模糊数学感官评价法结合响应面法优化即食莲子片的工艺研究

孔祥佳,苏婉莹,吴水生

(福建中医药大学药学院,福建福州 350122)

莲子为睡莲科莲属(NympheaceaeNelumboAdans)水生草本植物荷花的种子,又称莲实、莲米、莲肉、莲蓬子,分布于全国各省市。莲子不但营养价值高,具有蛋白质、碳水化合物、维生素和钙、磷、铁、锌等微量元素[1-2],而且含有丰富的生物活性成分和较高的药理作用,富含多糖[3-4]、酚类物质[5]和超氧化物歧化酶[6],具有降血糖、抗氧化、抗衰老、免疫调节、美白抗皱、抗炎抗病毒和保肝护肝等功效[7]。福建是我国莲子分布较多且品质上乘的省份;据统计,2010年福建省莲子播种面积5.55千公顷,总产量6397 t,至2017年福建省莲子播种面积7.18千公顷,总产量12205 t[8]。随着莲子播种面积和总产量的增加,如何高效利用莲子资源、合理加工并丰富产品类型成为生产上亟待解决的问题。目前,莲子的加工产品主要有莲子粉、莲子饮料、莲蓉、莲子饼干等,有关即食莲子片的加工工艺及优化未见报道。即食食品是指将食品原料经预处理、调味、熟制、包装等工艺制作而成的食品,其携带食用方便、品种多样、安全卫生等特点已被广大消费者所青睐,亦满足人们快节奏的生活方式[9]。有关即食食品的报道已在即食笋片、即食香菇脆片等即食蔬菜以及即食牡蛎、即食虾仁等即食水产品中广泛运用[10-13]。

在食品加工过程中,感官评价占据主要地位。感官评价采用评分方式对加工食品的色、香、味、型进行等级划分,极易受主观因素的影响,评价结果误差较大。因此,为了弱化主观因素对加工食品感官评价的影响,得到较为科学和客观的评价结果,将模糊数学感官评价体系运用在食品加工领域,目前已在果汁饮料[14-16]、酱[17]、香菇菌汤[18]、饼干[19-21]等产品中应用。而有关即食莲子片的模糊数学感官评价方法未见报道。本实验以建莲子为试材,采用模糊数学感官评价法对即食莲子片进行感官评价,同时结合响应面法优化即食莲子片的加工工艺,以期获得最佳即食莲子片品质。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

莲子 福建南平建宁种植基地;糯米粉、食盐、白糖、味精等 均购于超市。

400Y型多功能粉碎机 永康市铂欧五金制品有限公司;DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;WZ-GDZ017型单缸电热炸炉 香港万卓国际集团有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 即食莲子片加工工艺

1.2.1.1 即食莲子片加工流程 调配→调浆→糊化→调粉→蒸汽熟化→老化→切片→干燥→油炸→脱油。

1.2.1.2 即食莲子片加工操作要点 调配调浆:将一定比例的莲子粉、糯米粉及1%盐、5%白糖、0.5%味精混匀,取全粉的20%以质量比1∶2加水调制成浆。糊化调粉:将浆加热搅拌至透明粘稠状,倒入剩余全粉,再加等量水搅拌成团。汽蒸:将面团用保鲜膜包裹好放入蒸锅中待上汽后汽蒸15 min。老化:将蒸好的面团放入4 ℃冰箱冷藏。切片干燥:将老化后的面团切成薄片,于50 ℃恒温箱内干燥2 h。油炸脱油:将莲子片均匀地放入油锅油炸。

1.2.2 单因素实验 分别考察莲子含量、老化时间、切片厚度、油炸温度和油炸时间对即食莲子片感官评分的影响。

1.2.2.1 莲子含量对即食莲子片的影响 以莲子粉+糯米粉=93.5%为基础,分别取40%、45%、50%、55%、60%、65%的莲子粉,再添加对应量的糯米粉,加入1%盐、5%白糖、0.5%味精,混匀,固定老化时间21 h,切片厚度0.75 mm,油炸温度170 ℃,油炸时间6 s。探讨莲子含量对即食莲子片感官评分的影响,通过模糊数学模型,得到模糊数学感官评分,其样品序号分别为1～6。

1.2.2.2 老化时间对即食莲子片的影响 取50%莲子粉和43.5%糯米粉,加入1%盐、5%白糖、0.5%味精,混匀,老化时间分别取18、19、20、21、22、23 h,固定切片厚度0.75 mm,油炸温度170 ℃,油炸时间6 s。探讨老化时间对即食莲子片感官评分的影响,通过模糊数学模型,得到模糊数学感官评分,其样品序号分别为7～12。

