響應面法優化茶香型紫蘇牛肉干加工工藝研究

黃建新，趙天智，龍 娟，張葉雪，陳富珍，曹榮昌，李剛鳳

（1. 大理農林職業技術學院，云南 大理 671003；2. 銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300）

紫蘇（Perilla frutescens） 又名白蘇、荏子、赤蘇等，野生紫蘇主要生長于廣西、江蘇、四川等地[1]，已被列為藥食同源的名單中，在民間常被食用與作為香料[2]。紫蘇渾身是寶，不同部位具有不同藥效與用途[3]，其葉可用于食品、醫療及化妝品行業[4]。紫蘇具有抑菌性、抗炎活性、降血糖等多種功效[5-7]，主要含有酚類物質、精油等，具有抗腫瘤、清熱止咳、鎮定等多種功能特性，其中酚類物質起到抗炎作用[8-9]。最新研究發現，通過聞紫蘇起精神放松作用，對人體有益[10]；結合紫蘇葉湯治療，可預防和改善痤瘡[11]。牛肉干是牛肉與調料一起腌制，經過熟制、干燥等工藝而得即食肉制品，儲存期較長[12-13]。牛肉富含優質蛋白質，營養豐富，日益受到人們的喜愛，為滿足消費者不同要求，牛肉干工藝不斷改進，研發者趨向于牛肉干的營養與口感，但傳統鹵制方式，導致牛肉營養物質丟失、質地堅硬、色澤暗沉等問題[14]。

試驗以牛肉、紫蘇、蜂蜜為主要原料，經過煮制、腌制、烘烤、干燥工藝而得的產品，工藝簡單且易操作。得到產品配方后，通過響應面試驗，結合模糊數學感官評分優化茶香型紫蘇牛肉干配方工藝，優化茶香型紫蘇牛肉干配方工藝，制作出營養豐富、軟硬適中、香氣撲鼻的茶香型紫蘇牛肉干，為開發茶香型紫蘇牛肉干提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛肉、八角、茴香、生姜、干姜、枸杞、紅棗、花椒、黑芝麻、黑胡椒、桂皮、肉豆蔻、甘草、山楂、草果、山奈、砂仁、料酒、食鹽、紫蘇，均為市售；蜂蜜，深圳捷森食品科技有限公司提供。

C21-86B 型電磁爐，合肥榮事達小家電有限公司產品；YXD-4 型遠紅外電熱食品烘爐，佛山市南海區冠嘉食品機械有限公司產品；DHG-9070A 型電熱鼓風干燥箱，常州普天儀器制造有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 茶香型紫蘇牛肉干加工工藝流程

1.2.2 操作要點

（1） 肉處理。將后腿牛肉除去多余的膜、脂、筋。

（2） 浸泡。切成100 g 大小清洗后浸泡1 h；將350 g 水置于鍋中，加入香料（八角2%，茴香1%，生姜8%，干姜1%，枸杞子1%，紅棗4%，花椒1%，黑芝麻1%，黑胡椒1%，桂皮1%，肉豆蔻1%，甘草1%，山楂1%，草果1%，山奈1%，砂仁1%），蓋上鍋蓋調成1 000 W 煮沸，將牛肉、洗凈的生姜一同煮制，期間翻動牛肉，并撇去泡沫，待湯汁將收干時取出牛肉和香料。

（3） 切條。把牛肉切成1 cm×1 cm×3 cm 大小條狀。

（4） 腌制。將牛肉條放入盤中，加入7%料酒和2.5%食鹽攪勻，將漂燙后的紫蘇和牛肉攪勻，放置冰箱4 ℃下腌制12 h，腌制完畢后加入4%蜂蜜和1%熟芝麻拌勻。

（5） 烘烤。將牛肉擺放在烤盤中的焙烤紙上，烤箱50 ℃下預熱10 min，上下火面設置150 ℃進行烘烤，每10 min 翻動，烘烤25 min。

（6） 干燥。鐵網上鋪一層紗布，撒上混勻的綠茶和紅茶，再鋪一層紗布，將牛肉置于上面，60 ℃下熱風干燥。

（7） 包裝。常溫冷卻后真空包裝。

1.2.3 單因素試驗

以牛肉為基準，探討紫蘇添加量（3%，4%，5%，6%，7%）、蜂蜜添加量（2%，3%，4%，5%，6%）、烘烤溫度（140，150，160，170，180 ℃）、煮制時間（3，5，7，9，11 min），對茶香型紫蘇牛肉干品質的影響。

