水中Ca2+,Mg2+，Na+对水豆腐品质的影响及两种模型优化Ca2+,Mg2+，Na+配比的对比

于政鲜，任 凯，陶 康，刘明伟，刘 通，王水兴

(南昌大学a.资源环境与化工学院，江西 南昌 330031；b.食品学院；c.中德联合研究院，江西 南昌 330047)

水豆腐的生产中水起着至关重要的作用。不同水质的硬度千差万别，主要原因是水中所含无机盐的种类和含量不同引起的[1]。研究表明，软水制作的水豆腐优于硬水制作的水豆腐。因为水中Ca2+、Mg2+和Na+等会降低大豆蛋白质的溶解度，减少水溶性蛋白质的含量，使水豆腐产量降低、硬度变大、结构变得粗老[2]。杨芳[2]等人通过研究发现金属离子种类和含量会对豆腐凝胶中水分状态产生明显的影响，从而影响豆腐品质。刘海杰[3]等探究弱电解水对豆腐品质的影响，发现电解产生的弱碱性或弱酸性水能显著影响大豆的吸水率、豆腐的得率、质构品质等。由于水豆腐的生产制作用水取自不同地方，各地水中Ca2+、Mg2+和Na+的浓度和比例不确定，且水豆腐品质受用水的影响较大，可以将水质调控作为改变水豆腐品质的方法，向去离子水中添加Ca2+、Mg2+和Na+，控制水质得到理想中的水豆腐品质。

质构仪是通过探头切割、挤压和拉伸进行测试，得到质构性质以及相关关系曲线的设备，广泛应用于食品物料的力学研究中[4]，如对食品的质构特性、硬度和断裂应力等参数进行测定，其中质构仪的TPA测试和穿刺测试是食品质构测定的常用模式。TPA测试主要是模仿人们咀嚼食物的过程，通过两次压缩样品并对柱形探头、锥型探头等常用探头受到的力与时间的图谱进行分析，得到物料的一系列参数[5]。穿刺测试被广泛应用于果蔬质地的仪器测定中[6-7]，是利用质构仪的圆形探头配合一个较大的、特定的力穿插至食物组织中，以达到预定的深度。近年来，正规的豆制品生产企业广泛替代家庭式的小作坊，然而目前还没有统一标准的水豆腐质构测定及评价体系，不同的TPA测试参数得出不同的测试结果，且人体感官评估与穿刺测试的流变参数密切相关，这会影响豆腐的研究进展，严重阻碍工厂大规模标准化生产豆腐。国内外研究通过利用质构分析和感官评价有效结合的方法综合评定食品，得出两者具有一定的相关性，从而得到一种具有统计意义的预测模型[8-9]，其中BP神经网络是使用最广泛的一种人工神经网络模型[10]。BP神经网络的主要特征是信号的正向传输和误差的反向传播，其近似函数可以用来建立各种预测模型[11-13]。目前人工神经网络已应用于农产品和食品质量的预测，获得了令人满意的结果。

本文借助TPA测试和穿刺测试，以Ca2+、Mg2+和Na+的含量为3个单因素，分别研究Ca2+、Mg2+和Na+的种类和含量对水豆腐质构指标的影响；通过BP神经网络预测模型得到Ca2+、Mg2+和Na+的最优配比及豆腐感官指标的预测值；根据Box-Behnken中心组合实验设计原理，采用3因素3水平的响应面分析方法进行优化[14]，得到Ca2+、Mg2+和Na+的最佳含量配比；对比两种模型使豆腐感官指标得分更可信，以此为水豆腐的生产应用和研究工作提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

大豆、无水氯化钙、氯化镁和氯化钠，江西宝灵科技发展有限公司；葡萄糖酸-σ-内酯，江西新黄海医药食品化工有限公司；消泡剂，河南省鹤壁宇康食品添加剂有限公司。

自分渣磨浆机，型号DM-Z80，河北铁狮磨浆机械有限公司；电子万用炉，型号161111509437949，北京市永光明医疗仪器有限公司；无极调速搅拌器，型号JJ-1，郑州长城科工贸有限公司；电子天平，型号HC2004，上海蒲春计量仪器有限公司；质构仪，型号Universal TA，上海腾拔仪器科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 水豆腐的制作

称取大豆250 g，在4 ℃温度下用配置好的含离子水浸泡12 h，按照5:1的比例将含离子水与沥干后的大豆混合并进行碾磨，用100目过滤筛过滤；在生豆浆加热5 min內加入适量消泡剂，豆浆冷却到80 ℃时用5 g葡萄糖酸-δ-内脂进行点脑，再放入80 ℃水浴锅中保温5 min；最后进行适量地压制成型。

