基于模糊數(shù)學(xué)和響應(yīng)面法的超高壓嫩化河蚌肉的感官評價

張斌,孫蘭萍,胡海燕,許暉,屠康

1(蚌埠學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，安徽 蚌埠，233030) 2(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院， 江蘇 南京，210095)

基于模糊數(shù)學(xué)和響應(yīng)面法的超高壓嫩化河蚌肉的感官評價

張斌1*,孫蘭萍1,胡海燕1,許暉1,屠康2

1(蚌埠學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，安徽 蚌埠，233030) 2(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院， 江蘇 南京，210095)

為提升河蚌肉食用品質(zhì)，利用超高壓技術(shù)對蚌肉進行嫩化處理。選取色澤、黏度、彈性和氣味為感官評價因素，利用層次分析法確定評價因素的權(quán)重，建立模糊感官綜合評分體系，并以壓力強度、CaCl2濃度和保壓時間為實驗因素，以超高壓處理后的河蚌肉感官評價的模糊綜合評分Y為響應(yīng)值，進行3因素3水平Box-Behnken響應(yīng)面實驗設(shè)計，并對模型進行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，在壓力強度364.51 MPa、CaCl2濃度0.28 mol/L、保壓時間14.55 min條件下河蚌肉的綜合評分最優(yōu)為1.034。模糊數(shù)學(xué)和響應(yīng)面法相結(jié)合用于超高壓嫩化河蚌肉的工藝切實可行，且重復(fù)性好。

模糊評價；河蚌肉嫩化；超高壓

河蚌，又名河歪、河蛤蜊，一種貝殼類水生動物，是中國特有資源[1]。蚌肉富含蛋白質(zhì)、多糖、礦物質(zhì)及易被人體利用的必需氨基酸等營養(yǎng)成分，有益于人體健康，正是當前消費者普遍追求的健康食品[2-4]。但河蚌肉肉質(zhì)較硬，口感粗韌，嫩度較差[5]。肉的嫩度是消費者最為關(guān)心和重視的感官性狀之一，在一定程度上決定了蚌肉的食用品質(zhì)和市場競爭力[6]。目前肉類嫩化方法有壓力法、鈣鹽法[7]、酶法[8]等，但超高壓技術(shù)在河蚌肉嫩化方面的報道較少。食品的超高壓技術(shù)(ultra high pressure, UHP)是將100～1 000 MPa的靜態(tài)液體壓力施加于食品物料上并保持一定的時間，起到殺菌、滅酶、蛋白質(zhì)變性等作用[9]。該技術(shù)屬于一種純物理的冷加工技術(shù)，能夠在改變產(chǎn)品部分屬性的同時最大限度的保持食品原有的營養(yǎng)成分和風(fēng)味。

食品感官評價是在食品理化分析的基礎(chǔ)上，集心理學(xué)、生理學(xué)、統(tǒng)計學(xué)知識發(fā)展起來的一門學(xué)科，其評價結(jié)構(gòu)復(fù)雜，評價結(jié)果難于準確表達[10]。模糊數(shù)學(xué)法在食品感官評定中的應(yīng)用，克服了感官評定結(jié)果的主觀性和片面性，使模糊的問題數(shù)學(xué)化，使評定結(jié)果更趨于合理性。國內(nèi)已有學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)綜合感官評價法在醬牛肉[11]、鵝肉嫩化[12]、豬肉加工[13]、營養(yǎng)早餐[14]等方面進行研究。但將模糊數(shù)學(xué)綜合感官評價法應(yīng)用于水產(chǎn)品嫩度評價的研究較少，尚未有將模糊數(shù)學(xué)法用于超高壓嫩化河蚌肉的研究。

基于此，本文采用超高壓技術(shù)對河蚌肉進行嫩化，在單因素研究基礎(chǔ)之上，確定實驗因素的取值范圍和編碼水平，利用模糊數(shù)學(xué)計算出超高壓嫩化后河蚌肉的感官綜合評分，以模糊綜合評分Y為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析，優(yōu)化出超高壓嫩度河蚌肉的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

河蚌：由蚌埠市固鎮(zhèn)縣綠色家園家庭農(nóng)場提供，選擇蚌殼完整，噴水有力，殼長約(8.5+0.5) cm的河蚌，置于水族箱中暫養(yǎng)3～5 d；CaCl2為國產(chǎn)分析純。

