模糊数学评价结合响应面法优化马铃薯蛋糕加工工艺

辛世华,韩小珍

(1.宁夏工商职业技术学院旅游管理学院,宁夏银川 750021; 2.宁夏大学学术期刊中心,宁夏银川 750021)

马铃薯俗称土豆、洋芋、山药蛋、荷兰薯等,原产于南美洲安第斯山区,自17世纪传入中国。现已成为我国主要的粮食作物之一,也是重要的蔬菜、饲料和工业原料及多用途的高产、高适应性农作物[1]。马铃薯具有低热量、高蛋白等特点,同时含有多种维生素和矿物质,人体所需各种营养素几乎都具备,还含有抗坏血酸以及胡萝卜素等,具有强身益气、缓急止痛、和胃健脾等保健功效,被国内外营养学家誉为“十全十美的食物”。马铃薯的营养成分与葡萄、苹果、鸭梨、杏的营养成分相比,除了脂肪、粗纤维和VA较低之外,其他成分远远超过它们,特别是VC,其含量是这4种水果的7倍。马铃薯全粉具有低脂肪、低糖分的特点,并能最大程度的保持马铃薯中原有的维生素B1、维生素B2、维生素C和矿物质钙、铁、钾等营养成分,因此可加工为婴儿或老年消费者理想的营养食品。以马铃薯全粉为原料,开发各种高营养食品,广泛用于食品加工,如复合薯片、膨化食品、婴儿食品、快餐食品、速冻食品、方便土豆泥面包、饼干等。使用该产品,对于改善食品口感,调整食品营养结构有显著的促进作用,对于推进全营养膳食,改善我国人民的饮食结构、提高营养与健康水平具有重要意义。

在食品体系质量评价过程中,感官评价是评价食品质量的重要指标,但容易受到评价人员主观因素的影响,具有极大的不稳定性。因此,利用模糊数学评价法建立综合评价体系,对食品感官品质进行数学化和定量化描述,综合考虑各因素对整体效果的影响,进而利用模糊数学原理对产品的品质做出客观、准确的评价。已有学者利用模糊数学评定法优化了水晶虾仁浆液[2]、红枣脆片工艺[3]等的配方,评价木瓜脆片[4]、鲈鱼[5]等的品质。目前,对马铃薯蛋糕的模糊评价方法尚未见报道。

本文以马铃薯全粉为主要原料,通过单因素实验,确定实验因素的取值范围和编码水平;利用模糊数学法,计算出马铃薯全粉蛋糕的综合感官评分,以模糊综合评分Y为响应值,通过响应面分析,优化出马铃薯全粉蛋糕的最佳工艺条件,并对质构数据进行相关性分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯全粉 宁夏法福来食品股份有限公司;低筋面粉 潍坊风筝面粉有限责任公司;色拉油、白砂糖、全脂牛奶、鸡蛋、食用醋 润恒城农贸批发市场。

TA-XT plus质构仪(平底柱形探头P/35) 英国Stable Micro Systems有限公司;海式HO-405电烤箱 帝诺威(长沙)烘培用品有限公司;海式HM330打蛋器 青岛汉尚电器有限公司;蛋糕模具 帝诺威(长沙)烘培用品有限公司;SQP124电子天平 上海习仁科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 参照贺萍等[6]的制作工艺对马铃薯泥蛋糕制作工艺改动如下:

1.2.2 操作要点 蛋黄调糊:用手动搅打器将4个蛋黄(60～70 g)搅打均匀,颜色变浅后依次加入一定量的全脂牛奶、色拉油、一定量的白砂糖、低筋面粉,慢慢地搅匀至光滑细腻无颗粒感。

蛋白打发:蛋白pH在7.6～8.0,加入2～3滴食用醋调节蛋白pH至7以下,用搅打器搅打均匀后均分3次加入一定量的白砂糖,低速打至呈现纹路状态。最后加入一定量的马铃薯全粉,充分搅打,至无明显颗粒为止。固定方向搅打至蛋白糊成干性发泡状态。

