基于模糊數(shù)學(xué)的蒲公英脆片微波真空膨化工藝的優(yōu)化

張云亮,竇博鑫,杜世琴,甘 志,陳青青,姜化林,孫 鵬,張 娜,劉 穎,*

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076;2.黑龍江省北大荒米業(yè)集團有限公司,黑龍江哈爾濱 150090)

我國蒲公英品種資源豐富,分布十分廣泛,一般根據(jù)產(chǎn)地可大體分為蒙古蒲公英、堿地蒲公英、東北蒲公英、內(nèi)蒙海拉爾、白緣蒲公英[1]等。蒲公英的營養(yǎng)豐富,且其根部含有蒲公英醇、甾醇、β-香樹脂醇、果糖、蔗糖及亞油酸;葉含有葉黃素、蝴蝶梅黃素、葉綠醇素等。蒲公英的植株中還含有一定量的黃酮類物質(zhì)[2],它不僅可作為保健食品開發(fā)的原料,還具有超高的藥用價值。目前,蒲公英除了藥用與直接食用之外,還涌現(xiàn)了蒲公英飲料、面包和面條等系列產(chǎn)品,但蒲公英膨化脆片產(chǎn)品在市場上未見出現(xiàn),其相關(guān)研究也未見報道。

蔬菜膨化脆片主要利用各類蔬菜為原料,直接切片或打漿后,加入各種調(diào)味劑混合,再在定型后利用真空冷凍、真空油炸、烘焙、熱風(fēng)和壓差等方法制成[3-5]。其主要特點為工藝要求嚴(yán)格,制作過程繁瑣,產(chǎn)品熱量高。微波膨化是將微波能量在到達(dá)物料深層后轉(zhuǎn)換成熱能,使物料深層的水分迅速蒸發(fā)并形成較高內(nèi)部蒸汽壓力,以迫使物料膨化,其加工時間短,且膨化、干燥和殺菌工藝能同時完成[6]。利用微波真空膨化技術(shù)制作的脆片不僅消除了油炸脆片可能產(chǎn)生致癌物的隱患,而且也克服了其他方法復(fù)雜且耗時的缺點,是一種可行的新型脆片制作方法。

模糊數(shù)學(xué)評價法已廣泛應(yīng)用于食品加工[7-8]、食品檢測[9-10]、工作評價[11-13]等多項研究領(lǐng)域。模糊數(shù)學(xué)感官綜合評價法,是通過模糊數(shù)學(xué)評價和分析對無法明確評價的食物進(jìn)行邏輯思維系統(tǒng)分析從而進(jìn)行評判的方法[14]。普通感官評價法易受到評價員的個人喜好、培訓(xùn)所接受程度等諸多不確定因素的影響,很難對產(chǎn)品進(jìn)行客觀而準(zhǔn)確的評價[15-18],通過模糊數(shù)學(xué)感官評分對食品各個影響因素進(jìn)行評價,可大幅度的降低評價過程中人為的主觀誤差,應(yīng)用于食品研發(fā)過程中多種不同的評價數(shù)字處理。

本研究以蒲公英為原料,采用微波真空膨化技術(shù),以模糊數(shù)學(xué)感官評價體系評分和產(chǎn)品脆度、模糊數(shù)學(xué)感官評分為指標(biāo),通過單因素和響應(yīng)曲面優(yōu)化實驗,對物料厚度、膨化時間、膨化功率、淀粉種類、豆粉與白砂糖等微波真空膨化工藝和產(chǎn)品配方進(jìn)行優(yōu)化研究,旨在提供一種綠色健康蒲公英休閑食品的制作方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮蒲公英(蒼葉蒲公英,TaraxacumglaucophyllumV.Soest) 市售;食鹽 鐵嶺市鹽業(yè)專營有限公司;白砂糖 上海市糖業(yè)煙酒集團有限公司;豆粉 黑龍江北大荒綠色食品有限公司;(玉米、馬鈴薯、豌豆)淀粉 滕州是寧源食品有限責(zé)任公司;醋酸鋅 分析純,北京化學(xué)試劑公司。