超高壓處理器(HPLL3-600),天津森淼高壓設(shè)備有限公司；小型真空包裝機(DC400-2C),浙江兄弟包裝機械有限公司。

1.2 超高壓嫩化工藝流程

河蚌→去殼、內(nèi)臟→取肉體→沖洗→浸泡10-20 min→自然晾干→分割→CaCl2浸泡→真空密封→超高壓處理→卸壓→取樣品

1.3 模糊綜合評價[16-17]

1.3.1 感官評定

參考SALLAM[15]的方法，經(jīng)過感官評定實驗培訓(xùn)、篩選，選擇具有一定感官評定知識并身體狀態(tài)良好的10名(6男4女)食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生組成；按照基本的感官評定實驗要求，對超高壓嫩化后河蚌肉的色澤、氣味、黏度和彈性進行感官評定，感官評分標準見表1。

表1 感官評分標準

1.3.2 評價因素集和評語集的確定

因素集即影響河蚌肉嫩化質(zhì)量的指標合集，通常表示為U=(u1，u2，u3，…，um)，其中U為因素集，ui為第i個因素。對于超高壓嫩化河蚌肉，確定有4項指標組成因素集，即U=(色澤u1，氣味u2，黏度u3，彈性u4)。

評語集是被評對象所屬質(zhì)量級別的集合，通常表示為V=(v1，v2，v3，…，vm)(2

1.3.3 權(quán)重集的確定

采用層次分析法[18]將色澤，氣味，黏度和彈性按照1～9標度法構(gòu)造判斷矩陣，求出判斷矩陣的最大特征值，及其所對應(yīng)的特征向量。如果檢測系數(shù)CR<0.1 ，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則矩陣就不具有滿意一致性，要重新構(gòu)造。若檢驗通過，歸一化后的特征向量即為色澤、氣味、黏度和彈性的權(quán)值并建立權(quán)重集W。

表2 1～9標度表

1.3.4 模糊評價矩陣的建立

10名感官評定者對超高壓處理后的河蚌肉的色澤、氣味、黏度和彈性按照評價集進行評定，統(tǒng)計每個評價因素每個等級所得的票數(shù)然后進行歸一化得到模糊關(guān)系矩陣R：

1.3.5 綜合評分結(jié)果

利用合適的模糊合成算子將權(quán)重集W與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各個被評價對象的模糊綜合評價結(jié)果矢量B。

B=W·R=(b1,b2,…,bm)

本文采用加權(quán)平均原則對模糊綜合評價結(jié)果B進行綜合分析。在加權(quán)平均原則中，將等級看作一種相對位置，使其連續(xù)化，用”1，2，3，…,n”表示評語集中各評語等級的秩，然后用B中對應(yīng)分量將各等級的秩加權(quán)求和，從而得到被評價對象的綜合評分Y(k=1或2)。

(1)

按照評價集將優(yōu)、良、中和差4個等級的秩分別賦值1、2、3和4，本例中k=1，計算出被評價樣品的綜合評分Y，Y值越小評價等級越高。

1.4 單因素試驗設(shè)計

每次試驗選取18塊河蚌肉樣，平均分成6組。在一定的CaCl2濃度和保壓時間的條件下，對每組河蚌肉樣品分別進行0、100、200、300、400、500 MPa壓力處理；在一定的CaCl2濃度和壓力強度的條件下，對每組河蚌肉樣品分別進行 0、5、10、15、20、25 min的高壓處理；在一定的壓力強度和保壓時間條件的條件下，每組河蚌肉樣品分別浸入濃度為0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mol/L CaCl2溶液；分別按照1.3.1超高壓嫩化蚌肉，分析不同條件對河蚌肉感官品質(zhì)的影響。

1.5 響應(yīng)面試驗方案設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以壓力強度(X1)、CaCl2濃度(X2)和保壓時間(X3)為3個因素，以超高壓嫩化的河蚌肉的模糊感官評分為響應(yīng)值(Y)進一步進行響應(yīng)面試驗設(shè)計，見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 層次分析法確定權(quán)重集

根據(jù)層次分析法原則，按照色澤、氣味、黏度和彈性對超高壓處理河蚌肉感官評定的重要性建立判斷矩陣并計算出4個評價因素的權(quán)值，結(jié)果如表4所示。

