基于模糊數學的蒲公英脆片微波真空膨化工藝的優化

張云亮,竇博鑫,杜世琴,甘 志,陳青青,姜化林,孫 鵬,張 娜,劉 穎,*

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

我國蒲公英品種資源豐富,分布十分廣泛,一般根據產地可大體分為蒙古蒲公英、堿地蒲公英、東北蒲公英、內蒙海拉爾、白緣蒲公英[1]等。蒲公英的營養豐富,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[2],它不僅可作為保健食品開發的原料,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,還涌現了蒲公英飲料、面包和面條等系列產品,但蒲公英膨化脆片產品在市場上未見出現,其相關研究也未見報道。

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,加入各種調味劑混合,再在定型后利用真空冷凍、真空油炸、烘焙、熱風和壓差等方法制成[3-5]。其主要特點為工藝要求嚴格,制作過程繁瑣,產品熱量高。微波膨化是將微波能量在到達物料深層后轉換成熱能,使物料深層的水分迅速蒸發并形成較高內部蒸汽壓力,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制作的脆片不僅消除了油炸脆片可能產生致癌物的隱患,而且也克服了其他方法復雜且耗時的缺點,是一種可行的新型脆片制作方法。

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

本研究以蒲公英為原料,采用微波真空膨化技術,以模糊數學感官評價體系評分和產品脆度、模糊數學感官評分為指標,通過單因素和響應曲面優化實驗,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品配方進行優化研究,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 鐵嶺市鹽業專營有限公司;白砂糖 上海市糖業煙酒集團有限公司;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任公司;醋酸鋅 分析純,北京化學試劑公司。

DJ12B-A11型豆漿機 九陽股份有限公司;ESJ180-4型電子天平 上海恒平科學儀器有限公司;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型恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;HD580型潔凈工作臺 北京東聯哈爾儀器制造有限公司;DHP-9162B型電熱恒溫培養箱 上海一恒科學儀器有限公司;LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;220V-AC型電子調節萬用電爐 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質構儀 上海瑞玢國際貿易有限公司;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→調漿味→定型→微波膨化→冷卻→包裝→成品

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

漂燙、護色:將經清洗后的蒲公英放入加熱好的85 ℃清水(含0.05%的Zn2+)[19]中進行燙漂和護色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,然后放入豆漿機進行打漿,直至至黏稠無大顆粒狀,備用。

調漿味:將淀粉、白砂糖、豆粉、食鹽等加入已打好的蒲公英漿液中,進行調味。

定型:將調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,按照設定的時間及功率進行膨化。

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、的條件下設置5組不同脆片厚度(1、2、3、4和5 mm)。

依照上述設計依次制作出38個樣品,進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,進行測定各脆片脆度,指標為三次測定的平均值。

1.2.4 響應面優化試驗 經過單因素實驗之后,發現膨化功率、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中心組合實驗進行響應曲面優化實驗,以脆片脆度與模糊數學感官評分為指標,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 模糊數學感官評價體系建立

1.2.5.1 感官評價方法 由食品工程學院老師和學生共10人組成的評價小組,分別對蒲公英脆片的組織狀態、色澤、滋味口感、氣味4個指標進行感官評價,將每個評價指標以好、較好、一般、差4個等級進行評定。蒲公英脆片產品品質評價標準見表1。

表1 蒲公英脆片評價標準

1.2.5.2 模糊數學感官評價體系建立 參考張鐘等[20]、劉加友等[21]的方法建立蒲公英脆片模糊數學感官評價體系。根據產品品質評判標準,設定2個評定集:即設U=[組織狀態,色澤,滋味口感,氣味]作為感官質量指標評價集;V=[好、較好、一般、差]作為評定等級集。

1.2.6 指標脆度的測定 實驗選用質構分析儀測定其脆性。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行穿刺實驗,選取最大力的距離指標進行比較,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 數據處理

實驗數據采用Excel 2010進行處理,用Origin 2018軟件進行圖表的繪制,用Design-Expert分析軟件進行數據分析,無特殊說明,數據均為測定三次后的平均值。

