基于模糊數(shù)學評價法優(yōu)化凡納濱對蝦真空微波干燥工藝

（廣東海洋大學食品科技學院//廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室//廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心//水產(chǎn)品深加工廣東普通高校重點實驗室，廣東 湛江 524088）

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei），又稱南美白對蝦、白蝦，以其營養(yǎng)豐富、味道鮮美，深受消費者青睞，是我國主要養(yǎng)殖蝦類品種之一[1-4]。目前，凡納濱對蝦加工品主要以冷凍品為主，產(chǎn)品種類單一且運輸成本高，無法很好滿足消費者需求，因此拓寬對蝦加工途徑和改進加工工藝是對蝦加工研究的重要方向[5-7]。干制是蝦常見加工方式之一，蝦干制品風味獨特、流通方便、銷售量大[8-9]。真空微波干燥是微波系統(tǒng)與真空系統(tǒng)相結(jié)合的一種新型高效干燥技術(shù)。該技術(shù)使物料內(nèi)部的水分在較低的溫度條件下，通過微波作用迅速汽化和遷移，實現(xiàn)低溫干燥，避免物料中活性成分的氧化變質(zhì)，能較好地保持物料的原有特性[10-17]。目前真空微波干燥已被運用到獼猴桃、草莓、毛豆、甘薯、花椒、桃等果蔬加工領(lǐng)域[18-23]，但鮮見真空微波干燥技術(shù)應(yīng)用于對蝦干燥的報道。

在食品加工評價體系中，感官評價有重要作用。模糊數(shù)學感官評價法，利用人的邏輯思維方式對各種因素綜合考慮，使其評價結(jié)果更加準確、科學，此方法在食品工藝優(yōu)化等方面應(yīng)用廣泛且較成熟[24-25]。朱由珍等[26]通過模糊數(shù)學評價法得到凡納濱對蝦最佳真空油炸工藝；張迪等[27]通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到南極磷蝦酶解液的最佳脫氟工藝。本研究采用模糊數(shù)學評價法對不同真空微波干燥條件下的凡納濱對蝦進行感官評價，研究干燥條件與蝦干感官品質(zhì)的關(guān)系，旨在開發(fā)一種營養(yǎng)美味、方便貯存運輸?shù)募词澄r干食品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮凡納濱對蝦（40～50尾/kg）購于霞山水產(chǎn)品批發(fā)市場，加冰運至實驗室，選大小均勻的凡納濱對蝦作為實驗材料。食用鹽購自鼎盛卜蜂蓮花超市，無水檸檬酸（食品級）購于源隆食品有限公司。

主要儀器設(shè)備：FA 2004型分析天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），RWBZ-08S型真空微波干燥箱（南京蘇恩瑞干燥設(shè)備有限公司），JY 20002型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀（美國F.T.C公司），DZKW-0-2型電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1工藝流程 制備工藝參考潘創(chuàng)[28]的方法，并稍作改進，工藝流程：新鮮凡納濱對蝦→挑選、分級→瀝水稱量→水煮（NaCl濃度2 mol/L，溶液pH 4.0，加熱溫度80 ℃，加熱時間1 min，水料質(zhì)量比40∶1）→真空微波干燥。

1.2.2實驗設(shè)計

1.2.2.1單因素實驗 真空微波干燥法制備蝦干的條件為微波干燥時間20 min、干燥腔體積33 dm3，載裝量75 g、功率400 W、真空度0.08 MPa。固定其他條件不變，改變其中某個因素條件分別分析對蝦干感官評分、咀嚼性和中心溫度的影響。3個因素的梯度分別設(shè)置為載裝量25、50、75、100、125 g，加熱功率250、300、350、400、450 W，真空度0.075、0.080、0.085、0.090、0.095 MPa。凡納濱對蝦真空微波干燥處理后，對其色澤、滋味、香氣、組織質(zhì)地4個指標進行感官評定（表1），以這4個指標評分的加權(quán)平均分作為感官評分。

1.2.2.2響應(yīng)面優(yōu)化試驗 在1.2.2.1試驗的基礎(chǔ)上，以載裝量、加熱功率、真空度為自變量，感官評分為因變量，利用Design-Expert 10.0.7軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗，對凡納濱對蝦真空微波干燥工藝參數(shù)進行優(yōu)化。試驗因素與水平見表2。

表1 凡納濱對蝦真空微波干燥感官指標評分標準Table 1 Evaluation standard of sensory index of shrimp by vacuum microwave drying