（1） 紫蘇添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響。以牛肉為基準，添加蜂蜜4%，食鹽2.5%，香料（八角2%，茴香1%，生姜8%，干姜1%，枸杞子1%，紅棗4%，花椒1%，黑芝麻1%，黑胡椒1%，桂皮1%，肉豆蔻1%，甘草1%，山楂1%，草果1%，山奈1%，砂仁1%，料酒7%），煮制時間為7 min，紫蘇分別以3%，4%，5%，6%，7%添加，在150 ℃下烘烤，探討不同紫蘇添加量對牛肉干口感品質影響。

（2） 蜂蜜添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響。以牛肉為基準，添加紫蘇5%，食鹽2.5%，香料（八角2%，茴香1%，生姜8%，干姜1%，枸杞子1%，紅棗4%，花椒1%，黑芝麻1%，黑胡椒1%，桂皮1%，肉豆蔻1%，甘草1%，山楂1%，草果1%，山奈1%，砂仁1%，料酒7%），蜂蜜分別以2%，3%，4%，5%，6%添加，煮制時間為7 min，在150 ℃下烘烤，探討不同蜂蜜添加量對牛肉干口感品質影響。

（3） 烘烤溫度對香型紫蘇牛肉干品質影響。以牛肉為基準，添加紫蘇5%，蜂蜜4%，食鹽2.5%，香料（八角2%，茴香1%，生姜8%，干姜1%，枸杞子1%，紅棗4%，花椒1%，黑芝麻1%，黑胡椒1%，桂皮1%，肉豆蔻1%，甘草1%，山楂1%，草果1%，山奈1%，砂仁1%，料酒7%），煮制時間為7 min，烘烤溫度分別為140，150，160，170，180 ℃，探討不同烘烤溫度對牛肉干口感品質影響。

（4） 煮制時間對茶香型紫蘇牛肉干品質影響。以牛肉為基準，添加紫蘇5%，蜂蜜4%，食鹽2.5%，香料（八角2%，茴香1%，生姜8%，干姜1%，枸杞子1%，紅棗4%，花椒1%，黑芝麻1%，黑胡椒1%，桂皮1%，肉豆蔻1%，甘草1%，山楂1%，草果1%，山奈1%，砂仁1%，料酒7%），煮制時間分別3，5，7，9，11 min，選擇烘烤溫度為150 ℃，探討不同煮制時間對牛肉干口感品質影響。

1.2.4 響應面優化試驗

依據劉加友等人[15]采用Design Expert 8.0.6，并根據Box-behnken 設計原理，選取紫蘇添加量（A）、蜂蜜添加量（B）、煮制時間（C） 為自變量，茶香型紫蘇牛肉干感官評分Y 為響應值，進行響應面試驗。

響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平設計

1.2.5 感官評價方法

邀請10 名食品科學與工程專業的學生，組成一個評定小組，每位評分員分別對29 組產品的色澤、風味、口感、組織狀態4 個方面進行感官評價。

茶香型紫蘇牛肉干感官評價[16]見表2。

表2 茶香型紫蘇牛肉干感官評價

設計4 個等級分別為優、良、中、差。為避免對產品的偏見，評價員需單獨評價，評定前漱口，且不得抽煙、酗酒、熬夜，以免產品間相互影響[17]。

1.2.6 模糊數學模型的建立

確立評定因素集：以色澤u1、風味u2、口感u3、組織狀態u4為因素集U，因素集U=（u1，u2，u3，u4）。確立評語集：以優v1、良v2、中v3、差v4為評語集V，評語集V=（v1，v2，v3，v4）。確立各因素權重集：采用用戶調查法[18]，10 位評價員依據色澤、風味、口感及組織狀態對產品重要程度進行評分，各因素得分與總分100 分比值為各因素的權重因子，各權重的集合為K=（k1，k2，k3，k4）。模糊關系綜合評判集：參考楊雪欣等人[19]方法，根據模糊變換原理Y=KA，K 為權重集，A 為模糊矩陣，依據產品感官得分結果，建立矩陣進行分析。權重集K=（k1，k2，k3，k4） =（0.27，0.32，0.30，0.11），其中風味占比最大。

茶香型紫蘇牛肉干因素的權重分布統計見表3。

表3 茶香型紫蘇牛肉干因素的權重分布統計/分

1.3 數據處理與分析

采用Spss Statistics 17.0 和Origin Pro8.5.1 進行單因素數據統計與分析，采用Design Expert 8.0.6 進行響應面試驗分析。

