模糊數學結合響應面法優化啤酒魚的煮制工藝

王哲銘，王成財，朱立宏，江虹銳，劉小玲，姜 毅

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧 530004）

“啤酒魚”是廣西陽朔一道有名的地方特色菜，其魚肉鮮辣可口，富有啤酒香味，2018年9月，被評為“中國菜”之廣西十大經典名菜。啤酒魚的傳統做法是選用漓江水域里鮮活的魚，先用桂北山區出產的生茶油煎至表面微黃后起鍋，接著將辣椒、蔥、蒜等香辛料爆香后放入番茄略炒，然后加入用漓江水源釀造的啤酒以及調味料，最后放入煎好的魚燜至入味后撒上蔥花。為確保啤酒魚制作技藝得到有效的保護、傳承與發展，陽朔工商行政管理質量技術監督局等起草了《陽朔啤酒魚制作技術規程》[1]。但目前還未見關于適用于工業化生產的啤酒魚產品的工藝研究報道，而非標準化的加工工藝影響產品的品質穩定性和加工操作可重復性，因此優化啤酒魚加工工藝對其實現工業化生產有重要意義。

魚肉的品質不僅受原料本身（品種、性別、年齡等）、環境因素（產地、飼養方式、季節等）等因素的影響，還因加工方式（蒸、煮、炸、腌、微波等）的不同而發生改變[2]。熱加工是用于改善食品品質、延長貯藏期的重要方法，而煮制是熱加工常用的方式之一。魚肉經過煮制后，其質構、風味特性會發生明顯變化。盛利燚等[3]研究發現丁香魚肉在80 ℃水溫下煮制1～4 min，剪切力值持續上升，表明煮制能使肉質變緊密。陳麗麗等[4]探究不同烹飪方法對脆肉鯇揮發性風味物質的影響時，發現煮制后的魚肉中揮發性的酮類和醛類物質的濃度顯著增大，而酯類物質的種類和含量降低。綜上，煮制工藝參數會影響魚肉質構和揮發性風味物質。

啤酒中含有多種揮發性有機物，如醇類、酯類、羰基類、有機酸類、硫化物類、苯胺類、酚類等物質[5]，這些物質共同構成了啤酒獨特的風味。啤酒在烹飪菜肴時能起到增香、調味、去腥等作用，因此常被用于制作風味食品。湯高奇等[6]在制作醬香鴨脖過程中加入啤酒，發現啤酒的添加量和放入時間會影響啤酒的風味，在鹵煮開始后29 min 放入26%的啤酒獲得感官評分89 分的醬香啤酒鴨脖新產品。苗清霞等[7]通過正交試驗研制出的一種啤酒風味的香腸產品脆爽有彈性，又有較強的肉粒感。周惠健等[8]探究了啤酒對紅燒老鵝品質的影響，結果表明啤酒能改善鵝肉的色澤、肉質和風味。此外，啤酒還具有特殊的作用，相關研究結果表明用啤酒進行腌制能降低煎牛肉中有害物雜環胺類物質的量[9]，降低烤豬肉[10]、烤雞翅[11]中多環芳烴類物質的量。目前，關于啤酒應用于食品加工的研究還較少，且啤酒對啤酒魚品質影響的相關研究鮮有報道。

模糊數學評定法是由Zadeh 創建的一種評定方法，通過建立模糊綜合評價的評判因素集、評語集、權重集以及建立矩陣和權重之間的運算，將模糊的、定性的指標轉變為清晰的、定量的指標[12]。通過將模糊數學評定法與感官評價結合，能使感官評價過程中由主觀性帶來的誤差減小。本文對啤酒魚加工過程中煮制工藝的啤酒添加量、煮制時間及加熱功率進行變量設置，采用模糊數學感官綜合評價法、出品率、剪切力等指標對啤酒魚的品質進行評價，同時結合響應面法優化啤酒魚的煮制條件，以模糊數學感官綜合評價值為指標得到最優參數，并分析啤酒魚的風味及質構特性，以期為實現工業化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚、生姜、蔥、蒜、辣椒、番茄 均購于超市；漓泉啤酒 燕京啤酒（桂林漓泉）股份有限公司；大豆油 益海嘉里糧油工業有限公司；食鹽 中國鹽業集團有限公司；辣椒油 東莞市永益食品有限公司；生抽、蠔油 佛山市海天調味食品股份有限公司。

