯的影響。圖A可知，隨著Na+含量的增加，水豆腐的表面強度和平均硬度呈現相同的變化趨勢，先緩慢降低后突然升高，在Na+含量為15 mg·L-1時達到最低點。圖B表明，隨著Na+含量的增加，水豆腐的韌性和粘度也呈現出相同的趨勢，先緩慢上升后下降，并且Na+含量為15 mg·L-1時達到最大值。

Na+/(mg·L-1)

2.3.3 主成分分析Na+對豆腐感官指標的影響

表6 Na+對豆腐質構測地結果的因子旋轉成分矩陣

2.4 BP神經網絡預測豆腐感官指標得分

由表7中3個表的數據可知，當Ca2+、Mg2+、Na+的濃度分別為20，8，15 mg·L-1時，各離子含量現倒U型變化趨勢，此時豆腐總體可接受性得分最高。

2.5 響應面分析

2.5.1 Box-Benhnken實驗設計

采用Box-Benhnken實驗設計理論，以水豆腐感官總體可接受性為響應值，選擇Ca2+、Mg2+、Na+含量為影響因素，進行3因素3級響應面優化實驗(表8)。

2.5.2 回歸模型方差分析

表9可知，響應面模型對本實驗擬合良好。模型具有P=0.001 1<0.01，表明該實驗模型極顯著。缺失項P=0.066 4>0.05，說明失擬項檢驗不顯著。響應面實驗中的擬合方程為：總體可接受性得分=6.40+0.11*A+0.46*B-0.46*C-0.77*A2-1.37*B2-1.61*C2+1.44*A*B-0.74*A*C-1.18*B*C，說明該擬合方程適合實驗的擬合度，此實驗方法可靠。因此該擬合方程可用于預測離子的最佳比例。

表7 不同的Ca2+，Mg2+，Na+濃度下BP神經網絡預測豆腐感官指標得分

表8 響應面試驗設計方案及結果

2.5.3 響應面圖分析

圖9表明，Ca2+、Mg2+和Na+3種陽離子之間的相互作用非常明顯，因此底部輪廓線都是橢圓形的。而且響應表面的表面是陡峭的，這證明這3個離子對水豆腐的總體可接受性具有顯著影響。使用Design-Expert 10.0軟件分析可知，水豆腐總體可接受性最好時的最佳離子配比為Ca2+、Mg2+、Na+的含量分別為19.44，8.35，17.25 mg·L-1。

表9 回歸模型方差分析

圖9 兩因素相互作用對豆腐總體可接受性影響的響應面圖

3 結論

本文探究了Ca2+、Mg2+、Na+的種類和含量對豆腐質構指標和感官品質的影響作用。單因素試驗初步得出Ca2+、Mg2+和Na+含量的改變均會不同程度的影響豆腐的質構的變化；利用所建立的BP神經網絡系統預測水豆腐的感官評分，得出Ca2、Mg2+、Na+總體可接受性指標的最佳添加量分別是20，8，15 mg·L-1，且呈現倒U型變化趨勢。利用Box-Benhnken響應面優化試驗，得到最佳的感官總體可接受性的離子配比組合Ca2+、Mg2+、Na+的含量分別為19.44，8.35，17.25 mg·L-1；兩種模型得出Ca2+、Mg2+和Na+的最佳配比相差無異。為了方便實驗操作，簡化Ca2+、Mg2+和Na+的最優含量為20，8和16 mg·L-1，此時水豆腐的總體可接受性預測值為6.95，實際的總體可接受性最大值為6.85±0.50，即水豆腐的總體可接受性預測最大值與實際的感官總體可接受性最大值接近，說明BP神經網絡預測模型和響應面優化模型是的豆腐的感官指標得分更具有可信度。這為后續研究者制備豆腐的用水情況及評價其感官指標得分提供了一定的方向。