DJ12B-A11型豆?jié){機 九陽股份有限公司;ESJ180-4型電子天平 上海恒平科學(xué)儀器有限公司;P70F23P-G5(SO)型微波爐 廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司;SZ42S1型蒸煮鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司;DHG-9203A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HD580型潔凈工作臺 北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司;DHP-9162B型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠;220V-AC型電子調(diào)節(jié)萬用電爐 天津泰斯特儀器有限公司;BCD-216TSM型冰箱 美的集團有限公司;TA. new plus質(zhì)構(gòu)儀 上海瑞玢國際貿(mào)易有限公司;BA-2KW型微波真空干燥機 上海博奧微波能有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 蒲公英原料挑選→清洗→漂燙護色→打漿→調(diào)漿味→定型→微波膨化→冷卻→包裝→成品

1.2.2 操作要點 預(yù)處理:挑選新鮮無干葉的蒲公英,除去根部與大莖。后經(jīng)流動水清洗,以清除表面泥土雜物。

漂燙、護色:將經(jīng)清洗后的蒲公英放入加熱好的85 ℃清水(含0.05%的Zn2+)[19]中進(jìn)行燙漂和護色1 min,后撈出、瀝水。

打漿:將燙漂、護色后的蒲公英切成長度約為2 cm的小段,然后放入豆?jié){機進(jìn)行打漿,直至至黏稠無大顆粒狀,備用。

調(diào)漿味:將淀粉、白砂糖、豆粉、食鹽等加入已打好的蒲公英漿液中,進(jìn)行調(diào)味。

定型:將調(diào)好漿味的蒲公英置于鋪墊一層油紙的物料盒中,并使其均勻平整。每次裝載量約50 g,厚度為2～3 mm。

微波膨化:將定型好的蒲公英濕片,放入微波真空干燥機中,按照設(shè)定的時間及功率進(jìn)行膨化。

冷卻及包裝:膨化后脆片取出,冷卻至室溫后,選擇色澤均一,形狀良好的脆片進(jìn)行包裝。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 膨化時間 在真空度為-75 kPa、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、玉米淀粉7 g、白砂糖5 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同時間(30、35、40、45和50 min)。

1.2.3.2 膨化功率 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、蒲公英糊50 g、玉米淀粉7 g、白砂糖5 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同膨化功率(1300、1400、1500、1600和1700 W)。

1.2.3.3 白砂糖用量 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、玉米淀粉8 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同白砂糖用量(0、2.5、5、7.5和10 g)。

1.2.3.4 淀粉種類選擇 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、淀粉7 g、白砂糖7.5 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置3組不同種類淀粉(玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、豌豆淀粉)。

1.2.3.5 淀粉用量 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、白砂糖7.5 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同馬鈴薯淀粉用量(6、7、8、9和10 g)。

1.2.3.6 豆粉用量 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、馬鈴薯淀粉8 g、白砂糖7.5 g、食鹽0.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同豆粉用量(4、5、6、7和8 g)。

1.2.3.7 食鹽用量 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、馬鈴薯淀粉8 g、豆粉7 g、白砂糖7.5 g、脆片厚度2 mm的條件下設(shè)置5組不同食鹽用量(0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 g)。

1.2.3.8 脆片厚度 在真空度為-75 kPa、膨化時間40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、馬鈴薯淀粉8 g、豆粉7 g、白砂糖7.5 g、食鹽0.5 g、的條件下設(shè)置5組不同脆片厚度(1、2、3、4和5 mm)。

依照上述設(shè)計依次制作出38個樣品,進(jìn)行感觀評定并測定脆度，每個樣品脆片于同一脆片不同的三個點取樣,進(jìn)行測定各脆片脆度,指標(biāo)為三次測定的平均值。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 經(jīng)過單因素實驗之后,發(fā)現(xiàn)膨化功率、膨化時間、馬鈴薯淀粉用量對蒲公英脆片的影響顯著,故利用Box-Behnken中心組合實驗進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化實驗,以脆片脆度與模糊數(shù)學(xué)感官評分為指標(biāo),運用Design Export 8.0軟件,確定蒲公英脆片的加工配方及工藝條件。實驗設(shè)計各因素水平如表2:

表2 Box-Behnken 中心組合試驗因素與水平

1.2.5 模糊數(shù)學(xué)感官評價體系建立

1.2.5.1 感官評價方法 由食品工程學(xué)院老師和學(xué)生共10人組成的評價小組,分別對蒲公英脆片的組織狀態(tài)、色澤、滋味口感、氣味4個指標(biāo)進(jìn)行感官評價,將每個評價指標(biāo)以好、較好、一般、差4個等級進(jìn)行評定。蒲公英脆片產(chǎn)品品質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 蒲公英脆片評價標(biāo)準(zhǔn)

