模糊数学结合响应面法优化番茄调味酱的配方

代文婷,吴 宏,*,邢丽杰,贾文婷,吴洪斌,马自强

(1.新疆农垦科学院农产品加工研究所,新疆石河子 832000;2.新疆农垦科学院农产品加工重点实验室,新疆石河子 832000;3.新疆农垦科学院,新疆石河子 832000;4.新疆冠农果茸集团股份有限公司技术中心,新疆库尔勒 841000)

调味酱含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪及微量元素,味道鲜美、方便食用、增进食欲,是极佳的日常佐餐[1-2]。随着生活水平的提高和健康意识的增强,调味酱种类多样化，风味也层出不穷,人们追求风味独特的同时,更关注营养功能。研制出风味独特、营养丰富的调味酱,已经成为众多业内人士研究的热点。

研究表明[3-5],食用番茄或番茄制品可以降低罹患心血管疾病和多种癌症的风险。番茄酱是一种浓缩番茄制品,富含的番茄红素具有清除自由基、抗氧化、降血脂、防治心血管疾病、提高免疫力等功效[6-8]。番茄酱作为一种重要的调味产品,在调味品行业中被广泛应用,相关调味酱产品主要有毛酸浆番茄复合调味酱[9]、大豆膳食纤维番茄酱[10]、花生芝麻番茄酱[11]、番茄辣酱[12]等。但其产品开发多是经过煮制加工,用植物油炒制的番茄调味酱较少,产品形式较为单一。在我国，番茄加工主要是以番茄酱为主的初级加工,调味番茄酱生产很少,远远不能满足消费者的需求。因此,研制出新口味、高质量的番茄调味酱对丰富调味酱品种、增加其营养价值,同时改善番茄酱单一口味和提高产品附加值等具有重要意义。

感官特性是评价番茄调味酱质量的一个重要指标,目前普遍采用的是传统感官评价方法对番茄调味酱进行评定,但食品的感官属性如色泽、气味、组织状态等,往往具有模糊性,传统的感官评价法主观性强、稳定性差,而模糊数学综合评定法可对这些属性作出定量化和数学化的描述,很大程度上克服了主观因素的影响,使评价结果更加客观科学[13-14]。模糊数学综合评定法已广泛应用于红烧肉[15]、麦麸香茶[16]、猪肉丸[17]等研究中,但在番茄调味酱中的应用研究鲜见报道。

将模糊数学综合评定法应用于番茄调味酱评价中可以综合考虑各感官属性对产品的影响,从而作出客观准确的评价。本研究拟通过模糊数学感官评定法结合响应面分析法,确定番茄调味酱的最佳配方,旨为番茄调味酱工业化生产提供理论依据,为番茄酱深加工提供新的思路和方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

原味番茄酱(可溶性固形物含量>28%) 新疆冠农果茸股份有限公司;豆豉、食盐、植物油、白砂糖、味精、5′-呈味核苷酸二钠、干辣椒块、辣椒粉、姜、蒜、花生、白醋、酱油(均为食品级) 市售。

HR-2006飞利浦打浆机 飞利浦电子香港有限公司;CH2176J电磁炉 广东格兰仕生活电器制造有限公司;家用炒锅 苏泊尔集团有限公司;YH-A2003电子天平 五鑫衡器有限公司;FA1104N型电子天平 上海民桥精密科学仪器有限公司;Waters Xevo TQ-S型LC-MS/MS仪 美国Waters公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 称量→调配→炒制→灌装→杀菌→冷却→检验→成品。

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 预处理 选择无腐烂的蒜、姜,去皮清洗后切成2 mm左右的小丁,将炒熟的花生去衣后切成2～4 mm的花生碎,待用。

1.2.2.2 调配 复合调味料配方按干辣椒块3%、味精2%、辣椒粉5%、5′-呈味核苷酸二钠0.1%,蒜丁4%、姜丁4%、白醋3%、酱油3%、白砂糖5%进行调配。

1.2.2.3 炒制 将锅加热后,倒入植物油,再倒入原味番茄酱、豆豉、复合调味料及5%花生碎,不断翻炒,以防粘锅,温度控制在120 ℃左右,10～15 min后放入盐,翻炒均匀后起锅,室温下静置冷却、灌装。