混合调制:用刮刀取1/3蛋白糊加入到蛋黄糊中,用刮刀翻拌均匀;继续刮取1/3蛋白糊加入到蛋黄糊中,持续翻拌均匀;最后全部加入到蛋黄糊中翻拌均匀,倒入模具。

蛋糕烘烤、冷却:烤箱预热20 min。第1阶段:先关闭上火,底火温度160 ℃,烘烤时间35 min;第2阶段:上火温度调至120 ℃,底火温度不变,烘烤时间10 min。烤制结束后立即倒扣冷却。

1.2.3 单因素实验设计 在工艺条件和其他原料添加量相同的情况下,以马铃薯全粉、色拉油和白砂糖3个因素进行单因素实验。以100 g粉计,分析各个因素最佳添加量范围。马铃薯全粉、色拉油、白砂糖固定值分别为20%、50%、75%,按照表1依次改变其中一个因素的取值，进行单因素实验。

表1 马铃薯全粉蛋糕单因素水平Table 1 Single factor level of purple photo powders’ cake

1.2.4 响应面试验设计 在单因素实验基础上,采用Box-Behnken中心组合实验设计原理,选取马铃薯全粉(A)、色拉油(B)、白砂糖(C)3个试验因素,以感官评分(Y)为响应值,设计响应面试验,见表2。

表2 响应面试验因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface methodology

1.3 马铃薯蛋糕质构测定

模拟人口腔的咀嚼运动,对固体、半固体样品进行2次压缩,从而可以分析质构特性参数[7-8]。选取最优实验条件下的马铃薯蛋糕样本进行质构测定。去除周围蛋糕皮,切成3 cm×3 cm×3 cm块状测试样品。选用TPA模式,采用平底柱形探头P/35。测定条件:测前速率为1 mm/s,测时速率为1 mm/s,侧后速率为1 mm/s,下压距离为15 mm(50%),两次压缩间距为1 s,一次测定不同工艺条件下马铃薯蛋糕的硬度、粘度、弹性、粘聚性、胶黏性、咀嚼性、回复性。

1.4 模糊数学评价

参照Sallam[9]的方法。将烘烤好的蛋糕切成大小一致的方块,请10位食品专业人员(其中,男生4人,女生6人),从组织结构、色泽、口感、弹性4个方面对蛋糕进行感官评定,并做出评分[10]。将评分汇总,计算平均值。

1.4.1 因素集 马铃薯蛋糕的因素集为组织结构、色泽、口感、弹性。

1.4.2 评语集 该实验中马铃薯蛋糕的评语集V=(v1,v2,v3,v4,v5)。其中v1,v2,v3,v4,v5分别表示很好、好、一般、差、很差(其中,很好81～100分、好61～80分、一般41～60分、差21～40分、很差0～20分)。感官评定见表3。

表3 马铃薯全粉蛋糕感官评定表Table 3 Sensory evaluationTable of purple photo powders’ cake

1.4.3 权重集 该实验采用用户调查法来确定权重[11]。请10位感官评价人员,对马铃薯蛋糕的组织结构、色泽、口感、弹性4个因素,在所有因素中所占重要性程度的比率进行分析评价并打分。

1.4.4 隶属度及模糊矩阵 将10名感官评定人员的评价进行分析,统计各因素所得到评语的次数,绘制成表。将表中各因素所得评语次数除以人数10,得到4个因素对4项评语的隶属度。根据模糊变换原理,得到模糊矩阵Aj。

式中,j=1,2,3,4为样品编号;i=1,2,3,4,5为质量评价因素;ri1,ri2,ri3,ri4,ri5分别为第i个评价因素对各项评语的隶属度。

1.4.5 综合评分计算 将模糊向量单值化进行比较排序,设定很好80～100分、好60～80分、一般40～60分、差20～40分、很差0～20分[12]。将综合评定结果各个量分别乘以对应的分值后进行加和,最后得出每个产品的综合评分。

1.5 数据处理

采用Design-Expert 8.0.6进行响应面分析,Origin 8.5和SAS 9.2进行统计分析。所有数据重复测定3次,计算平均值,结果用“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 马铃薯全粉添加量对感官评分的影响 马铃薯全粉添加量对烘烤后马铃薯全粉蛋糕感官评分的影响结果见图1。

图1 马铃薯全粉添加量对感官评分的影响Fig.1 Effect of purple potato powders addition on sensory score