1.2.5.2 模糊數(shù)學(xué)感官評價體系建立 參考張鐘等[20]、劉加友等[21]的方法建立蒲公英脆片模糊數(shù)學(xué)感官評價體系。根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)評判標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定2個評定集:即設(shè)U=[組織狀態(tài),色澤,滋味口感,氣味]作為感官質(zhì)量指標(biāo)評價集;V=[好、較好、一般、差]作為評定等級集。

1.2.6 指標(biāo)脆度的測定 實驗選用質(zhì)構(gòu)分析儀測定其脆性。探頭型號:P/0.25S球形探頭,測試模式:下壓,測試前速度:1 mm/s;測試速度:0.5 mm/s;測試后速度:1 mm/s;下壓距離:5 mm。脆度的測定,將樣品固定在探頭的正下方進(jìn)行穿刺實驗,選取最大力的距離指標(biāo)進(jìn)行比較,最大力的距離是指脆片破裂時探頭所走過的距離,單位為mm,若距離值越小則脆度越大[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理,用Origin 2018軟件進(jìn)行圖表的繪制,用Design-Expert分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,無特殊說明,數(shù)據(jù)均為測定三次后的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊數(shù)學(xué)感官評價

2.1.1 評價結(jié)果 由10位評價人員對前期實驗38個樣品的四個指標(biāo)進(jìn)行評測,對評分結(jié)果進(jìn)行收集整理,得到對蒲公英脆片的感官評價結(jié)果(表3)。

表3 模糊數(shù)學(xué)感官評價結(jié)果

參照劉春鳳等[23]的方法,由評價人員對蒲公英脆片組織狀態(tài)、色澤、滋味口感、氣味4個指標(biāo)的重要性進(jìn)行評價,給出其所占產(chǎn)品重要性的比例,組織狀態(tài)0.1、色澤0.2、滋味口感0.5、氣味0.2,構(gòu)成評價體系的權(quán)重集A=(0.1 0.2 0.5 0.2)。

再通過比例集與等級集進(jìn)行相乘運算,得出1號蒲公英脆片模糊感官綜合評分T1=B1×D=100×0+80×0.09+60×0.4+40×0.51=51.6。同理可得T2～T38模糊感官綜合評分。

同上原理可得各評價集:

同上原理通過矩陣相乘B(比例集)=A(權(quán)重集)×R(評價集)可得各比例集:

B2=(0.16 0.17 0.36 0.37);B3=(0.84 0.12 0.04 0);B4=(0.23 0.02 0.17 0.58);B5=(0.24 0.1 0.11 0.51);B6(0 0.09 0.2 0.71);B7=(0.19 0.08 0.21 0.52);B8=(0.85 0.14 0.01 0);B9=(0 0.35 0.37 0.28);B10=(0 0.35 0.41 0.24);B11=(0 0.2 0.41 0.39);B12=(0 0.29 0.48 0.23);B13=(0 0.49 0.28 0.23);B14=(0 .56 0.29 0.15 0);B15=(0.27 0.38 0.27 0.08);B16=(0.18 0.2 0.43 0.19);B17=(0.78 0.19 0.07 0);B18=(0.11 0.22 0.30 0.37);B19=(0.14 0.08 0.18 0.6);B20=(0.06 0.18 0.43 0.6);B21=(0.58 0.3 0.07 0.05);B22=(0.16 0.12 0.31 0.42);B23=(0.09 0.09 0.44 0.38);B24=(0.07 0.18 0.42 0.33);B25=(0 0.4 0.16 0.24);B26=(0.07 0.3 0.35 0.28);B27=(0.34 0.38 0.28 0);B28=(0.14 0.3 0.5 0.06);B29=(0 0.2 0.49 0.31);B30=(0 0.28 0.46 0.21);B31=(0.13 0.42 0.33 0.12);B32=(0.37 0.54 0.09 0);B33=(0.2 0.43 0.37 0);B34=(0.36 0.27 0.20 0.17);B35=(0.76 0.21 0.03 0);B36=(0.03 0.32 0.41 0.24);B37=(0.04 0.38 0.42 0.16);B38=(0.12 0.21 0.30 0.37)。

由T=B(比例集)×D(評價等級集)矩陣的計算即可得到模糊數(shù)學(xué)感官評分(分):