1.2.2.4 杀菌、冷却 将灌装好的番茄调味酱置于100 ℃沸水中杀菌30 min,采用分段冷却[18]的方式快速冷却至室温。

1.2.3 感官评定方法 由10名专业人员(5男5女)组成评价小组,按照番茄调味酱感官评价标准,见表1。分别从色泽、组织形态、滋味三方面评分,为提高评定的可信度,要求感官评定人员身体健康、无任何感觉方面的缺陷,在评定前1 h不喝酒,不吸烟,不吃辛辣等刺激性食物,评定过程中禁止相互讨论,评定一个样品后,需以清水漱口并间隔10 min再评定下一个样品[19]。

表1 番茄调味酱感官评定标准

1.2.4 模糊数学模型的建立 以色泽、组织形态、滋味3项指标组成因素集U={色泽u1,组织形态u2,滋味u3};以优秀、一般、较差为评语集V={优秀v1,一般v2,较差v3},以10分为标准,v1为7～10分,v2为4～6分,v3为1～3分,各级评语集对应的感官评定标准见表1。根据感官评定结果,建立3个单因素评价矩阵,用模糊数学评价方法进行分析。

1.2.5 单因素实验 根据复合调味料配方及工艺流程,以感官评分为考察指标,研究原味番茄酱、植物油、盐、豆豉的添加量(各原辅料添加量占番茄调味酱总量的比例,用百分数表示)对番茄调味酱感官评分的影响。

1.2.5.1 原味番茄酱添加量对番茄调味酱感官评分的影响 固定植物油30%,盐1%,豆豉5%,研究原味番茄酱添加量分别为10%、15%、20%、25%、30%时对番茄调味酱感官评分的影响。

1.2.5.2 植物油添加量对番茄调味酱感官评分的影响 固定原味番茄酱20%,盐1%,豆豉5%,研究植物油添加量分别为25%、30%、35%、40%、45%时对番茄调味酱感官评分的影响。

1.2.5.3 盐添加量对番茄调味酱感官评分的影响 固定原味番茄酱20%,植物油30%,豆豉5%,研究盐添加量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2%、2.5%时对番茄调味酱感官评分的影响。

1.2.5.4 豆豉添加量对番茄调味酱感官评分的影响 固定原味番茄酱20%,植物油30%,盐1%,研究豆豉添加量分别为5%、10%、15%、20%、25%时对番茄调味酱感官评分的影响。

1.2.6 响应面试验设计 在单因素实验基础上,以原味番茄酱添加量(A)、植物油添加量(B)、盐添加量(C)、豆豉添加量(D)为响应因素,以感官评分为响应值,采用Design-Expert V 8.0.6.1软件设计4因素3水平响应面分析试验,其因素与水平见表2。

表2 响应面试验因素水平表

1.2.7 理化指标及微生物指标检验 酸价参考GB5009.229的规定检验;过氧化值参考GB5009.227的规定检验;黄曲霉毒素B1参考GB5009.22的规定检验;菌落总数参考GB4789.2的规定检验;致病菌:沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌分别按GB/T 4789.4、GB/T 4789.5、GB/T 4789.10的规定检验。

1.3 数据处理

每组试验做3次平行,采用Origin 7.5作图,SPSS 20.0软件进行统计分析,结果用“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 感官评定结果

2.1.1 确定质量因素权重集X 试验采用用户调查法[13]确定色泽、组织形态、滋味3项指标的权重。随机选取10名不同专业和年龄阶段的评定员,根据个人喜好程度,对3项指标的重要性打分,总分100分。各项指标的得分与总分的比重即为权重,最后求出各项指标的权重平均值,结果见表3。

3项番茄调味酱的质量因素的权重集合为:X=(x1,x2,x3)=(0.26,0.29,0.45)。由表3可知,在3项影响番茄调味酱的质量因素中,滋味所占权重最大,其次是组织形态,权重最小的是番茄调味酱的色泽。这与张民等[20]对黑蒜酱质量因素权重的确定结果较为相似。

表3 番茄调味酱权重得分表

2.1.2 模糊矩正的建立及综合评价结果 由10名感官评价员对番茄调味酱样品进行感官评定,统计各个因素在每个等级中的票数分布。将各等级的票数除以总评定人数得到Cij(i=1,2,3…m;j=1,2,3…n),根据对各试验样品不同指标的得票结果,得到模糊关系矩阵。