TB-81 油浴鍋 湖北香江電器股份有限公司；C22-Star201 電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；EK813 電子秤 廣東香山衡器集團股份有限公司；FlavourSpec?氣相-離子遷移譜食品風味分析與質量控制系統 德國G.A.S 公司；TMS-PRO 質構儀 美國FTC 公司；STAR A111 pH 計 美國賽默飛公司；CR21N 高速冷凍離心機 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 原料選擇→預處理→清洗→油炸→炒料→調料→煮制→成品

1.2.2 操作要點 原料選擇：挑選鮮活的羅非魚，每條體重為（750±50）g。

預處理：將魚重擊頭部致死，刮去鱗片，開膛破肚，取出內臟，去除鰓及鰭部分。

清洗：用清水沖洗干凈魚體上的血污，然后瀝干表面多余水分。

油炸：用油浴鍋將料液比為1:2（w/w）的大豆油加熱至180 ℃后，再將魚炸制3 min 后起鍋，瀝油后備用。

炒料：以魚質量為基準，將4%的大豆油加熱至180 ℃后，放入1.3%生姜、2%蔥、2%蒜翻炒30 s，然后加入13.3% 番茄再翻炒30 s。

調料：以魚質量為基準，按照3.75:1（w/w）的料液比添加一定量啤酒和水的混合液，然后加入0.9%食鹽、2.6%辣椒油、2.6%蠔油、2%生抽，混勻后加熱。

煮制：將調料液加熱至100 ℃后，放入油炸好的魚，并按照一定的煮制時間和加熱功率進行煮制，當達到煮制時間一半時將魚體翻面，繼續煮制后獲得啤酒魚成品。

傳統工藝制作的啤酒魚（傳統組）操作將上述油炸步驟改為油煎，并在煮制步驟改為加入純啤酒。具體方法為：用平底鍋將料液比為25:1（w/w）的大豆油加熱至180 ℃后，再將魚煎制3 min 后起鍋。

1.2.3 單因素實驗設計 根據啤酒魚的工藝流程，在調料和煮制步驟中固定煮制時間為30 min，加熱功率為500 W，煮制液中分別添加20%、40%、60%、80%、100%質量分數的啤酒，研究啤酒添加量對啤酒魚感官評分、剪切力和出品率的影響。固定啤酒添加量為80%，加熱功率為500 W，于100 ℃分別煮制10、20、30、40、50 min，研究煮制時間對啤酒魚感官評分、剪切力和出品率的影響。固定煮制時間為30 min，啤酒添加量為80%，分別以功率120、500、1000、1500、2000 W 進行加熱，研究加熱功率對啤酒魚感官評分、剪切力和出品率的影響。通過建立模糊數學感官綜合評價模型，獲得啤酒添加量、煮制時間、加熱功率對啤酒魚模糊數學感官綜合評價值的影響。

1.2.4 響應面優化試驗設計 根據單因素實驗結果及Box-Behnken 試驗設計原理，以煮制時間、加熱功率、啤酒添加量為考察因素，以模糊數學感官綜合評價結果為評價指標，進行三因素三水平試驗設計，優化啤酒魚煮制工藝條件。因素及水平編碼見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiments

1.2.5 感官評價 參考陳嬌嬌等[13]的方法并作修改，挑選10 名具有食品專業知識的人員組成評價小組，根據評分標準分別對啤酒魚魚肉的嫩度、彈性、組織狀態、氣味和滋味進行感官評價（表2）。為避免評價小組成員因各自嗜好等因素造成對產品的偏見，感官評定時需對樣品進行隨機編碼。每次評價時由每位評價員單獨進行，不互相交流，且在評價每個樣品之前咀嚼蘇打餅干，并用清水漱口，排除上一個樣品的影響。