表2 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.3蝦體中心溫度測定 將真空微波干燥箱自帶的溫度探針插入蝦體中，探針與紅外溫度指示器相連，實現(xiàn)溫度自動記錄。實驗過程中待溫度示數(shù)穩(wěn)定后，記錄該數(shù)值，即為蝦體中心溫度。

1.2.4咀嚼性測定 咀嚼性能夠反映食品的硬度、凝聚性及彈性特性，是食品重要的感官品質(zhì)之一。本試驗采用TMS-Pro物性測試儀進行質(zhì)構(gòu)測定。選取大小相近的真空微波干燥凡納濱對蝦，截取第三腹節(jié)，選用P/0.5柱形探頭，測試速度60 mm/min，測試形變量50%，重復3次。

1.2.5綜合模糊感官評定分析

1.2.5.1感官評定標準 參考Sallam[29]的方法，選食品專業(yè)10名學生（5男5女）組成感官評定小組，并進行與蝦干相關(guān)的食品感官評定培訓，要求評定小組成員在評價前12 h內(nèi)不得有食用刺激性食物、飲酒等行為，按表1進行感官評定。

1.2.5.2評定因素確定 確定凡納濱對蝦真空微波干燥4項評判指標組成的因素集，即U=(色澤u1，滋味u2，香氣u3，組織質(zhì)地u4)。

1.2.5.3評語集確定 感官評定小組成員對處理后的凡納濱對蝦質(zhì)量等級進行評定，確定凡納濱對蝦真空微波干燥的評語集為V=(很差v1，較差v2，一般v3，較好v4，很好v5)=(20分，40分，60分，80分，100分)。

1.2.5.4各因素權(quán)重集的確定 各因素在評定因素中的比重和影響即為權(quán)重，用K=（k1，k2，k3，k4）來表示評定對象的集合，且k1+k2+k3+k4=1。本研究中，權(quán)重因子的確定方法如下：選擇10名感官評定員對真空油炸對蝦的色澤、滋味、香氣和組織質(zhì)地等4個質(zhì)量因素在感官評價中的重要程度進行打分，總分為10分，最后各因素得分之和與總分100分的比值，即為各因素的權(quán)重因子。

1.2.5.5模糊關(guān)系綜合評判集 感官評價員對樣品的每個影響因素進行等級評定，統(tǒng)計影響因素在每個等級中的票數(shù)分布情況，將各等級的票數(shù)除以總?cè)藬?shù)得到樣品的質(zhì)量評價模糊關(guān)系矩陣。采用模糊數(shù)學方法處理凡納濱對蝦真空微波干燥的綜合評價結(jié)果，根據(jù)模糊矩陣變換原理，將權(quán)重矩陣K與模糊關(guān)系矩陣A相乘得到每組的評價結(jié)果Y，即Y=K×A。分析每組樣品的評價結(jié)果，優(yōu)秀峰值最大的樣品即可認為其風味質(zhì)量綜合評分最高，在此條件下的反應(yīng)工藝為最佳工藝。

1.3 統(tǒng)計與分析

每組試驗重復3次，試驗數(shù)據(jù)用Design-Expert 10.0.7、Excel 2016和Orgin 2017進行統(tǒng)計分析和響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官品質(zhì)評定結(jié)果

表3為10名感官評定員對凡納濱對蝦真空微波干燥4項品質(zhì)影響因素的權(quán)重統(tǒng)計結(jié)果。由表3可知，各感官評定員對色澤、滋味、香氣、組織質(zhì)地等4個影響因素的權(quán)重分配有一定差異。每個質(zhì)量因素權(quán)重得分除以總分100，得到各質(zhì)量因素權(quán)重，即色澤（0.335）、滋味（0.305）、香氣（0.215）、組織質(zhì)地（0.145）。其中，權(quán)重較大的為色澤和滋味，權(quán)重較小的是香氣和組織質(zhì)地。

表3 評價凡納濱對蝦真空微波干燥質(zhì)量因素的權(quán)重分布Table 3 Weight distribution of shrimp quality factors during vacuum microwave drying