其中k=1,2,3…t为样品编号,每一行代表一个评价因素的评价结果。依据模糊矩阵变换原理W=X×R,计算对第k号样品的综合评价结果Wk=X×Rk。

计算出各试验样品的综合评价结果后,对评价标准赋值(v1=9,v2=6,v3=3),二者相应相乘再相加[14],最终得出各组样品的综合感官评分Y。

2.2 单因素实验结果

单因素实验结果如图1A～D所示。如图1A所示,随着原味番茄酱添加量的增加,番茄调味酱的感官评分呈先增大后降低的趋势,当原味番茄酱添加量为20%时,感官评分达到最高值,继续增加原味番茄酱添加量至25%时,感官评分略有降低,差异不显著(p>0.05),若继续增加番茄酱添加量,感官评分明显降低。原味番茄酱的增多致使酱体组织状态粘稠成糊状[21],适口性变差,又出于工业生产中成本核算的考虑,后续试验中选择原味番茄酱添加量20%为宜。

如图1B所示,随着植物油添加量的增加,番茄调味酱的感官评分呈先上升后下降的趋势,当植物油添加量为35%时,感官评分达到最大值,若继续增加植物油,会使酱体变稀,适口性变差,综合感官评分下降。故而选择植物油添加量35%为宜。

如图1C所示,番茄调味酱的感官评分曲线呈先上升后下降的趋势,当盐添加量为1%时,感官评分达到最大值,而后随盐添加量的不断增加,适口性变差,感官评分逐渐下降,故选择盐添加量1%为宜。

由图1D可以看出,番茄调味酱的感官评分随豆豉添加量的增加呈先上升后下降的趋势,当豆豉添加量为10%时,番茄调味酱感官评分达到最大值,若继续提高豆豉添加量,感官评分则逐渐降低,豆豉的增多导致酱体色泽暗沉,组织状态粗糙,还会掩盖番茄酱的风味,综合考虑选择豆豉添加量为10%。

图1 单因素实验结果

2.3 响应面结果

2.3.1 响应面试验设计及结果 响应面法优化番茄调味酱的试验结果如表4。并对表4的试验数据进行多元回归拟合,得到感官评分Y对原味番茄酱添加量、植物油添加量、盐添加量、豆豉添加量4个因素的二次多项回归模型:

表4 响应面试验设计方案及结果

Y=8.42+0.48A+0.55B+0.14C-0.39D+0.43AB-0.44AC+0.07AD-0.6BC-0.11BD-0.034CD-1.29A2-1.05B2-0.95C2-1.42D2

对模型进行方差分析,结果见表5。

表5 回归模型的方差分析

从表5方差分析结果可以看出,模型极显著(p<0.0001),方差的失拟项不显著(p=0.1980>0.05),说明回归模型对响应值拟合良好;回归方程的决定系数R2=0.9503,相关性较好,能够反映出95.03%的响应值变化,可由方程中的4个因素解释[22-23]。从4个因素A、B、C、D对感官评分的影响来看,方程的一次项A、B和D的回归系数极显著(p<0.01),说明原味番茄酱、植物油和豆豉的添加量对番茄调味酱的感官评分均有极显著影响;所有二次项对番茄调味酱感官评分也均有极显著影响(p<0.01);交互项BC极显著(p<0.01),说明植物油和盐添加量的交互作用对番茄调味酱的感官评分有极显著影响;交互项AB和AC均极显著(p<0.01),说明原味番茄酱和植物油的添加量、原味番茄酱和盐的添加量均对番茄调味酱的感官评分有显著影响。由F值大小可知,4个因素对番茄调味酱感官评分影响的大小顺序为:植物油添加量>原味番茄酱添加量>豆豉添加量>盐添加量。

2.3.2 交互效应分析 图2为当原味番茄酱、植物油、盐、豆豉的添加量中任意两个因素为零水平时,其余两个因素间的交互作用对番茄调味酱感官评分的影响。番茄调味酱的感官评分随其中任意两个变量的增大呈上升趋势,达到某一定值时,曲面呈现下降或趋于平缓趋势。从响应面的陡峭程度分析[24]发现,图2(a)、图2(b)及图2(d)曲面陡峭,说明原味番茄酱与植物油添加量、原味番茄酱与盐添加量、植物油与盐添加量间的交互作用比较明显,这与表5中方差分析结果一致。