表2 啤酒魚感官評價評分標準Table 2 Sensory evaluation standard of beer fish

1.2.6 模糊數學感官綜合評價模型的建立

1.2.6.1 因素集及評語集的確定 以啤酒魚嫩度、彈性、組織狀態、氣味和滋味為因素集U=[U1,U2,U3,U4,U5]=[嫩度，彈性，組織狀態，氣味，滋味]，以優、良、中、差為評語集V=[V1,V2,V3,V4]=[優，良，中，差]。

1.2.6.2 因素集權重的確定 參照姬長英[14]的方法，采用“0、4”評分法，確定各因素權重。請評價員對啤酒魚感官評價指標嫩度、彈性、組織狀態、氣味和滋味的重要性進行兩兩比較，根據重要程度差距進行打分，兩者中相對重要者取高分，另一者取低分。把比分分為“0:4”、“1:3”、“2:2”三種情況：兩因素重要程度差距很大時用“0:4”；差距較大時用“1:3”；重要程度接近時用“2:2”。根據各因素所得總分除以全部因素的總分即得到各因素的權重，把各因素的權重組成權重集。

本實驗依據啤酒魚感官評價指標的標準和評價員判定的權重系數得分統計結果，確定嫩度、彈性、組織狀態、氣味、滋味的權重系數分別為0.2325、0.1225、0.1600、0.2250、0.2600，即權重集AU=[AU1,AU2,AU3,AU4,AU5]=[0.2325,0.1225,0.1600,0.2250,0.2600]。

1.2.6.3 模糊數學感官綜合評價值的計算 根據表2啤酒魚感官評價評分標準對啤酒魚各感官評價指標得分對應的優、良、中、差4 個評分等級的打分人數進行統計，并作歸一化處理，構成模糊矩陣R，然后乘以權重向量AU，得到模糊綜合評判集B。為了將最終評判結果量化為分數，取每個感官評價指標的評分等級對應分值段的中間值構成評價等級向量H=[9.5,7,4,1][15]。最后，通過Y=B·HT計算得到模糊數學感官綜合評價值。

1.2.7 出品率的測定 參考張艷[16]的方法并作修改。用濾紙將原料魚表面液體吸干后稱重，質量記為m1，單位為g；煮制后的啤酒魚冷卻后，再用濾紙吸干表面液體后進行稱重，質量記為m2，單位為g。

1.2.8 剪切力的測定 參考的趙矩陽等[17]的方法并作修改。使用單刀剪切探頭進行測定，測試速度60 mm/s，回程速度60 mm/s，回程距離55 mm。每組樣品平行測定8 次。

1.2.9 揮發性風味物質的測定 以響應面試驗設計優化的煮制條件制作啤酒魚，以傳統方法制作的啤酒魚、和水取代啤酒進行煮制作為對照組。使用GCIMS 分析樣品的揮發性風味物質，參考Arroyo 等[18]的方法并作修改。

進樣條件：稱取2.00 g 魚肉于20 mL 頂空瓶，在孵化器內以50 ℃加熱10 min。進樣方式：頂空進樣；加熱方式：振蕩加熱；振蕩速率500 r/min；進樣針溫度80 ℃；進樣量0.5 mL。

GC 條件：色譜柱：FS-SE-54-CB-1 石英毛細管柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；色譜柱溫度40 ℃；載氣（N2）流速程序：初始流速2 mL/min，3 min 內保持2 mL/min，10 min 內線性升至25 mL/min，15 min 內線性升至50 mL/min，25 min 內線性升至150 mL/min。