1.2.2.3 切片厚度对即食莲子片的影响 取50%莲子粉和43.5%糯米粉,加入1%盐、5%白糖、0.5%味精,混匀,固定老化时间21 h,切片厚度分别取0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm,油炸温度170 ℃,油炸时间6 s。探讨切片厚度对即食莲子片感官评分的影响,通过模糊数学模型,得到模糊数学感官评分,其样品序号分别为13～18。

1.2.2.4 油炸温度对即食莲子片的影响 取50%莲子粉和43.5%糯米粉,加入1%盐、5%白糖、0.5%味精,混匀,固定老化时间21 h,切片厚度0.75 mm,油炸温度分别取150、160、170、180、190、200 ℃,油炸时间6 s。探讨油炸温度对即食莲子片感官评分的影响,通过模糊数学模型,得到模糊数学感官评分,其样品序号分别为19～24。

1.2.2.5 油炸时间对即食莲子片的影响 取50%莲子粉和43.5%糯米粉,加入1%盐、5%白糖、0.5%味精,混匀,固定老化时间21 h,切片厚度0.75 mm,油炸温度170 ℃,油炸时间分别取4、5、6、7、8、9 s。探讨油炸时间对即食莲子片感官评分的影响,通过模糊数学模型,得到模糊数学感官评分,其样品序号分别为25～30。

1.2.3 响应面优化试验 根据单因素试验结果以及Box-Behnken试验设计原理,以莲子含量、油炸时间、切片厚度为主要考察因素,以模糊数学感官评价结果为指标,进行三因素三水平试验设计,从而优化即食莲子片的工艺条件。其响应面试验设计因素及水平见表1。

表1 响应面试验设计因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface experiments design

1.2.4 感官评价 来自食品科学与工程专业的教师和学生共10人组成的评价小组,分别对即食莲子片的质地、外观、色泽、口感、气味5个指标进行感官评价,对每个评价指标从很好、较好、一般、差、很差5个等级进行评定,其产品品质评价标准见表2。

1.2.5 模糊数学模型的建立 参照叶琳弘等[17]、张钟等[20]、吴靖娜等[22]的方法建立即食莲子片模糊数学感官评价方法。根据产品品质评判标准,设定2个评定论域:因素集,即感官质量指标集U=[A质地,A外观,A色泽,A口感,A气味];评语集,即感官质量评语集V=[很差、差、一般、较好、很好]。

采用用户调查法[17,23]请评价小组成员对即食莲子片的质地、外观、色泽、口感和气味5个因素在感官评价中所占权重进行打分,确定权重集a=(a1,a2,a3,a4,a5),且权重总和为1。

表2 产品品质评判标准Table 2 Standards of sensory evaluation for products

表3 即食莲子片感官评价结果Table 3 Results of sensory evaluation for instant lotus seed slices

模糊关系综合评价结果:b=a·R,其中a表示权重集,R表示评判矩阵。

2 结果与分析

2.1 模糊数学感官评价结果

由10人组成的评价小组对30个样品进行评价打分,将评价结果收集汇总并进行统计分析,得到即食莲子片感官评价结果,评价结果见表3。

2.2 模糊矩阵的建立结果

由表3可知,在10人组成的感官评价小组对样品1的质地进行评价中,有0人认为很好,5人认为较好,4人认为一般,1人认为较差,0人认为差,则A质地=[0 0.5 0.4 0.1 0],同理A外观=[0.1 0.2 0.7 0 0],A色泽=[0 0.1 0.6 0.3 0],A口感=[0 0.5 0.3 0.2 0],A气味=[0 0.2 0.7 0.1 0],把上述5个因素的评价结果写成样品1的评判矩阵,即为R1:

同理可得R2～R30样品的矩阵。

根据评价小组成员对质地、外观、色泽、口感、气味5个因素所占权重进行打分,确定权重集a=(0.1,0.1,0.2,0.4,0.2)。

将权重a乘以评判矩阵R进行模糊变换,即bi=aRi(i=1,2,…,30),可得到各个样品的模糊关系综合评价结果,该矩阵反映对样品进行感官评价时很好、较好、一般、差、很差的赞成比。以样品1为例,其模糊变换综合评价结果为:

b1=(0.1,0.1,0.2,0.4,0.2)

其中,b11=0.1×0+0.1×0.1+0.2×0+0.4×0+0.2×0=0.01,b12=0.1×0.5+0.1×0.2+0.2×0.1+0.4×0.5+0.2×0.2=0.33,b13=0.49,b14=0.17,b15=0,即b1=(0.01,0.33,0.49,0.17,0);上述结果表明,在该工艺条件下,样品1得到很好评价的赞成比为1%、较好的赞成比为33%、一般的赞成比为49%、差的赞成比为17%、很差的赞成比为0%。同理可得b2～b30样品的模糊关系综合评价结果。

