模糊感官評價在雙螺桿擠壓雜糧工程米工藝優(yōu)化中的應用

玉王寧，劉杰，劉士偉，范光森，劉炎橋，王雪，段盛林

（1.河北工程大學附屬醫(yī)院，河北邯鄲056002；2.河北工程大學醫(yī)學院，河北邯鄲056002；3.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院，北京100015；4.北京工商大學食品學院，北京100048）

本研究中的雜糧工程米是以雜糧粉為主要原料，通過雙螺桿擠壓技術集破碎、混合、攪拌、加熱、蒸煮、剪切及成型等為一體的高新技術產(chǎn)品，相對于通過單螺桿擠壓機生產(chǎn)的工程米，具有更好的組織化性能和食用品質[1－3]，并可以通過控制產(chǎn)品配方、物料水分含量、螺桿選型、螺桿轉速、主機腔體溫度、出口模板設計和干燥方式等改變產(chǎn)品形態(tài)，導致如外觀、氣味、質地、適口性、滋味等的不同[4]。雜糧工程米是一個全新的針對居民身體健康的營養(yǎng)方案，可提高居民的健康水平，具有其他功能性食品無法比擬的優(yōu)勢與地位，并且原料利用率高、低污染，營養(yǎng)損失少、易消化，不易回生、有利于長期保存等[5-6]，作為一種新興產(chǎn)品，相應的品質控制和評價標準還不健全，雖然有稻谷、大米的國家標準可供參考[7]，存在一定的差異性和局限性，并不能直接應用。而且目前來看，缺少深入的涉及品質分析和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化實施的探討，導致產(chǎn)品品質監(jiān)控技術的不成熟已成為制約雜糧工程米發(fā)展的瓶頸。

食品品質的評價是一種復雜且具有模糊性質的系統(tǒng)，多以感官檢驗為主，其結果受人為因素影響，無法用精確的數(shù)學進行描述[8-10]。模糊感官評價就是應用模糊數(shù)學對產(chǎn)品進行評價分析，在模糊集合論的基礎上建立運算、變換規(guī)律，運用模糊邏輯將產(chǎn)品評價過程中的不確定性和模糊性得到綜合體現(xiàn)，進而能從產(chǎn)品加工的本質上，從更深層次上做出準確、客觀與科學的評價[11-15]。

本研究以雜糧工程米的食用感官體驗為研究對象，在前期試驗的經(jīng)驗基礎上選定一組原料配方比例，通過控制3個影響產(chǎn)品品質的主要過程控制因素（物料含水量、螺桿轉速、機筒二區(qū)溫度），設計L9（34）正交試驗，并以產(chǎn)品蒸煮前后的模糊感官評價結果為考量指標，以期得到這3種過程控制因素對產(chǎn)品品質影響的主次順序及最優(yōu)水平。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通糙米粉碎（80目）：市售；玉米粉（80目）：天津真如果食品工業(yè)有限公司；大豆分離蛋白：山東禹王實業(yè)有限公司；南瓜粉：北京寶得瑞食品有限公司；魔芋粉：汕頭市捷成生物科技有限公司；復合改良劑（卵磷脂和單甘脂）：中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院食品添加劑與配料研發(fā)中心自制。

1.2 儀器與設備

SR-DG183型保溫式自動電飯鍋：松下電器（中國）有限公司；XP10002S型電子天平（感量0.01 g）：梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；MA150型快速水分測定儀：賽多利斯茵泰科公司（德國）；CYS22型原料混合及輸送設備（拌粉機和喂料絞龍）：濟南晨陽科技有限公司；TPE62S型雙螺桿擠壓膨化機：北京現(xiàn)代洋工機械科技發(fā)展有限公司；CYH50型雜糧工程米烘干系統(tǒng)（預烘干箱、平衡穩(wěn)定箱、低溫恒濕烘干箱和冷卻傳送帶）：濟南晨陽科技有限公司。

1.3 雜糧工程米配方

采用的雜糧工程米配方是根據(jù)理論推導及前期多次試驗結果所得，各組分所占比例為糙米粉60%，玉米粉20%，大豆分離蛋白7%，南瓜粉5%，魔芋粉5%，復合改良劑3%。