IMS 條件：漂移管溫度45 ℃；管內線性電壓500 V/cm；漂移氣（N2）流速150 mL/min；放射源：β射線（氚，3H）；離子化模式：正離子。

1.2.10 質構的測定 測定方法參考楊少玲等[19]并作修改，用濾紙將魚肉的表面水分吸干，取背部肌肉，然后將魚塊沿著肌肉橫紋水平放置在質構儀的探頭底座上，進行質構特性（硬度、彈性、內聚性和咀嚼性）的測定。使用直徑為6 mm 圓柱形不銹鋼探頭，設置質構儀測定模式為TPA 模式，測試速度1.00 mm/s，壓縮形變量30%，間隔時間5 s，觸發力0.05 N。每組樣品平行測定6 次。

1.2.11 pH 的測定 pH 的測定參考單錢藝等[20]方法。稱取3.00 g 魚肉，加入30 mL 蒸餾水（pH 6.91），以10000 r/min 均質45 s，然后經9000 r/min 離心15 min，上清液用pH 計測定其pH。

1.3 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6 軟件對響應面優化試驗進行設計和分析。采用 Microsoft Excel 2019 和SPSS 25.0 軟件對數據進行處理和分析。使用GCIMS 儀器配套的Laboratory Analytical Viewer 軟件及GC-IMS Library Search 軟件對魚肉中的揮發性風味物質進行分析。所有實驗分析重復3 次以上，結果表述為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 啤酒添加量對啤酒魚品質的影響 啤酒魚的感官綜合評價值隨著啤酒添加量的增加先升高后降低（圖1）。啤酒添加量為20%～40%時，感官綜合評價值升高。啤酒添加量為40%與添加量為60%所得到的綜合評價值相近。但是在啤酒添加量>60%后，綜合評價值降低。添加適量的啤酒能去除魚肉的腥味[21]，提高氣味評分。但啤酒添加量過多，會使啤酒魚帶有較重的苦味，導致滋味評分下降，降低綜合評價值。從樣品的剪切力結果中發現，剪切力隨啤酒添加量的增加先降低后升高，經60%的啤酒添加量處理的啤酒魚剪切力（9.22 N）低于其他處理組，而此時出品率也較高，綜合考慮啤酒添加量為60%最佳。

圖1 啤酒添加量對啤酒魚綜合評價值、出品率及剪切力的影響Fig.1 Effects of beer additive amount on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.1.2 煮制時間對啤酒魚的影響 隨著煮制時間的增加，啤酒魚感官綜合評價值呈先上升后下降趨勢（圖2）。煮制時間<30 min 時的綜合評價值較低，可能是因為煮制時間過短導致入味和肉質較差。煮制時間為40 min 時，魚體完整，肉質細嫩，啤酒魚綜合評價值最高（7.70）。當煮制時間>40 min 時，除滋味外其余評分均降低，導致綜合評價值降低。這是因為煮制時間過長，會引起肉質的過分軟爛，并且破壞食物本身具有的良好風味[22]。從啤酒魚的出品率結果發現，煮制時間為20 min 時出品率最高（73.05%），之后出品率持續下降。而魚肉的剪切力隨著煮制時間的增加持續下降。煮制不僅是一個烹飪食物的過程，也是一個滅菌的過程。煮制時間過短，滅菌不徹底，會對食品的安全性造成負面影響；而煮制時間長，能耗消耗大，同時會影響產品感官評分。綜合考慮煮制時間為30 min 最佳。

圖2 煮制時間對啤酒魚綜合評價值、出品率及剪切力的影響Fig.2 Effects of boiling time on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.1.3 加熱功率對啤酒魚的影響 加熱功率在120～1000 W 時，啤酒魚的嫩度評分及綜合評價值隨加熱功率的增大持續升高（圖3）。以1000 W 的加熱功率煮制得到的啤酒魚綜合評價值最高（7.27）。加熱功率高于1000 W 后，魚肉彈性、氣味評分降低，組織變得松散，綜合評價值降低。這是由于非穩態傳熱是加工過程中的基本特征，魚體內外受熱是不均勻的，內部成熟時，外部可能因加熱過度而品質劣化[23]。隨著加熱功率增大，啤酒魚的剪切力持續下降，表明嫩度升高，但同時出品率也呈下降趨勢。加熱功率為2000 W 時，出品率僅為65.82%。王琳可[24]發現中火煮制雞腿的總體評價要優于小火和大火煮制的雞腿。因此，選擇合適的火候十分重要，能既保證成熟并達到整體品質最優。綜合考慮，選擇1000 W 作為響應面優化試驗加熱功率的中間值進行后續研究。