2.3 单因素实验

2.3.1 单因素实验感官评价 根据评语集和评价指标等级分布,设定很好100分,较好80分,一般为60分,较差40分,差0分,即评价等级集K=(100,80,60,40,0)。

即食莲子片模糊综合评价得分T=b·K,由第1个样品b1=(0.01,0.33,0.49,0.17,0)可知,第1个即食莲子片样品的综合评分T1=0.01×100+0.33×80+0.49×60+0.17×40+0×0=63.6,同理可得到T2～T30样品的综合评分。根据各单因素综合评分探讨莲子含量、老化时间、切片厚度、油炸温度和油炸时间对即食莲子片感官评分的影响。

2.3.2 莲子含量对即食莲子片感官评分的影响 莲子中的淀粉以直链淀粉为主。由图1可知,当莲子含量在40%～45%时,随着莲子含量的升高,即食莲子片的感官评分逐渐增加;即莲子含量为45%时,即食莲子片的感官评分达到最高,为67.8分;但随着莲子含量持续增加,即食莲子片的感官评分快速下降。这说明面团内直链淀粉含量的多少会影响即食莲子片的软硬度。当面团内莲子含量过低或过高时,会导致其质地偏软或偏硬,从而影响感官评分。因此,选取莲子含量为40%～50%进行响应面优化试验。

图1 莲子含量对即食莲子片感官评分的影响Fig.1 Effect of lotus seed content on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.3 老化时间对即食莲子片感官评分的影响 由图2可知,当老化时间在18～22 h时,即食莲子片的感官评分逐渐增加;即老化时间为22 h时,即食莲子片的感官评分达到最高,为68分;但随着老化时间持续增加,即食莲子片的感官评分略微降低。这可能是由于老化时间越长,面团内淀粉微晶束越多、凝胶网络越密集,导致其质地变硬,从而影响口感[24]。但因老化时间对即食莲子片的感官影响变化幅度较平缓,故优化试验时选定22 h为最优老化时间。

图2 老化时间对即食莲子片感官评分的影响Fig.2 Effect of aging time on sensory score of instant lotus slices

2.3.4 切片厚度对即食莲子片感官评分的影响 切片厚度对即食莲子片的感官影响比较大。由图3可知,当切片厚度在0.5～1 mm时,即食莲子片的感官评分逐渐增加;即当切片厚度为1 mm时,即食莲子片的感官评分达到最高,为76.4分;但随着切片厚度继续增加,即食莲子片的感官评分快速下降。这是由于切片厚度较薄时,热量传递到莲子片中心的距离小,在相同油炸时间下,即食莲子片出现轻微的焦味;而当切片厚度过厚时,热量传递到莲子片中心的距离变大,热量在物料内部传递时不断损耗,导致在相同油炸时间内即食莲子片中心部分热量不足,从而出现夹生的现象[25]。因此选择切片厚度为0.75～1.25 mm进行响应面优化试验。

图3 切片厚度对即食莲子片感官评分的影响Fig.3 Effect of slice thickness on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.5 油炸温度对即使莲子片感官评分的影响 由图4可知,当油炸温度在150～190 ℃时,即食莲子片的感官评分逐渐增加;即油炸温度为190 ℃时,即食莲子片的感官评分达到最高,为75.6分;当油炸温度继续增加,即食莲子片的感官评分下降。这与油炸温度高,传热推动力大,传热速度快有关,从而影响即食莲子片的硬度、质地等感官品质[26]。但因油炸温度对即食莲子片的感官影响变化幅度相对较小,故优化试验时选定190 ℃为最优油炸温度。

图4 油炸温度对即食莲子片感官评分的影响Fig.4 Effect of frying temperature on sensory score of instant lotus seed slices

2.3.6 油炸时间对即食莲子片感官评分的影响 由图5可知,油炸时间在4～8 s时,即食莲子片的感官评分快速增加;当油炸时间为8 s时,即食莲子片的感官评分达到最高,为72.8分;而随着油炸时间继续增加,即食莲子片的感官评分略有降低。这是由于油炸时间过短,热量传递不充分,导致即食莲子片出现不熟、夹生现象;但油炸时间过长,会因过度传热而出现焦味,从而影响感官评分。所以选择油炸时间为7～9 s进行响应面优化试验。

图5 油炸时间对即食莲子片感官评分的影响Fig.5 Effect of frying time on sensory score of instant lotus seed slices