1.2.2 TPA测试

用质构仪自带的取样器，取每块豆腐的中心区域，制作成高10 mm，直径40 mm的圆柱形豆腐样品。探头采用直径50 mm的柱形探头P50。

具体测试条件设置为：测试方向为平行方向；测试前和返回速度都设定为1 mm·s-1，测试中速度分别设定为3 mm·s-1；压缩比设定为35%；间隔的间设定为3 s；触发力为5 g；数据采集频率为200 Hz。考虑到豆腐样品的差异性，每个工况重复5次。

1.2.3 TPA测试图解曲线[15]

脆性：在第一次压缩周期中，曲线第一主峰上出现的肩峰，定义为脆性。硬度：第一次压缩时的最大峰所对应的力值。黏性：样品经过加压变形之后，样品表面若有黏性，会产生负向的力量，数值为面积3。弹性：样品在第一次压缩后能恢复的高度，用第二次压缩与第一次压缩的高度比值表示，即长度2/长度1。凝聚性：定义为第一压缩与第二压缩正受力面积的比值。即面积2/面积1。胶着性：用于描述半固体样品的黏性特性，数值上被定义为硬度x凝聚力。咀嚼性：为胶着性x弹性。可以解释为咀嚼固体食物所需的能量。回复性：第一下压时，压缩时和返回时的曲线所包裹的面积比值。在曲线上用面积5和面积4的比值来表示。

t/s

1.2.4 穿刺测试

用质构仪自带的取样器，取每块豆腐的中心区域，制作成高10 mm，直径40 mm的圆柱形豆腐样品。探头采用直径2 mm的柱形探头P2。

具体测试条件设置为：测试方向设定为平行方向；测试前速度为0.3 mm·s-1，返回速度都设定为0.5 mm·s-1，测试中速度设定是0.8 mm·s-1；触发力为5 g；数据采集频率为200 Hz。考虑到豆腐样品的差异性，每个工况重复5次。

1.2.5 穿刺测试图解曲线

根据已有穿刺测试的研究和豆腐自身的特点，得到豆腐穿刺测试的经典图解曲线，如图2所示。豆腐穿刺测试的4个阶段介绍:

第一阶段：探头接触到豆腐表面并不断下压至触发力，开始到达锚1处，在锚1处穿破豆腐表面，得到第一个高峰。把锚1处的力值定义为表面强度，把表面强度与运行距离的比值称为豆腐的韧性(N·mm-1)。

第二阶段：探头不断刺入豆腐过程中受到的阻力越来越大，直到达到锚2处，此时探头穿透了整个豆腐，得到第二个高峰。把锚2与锚1之间的平均力定义为豆腐的平均硬度(g)。

第三个阶段：探头穿透豆腐后持续下行，达到锚3处，此时当受到的力稳定不变时探头受到豆腐内表面的摩擦，称为粘性(g)。

第四个阶段：探头结束下行开始返回，刚好至豆腐的上表面处。

图2 穿刺测试图解曲线

1.2.6 豆腐感官评价

豆腐感官评定方法参照GB/T 14159。感官评价各指标含义及评定标准见表1。

表1 豆腐感官评价评分标准

1.2.7 BP神经网络预测感官评分

已建立的BP神经网络预测模型[16]采用3层BP神经网络：第一层为输入层，第二层隐含层，节点数均设置为8，第三层为输出层。在进行神经网络训练和预测前，将输入数据和输出数据进行归一化处理，归一化后的数据范围为[-1,1]。输入层到到隐含层的传递函数为tansig；隐含层到输出层的传递函数为purelin；训练函数采用trainlm；学习函数采用learngdm；net.trainParam.lr=0.05；训练次数为1 000；训练目标为0.01。

先对不同含量的Ca2+、Mg2+、Na+的水豆腐TPA测试和穿刺测试结果进行主成分分析，将3个主成分分析得分作为BP神经网络的输入变量，并将豆腐感官评价硬度、细度、断面结构、Q弹性和豆腐总体可接受性的结果用作输出变量。主成分1主要代表了TPA测试中的硬度、咀嚼性、胶着性，穿刺测试中的表面强度、平均硬度和黏性；主成分2主要代表了TPA测试中的凝聚性和回复性；主成分3主要代表了TPA测试中的弹性和穿刺测试中的韧性。

1.2.8 单因素实验设计

分别制备Ca2+、Mg2+、Na+的梯度溶液，并用蒸馏水作为溶剂制备每种离子溶液的梯度(表2)。

表2 Ca2+、Mg2+和Na+的浓度梯度 mg·L-1

1.2.9 响应面法优化实验

根据Box-Behnken中心组合实验设计原理，采用一种3因素3水平的响应面分析的方法。在单因素实验的基础上，自变量的实验水平分别用-1，0，1进行编码(表3)，并设计了17个实验点。