1.4 方法

1.4.1 單因素試驗

根據(jù)該套設備實際可控制參數(shù)情況確定共11個影響產(chǎn)品性狀的可變因素：物料含水量，喂料速度，螺桿轉速，一區(qū)溫度，二區(qū)溫度，三區(qū)溫度，四區(qū)溫度，五區(qū)溫度，切刀轉速，烘箱溫度，烘箱速度。對雜糧工程米品質影響最為顯著的因素為物料含水量（X1），螺桿轉速（X2），二區(qū)溫度（X3）[16-18]。固定其他可控參數(shù)為喂料速度150 kg/h，一區(qū)溫度60℃，三區(qū)溫度70℃，四區(qū)溫度80℃，五區(qū)溫度60℃，切刀轉速600 rpm，烘箱溫度60℃，烘箱速度1 m/min。將物料含水量X1（10%，15%，20%，25%），螺桿轉速X2（80，150，250，300 r/m），二區(qū)溫度X3（60，100，140，180℃）分別取4個水平進行單因素試驗，并以產(chǎn)品耐煮性為指標，初步確定各因素的水平。耐煮性測定是將100粒顆粒均勻的樣品置于200 mL蒸餾水中煮沸30min，以最后完整顆粒所占百分比表示[19]。

1.4.2 正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗結果確定物料含水量X1，螺桿轉速X2，二區(qū)溫度X3的控制水平，采用L9（34）正交試驗設計對雜糧工程米工藝進行優(yōu)化，并采用模糊感官評價法對產(chǎn)品進行評定。

1.4.2.1 確定產(chǎn)品評價指標集

蒸煮前評價集：Ai={A1，A2，A3}

A1=外觀：包括色澤正常A11，顆粒均勻A12；

A2=氣味：包括有自然香味A21，無霉味A22；

A3=質地：包括質地堅硬A31，完整無破損A32。

蒸煮后評價集：Bi={B1，B2，B3，B4，B5}

B1=氣味：包括香氣純正性B11和香氣濃郁性B12；

B2=外觀結構：包括顏色B21，光澤 B22，完整性B23；

B3=適口性：包括黏性 B31，彈性 B32，軟硬度 B33；

B4=滋味：包括滋味純正性B41，滋味持久性B42；

B5=冷飯質地：包括黏彈性B51，無回生性B52。

1.4.2.2 產(chǎn)品評價指標體系權重系數(shù)的計算

對于該權重系數(shù)的計算，采用了專業(yè)人員調查（專業(yè)人員）和網(wǎng)絡問卷調查（普通人員）兩種方式對上述評價指標的重要程度進行排序，并將結果匯總于綜合評價統(tǒng)計表中，然后將某一指標的各個重要程度的人數(shù)乘以該重要程度指定的分值，并求出該指標的分值總和除以全部指標獲得的總分值[20－22]，即可得到某一指標的權重Xi。根據(jù)這兩部分人對各評價指標權重排序的可信度不同，首先采用強制決策法也對兩種人員的品評結果賦予了不同的權重：{專業(yè)人員，普通人員}=[0.6，0.4]。其中專業(yè)人員為從事食品感官評價工作的研究人員，共7人；普通人員72人。

1.4.2.3 確定評價對象集

評價對象集Y是指研究過程中，需要進行評價的產(chǎn)品的集合，以 Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}表示。Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9分別表示本研究正交試驗產(chǎn)生的產(chǎn)品，Yj分別代表對9種樣品的綜合評價，其中 j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.4.2.4 確定產(chǎn)品評語集

通過規(guī)定特定分值區(qū)域與評價集相對應，可將最終結果量化為分數(shù)。首先設定評價集為：V={V1，V2，V3，V4}；V1=很好，V2=良好，V3=一般，V4=較差。根據(jù)清晰質量等級邊界模糊化法將分值區(qū)域清晰化，即取區(qū)域的中心值得到對應的分值[23－24]，見表1。

表1 評價集與分值區(qū)域對應表Table 1 The corresponding table of evaluation sets and score areas

1.4.2.5 米飯樣品的制備[7]

1）稱米：稱取每份50 g樣品于蒸飯皿中，樣品份數(shù)按照評價人員每人1份準備；

2）洗米：將稱量后的樣品倒入瀝水篩中，將瀝水篩置于盆內，快速加入300 mL水，順時針攪拌10圈，逆時針攪拌10圈，快速換水重復上一操作。再用200 mL蒸餾水淋洗1次，瀝盡余水，放入蒸飯皿中；