2.4 响应面试验结果

2.4.1 Box-Behnken试验设计及结果 根据单因素试验结果及分析,鉴于老化时间和油炸温度对即食莲子片感官评价的影响较小,故采用响应面法优化即食莲子片工艺时,考察莲子含量、油炸时间、切片厚度对其感官评分的影响。试验设计方案及数据处理结果见表4。

表4 响应面试验设计方案及数据处理结果Table 4 Design and results of response surface experiments

2.4.2 模型建立及显著性分析 按照Box-Behnken试验设计的统计学要求,对上述17组试验数据进行二次多元回归拟合,获得即食莲子片感官评分(Y)对自变量莲子含量(A)、油炸时间(B)、切片厚度(C)的多元回归方程:

Y=87.00-2.65A+1.05B-9.20C-1.15AB+3.35AC+1.85BC-8.58A2-12.28B2-12.87C2

该二次多元回归方程中,各项系数的绝对值大小反映了各个因子对即食莲子片感官的影响程度,正、负号反映其影响方向。其中,方程的一次项系数大小决定了各影响因子对即食莲子片感官的影响程度;由回归方程可知,各个因子对即食莲子片感官的影响程度为:切片厚度>莲子含量>油炸时间。

为检验该二次多元回归方程的有效性,进一步对即食莲子片的显著性和多元回归模型的方差进行分析,其分析结果见表5。

表5 回归模型方差分析结果Table 5 Analysis of variance for the regression model

图6 加工条件对即食莲子片感官评分交互影响的曲面图及等高线图Fig.6 Surface and contour plots mutual influence for the processing conditions on sensory score of instant lotus seed slices

注:*表示差异显著,即P<0.05;**表示差异极显著,即P<0.01。

回归方程的A、C对响应值Y的影响极显著(P<0.01),B对响应值Y的影响不显著(P>0.05);回归方程的二次项A2、B2、C2对响应值Y的影响均极显著(P<0.01);交互项AB、BC对响应值Y的影响不显著(P>0.05),AC对响应值Y的影响显著(P<0.05)。

2.4.3 响应面交互作用分析 响应面图是回归方程的直观体现;若响应面图曲面坡度陡峭、等高线呈椭圆形表示两因子交互作用大;若响应面图曲面坡度平缓、等高线呈圆形表明两影响因子交互作用小[27-28]。

由图6可知,即食莲子片加工过程中的参数变化对其感官评分的影响不同。其中,图6(a)、(b)表明莲子含量和油炸时间对即食莲子片感官评分的影响,其响应面图曲面坡度平缓,等高线趋于圆形,说明莲子含量和油炸时间对即食莲子片感官评分的交互影响弱,交互作用不显著。图6(c)、(d)表明莲子含量和油炸厚度对即食莲子片感官评分的影响,其响应面图曲面坡度陡峭,等高线趋于椭圆形,说明莲子含量和油炸厚度对即食莲子片感官评分的交互影响大,交互作用显著。同理,由图6(e)、(f)可知油炸时间和油炸厚度对即食莲子片感官评分交互影响较小。

2.4.4 工艺参数优化及模型验证 由等高线和响应面分析,响应面图曲面都是开口朝下的抛物曲面,说明所考察指标存在最大值。运用Design-Expert分析软件求出被检变量的最优组合,即莲子含量为43.84%、油炸时间为8.02 s、油炸厚度为0.90 mm。在此操作条件下,即食莲子片的感官评分为89.0935分。

为了验证预测值与实测值之间的拟合程度及方程的有效性,进行验证试验。但考虑到操作的可行性,对自变量值进行修正:莲子含量为44%、油炸时间为8 s、油炸厚度为0.90 mm。将以上数值代入拟合的二次回归方程,计算得出即食莲子片感官评分为 89.0756分。在此条件下,经过3次平行实验,感官评分为89.0分,接近模型预测值。因此认为,本试验所建立的数学模型是合适有效的。

3 结论

本试验将模糊数学感官评价法与响应面法结合,优化即食莲子片的最佳工艺配方。在固定老化时间为22 h、油炸温度为190 ℃的条件下,获得即食莲子片的最优工艺参数为:莲子含量为43.84%、油炸时间为8.02 s、油炸厚度为0.90 mm;考虑到试验的可操作性,最优工艺参数调整为莲子含量为44%、油炸时间为8 s、油炸厚度为0.90 mm。通过验证,实际值与模型预测值拟合度高,利用该模型分析即食莲子片感官评分的变化可靠度高。

本工艺所得到的即食莲子片厚度适中,形状规则,表面无油脂析出;色泽均匀,无焦、生现象;口感好,不粘牙,且带有淡淡的莲子味;因此可采用感官模糊综合评价法与响应面优化法相结合优化即食莲子片的加工工艺,所得即食莲子片色、香、味、形具佳。