圖3 加熱功率對啤酒魚綜合評價值、出品率及剪切力的影響Fig.3 Effects of heating power on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面優化試驗結果 由于模糊數學感官綜合評價方法綜合了對樣品的嫩度、彈性、組織狀態、氣味和滋味等五個方面的評價，本研究基于單因素實驗結果，選取啤酒添加量（X1）、煮制時間（X2）、加熱功率（X3）為自變量并以模糊數學感官綜合評價值為響應值Y，經Box-Behnken 響應面優化試驗設計進一步優化各因素參數值（表3）。

表3 響應面優化試驗設計與結果Table 3 Design and results of response surface experiments

2.2.2 回歸模型的建立及方差分析 根據感官綜合評價結果進行多元回歸擬合，獲得啤酒魚綜合評價值（Y）對自變量啤酒添加量（X1）、煮制時間（X2）、加熱功率（X3）的二次回歸方程：Y=7.81+0.16X1+0.2X2+0.014X3?0.13X1X2?0.22X1X3?0.071X2X3?0.52X12?0.4X22?0.005498X32。模型的決定系數R2為0.9744，校正決定系數R2adj為0.9407，表明該模型能夠解釋94.07%響應值的變化，說明該模型擬合程度良好，可對啤酒魚的綜合評價值進行分析和預測。

為進一步檢驗該二次回歸方程有效性，對回歸模型的方差進行分析（表4）。本研究中模型的方差極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P>0.05），說明回歸模型與實測值擬合良好。逐步顯著性檢驗結果表明，一次項X1和X2達到極顯著水平（P<0.01），表明啤酒魚制作過程中，煮制時間及啤酒添加量對感官綜合評價值的影響很大。根據回歸方程中各因素的系數，可以得到各因素影響強弱順序為：煮制時間>啤酒添加量>加熱功率。交互項X1X2對響應值Y 的影響顯著（P<0.05），X1X3極顯著（P<0.01），而X2X3不顯著（P>0.05）。二次項X12和X22對響應值Y 的影響極顯著（P<0.01），而X32不顯著（P>0.05），表明各因素與響應值不是簡單的線性關系。

表4 響應面二次模型的方差分析Table 4 Analysis of variance for the response surface quadratic model

2.2.3 響應面圖分析及工藝優化 通過Design-Expert軟件的Model Graphs 模塊得到了兩因素交互作用的響應面圖（圖4）。如圖4（a）所示，X1X2兩因素的等高線趨于圓形，曲面圖坡度陡峭，表明啤酒添加量與煮制時間交互作用較弱，對綜合評價值影響較大。如圖4（b）所示，X1X3兩因素的等高線趨于橢圓形，曲面圖坡度陡峭，表明啤酒添加量與加熱功率交互作用較強，對響應值影響較大。沿著啤酒添加量方向，等高線密度明顯高于加熱功率方向，說明啤酒添加量對綜合評價值的影響大于加熱功率。如圖4（c）所示，X2X3兩因素的等高線趨于橢圓形，曲面圖較平坦，表明煮制時間與加熱功率交互作用較強，對響應值影響較小。沿著加熱時間方向，等高線密度明顯高于加熱功率方向，說明加熱時間對綜合評價值的影響大于加熱功率。

圖4 兩因素交互作用的響應面圖Fig.4 Response surface graphs of interaction between two factors

模型預測最優條件為：啤酒添加量66.54%，煮制時間32.92 min，加熱功率500.01 W。在此條件下，啤酒魚的感官綜合評價值預測值最高為7.89。為驗證預測值與實測值之間的擬合程度及模型的有效性，進行驗證實驗。但考慮到操作的可行性，對自變量值修正為：啤酒添加量66%，煮制時間33 min，加熱功率500 W，得到實測值為7.91±0.01，與模型的預測值7.89 基本一致，表明模型有效可靠。

