模糊數(shù)學(xué)結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化空氣炸蝦條工藝

佘敏，熊光權(quán)，白嬋，周淼，李北平，廖濤

湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所（武漢 430064）

克氏原螯蝦又稱(chēng)小龍蝦，原產(chǎn)于北美洲，富含蛋白質(zhì)與微量元素硒等。但占比70%～80%的蝦殼、蝦腳及內(nèi)臟等未能充分資源化利用，造成嚴(yán)重浪費(fèi)[1]。蝦殼富含甲殼素、蛋白質(zhì)、鈣等[2]。Thammahiwes等[3]的研究表明蝦殼粉能夠在一定程度上改善小麥面筋復(fù)合材料的拉伸性能，加工利用蝦殼副產(chǎn)物具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景[4]。食品感官評(píng)價(jià)能夠較完整地從色澤形狀等方面評(píng)價(jià)產(chǎn)品的感官特征。但由于評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)過(guò)于主觀，可以考慮通過(guò)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)行更科學(xué)客觀的描述[5]。Duan等[6]將模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法應(yīng)用于山楂干的感官評(píng)價(jià)，將模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法與響應(yīng)面法相結(jié)合，可以更準(zhǔn)確地確定產(chǎn)品的優(yōu)化配方或者工藝。

空氣炸鍋?zhàn)鳛橐环N傳統(tǒng)油炸工藝的替代方法，通過(guò)循環(huán)密閉容器內(nèi)的熱空氣流來(lái)對(duì)食品進(jìn)行油炸工藝，可以減少食品內(nèi)脂肪含量，且最終的感官特性與傳統(tǒng)油炸方式相似[7]。此次試驗(yàn)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行感官評(píng)分，并結(jié)合響應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化，期望得到一種風(fēng)味良好且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的休閑產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

克氏原螯蝦、食鹽、食用玉米油、低筋小麥粉，市售。

BJ-1000A型多功能粉碎機(jī)（德清拜杰電器有限公司）；WF-250型超微粉碎機(jī)（濟(jì)南天方機(jī)械有限公司）；Vortex2型旋渦混合器（德國(guó)IKA艾卡集團(tuán)）；TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó) Stable Micro Systems公司）；HD9651型空氣炸鍋[飛利浦（中國(guó)）投資有限公司]；FD5-2.5型真空冷凍干燥機(jī)（GOLD-SIM美國(guó)金西盟國(guó)際集團(tuán)中國(guó)分公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

挑選活潑整蝦，用鹽水洗凈放入蒸鍋隔沸水蒸15 min，之后選擇龍蝦蝦頭蝦背蝦鉗部位的蝦殼冷凍干燥，經(jīng)機(jī)械粉碎后再超微粉碎30 min，得到蝦殼粉，通過(guò)粒徑分析儀測(cè)得蝦殼粉粉體的平均粒度為11.7 μm。

蝦條制備工藝：小麥粉+淀粉+蝦殼粉+水+油揉成面團(tuán)→搟平切條→空氣炸鍋炸制→包裝。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別測(cè)定蝦條的膨化率、硬度、韌性，并采用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。考察加水量（20%，21%，22%，23%，24%，25%和26%）、加油量（8.5%，9.5%，10.5%，11.5%，12.5%，13.5%和14.5%）、蝦殼粉添加量（2.3%，3.1%，3.8%，4.6%，5.4%，6.2%和6.9%）、炸制時(shí)間（3，4，5，6，7，8和9 min）與炸制溫度（170，175，180，185，190，195和200 ℃）對(duì)蝦條理化特性和模糊感官評(píng)分的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇加水量、蝦殼粉添加量和炸制溫度為自變量，以綜合評(píng)分（式1）為響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。因素水平編碼設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表

1.2.4 膨化率的測(cè)定

采用小米置換法[8]，并作出相應(yīng)的修改。測(cè)量炸制前蝦條生胚的長(zhǎng)寬厚度，計(jì)算體積，記為V0。將石英砂和膨化后的蝦條放入10 mL量筒中，并使用混勻儀將蝦條與石英砂混合均勻，讀出此時(shí)的體積（V1）。再將蝦條取出，混勻，讀出只有石英砂的體積（V2），按照式（2）計(jì)算膨化率。

1.2.5 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

采用p/2n探頭做穿刺試驗(yàn)，得到硬度和韌性結(jié)果。具體設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量參數(shù)

1.2.6 感官評(píng)價(jià)

感官評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法。評(píng)定小組共10名成員，以色澤、氣味、口感、形狀為因素集，以很好、正常、一般、較差為評(píng)語(yǔ)集，建立4個(gè)單因素評(píng)價(jià)矩陣，采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法對(duì)其感官分析評(píng)定，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 蝦條感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.7 建立模糊數(shù)學(xué)模型