T2=61.2;T3=96.0;T4=58.0;T5=60.6;T6=47.6;T7=58.5;T8=96.8;T9=81.6;T10=62.2;T11=56.2;T12=61.2;T13=65.2;T14=88.2;T15=76.8;T16=67.4;T17=97.2;T18=59.8;T19=55.2;T20=58.8;T21=88.2;T22=60.6;T23=57.8;T24=59.8;T25=63.2;T26=63.2;T27=81.2;T28=70.4;T29=55.8;T30=58.4;T31=71.2;T32=85.6;T33=76.6;T34=76.4;T35=94.6;T36=62.8;T37=66.0;T38=61.6。

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 膨化時間對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖1所示,隨著膨化時間的增加,感官評價得分逐漸上升至最大值后又下降。當(dāng)膨化時間達(dá)到40 min時,感官評價得分96.0最高,脆度1.71 mm最佳。當(dāng)膨化時間少于40 min時,達(dá)不到很好的膨化狀態(tài),脆片脆度差、質(zhì)地發(fā)軟,且風(fēng)味苦澀,當(dāng)膨化時間大于40 min時,膨化時間過長,脆片發(fā)生烤焦,無論感官口感都會急劇下降,故此,最佳膨化時間為40 min。

圖1 膨化時間對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.2 膨化功率對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖2所示,隨著膨化功率的增加,感官評價得分先逐漸上升至最大值后又下降。當(dāng)膨化功率達(dá)到1500 W時,感官評價得分96.8最高,脆度值1.69 mm最佳。這是因為當(dāng)膨化功率低于1500 W時,熱量較低,產(chǎn)能較少,達(dá)不到很好的膨化狀態(tài),且風(fēng)味較淡;膨化功率過大,脆片發(fā)生烤焦,同樣達(dá)不到很好的組織狀態(tài)和風(fēng)味,故此,最佳膨化功率為1500 W。

圖2 膨化功率對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.3 白砂糖用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖3所示,隨著白砂糖添加量的增加,感官評價得分先逐漸上升至最大值后又下降。當(dāng)添加量達(dá)到7.5 g時,感官評價得分88.2最高,脆度也最佳,蒲公英脆片的口感和風(fēng)味達(dá)到最佳,因此最佳白砂糖用量為7.5 g。

圖3 白砂糖用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.4 淀粉種類對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖4所示,淀粉種類不同,蒲公英脆片的感官評分也出現(xiàn)很大的差異。當(dāng)?shù)矸凼邱R鈴薯淀粉時,感官評價得分97.2分最高,脆度最優(yōu)。從實際效果來看,淀粉種類對該產(chǎn)品的感官評價得分影響非常明顯,且使用馬鈴薯淀粉蒲公英芽脆片的口感最佳,因此最佳淀粉原料為馬鈴薯淀粉。

圖4 淀粉種類對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.5 淀粉用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖5所示,隨著馬鈴薯淀粉添加量的增加,感官評價得分先逐漸上升到最高88.2分后又逐漸下降。當(dāng)馬鈴薯淀粉添加量為8 g時,感官評價得分與脆度最高;當(dāng)馬鈴薯淀粉添加量高于8 g時,脆片脆度下降,口感及感官評分也降低,原因可能是所含直鏈淀粉較高時不利于膨化[24],導(dǎo)致脆片較軟,脆性不好,從而影響脆片的口感,因此最佳馬鈴薯淀粉用量為8 g。

圖5 淀粉用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.6 豆粉用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖6所示,隨著豆粉添加量的增加,感官評價得分先逐漸上升至最大值后又下降。當(dāng)添加量達(dá)到7 g時,感官評價得分81.2最高,脆度最優(yōu)。當(dāng)添加量大于7 g時,脆片中糖分、蛋白質(zhì)含量過高,膨化效果較差。因此豆粉添加量為7 g時最佳。

圖6 豆粉用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.7 食鹽用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖7所示,隨著食鹽添加量的增加,感官評價得分先逐漸上升至最大值后又有所下降。當(dāng)食鹽添加量達(dá)到0.5 g時達(dá)到最大值,感官評價得分85.6最高且脆度及口感達(dá)最優(yōu)。食鹽添加量是影響微波膨化脆片品質(zhì)的一項重要加工工藝,通過食鹽添加量的改變,可以有效地提高脆片的整體口感。當(dāng)食鹽添加量小于或大于0.5 g時,脆片的感官評分降低,影響膨化效果。因此食鹽最佳用量為0.5 g。