2.3 啤酒對啤酒魚風味與質構特性的影響

2.3.1 啤酒對啤酒魚風味特性的影響 與空白組相比，最優組和傳統組魚肉中己醛、庚醛等物質信號強度降低（圖5，A 區）。最優組和傳統組出現乙醇、2,3-戊二酮等物質的信號，且傳統組中這些物質信號的強度比最優組高（圖5，B 區）。己醛、庚醛是羅非魚中的主要腥味物質，由ω-6 脂肪酸氧化后產生，在低濃度下具有青草味，高濃度時會產生有不良氣味[25?26]。乙醇是啤酒中含量最豐富的醇類物質，貢獻啤酒風味，并在其他成分的風味感知中發揮作用[27]。2,3-戊二酮是啤酒發酵過程的產物，具有類似蜂蜜的氣味[28]。本實驗中，經添加啤酒煮制后的魚肉腥味物質信號強度降低與乙醇促進小分子物質揮發及魚肉pH 降低有關（表5）。魚肉pH 降低使肌原纖維蛋白的疏水結合位點減少，從而降低了其與醛類物質的結合能力[29]。由于傳統組相比最優組添加了更多的啤酒，因此魚肉中啤酒風味物質信號強度更高。

圖5 啤酒魚的揮發性風味物質GC-IMS 指紋圖譜Fig.5 GC-IMS fingerprint of beer fish’s volatile flavor compounds

2.3.2 啤酒對啤酒魚質構特性的影響 如表5所示，經優化工藝得到的最優組啤酒魚肉質硬度、咀嚼性和pH 顯著低于空白組及傳統組（P<0.05），但彈性及內聚性無顯著性變化（P>0.05）。最優組的感官綜合評價值高于傳統組，可能是由于傳統組的啤酒加入量為100%，使風味感官分值降低，該結果與對傳統組風味特征的研究結果一致。pH 變化會影響肌原纖維蛋白的凝膠特性，而熟肉的質構特性高度依賴于肌原纖維蛋白的凝膠化[30]。此外，啤酒中的乙醇能使肌原纖維蛋白的空間結構發生改變，從而影響肉質[8]。陳麗艷等[31]發現糟鵝肉的硬度、咀嚼性隨著白酒添加量的增加先降低后升高，內聚性一直下降，而彈性整體變化較小。本實驗中，添加適量啤酒能改善啤酒魚口感和風味。經啤酒煮制后的魚肉pH 降低及啤酒中乙醇的含量，可能是導致魚肉中肌原纖維蛋白的凝膠強度減弱從而改變魚肉質構的原因，啤酒的組成成分對肌原纖維蛋白的空間結構的影響還有待進一步研究。

表5 啤酒魚的魚肉質構特性、pH 及綜合評價值Table 5 Texture profile analysis,pH and comprehensive evaluation value of beer fish

3 結論

本研究通過建立啤酒魚模糊數學感官綜合評價的方法，結合響應面優化試驗對啤酒魚煮制工藝條件進行優化，得到最佳工藝參數為：啤酒添加量66%，煮制時間33 min，加熱功率500 W，在此條件下制得的啤酒魚綜合評價值為7.91，與模型的預測值7.89基本一致。啤酒添加量、煮制時間影響啤酒魚的感官品質，啤酒魚工業化生產中可以將以上參數作為加工控制關鍵點。優化后的啤酒魚制作工藝得到的啤酒魚感官綜合評價值高于傳統方法制得的啤酒魚。經優化工藝煮制后的魚肉中己醛、庚醛等腥味物質的濃度降低，出現乙醇、2,3-戊二酮等啤酒風味物質；肉質硬度、咀嚼性、pH 降低，表明啤酒能起到去腥增香、改變肉質的作用。本研究的結果可為啤酒魚的工業化生產中風味及魚肉品質的標準化評價提供理論依據。