評(píng)價(jià)因素集是對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)定因素的集合[9]，以色澤u1、氣味u2、口感u3、形狀u4構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集u={u1，u2，u3，u4}；評(píng)語(yǔ)集是被評(píng)對(duì)象所屬質(zhì)量等級(jí)的集合。以很好w1、正常w2、一般w3、較差w4構(gòu)成評(píng)語(yǔ)集w={w1，w2，w3，w4}權(quán)重系數(shù)采用用戶調(diào)查法，權(quán)重集k={k1，k2，k3，k4}，其中k1+k2+k3+k4=1。請(qǐng)10名感官評(píng)定人員針對(duì)色澤、氣味、口感、形狀在感官評(píng)定過(guò)程中的重要性進(jìn)行打分，總分為10分，得出每個(gè)評(píng)價(jià)因素的總分除以100，得到每個(gè)因素的權(quán)重因子[10]，K={0.25，0.27，0.36，0.12}。

模糊數(shù)學(xué)關(guān)系綜合評(píng)判集Z=k×A。其中：k為質(zhì)量因素權(quán)重集，A為模糊關(guān)系矩陣。為計(jì)算方便，建立評(píng)價(jià)等級(jí)集T={100，80，60，40}，Y=T×Zj。其中：Y為模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)分。綜合評(píng)分H=S（膨化率）×70%+Y（感官評(píng)分）×30%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)5次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 25、Origin 9進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與圖表分析，Design-Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊矩陣的建立及結(jié)果

以加水量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響為例，得到模糊評(píng)價(jià)關(guān)系矩陣A1～A7。根據(jù)模糊變換原理，將感官評(píng)定結(jié)果中的各個(gè)量分別乘以其對(duì)應(yīng)的權(quán)重得到對(duì)應(yīng)的分值，并乘以評(píng)價(jià)等級(jí)集T進(jìn)行加和得到最終的感官評(píng)分值。其他因素與響應(yīng)面分值同理可得。

2.2 單因素結(jié)果分析

2.2.1 加水量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

由圖1可知，隨著加水量的增加，硬度逐漸下降，韌性先下降后上升，膨化率與感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)蝦條中含水量較高時(shí)，蝦條硬度較低，說(shuō)明蝦條質(zhì)地較軟，過(guò)高的加水量對(duì)其口感及膨化率均造成一定的影響。當(dāng)產(chǎn)品中水分含量過(guò)低時(shí)，沒(méi)有足夠的水分形成蒸汽來(lái)將產(chǎn)品中的淀粉組織膨化起來(lái)。如果產(chǎn)品中水分含量過(guò)高，也沒(méi)有辦法在短時(shí)間中將過(guò)多的水分氣化排出去，造成產(chǎn)品膨化不起來(lái)[11]，口感不理想。結(jié)合感官評(píng)分、硬度與韌性，選擇加水量23%～25%為較優(yōu)水平。

圖1 加水量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

2.2.2 加油量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

由圖2可知，硬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，韌性在整體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。膨化率與感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在蝦條的制作過(guò)程中，加入玉米油是為了潤(rùn)滑及柔和口感，隨著加油量的增加，感官評(píng)分及膨化率均有變大[12]，說(shuō)明油的增加在一定程度上改善了蝦條的口感，蝦條酥性得到一定的改善。根據(jù)Laguna等[13]的研究，當(dāng)脂肪含量增加時(shí)，硬度隨之減小。加油量過(guò)高時(shí)，蝦條炸制以后油腥氣增加，致使感官評(píng)分降低。因此，選擇11.5%～13.5%為加油量的最適宜條件。

圖2 加油量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

2.2.3 蝦殼粉對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

由圖3可知，隨著蝦殼粉的添加量增大，硬度、韌性、感官評(píng)分與膨化率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。由于蝦殼粉中蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的持水性，易于和面團(tuán)中的面筋結(jié)合，可有效抑制水分的流失，但隨著添加量的增加，面筋網(wǎng)絡(luò)變小，面團(tuán)的黏性減小，膨化率后期逐漸降低。Khan等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，蝦片中蝦殼粉含量增加時(shí)，其蛋白質(zhì)含量增加，但蝦腥氣增加，風(fēng)味、口感等反而下降，此結(jié)論與上述結(jié)果相似。因此當(dāng)蝦殼粉添加量處于4.6%～6.2%之間時(shí)，產(chǎn)品的膨化度與感官評(píng)分較為良好。