由图1可知,随着马铃薯全粉添加量的增加,马铃薯蛋糕感官评分先增加后缓慢降低。当马铃薯全粉含量增加,烘烤出的蛋糕内部网络结构较为紧密,有轻微粘牙,且弹性较小,结构疏松,弹性较小,黏度增加,不利于蛋糕的制作,感官评分降低。当马铃薯全粉为20%时,感观评定分最高,因此选择20%作为马铃薯全粉蛋糕的最佳添加量。

2.1.2 色拉油添加量对感官评分的影响 色拉油添加量对烘烤后马铃薯全粉蛋糕感官评分的影响结果见图2。

图2 色拉油添加量对感观评分的影响Fig.2 Effect of salad oil addition on sensory score

随着色拉油添加量的增加,马铃薯全粉蛋糕感观评分先增加后降低。当色拉油添加量为60%时,感官评分最高。色拉油的使用使马铃薯蛋糕的组织更加疏松,口感更加柔软,香味更加浓郁,改善蛋糕品质。

2.1.3 白砂糖添加量对感官评分的影响 白砂糖添加量对烘烤后马铃薯全粉蛋糕感官评分的影响结果见图3。

图3 白砂糖添加量对感观评分的影响Fig.3 Effect of white sugar addition on sensory score

白砂糖的添加可以增加马铃薯全粉蛋糕的风味,加深表皮颜色。白砂糖添加过多,美拉德反应过于剧烈,导致马铃薯全粉蛋糕颜色过深,口感甜腻,整体风味失衡。白砂糖添加过少,蛋糕口感无法达到要求,口感粗糙,颜色浅谈。当白砂糖添加比例为75%时,马铃薯蛋糕风味和颜色最佳。

2.2 模糊数学感官评价

2.2.1 马铃薯蛋糕感官评定指标权重结果马铃薯蛋糕感官评价指标权重统计结果见表4。从表4可看出,最终确立各向量的权重集X=(x1,x2,x3,x4)=(0.21,0.15,0.26,0.38)。

表4 马铃薯蛋糕质量因素的权重分布统计Table 4 Weight distribution and statistics of purple photo powders’cake quality factor

2.2.2 模糊数学评定结果 根据响应面试验方案的设计,制作出相应的17组产品。马铃薯蛋糕的质量因素的权重分布结果见表4。

以表4的1号样品为例,得到模糊评价关系矩阵A1。

同理可得到A2～A17。

2.2.3 模糊变换及综合评价结果 根据模糊变换原理,将综合评定结果中各个量分别乘以其对应的分值,并进行加和,得到每个产品的最后总分,结果见表5。

表5 响应面实验方案及结果Table 5 Experimental design and results for response surface analysis

2.3 响应面优化试验

2.3.1 响应面实验结果与分析 利用利用Design-Expert 7.0软件对模糊综合评价结果进行二次回归拟合分析,得到多元二次回归方程:Y=85.93-9.80A-3.07B+3.83C-1.14AB-2.07AC-2.93BC-5.06A2-7.06B2-7.27C2

由表6可知,马铃薯全粉添加量、色拉油添加量、白砂糖添加量对感官评分的影响均呈极显著。同时,除AB项之外各因素的交互作用对感官评分均有极显著影响。失拟项p=0.0548>0.05,模型不显著,表示模型预测值与实际值拟合程度高。因素F值的大小反映其对试验指标的重要性,F值越大,表明对试验指标影响越大[13]。对因素的影响程度进行分析,影响马铃薯蛋糕感官评分因素主次排列顺序应为:马铃薯全粉添加量>白砂糖添加量>色拉油添加量。

表6 回归模型的方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.3.2 因素间的交互作用分析 响应面曲线图是由响应值与任意2个试验因素构成的三维曲面图,可通过每个曲面的弯曲弧度来判断各因素之间的交互作用,弯曲程度越大,说明交互作用越强[14]。响应曲面的走势及坡度体现了试验因素对响应值的影响,曲面走势越陡峭,表明两因素交互效应对响应值的影响越显著,走势越平缓则与之相反。等高线的形状及疏密程度也可表示出两因素互作效应的强弱,等高线呈椭圆形且曲线密集体现其互作效应对响应值的影响显著,若为圆形且曲线稀疏则影响不显著。等高线则反映了两个因素交互作用的显著程度,越接近圆形交互作用越不明显。图4反映马铃薯全粉添加量、色拉油添加量、白砂糖添加量3个试验因素以感官评分为响应值的曲线图。

