模糊数学优化南极磷虾酶解液美拉德反应的工艺条件

张 迪,吉 薇,吉宏武,2,3,4,*,高 静

(1.广东海洋大学食品科技学院,广东湛江 524088;2.广东省水产品加工与安全重点实验室,广东湛江 524088;3.广东省海洋食品工程技术研究中心,广东湛江 524088;4.广东普通高等学校水产品深加工重点实验室,广东湛江 524088)

模糊数学优化南极磷虾酶解液美拉德反应的工艺条件

张 迪1,吉 薇1,吉宏武1,2,3,4,*,高 静1

(1.广东海洋大学食品科技学院,广东湛江 524088;2.广东省水产品加工与安全重点实验室,广东湛江 524088;3.广东省海洋食品工程技术研究中心,广东湛江 524088;4.广东普通高等学校水产品深加工重点实验室,广东湛江 524088)

为了得到南极磷虾美拉德反应的最佳工艺条件,以感官评定为基础对南极磷虾美拉德反应产物的色泽、气味、滋味和组织形态进行权重分析,建立感官综合评分体系;采用正交实验结合模糊数学感官评价方法分析D-木糖添加量、初始pH、反应时间、反应温度、4个指标对南极磷虾酶解液美拉德反应感官评价的影响。正交实验结果表明,南极磷虾酶解液美拉德反应最佳工艺条件:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反应时间90 min、反应温度105 ℃,食盐添加量20 g/L。在此条件下,南极磷虾美拉德反应产物的感官等级评定为优,其优秀峰值为0.462。将模糊数学应用于南极磷虾酶解液美拉德反应产物的感官评价,使结果更加客观准确,为南极磷虾深加工的应用与研究提供了参考数据。

南极磷虾,酶解液,模糊数学,感官评价,美拉德反应

南极磷虾(Euphausiasuperba)是一种磷虾目海洋浮游甲壳类生物,其资源储量巨大,据估计高达3.8亿吨,是地球上重要的蛋白质资源之一[1]。南极磷虾因其营养价值高而广受人们关注,是制备呈味基料的优质原料,虾肉中不仅含有丰富的氨基酸、短肽和核苷酸,还有可以刺激味觉和嗅觉并且对食欲有促进作用的生糖氨基酸,经过加工后具有丰富的多肽、氨基酸等呈味物质以及浓郁的海鲜风味,其中硒、铁、钾、磷、钠等矿物质元素、磷脂和类胡萝卜素的含量也很高,其营养保健功能越来越受人们的亲睐[2-6]。南极磷虾体内氟含量很高[7],因此利用南极磷虾加工食品首先要降低氟含量,才能安全食用。目前,虾类呈味基料常用的加工方法有微生物发酵法[8]、酶解法[9]等,其中发酵法耗时长,效率较低,酶解法得到的产品风味单一,利用上述方法加工,南极磷虾的产品通常醇厚感不足且香味较淡。美拉德反应工艺耗时短、生产设备简单,成本低廉、易于大规模推广,若经过酶解后脱氟并加入还原糖、食盐等辅料,经过反应可得到口感醇厚、香气浓郁的呈味基料,具有广阔的市场前景。

模糊数学(Fuzzy math)可以将模糊的事物和现象用数学模型较为直观的描述出来,自1965年由Amerine等人首先提出来[10],现在已被初步应用于模糊决策、综合评判、信息检索、医学、生物等各个方面[11]。判断食品感官品质的好坏,要分析其气味、滋味、形态、外观等各个方面。应用模糊数学的分析方法可以对这些属性进行数学化和定量化的处理和描述,综合考虑相关因素对分析指标的影响,从而得出更加可靠、客观和准确的结果,因此模糊数学是食品感官评价研究的重要工具[12]。国内外许多学者将模糊数学综合评判法广泛应用于食品感官品质的分析。国外的研究起步较早,在食品工业中将模糊数学应用于法兰克福香肠[13]、米饭[14]等食品的感官分析。国内已有研究人员将模糊数学结合感官评价应用于炖煮猪肉[15]、香肠[16]、鱿鱼[17]、泡菜[18]等产品的工艺条件优化,并评价了食醋[19]、方便面[20]、绿豆糕[21]、酱牛肉[22]的品质,在食品领域取得一定的进展。目前鲜有将模糊数学综合评价法应用于南极磷虾美拉德反应产物的相关报道,在前人研究的基础上,本文将模糊数学结合感官评价法运用于优化南极磷虾酶解液美拉德反应工艺,研究最佳工艺条件,这对于南极磷虾的产品开发和工艺改进提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南极磷虾 购自中国水产有限公司;动物蛋白水解酶、风味酶 购自南宁庞博生物工程有限公司;D-木糖、食盐 为食品级,购自湛江科美仪器商行;醋酸钙、盐酸、无水乙醇等 为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。