2 结果与分析

2.1 水中Ca2+含量的影响

2.1.1 Ca2+含量对豆腐TPA质构指标的影响

水豆腐中蛋白质所带负电荷通过相互作用力吸附Ca2+，使蛋白质之间通过钙桥相互连接，这样的连接使蛋白质发生相互交联作用，形成立体网状结构，改变水豆腐本身的结构[17]。

表3 响应面设计因素和水平

Ca2+/(mg·L-1)

图3表明中水中Ca2+含量对水豆腐TPA质构指标具有一定的影响。图A所示，随着水豆腐用水中Ca2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和胶着性呈现出相同的变化趋势，先升高后降低再升高，最终均有所加强。当Ca2+含量达到30 mg·L-1时硬度、咀嚼性和胶着性获达到最大值。图B表明，随着Ca2+含量的增加，水豆腐的弹性在Ca2+含量为20 mg·L-1开始下降，在Ca2+含量为30 mg·L-1时弹性值最小，再小幅度增加。而凝聚性和回复力先缓慢增加再下降，在Ca2+含量为30 mg·L-1时达到最大值。这可能是在一定范围内，随着水中Ca2+含量增加，使水豆腐结构更加紧实；当水中Ca2+含量继续增加，水中离子的总含量过大，可能破坏水豆腐原本的结构，影响豆腐的品质，所以水豆腐的TPA质构指标受Ca2+含量的影响程度不同。整体而言，随着Ca2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性、胶着性、弹性和凝聚性均有增加，回复力略有降低。

2.1.2 Ca2+含量对豆腐穿刺质构指标的影响

图4表明水中Ca2+含量对水豆腐穿刺测试指标具有一定的影响。图A表明，随着水中Ca2+含量的增加，水豆腐的表面强度和平均硬度发生相同的趋势变化，先增加后降低，Ca2+含量为30 mg·L-1时达到最大值。这是因为水豆腐的表面强度和平均硬度之间存在一定的关联性，一般而言，水豆腐的表面强度越大，其平均硬度越大。图B表明，水豆腐的韧性先保持不变，然后缓慢增加再减小，Ca2+含量为40 mg·L-1时达到最大值。而水豆腐的粘性与表面强度、平均硬度有着相同的变化趋势，且Ca2+含量为30 mg·L-1时达到最大值。当制作水豆腐的用水量过多时，容易使水豆腐成堆，使豆腐粘性下降。

Ca2+/(mg·L-1)

2.1.3 主成分分析分析Ca2+对豆腐感官指标的影响

表4 Ca2+对豆腐质构测地结果的因子旋转成分矩阵

2.2 水中Mg2+含量的影响

2.2.1 Mg2+含量对豆腐TPA质构指标的影响

张菊平等[18]研究镁元素对日光温室小白菜生长及品质的影响，得出在一定范围内，随着Mg2+浓度的增加，小白菜的产量和Vc含量均提高，从而改变小白菜的品质。该实验以含Mg2+的溶液作为泡豆和打浆的用水，相当于大豆在不断的主动或被动吸取Mg2+，从而改变用水中的矿物质成分，影响水豆腐的品质。

Mg2+/(mg·L-1)

图5表明水中Mg2+含量对水豆腐TPA测试指标具有较明显的影响。图A表明，随着用于制备水豆腐的水中Mg2+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和胶着性呈现出相同的趋势，先升高后降低，在Mg2+含量为12 mg·L-1时其最大值为695.00、806.45和851.66。图B表明，随着Mg2+含量的增加，水豆腐弹性基本上没有变化。凝聚性先稍微增加，再缓慢减小，并且总体趋势减小，在Mg2+含量为4 mg·L-1时其最大值为1.23。水豆腐回复性的总体变异性很小，先降低后增加，最后降低。

2.2.2 Mg2+含量对豆腐穿刺质构指标的影响

图6表明水中Mg2+含量对水豆腐穿刺测试指标具有较明显的影响。图A表明，随着水豆腐生产用水中Mg2+含量的增加，水豆腐的表面强度和平均硬度先升高后降低，并在Mg2+含量为12 mg·L-1时达到最大值，其值为7.53和7.72。图B所示，水豆腐的韧性整体呈下降趋势，其最小值和最大值分别为1.95和2.59；水豆腐粘度先呈上升趋势，在Mg2+含量为0～12 mg·L-1之间显着增加，在Mg2+含量为12～20 mg·L-1间略微降低。

Mg2+/(mg·L-1)

2.2.3 主成分分析Mg2+对豆腐感官指标的影响

表5 Mg2+对豆腐质构测地结果的因子旋转成分矩阵

2.3 水中Na+含量的影响

2.3.1 Na+含量对豆腐TPA质构指标的影响

豆腐因其高蛋白含量享有“植物肉[19]”的美称。低浓度的Na+可以促进蛋白质大分子的展开、聚集，增强蛋白质分子间的相互作用，从而改善豆腐的品质。在水豆腐制作用水中加入适量的Na+有利于豆腐形成的更加紧密均匀。