2 結果與分析

2.1 紫蘇添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

紫蘇添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響見圖1。

由圖1 可知，感官評分隨著紫蘇的添加量呈先上升而后下降的趨勢。紫蘇添加量為3%時，牛肉干中紫蘇的特殊香味不足、風味單一，導致牛肉干風味欠佳；紫蘇添加量為5%，與其他添加量差異顯著（p<0.05），紫蘇賦予牛肉干特殊風味也可除去腥味，與其他香味達到平衡，與其他香味物質融為一體，此時牛肉干風味、口感、色澤最佳，感官評分達到最高；但紫蘇添加量為7%時，牛肉干色澤暗淡，滋味發苦，掩蓋了牛肉本身的香味，有股濃郁的苦澀味。因此，紫蘇最佳的添加量為5%。

圖1 紫蘇添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

2.2 蜂蜜添加量對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

蜂蜜添加量對茶香型紫蘇牛肉干感官品質影響見圖2。

圖2 蜂蜜添加量對茶香型紫蘇牛肉干感官品質影響

由圖2 可知，蜂蜜添加量為4%時，對產品影響最為顯著（p<0.05），感官評分達到最高分，添加量高于或低于4%感官評分明顯下降，此時的牛肉干咸甜適中，有嚼勁，在高溫烘烤的條件下，蜂蜜與牛肉發生美拉德反應，產生芳香物質，對牛肉的風味、口感、色澤都有所改善[20]；但當蜂蜜添加量為2%時，口感較粗糙、色澤暗淡，且沒有蜂蜜特有風味，導致茶香型紫蘇牛肉干的感官評分得分最低；而蜂蜜添加量為6%時，牛肉干滋味偏甜，色澤加深，甜味突出掩蓋其他物質的滋味，導致口感下降。

2.3 烘烤溫度對茶香型紫蘇牛肉干感官品質影響

烘烤溫度對茶香型紫蘇牛肉干品質影響見圖3。

圖3 烘烤溫度對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

由圖3 可知，烘烤溫度為130 ℃時，感官評分較低，此時的牛肉干色澤暗淡，咀嚼性不足，有碎渣感，肉的質感不緊致；而當烘烤溫度為150 ℃時，差異顯著（p<0.05），讓茶香型紫蘇牛肉干特有的風味剛好形成，此時的牛肉干具有較好的咀嚼性，軟硬適中，色澤和組織狀態達到最佳，感官評分達到最大值；當烘烤溫度為160 ℃時，開始出現局部的烤焦而變黑，形成多環芳烴及苯并芘致癌物質，影響口感和整體風味，但當烘烤溫度為170 ℃時，感官評分呈滑坡式下降，是因為已有部分焦味出現，大大降低牛肉干口感，有烤焦味且有些苦味。

2.4 煮制時間對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

煮制時間對茶香型紫蘇牛肉干品質影響見圖4。

圖4 煮制時間對茶香型紫蘇牛肉干品質影響

由圖4 可知，隨著煮制時間的增加感官評分呈現上升后下降的趨勢且差異顯著（p<0.05）。煮制時間為9 min 時，感官評分最高，此時的牛肉干軟硬度適中，具有較好的咀嚼性，口感最佳；當煮制時間為3 min 時，由于煮制時間過短牛肉未完全定型，不能很好地切成大小均勻的條狀，香料味未完全滲入牛肉中，未能完全呈現出牛肉與香料交織一體的香味，且嚼勁不足，有碎渣感；但當煮制時間為11 min時，牛肉干有些發硬，咀嚼有些困難，導致感官評分為最低分。因此，煮制時間為9 min，此時的牛肉干品質為最佳。

2.5 響應面試驗結果分析

在單因素試驗結果基礎上，選取紫蘇添加量、蜂蜜添加量、烘烤溫度、煮制時間4 個因素，以感官評分為響應值進行響應面試驗，分析優化茶香型紫蘇牛肉干的最佳工藝。

茶香型紫蘇牛肉干響應面試驗結果見表4。

表4 茶香型紫蘇牛肉干響應面試驗結果

2.6 模型方差分析結果

利用Design Expert 8.0.6 對表4 茶香型紫蘇牛肉干響應面試驗結果進行二次多項擬合分析，建立二次回歸多元方程為：

響應面結果方差分析見表5。

由表5 可知，回歸模型p<0.000 1，說明模型極顯著；失擬項為0.538 1>0.05，失擬項不顯著；回歸系數R2=0.959 1，R2Adj=0.918 1，變異系數CV=1.86%，說明模型的擬合度較好，因此該模型可用于對茶香型紫蘇牛肉干的感官評分進行分析與預測。此外，由F 值可知，4 個因素對茶香型紫蘇牛肉干的感官評分影響大小依次為B>A>D>C，即蜂蜜添加量>紫蘇添加量>烘烤溫度>煮制時間。p 值越小反映該因素對產品的感官評分越大，一次項A，B 對感官評分影響極顯著（p<0.01），二次項A2，B2，C2，D2對感官評分影響極顯著（p<0.01），交互項AD 對感官評分影響顯著（p<0.05）。