KQ-500DE型数控超声波清洗器 常州国华电器有限公司;MS300型磁力搅拌器 上海精密科学仪器有限公司;PHST-3F型酸度计 上海雷磁仪器厂;GL-10LND型离心机 上海安亭科学仪器厂;WFO-700W型送风恒温干燥箱 上海爱郎仪器有限公司;LDZX-50KBS型立式蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂。

1.2 实验方法

1.2.1 南极磷虾酶解液美拉德反应工艺

1.2.1.1 制备南极磷虾低氟酶解液 南极磷虾切碎,加一定比例的水(料∶水=1∶1),用分散均质机以10000 r/min转速均质5 min,均质好的浆液加入酶为混合酶,动物蛋白水解酶(150000 U/g)∶风味酶(140000 U/g)=1∶1,添加量为600～900 U/g,于50 ℃恒温搅拌反应4 h,反应完全的酶解液经高温灭酶,并在离心力为4000×g的条件下离心5 min,取离心后的上清液进行脱氟反应,脱氟条件为:醋酸钙添加量为20 g/L,温度30 ℃,pH10.0,搅拌反应2 h,在离心力2000×g的条件下离心5 min过滤得到上清液,即为南极磷虾低氟酶解液,于4 ℃保存备用[23]。

1.2.1.2 美拉德反应工艺 取南极磷虾低氟酶解液60 mL置于烧杯中,调节pH,并添加一定量的D-木糖和食盐,搅拌均匀后用锡箔纸封口,放入立式蒸汽灭菌器反应一段时间,反应结束后快速冷却到室温,并在离心力为2000×g的条件下离心5 min,取离心后的上清液进行感官评价[24]。

1.2.2 南极磷虾酶解液美拉德反应工艺优化

1.2.2.1 南极磷虾美拉德反应的单因素实验 基本条件定为:D-木糖添加量40 g/L,初始pH8.0,反应时间80 min,反应温度110 ℃,食盐添加量20 g/L。固定其它条件,改变其中的一个条件分别分析对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响。各因素浓度梯度为:D-木糖添加量10～80 g/L;初始pH5.0～9.0(使用浓度为0.01 mol/L的HCl溶液和NaOH溶液调节);反应时间40～120 min;反应温度80～120 ℃。

1.2.2.2 南极磷虾美拉德反应的正交实验 在单因素实验的基础上,分析南极磷虾酶解液美拉德反应D-木糖添加量、初始pH、反应时间、反应温度对美拉德反应产物感官评分的影响,采用L9(34)正交实验优化南极磷虾酶解液美拉德反应的工艺条件(表1)。

表1 L9(34)正交实验因素和水平

1.2.3 南极磷虾酶解液美拉德反应产物感官综合评价

表2 美拉德反应产物感官评定标准表

1.2.3.1 感官评价小组的建立 选取经过感官评定培训的10人组成的感官评价小组,进行感官评价。待评样品反应结束后冷却至室温,稀释十倍并用统一的容器盛装,随机取样进行感官评价。在评价前12 h,禁止评价员吸烟、饮酒,吃刺激性食物。

1.2.3.2 因素集的确立 确立影响被评判对象风味质量的因素集合,以U=(u1,u2,…,ui,…,um)来表示,其中U为因素集,ui为第i个影响因素。对南极磷虾酶解液美拉德反应产物,确定由4项评判指标组成的因素集,即U=(色泽u1,气味u2,滋味u3,形态u4)。