2.2 單因素試驗結(jié)果與分析

2.2.1載裝量對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響 如圖1，在固定真空度0.095 MPa、功率250 W的條件下，當載裝量為75 g時，凡納濱對蝦真空微波干燥的感官評分達到最大值。載裝量過低或者過高時感官評分均較低。由于載裝量較低時，蝦體溫度上升較快，水分劇烈蒸發(fā)，致使蝦體出現(xiàn)爆頭、肉質(zhì)口感變差等問題；而載裝量較高時，蝦體溫度上升較慢，溫度較低，水分蒸發(fā)較慢，出現(xiàn)香氣不明顯等問題。

圖1 載裝量對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of load on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.2.2功率對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響 如圖2，在固定真空度0.095 MPa、載裝量75 g的條件下，當功率為400 W時，真空微波干燥凡納濱對蝦的感官評分達到最大值。隨著功率的增加，溫度呈現(xiàn)上升趨勢，而感官評分則是先升后降。在功率超過400 W時感官評分呈下降趨勢，主要是因為隨著功率的增加導致溫度升高過快而使水分劇烈蒸發(fā)，從而影響肉質(zhì)口感。

圖2 功率對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響Fig.2 Influence of power on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.2.3真空度對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響 如圖3，在固定功率250 W、載裝量75 g的條件下，當真空度為0.08 MPa時，真空微波干燥對蝦的感官評分達到最大值。隨著真空度的增大，溫度呈下降趨勢，主要是因為真空度的升高而導致壓強降低，進而溫度下降；感官評分的變化主要是因為功率的變化而導致水分流失速率的不同引起，進而影響肉質(zhì)口感。

圖3 真空度對凡納濱對蝦真空微波干燥品質(zhì)的影響Fig.3 Influence of vacuum degree on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.3.1模糊數(shù)學感官評定結(jié)果 感官評定人員對17組樣品進行打分，并統(tǒng)計匯總不同指標在各等級中的評定人數(shù)，得到凡納濱對蝦真空微波干燥感官評定結(jié)果（表4）。

2.3.2模糊矩陣的建立與結(jié)果 由表4可見，在評定小組10人中，1號樣品色澤評價結(jié)果中，很好、較好、一般、較差得票數(shù)分別為1、2、5、2，將1號樣品不同指標每個等級的票數(shù)除以評定總?cè)藬?shù)，即得1號樣品的模糊評價矩陣A1。

表4 凡納濱對蝦真空微波干燥感官評定結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of shrimp dried by vacuum microwave

同理可得其他樣品的模糊關(guān)系矩陣。

2.3.3模糊變換及綜合評價結(jié)果 以樣品1為例，權(quán)重矩陣K與模糊關(guān)系矩陣A1的乘積為樣品1的綜合評價Y1，即

同理可得其他樣品的綜合評價結(jié)果。

2.3.4Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果分析 設(shè)感官特殊性很好、較好、一般、較差、很差分別為100分、80分、60分、40分、20分，等級矩陣R=（100，80，60，40，20）與綜合評價結(jié)果Y的乘積即為模糊綜合評分T。以樣品1為例，T1=Y1×R=62.87，同理可得其他樣品的綜合評分(表5)。

2.3.4.1二次響應(yīng)面回歸模型的建立與分析 使用Design-Expert 10.0.7軟件對上述結(jié)果進行擬合分析，并剔除不顯著項，得到感官評分與影響凡納濱對蝦真空微波干燥因素的二元多次回歸方程：?＝84.588＋1.084A＋1.409B＋1.700C－7.353A2－8.793B2－13.860C2。

表5 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案與結(jié)果Table 5 Design and results of response surface analysis

由表6可知，回歸模型P＜0.01，失擬項P＝0.430 5 ＞0.05，證明該模型極顯著，擬合良好；相關(guān)系數(shù)R2＝0.9963，一次項（A、C）、二次項（A2、B2、C2）對感官評定影響極顯著（P＜0.01），一次項B對感官評定影響顯著，而交互項（AB、AC、BC）對感官評分影響不顯著（P＞0.05）。因此可用該模型預(yù)測和分析凡納濱對蝦真空微波干燥感官評分。

表6 回歸模型方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis for regression model

2.3.4.2響應(yīng)面與等高線分析結(jié)果 圖4－6是載裝量、功率、真空度三個因素以感官評分為響應(yīng)值的趨勢圖。載裝量和真空度交互作用對感官評分的影響最小。在低真空度區(qū)，感官評分隨載裝量和功率的增加而升高；在高真空度區(qū)，感官評分隨載裝量和功率的增加而降低。在低裝載量區(qū)，感官評分隨真空度和功率的增加而升高，在高裝載量區(qū)，感官評分隨真空度和功率的增加而降低。在低功率區(qū)，感官評分隨真空度和載裝量的增加而升高；在高功率區(qū)，感官評分隨真空度和載裝量的增加而降低。