表5 響應面結果方差分析

2.7 響應面試驗交互作用結果分析

在響應曲面圖中，兩因素的交互作用對感官評分的影響曲線坡度越陡表明該因素對茶香型紫蘇牛肉干的感官評分影響越大，反之影響越小；在高等線圖中，高等線越趨近于橢圓顯示兩因素的交互作用對紫蘇牛肉干感官評分影響越大，趨近圓形表明影響小[21]。

紫蘇添加量和蜂蜜添加量的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖5，紫蘇添加量和煮制時間的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖6，紫蘇添加量和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖7，蜂蜜添加量和煮制時間的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖8，蜂蜜添加量和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖9，煮制時間和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖見圖10。

圖7 紫蘇添加量和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

圖8 蜂蜜添加量和煮制時間的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

圖9 蜂蜜添加量和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

由圖5 ～圖10 可知，圖6 的曲線坡度較陡，且等高線形狀為橢圓形，說明紫蘇添加量和烘烤溫度對茶香型紫蘇牛肉干感官品質影響較大，兩者的交互作用對感官評分影響顯著；另外，沿著紫蘇添加量和烘烤溫度增加的方向，紫蘇添加量方向的等高線密度大于烘烤溫度方向，說明紫蘇添加量對感官評分影響大于烘烤溫度。其余因素交互作用對感官評分不顯著，對感官評分影響較小，與表5 的方差分析結果一致。

圖5 紫蘇添加量和蜂蜜添加量的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

圖6 紫蘇添加量和煮制時間的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

圖10 煮制時間和烘烤溫度的交互作用的響應曲面圖和等高線圖

2.8 茶香型紫蘇牛肉干最佳工藝參數確定

通過響應面法優化得出的最佳配方為以牛肉為基準100%，紫蘇添加量5%，蜂蜜添加量4%，煮制時間7 min，烘烤溫度150 ℃，此時茶香型紫蘇牛肉干感官評分預測值為84.06 分。采用最佳配方進一步驗證性試驗，重復3 次試驗后結果取均值，得到的感官評分為84.9 分，與感官評分預測值相近，驗證了響應面試驗分析和模型的可靠性。

2.9 模糊數學感官評價

模糊矩陣的建立結果。邀請10 位感官評價員對29 組試驗產品進行感官評分，最后統計產品各質量因素得分為茶香型紫蘇牛肉干感官評分結果。

第1 組試驗產品評定結果見表6。

表6 第1 組試驗產品評定結果

由表6 可知，有7 人認為色澤為優，3 人認為色澤為良，無人認為中和差，均認為口感、組織狀態為優。將1 組產品評價結果對因素等級的選擇人數，除以總人數可得第1 組試驗產品感官關系矩陣A1。根據模糊變換原理Y1=K×A1即可得第1 組試驗產品的綜合評價結果為：Y1=（0.855，0.145，0，0），同理可獲得Y2-Y29組產品的綜合評價結果；又因為產品因素的等級賦值分別是：“優”為100 分，“良”為80 分，“中”為60 分，“差”為40 分，可得到賦值矩陣綜合評分，同理可得G2-G29，由此得出模糊數學評分排序為2 組>1 組>12 組>27 組>26 組>4 組>19 組>7 組>8 組>29 組> 9 組>5 組>11 組>10 組=15 組=18 組>16 組>22組>24 組>3 組=17 組=20 組=21 組=23 組=25 組=28 組>6 組>14 組>13 組。其中，最高綜合評分為第2 組試驗產品與響應面優化試驗得出的結果基本一致，驗證了模糊數學感官評價法的可靠性。

3 結論

試驗探究了影響茶香型紫蘇牛肉干感官品質的因素，設置色澤、風味、口感、組織形狀為評價因素，根據用戶調查法得出權重集為K=（色澤0.27，風味0.32，口感0.30，組織形態0.11），其中風味占比最大。通過單因素試驗，采用模糊數學感官評價法結合響應面試驗優化其配方工藝，使試驗結果客觀、科學，更具說服力，得出各因素對感官評分影響大小依次為蜂蜜添加量>紫蘇添加量>烘烤溫度>煮制時間，產品最佳的配方為紫蘇添加量5%，蜂蜜添加量4%，煮制時間7 min，烘烤溫度150℃，在此條件下制作出的產品營養豐富、香味四溢、口味俱佳，能夠滿足消費者的需求。將響應面試驗和模糊數學用于優化茶香型紫蘇牛肉干配方工藝可消除評價員感官評價的主觀因素影響，試驗條件簡單且穩定，得到更為客觀準確的試驗評價結果。