1.2.3.3 评语集的确立 确立被评价对象风味质量级别的评语集合,表示为:V=(v1,v2,…,vi,…,vm)(2

本实验中采用用户调查法[24]。根据感官评定标准(表2),由10名感官评价员对南极磷虾酶解液美拉德反应产物的色泽、气味、滋味、形态4个质量因素在风味感官评价中的影响程度进行打分,总分10分。感官评价员认为越重要的因素在综合评价中所占的权重越大,所得评分则越高。最终的结果,将每个因素所得分数之和除以所有指标总分100分,可得到各因素的权重因子。

1.2.3.5 模糊矩阵的确立及模糊变换 感官评价员对样品的每个影响因素进行等级评定,统计影响因素在每个等级中的票数分布情况,将各等级的票数除以总人数得到样品的质量评价模糊关系矩阵[15]。采用模糊数学的方法处理南极磷虾酶解液美拉德反应产物的综合评价结果,根据模糊矩阵变换原理,将权重集X与模糊关系矩阵A相乘得到每组的评价结果Y,即Y=X×A,则对第j组样品的评价结果为Yj=X×Aj(j为1～9)。分析每组样品的评价结果,优秀峰值最大的样品即可认为其风味质量综合评分最高,在此条件下的反应工艺为最佳工艺。

1.3 数据统计

数据采用origin7.0和Microsoft Excel 2007进行统计分析,数据用平均值±标准偏差(n=3)表示。

2 结果与讨论

2.1 南极磷虾酶解液美拉德反应单因素实验

2.1.1 D-木糖添加量对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响 不同D-木糖添加量对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响见图1。随着D-木糖添加量的增加,美拉德反应程度提高,产生了更多的香味物质,感官评分上升;D-木糖添加量超过40 g/L,感官评分略有下降。在美拉德反应的过程中,随着还原糖添加量的增加,具有香味的小分子物质不断地生成,赋予美拉德反应产物良好的风味,达到反应平衡后反应速率降低,同时过量的木糖在反应过程中可能生成了不良气味的大分子物质,会影响美拉德反应产物的整体风味,使感官评分降低。最终确定D-木糖添加量为40 g/L。

图1 D-木糖添加量对美拉德反应产物感官评价的影响Fig.1 Effects of D-xylose on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.1.2 初始pH对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响 有研究发现,pH低于7.0时,美拉德反应主要产生糠醛或者羟甲基糠醛。当pH高于7.0 时,Amadori重排后反应产生还原酮,如丙酮醇、丙酮醛和双乙酰等,而这些物质进一步参与美拉德反应,使反应速率加快[25]。美拉德反应在偏碱性环境中反应较快,且碱性越高,反应速度越快。南极磷虾酶解液不同初始pH对美拉德反应的影响见图2。当酶解液pH5.0～8.0时,美拉德反应产物的综合评价缓慢上升;在pH8.0时反应产物的综合评价最好;之后随着pH的增加,综合评价得分降低,这可能是过高pH时产生的NH3较多,不利于风味物质的形成。综上,选定反应体系初始pH为8.0。

2.1.3 反应时间对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响 不同反应时间对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响见图3。当反应时间在40～80 min时,随着反应时间的延长,氨基酸和D-木糖不断反应,产生一系列吡嗪、吡啶、吡咯等含氮杂环化合物等小分子风味物质,感官评分增加,而反应时间超过80 min后,反应产物中明显带有焦糊的气味,感官评分降低。最终确定反应时间为80 min。

表3 美拉德反应正交实验设计表

图2 初始pH对美拉德反应产物感官评价的影响Fig.2 Effects of initial pH on sensory evaluation for Maillard reaction products

图3 反应时间对美拉德反应产物感官评价的影响Fig.3 Effects of reaction time on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.1.4 反应温度对南极磷虾酶解液美拉德反应的影响 温度是影响美拉德反应的重要因素,随着温度升高,D-木糖和氨基酸的反应速率也会提高,而且较高的温度有利于产生大量的挥发性物质。当反应温度超过180 ℃,就会产生较强烈的异味;温度过低,反应不充分,香气不够浓郁[26]。不同反应温度对南极磷虾美拉德反应产物感官评价的影响见图4,在80～110 ℃范围内,随着反应温度的升高,反应速度加快,同时也产生较多的香气物质,感官评分升高。当温度高于110 ℃时,会产生明显的焦糊味。综上,最终确定反应温度为110 ℃。