2 結果與分析

2.1 模糊數學感官評價

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

表3 模糊數學感官評價結果

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、色澤、滋味口感、氣味4個指標的重要性進行評價,給出其所占產品重要性的比例,組織狀態0.1、色澤0.2、滋味口感0.5、氣味0.2,構成評價體系的權重集A=(0.1 0.2 0.5 0.2)。

再通過比例集與等級集進行相乘運算,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學感官評分(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 單因素實驗結果

2.2.1 膨化時間對蒲公英脆片品質的影響 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。當膨化時間達到40 min時,感官評價得分96.0最高,脆度1.71 mm最佳。當膨化時間少于40 min時,達不到很好的膨化狀態,脆片脆度差、質地發軟,且風味苦澀,當膨化時間大于40 min時,膨化時間過長,脆片發生烤焦,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的影響

2.2.2 膨化功率對蒲公英脆片品質的影響 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。當膨化功率達到1500 W時,感官評價得分96.8最高,脆度值1.69 mm最佳。這是因為當膨化功率低于1500 W時,熱量較低,產能較少,達不到很好的膨化狀態,且風味較淡;膨化功率過大,脆片發生烤焦,同樣達不到很好的組織狀態和風味,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的影響

2.2.3 白砂糖用量對蒲公英脆片品質的影響 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。當添加量達到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味達到最佳,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的影響

2.2.4 淀粉種類對蒲公英脆片品質的影響 如圖4所示,淀粉種類不同,蒲公英脆片的感官評分也出現很大的差異。當淀粉是馬鈴薯淀粉時,感官評價得分97.2分最高,脆度最優。從實際效果來看,淀粉種類對該產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的影響

2.2.5 淀粉用量對蒲公英脆片品質的影響 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。當馬鈴薯淀粉添加量為8 g時,感官評價得分與脆度最高;當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的影響

2.2.6 豆粉用量對蒲公英脆片品質的影響 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。當添加量達到7 g時,感官評價得分81.2最高,脆度最優。當添加量大于7 g時,脆片中糖分、蛋白質含量過高,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的影響

2.2.7 食鹽用量對蒲公英脆片品質的影響 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。當食鹽添加量達到0.5 g時達到最大值,感官評價得分85.6最高且脆度及口感達最優。食鹽添加量是影響微波膨化脆片品質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的影響

2.2.8 脆片厚度對蒲公英脆片品質的影響 如圖8所示,設計不同物料厚度進行膨化,評分先逐漸上升到達峰值會下降再穩定,在厚度為2 mm時達到94.6 分。當厚度大于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的影響

2.3 響應曲面優化試驗結果

以蒲公英脆片脆度與模糊數學感官評分為指標的響應面試驗結果見表4。

表4 響應面試驗設計方案及結果

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學感官評分為響應值,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。

數據進行多元線性回歸擬合,得到以脆度與模糊數學感官評分為響應值的二次多項回歸模型方程。

模糊數學感官評分: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 模糊數學感官評分的方差分析

響應面圖中曲面的陡峭程度可以表明變量對脆片質量的影響程度,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對于模糊數學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曲面

圖10 模糊數學感官評分雙因素交互作用響應曲面

響應面優化以模糊數學感官評分與脆度為指標進行考察,且設定脆度占比30%,模糊數學感官評分占比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學感官評分影響顯著。從應面陡峭程度分析,模糊數學感官評分變化更大,因此權重更大,符合試驗的設定。經過軟件分析得出最優膨化功率、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,將優化參數改為膨化功率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學感官評分為96分,脆度值為1.67 mm,均達到最優。由此可見,優化后的參數與實際操作的感官評價最優結果基本吻合,優化結果可靠。

3 結論

在單因素實驗研究的基礎上,利用響應曲面法進行優化,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,優化后的結果與預期結果相差較小,說明所建立的數學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得到較大程度的保留,組織結構較好,可為傳統的蔬果脆片加工提供一種新型的工藝參考。