图2(a)为固定盐和豆豉添加量为零水平,原味番茄酱与植物油添加量对番茄调味酱感官评分的影响及两者之间的交互作用。当原味番茄酱添加量较低时,感官评分随植物油添加量的增加呈先上升后下降趋势,原味番茄酱添加量较高时,感官评分随植物油添加量增加先上升,达到某一定值时趋于平缓;固定植物油添加量不变时,感官评分随原味番茄酱添加量的增加呈先上升后下降趋势。综合响应面图看出,植物油添加量的上升幅度比原味番茄酱添加量稍陡峭,说明植物油添加量对番茄调味酱感官评分的影响比原味番茄酱添加量大。图2(b)为固定植物油和豆豉添加量为零水平,原味番茄酱和盐添加量对番茄调味酱感官评分的影响及两者之间的交互作用。番茄调味酱感官评分随原味番茄酱和盐添加量的增加呈先上升后平缓下降的趋势,且原味番茄酱添加量的上升幅度明显大于盐添加量的上升幅度,说明原味番茄酱添加量对番茄调味酱感官评分的影响比盐添加量大。图2(d)为固定原味番茄酱和豆豉添加量为零水平,植物油和盐添加量对番茄调味酱感官评分的影响及两者之间的交互作用。番茄调味酱感官评分随植物油和盐添加量的增加呈先上升后平缓下降的趋势,且植物油添加量的上升幅度明显大于盐添加量的上升幅度,综合说明植物油添加量对番茄调味酱感官评分的影响较大,这与方差分析结果一致。

图2 各因素交互作用对番茄调味酱综合评分影响的响应面图

2.3.3 验证试验 运用Design-Expert V 8.0.6.1软件对数据进行分析优化,获得番茄调味酱的理论最优配方为原味番茄酱添加量21.28%、植物油添加量36.73%、盐添加量0.95%、豆豉添加量9.27%,此时番茄调味酱感官评分为8.60分。为验证模型预测的准确性及可行性,选取原味番茄酱21%、植物油37%、盐1%、豆豉9%,做3次平行试验,得到番茄调味酱感官评分平均值约为(8.54±0.02)分,接近理论预测值,相对误差为0.68%,说明响应面分析法适用于番茄调味酱配方的优化研究。

2.4 理化指标及微生物指标检验结果

本研究参考胡金祥等[21]、翟众贵[25]的研究,并按照国标的方法测定了最优工艺配方下所制番茄调味酱的理化指标及微生物指标,测定结果见表6所示。番茄调味酱过氧化值为0.004 g/100 g、酸价3.5 mg/g,黄曲霉毒素B1未检出;菌落总数、致病菌的检测结果也均优于国家标准。番茄调味酱是个复杂的体系,其中物理、化学、微生物的变化反应都会发生,而这些反应对番茄调味酱的品质有直接影响,若产生有害成分,则会引发食品安全问题。为避免产品产生不良影响,在加工过程中要严格把控加工环境、卫生条件、操作方法和包装等因素。

表6 理化指标及微生物指标

3 结论与讨论

本试验采用模糊数学感官评定法与响应面分析法相结合,优化番茄调味酱配方,得到番茄调味酱的最优配方为原味番茄酱21%、植物油37%、盐1%、豆豉9%、干辣椒块3%、味精2%、辣椒粉5%、5′-呈味核苷酸二钠0.1%,蒜丁4%、姜丁4%、白醋3%、酱油3%、白砂糖5%及花生碎5%,此条件下番茄调味酱的感官评分为8.54±0.02分,与模型预测值非常接近,表明响应面法对番茄调味酱配方的优化是可行的。以上结果为今后番茄调味酱的工业化生产提供了理论依据。

其次,模糊数学感官评定法综合考虑了各相关因素对感官评分的影响,有效避免了评定员的主观性强、平均值离散程度大等缺点[26],将模糊数学应用于番茄调味酱的感官评价,使其评价值更加客观、准确。另有研究证明[27-29]豆豉中含有丰富的蛋白质、可溶性糖、矿物质等营养成分和大豆异黄酮、β-葡萄糖苷酶、抗菌素等生理活性物质,具有一定保健功能,经过油制还能产生风味活性物质。本研究中添加了一定比例的豆豉,充分利用了番茄酱和豆豉的营养保健优势,实施风味色泽互补,使研制出的番茄调味酱味美口香,既改善了番茄酱单一的口感,又丰富和强化了调味酱的种类及营养价值。而另一方面,加热或光照会促使番茄红素发生异构化和氧化降解,使得番茄红素呈色能力下降,甚至影响其保健功能[30-32],关于番茄调味酱炒制过程中番茄红素热降解动力学及其降解规律有待进一步研究。