图4 反应温度对美拉德反应产物感官评价的影响Fig.4 Effects of reaction temperature on sensory evaluation for Maillard reaction products

2.2 南极磷虾酶解液美拉德反应正交实验

根据单因素实验结果,分别确定了D-木糖添加量、初始pH、反应时间、反应温度3个水平,进行L9(34)正交实验。实验安排见表3。

2.3 南极磷虾酶解液美拉德反应产物感官综合评价

2.3.1 美拉德反应产物评价因素的权重分布 感官评定员对4项风味质量影响因素的权重统计结果见表4。从结果可知,各感官评价员对色泽、气味、滋味和形态4个影响因素在南极磷虾美拉德反应产物风味质量中的权重分配有一定差异。每个质量因素权重得分除以总分100,得到质量因素的权重,即为:色泽(0.235)、气味(0.27)、滋味(0.32)、形态(0.125),因此南极磷虾酶解液美拉德反应产物的权重因子X=(0.235,0.27,0.37,0.125)。由统计结果可知,四个风味质量因素中权重最大的为气味和滋味,权重较小的是色泽和形态。

表4 评价美拉德反应产物各风味质量因素的权重分析

2.3.2 模糊矩阵建立结果 等级票数分布结果见表5。感官评定员对每组样品的色泽、气味、滋味、形态4个影响因素进行逐一评价,将样品的风味质量因素不同等级所得票数除以总票数可得到赞成比率。分别计算每个风味质量因素的赞成比率,得到模糊矩阵Aj,其中,j=1,2,3,…，9为样品编号,i为风味质量因素,ri1,ri2,ri3,ri4分别为第i个评价因素不同评价等级的赞成比率。

表5 不同美拉德反应条件下感官评定票数分布

根据以上规定,得到9组样品的模糊矩阵如下:

表6 各样品综合评价结果

图5为正交实验中9组实验的风味质量等级频率分布。可以看出第2,3,4,7组实验的等级评定在优与良之间,而第7组实验的等级评定为优,其优秀峰值为0.5135,比同等级的其他组均高。通过模糊综合评价结果可知第7组的实验结果较好,其工艺条件是:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反应时间90 min、反应温度105 ℃、食盐添加量20 g/L。

图5 样品频率分布Fig.5 Ratio distribution of different grades

2.4 最佳工艺验证

取南极磷虾低氟酶解液放入烧杯,反应条件为:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反应时间90 min、反应温度105 ℃、食盐添加量20 g/L。反应结束后立即用水冷却至室温,过滤得到美拉德反应产物。将样品稀释10倍后进行感官评价,结果见表7。

表7 美拉德反应产物最佳工艺感官评价票数分布

模糊矩阵经过模糊变换后得到综合评价结果:

3 结论

本实验中以南极磷虾酶解液为原料,在感官评价的基础上确定色泽、气味、滋味、形态为美拉德反应产物风味质量的评价因素;根据用户调查法得到影响因素的权重因子为X=(0.235,0.27,0.37,0.125),应用模糊数学感官评价体系得到南极磷虾酶解液美拉德反应的最佳工艺条件为:D-木糖添加量40 g/L、初始pH8.5、反应时间90 min、反应温度105 ℃、食盐添加量20 g/L。在此条件下,南极磷虾美拉德反应产物的感官等级评定为优,其优秀峰值为0.462。

传统的食品感官分析方法对食品质量的评判标准和品质变化难以精确把握,其诸多的主观因素会影响实验结果的精确性。将模糊数学理论应用于食品的感官评定,具有准确、快捷、方便等优点,更加客观的反映了有关因素对考察指标的综合影响程度,结果更加客观准确。将模糊数学应用于南极磷虾酶解液美拉德反应产物的感官评价,为南极磷虾深加工的应用与研究提供了参考数据。

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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

张迪(1991-),男,硕士研究生,研究方向:水产品加工与贮藏工程,E-mail:zjs578180838@sina.com。

*通讯作者:吉宏武(1962-),男,教授,研究方向:水产品加工与贮藏工程,E-mail:jihw62318@163.com。

广东省高等学校学科建设项目(2013CXZDA020);广东省产学研项目(2013B090600155);广东海洋大学创新强校基金项目(GDOU2013050314,GDOU2014050203)。

TS

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000