表3 Box-Behnken試驗因素水平表

表4 判斷矩陣

由表4可知，CR=0.016 1<0.1，說明建立的判斷矩陣具有一致性，以此得到的權(quán)值結(jié)果合理有效。色澤、氣味、黏度和彈性4個評價因素在超高壓處理河蚌肉感官評價系統(tǒng)中的權(quán)值分別為：0.46、0.14、0.17和0.23。

由此建立了模糊綜合評價體系，其中評價體系中評價因素集為U=(色澤u1，氣味u2，黏度u3，彈性u4)、評語集為V=(優(yōu)v1，良v2，中v3，差v4)、權(quán)重集為W=(0.46，0.14，0.17，0.23)。

2.2 單因素試驗

根據(jù)1.4進行單因素試驗，結(jié)果如表5～表7所示。

表5 壓力強度對河蚌肉感官評定的影響

注： CaCl2濃度0.20 mol/L、保壓時間10 min。同一列字母相同顯著性不明顯，字母不同顯著性明顯，小寫字母P<0.05，大寫字母P<0.01(表6、表7同)。

表6 CaCl2濃度對河蚌肉感官評定的影響

注：壓力強度300 MPa、保壓時間10 min。

表7 保壓時間對河蚌肉感官評定的影響

注：壓力強度300 MPa、CaCl2濃度0.20 mol/L。

由表5～表7可知，隨著壓力強度的增加，河蚌肉的4因素感官綜合評分先減小后升高。這主要是由于高壓條件下促使蚌肉肌纖維破裂，肌肉結(jié)構(gòu)中大分子物質(zhì)發(fā)生解聚，蚌肉彈性增加較為明顯，蚌肉綜合評分值較好；CaCl2濃度的增加，河蚌肉的感官綜合評分總體呈逐漸減小的趨勢。這主要是由于鈣激活酶促使蚌肉蛋白質(zhì)過度水解，并產(chǎn)生少量的醛類、醇類、酮類及含硫化合物[19]等，從而使河蚌肉氣味變化較為明顯；保壓時間的延長，河蚌肉的4因素感官綜合評分先減小后升高。這主要較長的保壓時間促使肌紅蛋白總量降低，河蚌肉色澤總體呈現(xiàn)黃白色或白色，進而影響到綜合評分。

2.3 響應(yīng)面分析

2.3.1 Box-Behnken響應(yīng)面實驗設(shè)計

根據(jù)表3對河蚌肉按照響應(yīng)面實驗設(shè)計方案在不同的實驗條件進行操作，產(chǎn)生15組產(chǎn)品。由10名食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生組成的感官評委，按照表1中的感官評定要求對這15組超高壓嫩化后的河蚌肉從色澤、氣味、黏度和彈性4個方面進行感官評定，并依據(jù)評語集給定評價結(jié)果，統(tǒng)計后計算出每個樣本的模糊綜合評分。將壓力強度(X1)、CaCl2濃度(X2)和保壓時間(X3)實驗條件作為3個試驗因素，以超高壓河蚌肉感官評價的模糊綜合評分Y為響應(yīng)值，進行3因素3水平Box-Behnken響應(yīng)面實驗設(shè)計，結(jié)果如表8所示。

表8 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

對響應(yīng)面實驗結(jié)果進行回歸擬合，得到經(jīng)超高壓處理河蚌肉的感官評價的模糊綜合評分Y與壓力強度(X1)、CaCl2濃度(X2)和保壓時間(X3)的回歸方程為：

Y=1.8-0.44X1-0.22X2-0.15X3-0.009X1X2-0.47X1X3-0.096X2X3+0.71X12-0.065X22+0.061X32

表9 回歸模型的方差分析

注：***表示差異極顯著(P<0.001)，**表示差異高度顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)。

2. 3.2 主效應(yīng)分析

壓力強度、壓力強度平方項、CaCl2濃度、對河蚌肉的模糊綜合評分有極顯著的影響(表9)；保壓時間對河蚌肉的模糊綜合評分有顯著的影響。因此，在超高壓嫩化后的河蚌肉感官評價體系中，3個實驗因素的效應(yīng)影響為：壓力強度>CaCl2濃度>保壓時間。

2. 3.3 響應(yīng)面分析

分別固定回歸模型中任意一個因素在0水平，可以得到另外2個因素的雙因素模型，應(yīng)用Design-Expert軟件繪制出響應(yīng)面和等高線圖，主要考察壓力強度(X1)和CaCl2濃度(X2)、壓力強度(X1)和保壓時間(X3)、CaCl2濃度(X2)和保壓時間(X3)之間的交互效應(yīng)。