2.3.4.3驗證試驗結(jié)果 用Design-Expert 10.0.7分析擬合方程，得出其最佳真空微波干燥參數(shù)為載裝量75 g，加熱功率400 W，真空度0.08 MPa。在此條件下，模型感官評分預(yù)測值為85.92分，對模型預(yù)測結(jié)果的準確性進行檢驗，在最佳參數(shù)條件下進行重復試驗，得到真實感官評分為（85.60 ± 0.07）分，與理論值無顯著差異，充分驗證了回歸模型的正確性，響應(yīng)面試驗設(shè)計合理。

圖4 載裝量和功率對真空微波干燥凡納濱對蝦感官評分影響的響應(yīng)曲面（左）和等高線（右）Fig.4 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of load and power on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

圖5 載裝量和真空度對真空微波干燥凡納濱對蝦感官評分影響的響應(yīng)曲面（左）和等高線（右）Fig.5 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of load and vacuum degree on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

圖6 功率和真空度對真空微波干燥凡納濱對蝦感官評分影響的響應(yīng)曲面（左）和等高線（右）Fig.6 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of power and vacuum degree on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

3 討論

真空微波干燥凡納濱對蝦是集營養(yǎng)美味與方便即食于一體的新型對蝦即食食品，不僅酥脆可口、方便運輸，還因水分含量低而耐貯藏，但目前關(guān)于真空微波干燥凡納濱對蝦的生產(chǎn)鮮見報道。本研究以感官評分最高為出發(fā)點，應(yīng)用模糊數(shù)學感官評分結(jié)合響應(yīng)面法確定最佳真空微波干燥凡納濱對蝦工藝條件。模糊數(shù)學感官評價法能夠極大消除評價員的主觀因素對感官評分的影響，且該評價方法方便、準確、有說服力，評價結(jié)果較為合理；響應(yīng)面優(yōu)化試驗僅需三因素三水平，操作簡便。本研究采用響應(yīng)面優(yōu)化試驗，可分析自變量間的交互作用對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，也能確保試驗實際值與理論預(yù)測值的誤差較小，具有操作簡單、工藝參數(shù)精確、結(jié)果顯示直觀的優(yōu)點。在常用的干燥技術(shù)中，晾曬干燥由于長時間暴露在空氣中，產(chǎn)品衛(wèi)生條件難以保證，且對環(huán)境依賴性大；熱風干燥雖然操作簡單、成本低，但產(chǎn)品品質(zhì)較差，易出現(xiàn)表皮硬化現(xiàn)象，熱敏性營養(yǎng)成分損失嚴重，色香味劣變；真空冷凍干燥能最大限度保留產(chǎn)品的色澤形態(tài)，但口感和風味較差，且生產(chǎn)成本高。本研究采用真空微波干燥技術(shù)對凡納濱對蝦進行處理，并通過單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化試驗對其工藝條件進行優(yōu)化，建立載裝量、功率、真空度三個因素對蝦干感官評分的回歸模型：＝84.588＋1.084A＋1.409B＋1.700C－7.353A2－8.793B2－13.860C2。驗證試驗表明，該模型可預(yù)測蝦干品質(zhì)的變化規(guī)律，適用于實際生產(chǎn)的預(yù)測。優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)為載裝量75 g，加熱功率400 W，真空度0.08 MPa，該真空微波干燥凡納濱對蝦工藝條件下感官評分為（85.6 ± 0.07）分，產(chǎn)品酥脆可口且色香味俱全。在實際生產(chǎn)中采用該工藝參數(shù)，可實現(xiàn)節(jié)約能耗、提高生產(chǎn)效率、操作簡單且容易控制的目標。

4 結(jié)論

通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到的真空微波干燥凡納濱對蝦工藝條件為載裝量75 g，加熱功率400 W，真空度0.08 MPa，在此條件下的感官評分為（85.6 ± 0.07）分，與理論預(yù)測值偏差小。響應(yīng)面法優(yōu)化真空微波干燥凡納濱對蝦工藝具有操作簡單、條件精確、結(jié)果直觀等優(yōu)點；建立的回歸方程能分析各因素對指標的影響規(guī)律，并可進行實際預(yù)測。