图4 两因素交互作用的响应面曲线图Fig.4 Response surface curve of two-factor interaction

由图4的响应面图可知,色拉油添加量与白砂糖添加量曲线弯曲程度最大,说明色拉油添加量、白砂糖添加量的交互作用最强。马铃薯全粉添加量与色拉油添加量曲线最为平缓,表明马铃薯全粉添加量与色拉油添加量的交互作用最不明显。

2.3.3 验证试验 通过数学模型对马铃薯全粉蛋糕加工工艺进行优化分析获得最佳工艺配方为马铃薯全粉20%、色拉油50%、白砂糖75%,预测感官评分最终得分为90分。在优化条件下进行3次重复验证实验,感官评价平均得分为(90.88±0.05)分,与模型预测值基本相符,说明该模型与实际情况较为拟合,优化所得的工艺参数合理、可靠,具有实用价值。

2.4 质构仪测定对马铃薯蛋糕的影响

2.4.1 马铃薯全粉蛋糕TPA图谱 图5马铃薯全粉蛋糕TPA图谱,表示马铃薯全粉蛋糕整段压缩过程,横坐标表示压缩时间(s),纵坐标表示压缩力(g)。图5中1～2段表示第1次压缩过程,其中第1段未出现图1典型TPA图谱中第1个峰值,说明马铃薯全粉蛋糕表面不具有脆性特征而是具有一定柔软度;图5中点2即为第1个峰值,表示压缩硬度,2～3段表示压缩到指定距离后返回段;图5中3～4表示第1次压缩结束至第2次压缩间隔,其中3～4段中在横坐标下部分表示:第1次压缩回到起始点后蛋糕由于力的作用继续向上作用而导致;图5中4～6段表示第2次压缩过程。其中,点5表示第2次压缩峰值。

图5 马铃薯全粉蛋糕TPA图谱Fig.5 Potato whole cake cake TPA map

2.4.2 马铃薯全粉蛋糕TPA试验分析 制作马铃薯全粉蛋糕进行TPA质构测定得出试验结果见表7。

表7 TPA物性测量参数Table 7 TPA property measurement parameters

通过SAS 8.2统计软件对物性测量参数进行分析见表8。

表8 物性测量参数特征值分析Table 8 Characteristic analysis of property measurement parameters

通过SAS软件对马铃薯全粉蛋糕质构检测参数分析[15],由表6得出第一主成分硬度、弹性与马铃薯全粉蛋糕关系较密切,第二主成分黏聚性、回复性与马铃薯全粉蛋糕关系较密切。所以主要从硬度、弹性、黏聚性和回复性对马铃薯全粉蛋糕进行分析。由表5可知,马铃薯全粉的添加量增加,蛋糕的硬度下降,黏聚性、回复性增加[8]。马铃薯全粉中的淀粉具有较好的黏附性能,使面筋相互粘合形成细腻的面团,可提高黏度[16]。马铃薯全粉不含面筋蛋白质,强吸水作用及全粉中蛋白质等物质,影响黏度值使其降低。所以马铃薯全粉在合适的范围内对蛋糕的制作有极大的作用。马铃薯全粉质量含量为20%为最佳。蛋糕中添加色拉油,使面筋蛋白和淀粉颗粒润滑柔软具有弹性,具有乳化性质可保留水分,改善蛋糕口感、增加风味。色拉油的质量含量为50%最佳。白砂糖在蛋糕中能增加风味、烘烤过程中形成美拉德反应改变表皮颜色,也能增加蛋糕柔软[17]。合适的白沙糖含量可使蛋清起泡更充分,白沙糖质量含量为75%为最佳。

3 结论

以马铃薯全粉为主要原料制作马铃薯全粉蛋糕,通过单因素与响应面试验及TPA质构检测,确定马铃薯全粉蛋糕最佳工艺。结果表明:马铃薯全粉对蛋糕的影响较大,其次是色拉油。通过TPA测定及SAS软件分析得出硬度、弹性、黏聚性、回复性与马铃薯全粉蛋糕关系较为密切。马铃薯全粉蛋糕最佳配比为:马铃薯全粉20%、色拉油50%、白砂糖75%,烘焙出的马铃薯全粉蛋糕具有良好的口感色泽及风味。