图7表明水中Na+含量对水豆腐TPA测试指标具有较明显的影响。图A的结果表明，随着Na+含量的增加，水豆腐的硬度、咀嚼性和胶着性先降低后升高。并在Na+含量为15 mg·L-1时，其达到最低值。图B所示，随着Na+含量的增加，凝聚力和回复力呈先升高后降低的趋势，在Na+含量为15 mg·L-1达到最大值，同时保持弹性基本上没有变化。随着Na+含量的增加，水豆腐的表面强度和平均硬度呈现出相同的趋势，先缓慢下降后突然增加，最低点和拐点在Na+含量为15 mg·L-1时出达到最大，而弹性基本保持不变。

Na+/(mg·L-1)

2.3.2 Na+含量对豆腐穿刺质构指标的影响

图8表明水中Na+含量对水豆腐穿刺测试指标具有较明显的影响。图A可知，随着Na+含量的增加，水豆腐的表面强度和平均硬度呈现相同的变化趋势，先缓慢降低后突然升高，在Na+含量为15 mg·L-1时达到最低点。图B表明，随着Na+含量的增加，水豆腐的韧性和粘度也呈现出相同的趋势，先缓慢上升后下降，并且Na+含量为15 mg·L-1时达到最大值。

Na+/(mg·L-1)

2.3.3 主成分分析Na+对豆腐感官指标的影响

表6 Na+对豆腐质构测地结果的因子旋转成分矩阵

2.4 BP神经网络预测豆腐感官指标得分

由表7中3个表的数据可知，当Ca2+、Mg2+、Na+的浓度分别为20，8，15 mg·L-1时，各离子含量现倒U型变化趋势，此时豆腐总体可接受性得分最高。

2.5 响应面分析

2.5.1 Box-Benhnken实验设计

采用Box-Benhnken实验设计理论，以水豆腐感官总体可接受性为响应值，选择Ca2+、Mg2+、Na+含量为影响因素，进行3因素3级响应面优化实验(表8)。

2.5.2 回归模型方差分析

表9可知，响应面模型对本实验拟合良好。模型具有P=0.001 1<0.01，表明该实验模型极显著。缺失项P=0.066 4>0.05，说明失拟项检验不显着。响应面实验中的拟合方程为：总体可接受性得分=6.40+0.11*A+0.46*B-0.46*C-0.77*A2-1.37*B2-1.61*C2+1.44*A*B-0.74*A*C-1.18*B*C，说明该拟合方程适合实验的拟合度，此实验方法可靠。因此该拟合方程可用于预测离子的最佳比例。

表7 不同的Ca2+，Mg2+，Na+浓度下BP神经网络预测豆腐感官指标得分

表8 响应面试验设计方案及结果

2.5.3 响应面图分析

图9表明，Ca2+、Mg2+和Na+3种阳离子之间的相互作用非常明显，因此底部轮廓线都是椭圆形的。而且响应表面的表面是陡峭的，这证明这3个离子对水豆腐的总体可接受性具有显着影响。使用Design-Expert 10.0软件分析可知，水豆腐总体可接受性最好时的最佳离子配比为Ca2+、Mg2+、Na+的含量分别为19.44，8.35，17.25 mg·L-1。

表9 回归模型方差分析

图9 两因素相互作用对豆腐总体可接受性影响的响应面图

3 结论

本文探究了Ca2+、Mg2+、Na+的种类和含量对豆腐质构指标和感官品质的影响作用。单因素试验初步得出Ca2+、Mg2+和Na+含量的改变均会不同程度的影响豆腐的质构的变化；利用所建立的BP神经网络系统预测水豆腐的感官评分，得出Ca2、Mg2+、Na+总体可接受性指标的最佳添加量分别是20，8，15 mg·L-1，且呈现倒U型变化趋势。利用Box-Benhnken响应面优化试验，得到最佳的感官总体可接受性的离子配比组合Ca2+、Mg2+、Na+的含量分别为19.44，8.35，17.25 mg·L-1；两种模型得出Ca2+、Mg2+和Na+的最佳配比相差无异。为了方便实验操作，简化Ca2+、Mg2+和Na+的最优含量为20，8和16 mg·L-1，此时水豆腐的总体可接受性预测值为6.95，实际的总体可接受性最大值为6.85±0.50，即水豆腐的总体可接受性预测最大值与实际的感官总体可接受性最大值接近，说明BP神经网络预测模型和响应面优化模型是的豆腐的感官指标得分更具有可信度。这为后续研究者制备豆腐的用水情况及评价其感官指标得分提供了一定的方向。