圖3 蝦殼粉量對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

2.2.4 炸制時(shí)間對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

由圖4可知，隨著時(shí)間的增加，蝦條硬度逐漸增加，而韌性無(wú)明顯變化，當(dāng)油炸時(shí)間過(guò)短時(shí)，蝦條炸制時(shí)間不夠，面團(tuán)中水分含量較高，所以硬度較低。而膨化度和感官評(píng)分先上升后下降，炸制時(shí)間不夠，無(wú)法將產(chǎn)品內(nèi)水分充分氣化使其膨脹，導(dǎo)致膨化率較低，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，蝦條色澤與口感隨之變化，感官評(píng)分降低。結(jié)合膨化率與感官評(píng)分，選擇5～7 min為炸制適宜時(shí)間。

圖4 炸制時(shí)間對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

2.2.5 炸制溫度對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

由圖5可知，膨化率和感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，可能是由于溫度過(guò)低，產(chǎn)品內(nèi)水分氣化速率較慢，短時(shí)間內(nèi)形成的噴射壓力較低，導(dǎo)致產(chǎn)品的膨化率較小。當(dāng)溫度過(guò)高，達(dá)到190 ℃以后，蝦條表面色澤出現(xiàn)焦黃色，產(chǎn)品感官評(píng)分變低，且可能由于溫度變高，產(chǎn)品表面硬化，影響了蝦條的繼續(xù)膨化，導(dǎo)致蝦條膨化率逐漸降低[15]。所以當(dāng)炸制溫度處于175～185 ℃之間時(shí)，產(chǎn)品的膨化度和感官評(píng)分較好。而硬度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，可能是由于隨著溫度的增加，產(chǎn)品中水分減少，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊致，導(dǎo)致產(chǎn)品硬度增大。

圖5 炸制溫度對(duì)蝦條的品質(zhì)影響

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 方差分析和回歸方程建立

響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。利用Design-Expert軟件對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到多元二次回歸方程：Y=26.08+0.02A+1.17B-0.16C+0.087AB-0.21AC-0.11BC-0.62A2-0.64B2-1.25C2。

表4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

方差分析結(jié)果如表5所示。模型p值為0.000 1＜ 0.01，說(shuō)明該二次多元方程模型達(dá)到極顯著水平，而模型失擬項(xiàng)為0.067＞0.05，說(shuō)明模型失擬項(xiàng)不顯著，該模型表示模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值擬合程度高。根據(jù)因素F值的大小可以確定影響蝦條綜合評(píng)分的因素主次排列順序：蝦殼粉添加量＞炸制溫度＞加水量。該模型相關(guān)系數(shù)R2為0.973 1，擬合優(yōu)度R2為0.938 6，信噪比為14.7，大于4，說(shuō)明可以用該模型對(duì)蝦條的綜合評(píng)分進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。在該模型中，對(duì)綜合評(píng)分影響顯著的因素有B、A2、B2、C2，而其他交互項(xiàng)與一次項(xiàng)對(duì)綜合評(píng)分影響不顯著。

表5 方差分析結(jié)果

2.3.2 響應(yīng)面結(jié)果分析

圖6為加水量、炸制溫度與蝦殼粉添加量等各因素對(duì)產(chǎn)品膨化率和模糊感官評(píng)分的綜合評(píng)分交互作用的響應(yīng)曲面圖。曲面越陡峭，說(shuō)明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著[16]。綜合圖中交互作用影響趨勢(shì)，結(jié)果表明影響蝦條綜合評(píng)分的因素大小順序?yàn)槲r殼粉添加量＞炸制溫度＞加水量，與方差分析結(jié)果一致。

圖6 各因素對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分交互作用的響應(yīng)曲面圖

2.4 最優(yōu)工藝參數(shù)驗(yàn)證

通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到的蝦條配方工藝條件為加水量24.099%、蝦殼粉添加量5.372%、炸制溫度179.446 ℃，此條件下綜合評(píng)分預(yù)期為26.896分。考慮操作可行性，將加水量調(diào)整為24.1%、蝦殼粉添加量為5.4%、炸制溫度調(diào)整為180 ℃。進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，蝦條的綜合評(píng)分為26.83分，與預(yù)期值基本相符。表明采用響應(yīng)面法優(yōu)化蝦條配方及工藝是可行的，且具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法，以模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法對(duì)蝦條的感官評(píng)分結(jié)合膨化率所得的綜合評(píng)分為響應(yīng)值，確定了最佳的加水量、蝦殼粉添加量和炸制溫度：加水量24.1%、蝦殼粉添加量5.4%、炸制溫度180 ℃。在這個(gè)條件下，蝦條綜合評(píng)分為26.83分。通過(guò)空氣炸鍋得到的蝦條加工工藝簡(jiǎn)單，感官品質(zhì)良好，經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化后的工藝方案切實(shí)可行。