圖7 食鹽用量對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.2.8 脆片厚度對蒲公英脆片品質(zhì)的影響 如圖8所示,設(shè)計不同物料厚度進(jìn)行膨化,評分先逐漸上升到達(dá)峰值會下降再穩(wěn)定,在厚度為2 mm時達(dá)到94.6 分。當(dāng)厚度大于3 mm時,不利于膨化,脆片膨化效果較差。厚度為2 mm時,膨化脆片的脆度效果最好,蒲公英脆片口感最佳。

圖8 厚度對蒲公英脆片品質(zhì)的影響

2.3 響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗結(jié)果

以蒲公英脆片脆度與模糊數(shù)學(xué)感官評分為指標(biāo)的響應(yīng)面試驗結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果

實驗以膨化功率、膨化時間、馬鈴薯淀粉用量作為自變量,以最大力的距離代表的脆度與模糊數(shù)學(xué)感官評分為響應(yīng)值,表4中5、6、8、11、16為中心試驗,其他的實驗組為析因試驗。采用Design-Expert 8.0.6軟件對表4脆度:Y1=1.71-0.068A-0.049B+0.011C+0.11AB+0.06AC+0.063BC+0.12A2+0.17B2+0.13C2。

數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合,得到以脆度與模糊數(shù)學(xué)感官評分為響應(yīng)值的二次多項回歸模型方程。

模糊數(shù)學(xué)感官評分:Y2=93.60+3.50A+2.00B-0.75C-5.50AB-4.00AC-3.50BC-5.05A2-9.55B2-7.05C2。

表5 脆度的方差分析

表6 模糊數(shù)學(xué)感官評分的方差分析

響應(yīng)面圖中曲面的陡峭程度可以表明變量對脆片質(zhì)量的影響程度,曲面較陡表明影響較大,反之則較小;而等高線圖反映了因素間交互作用的強弱大小,橢圓形表示交互作用顯著圓形表示交互作用不顯著[25],由表5對于脆度模型的二次回歸方程及方差分析及圖9可得,互交項AB、AC、BC具有極顯著的互交作用(P<0.01)。由表6對于模糊數(shù)學(xué)感官評分模型的二次回歸方程及方差分析及圖10可得，互交項AB、AC、BC具有極顯著互交作用(P<0.01)。

圖9 脆度雙因素交互作用響應(yīng)曲面

圖10 模糊數(shù)學(xué)感官評分雙因素交互作用響應(yīng)曲面

響應(yīng)面優(yōu)化以模糊數(shù)學(xué)感官評分與脆度為指標(biāo)進(jìn)行考察,且設(shè)定脆度占比30%,模糊數(shù)學(xué)感官評分占比70%。通過模型分析得:膨化時間、膨化功率對蒲公英脆片脆度與模糊數(shù)學(xué)感官評分影響顯著。從應(yīng)面陡峭程度分析,模糊數(shù)學(xué)感官評分變化更大,因此權(quán)重更大,符合試驗的設(shè)定。經(jīng)過軟件分析得出最優(yōu)膨化功率、膨化時間、淀粉用量為1512.872 W、38.368 min、8.617 g。為了方便實驗操作,將優(yōu)化參數(shù)改為膨化功率1513 W,膨化時間38 min,淀粉用量8.6 g。此時所得的脆片模糊數(shù)學(xué)感官評分為96分,脆度值為1.67 mm,均達(dá)到最優(yōu)。由此可見,優(yōu)化后的參數(shù)與實際操作的感官評價最優(yōu)結(jié)果基本吻合,優(yōu)化結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

在單因素實驗研究的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化,通過對模型的分析確定蒲公英脆片的最佳配方:50.00 g蒲公英漿糊,馬鈴薯淀粉8.6 g,食鹽添加量0.5 g,豆粉添加量7 g,白砂糖添加量7.5 g。蒲公英脆片最佳的工藝:脆片厚度為2 mm,膨化功率1513 W,膨化時間38 min,優(yōu)化后的結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相差較小,說明所建立的數(shù)學(xué)模型具有較高的可靠性。在微波真空的條件下制得的蒲公英脆片營養(yǎng)得到較大程度的保留,組織結(jié)構(gòu)較好,可為傳統(tǒng)的蔬果脆片加工提供一種新型的工藝參考。