由圖1～圖3結(jié)合表9可知，壓力強度和保壓時間交互作用對河蚌肉的模糊綜合評分有極顯著的影響；CaCl2濃度和保壓時間交互作用對河蚌肉的模糊綜合評分有顯著的影響；壓力強度和CaCl2濃度交互作用河蚌肉的模糊綜合評分無顯著性影響。

圖1 綜合評分=f(X1,X2)響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.1 Comprehensive score =f(X1, X2) response surface and contour plot

圖2 綜合評分=f(X1,X3)響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.2 Comprehensive score =f(X1, X3) response surface and contour plot

圖3 綜合評分=f(X2,X3)響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.3 Comprehensive score =f (X2, X3) response surface and contour plot

2. 3.4 優(yōu)化及驗證

結(jié)合回歸模型和響應(yīng)曲面圖，通過軟件對各因素求導(dǎo)，得到超高壓嫩化河蚌肉感官評價的模糊綜合評分最佳工藝條件是：壓力強度364.51 MPa、CaCl2濃度 0.28 mol/L、 保壓時間 14.55 min，此條件下河蚌肉的綜合評分為1.034。為進一步驗證響應(yīng)面優(yōu)化的可靠性，結(jié)合實際操作對最優(yōu)條件進行調(diào)整，在壓力強度365 MPa、CaCl2濃度 0.3 mol/L、 保壓時間15 min的條件下進行3次驗證實驗，得到嫩化后河蚌肉的模糊綜合評分為1.104，與響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果相對誤差為6.34%，響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果準確可信。

3 結(jié)論

(1) 利用層次分析法得到色澤、氣味、黏度和彈性4個評價因素的權(quán)重分別為0.46、0.14、0.17、0.23。對15組實驗樣本進行感官評價并根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論得到每個樣本的模糊綜合評分Y。

(2) 以壓力強度(X1)、CaCl2濃度(X2)和保壓時間(X3)為實驗因素，以超高壓處理后的河蚌肉感官評價的模糊綜合評分Y為響應(yīng)值，進行3因素3水平Box-Behnken響應(yīng)面實驗設(shè)計并對模型進行優(yōu)化，最終得到了嫩化河蚌肉的感官評定的最佳工藝條件為：壓力強度364.51 MPa、CaCl2濃度 0.28 mol/L、 保壓時間 14.55 min，此條件下河蚌肉的綜合評分為1.034。

(3) 驗證實驗證明，模糊數(shù)學(xué)法和響應(yīng)面法相結(jié)合用于超高壓嫩化河蚌肉的工藝切實可行，且重復(fù)性好。

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The sensory evaluation of mussel meat tenderization treated by ultra-high pressure based on fuzzy mathematics and response surface method

ZHANG Bin1*, SUN Lan-ping1, HU Hai-yan1, XU Hui1, TU Kang2

1(School of Food and Biological Engineering, Bengbu University, Bengbu 233030，China)2(College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095，China)

In order to improve the taste of mussel meat, tenderization was carried out by ultra-high pressure treatment. Color, viscosity, elasticity and smell were selected as the sensory evaluation factors. To establish fuzzy sensory integrated scoring system, analytic hierarchy process was used to determine the weight of evaluation factors. The pressure intensity, CaCl2concentration and holding time were chosen as the experimental factors, the response value was the fuzzy comprehensive score of Y, which was the sensory evaluation of mussel meat tenderization treated by ultra-high pressure. Three-factor and three level Box-Behnken response surface experiment was designed and optimized. The test results showed that under the condition of pressure intensity 364.51 MPa, CaCl2concentration 0.28 mol/L and holding time 14.55 min, the best comprehensive score of the mussel meat was1.034.The application of the combining fuzzy mathematics and response surface method in the process of ultra-high pressure tenderization of mussel meat is feasible and repeatable.

fuzzy evaluation; tenderization of mussel meat; ultra-high pressure

碩士,副教授 (本文通訊作者，E-mail：zhangbin207@163.com)。

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點項目(KJ2013A182)；高校領(lǐng)軍人才引進與培育計劃項目；蚌埠學(xué)院學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人及后備人選項目；安徽省質(zhì)量工程卓越工程師培養(yǎng)計劃項目;安徽省質(zhì)量工程省級名師工作室(2016msgzs044)

2016-10-19，改回日期：2016-12-20

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201706026