3）蒸米：蒸鍋內加入適量的水，用電爐加熱至沸騰，此時向裝有樣品的蒸飯皿中加入蒸餾水40 mL，并置于蒸屜上，蓋上蒸鍋鍋蓋，繼續(xù)加熱并開始計時，蒸煮15min，停止加熱；

4）取出樣品，以備品嘗。

1.4.2.5 樣品評定，形成模糊矩陣

本研究的最終評價人員組成來7名專業(yè)從事食品研究開發(fā)的工作人員，分別對正交試驗設計的試驗產(chǎn)品從上述的的產(chǎn)品評價集內容的各個角度進行品評。將結果匯總于米飯食味品質評價統(tǒng)計表中，然后將選擇某一個評語的人數(shù)除以評委的總數(shù)得到隸屬度，形成評價矩陣Rij。

評價人員在品評前1小時不吸煙、不吃東西、但可以喝水，品評期間具有正常的生理狀態(tài)，不使用化妝品或其他有明顯氣味的用品。每次品評包括4份樣品（包含1份參照樣品和3份待品評樣品）。每位評價人員每天最多做2次品嘗，且時間安排在飯前1小時或飯后2小時進行。其中，參照樣品為事先選出3份試驗樣品，經(jīng)過米飯制作，由評價人員進行3次品評，選出色、香、味正常，綜合評分在80左右的樣品1份，作為每次品嘗的參照樣品[22－24]。

1.4.2.6 模糊評判

依據(jù)模糊變換原理：Y=X○R

其中，Y為評價對象集，是對樣品的綜合評價集；X為權重集；R為評價矩陣；○為廣域模糊算子。

式中：Yi=（x1×r1i）∨或∧（x2×r2i）…（xn×rni）。這里“∨”表示兩者相比較后取較大者，“∧”表示兩者相比較較小值，根據(jù)雜糧米感官評價的各指標之間的關系，二級和三級因素的模糊變換根據(jù)最大運算法則選取“∨”，而最外層蒸煮前、后一級因素之間的模糊變換根據(jù)最小運算法則選取“∧”[14，23]。最后根據(jù)評價集與分值區(qū)域對應表中對應的分值將綜合品評結果轉換為相應的分值，作為結果帶入正交試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

料含水量、螺桿轉速、二區(qū)溫度對雜糧工程米耐煮性的影響見圖1。

由圖1可以看出，物料含水量、螺桿轉速、二區(qū)溫度對雜糧工程米的耐煮性評價的水平初步確定在物料含水量20%，螺桿轉速150 r/m，二區(qū)溫度140℃，并可確定正交試驗的因素水平為物料含水量X1（15%、20%、25%），螺桿轉速X2（100、150、200 r/m），二區(qū)溫度X3（120、140、160℃）。

圖1 物料含水量、螺桿轉速、二區(qū)溫度對雜糧工程米耐煮性的影響Fig.1 Effects of material moisture，main engine speed and temperature of barrel areaⅡon the boiling resistance of coarse grain engineering rice

2.2 正交試驗結果

2.2.1 雜糧工程米感官評價集及權重

通過調查統(tǒng)計及數(shù)據(jù)分析，可確定雜糧工程米感官評價的評價因素及各項權重見表2。各項權重的計算根據(jù)公式：

式中：Xi為第i個指標的權重；aj為指標重要程度賦值；nij為認為第i個指標的重要程度為j的人數(shù)；N為參與投票總人數(shù)。

表2 食味品評標準及權重計算結果Table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

續(xù)表2 食味品評標準及權重計算結果Continue table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 雜糧工程米模糊評判隸屬度的確定

通過收集7名專業(yè)評價人員對9個正交試驗雜糧工程米樣品的感官評價表，統(tǒng)計每個樣品各項指標的隸屬度。其中1號樣品的隸屬度結果如表3。

表3 樣品1號各項指標的隸屬度Table 3 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 評判結果的計算

對于指標“外觀”A1，按模糊變換法則，經(jīng)模糊變換得出其評價結果為：

歸一化得，

YA1=（0.387，0.387，0.128，0.098）

同理可以計算出，

YA2=（0.367，0.489，0.144，0.000）

YA3=（0.429，0.429，0.142，0.000）

進而得到蒸煮前指標的評價隸屬度矩陣RA：

進一步計算樣品在蒸煮前的評價結果：

歸一化得，

YA=（0.395，0.395，0.131，0.079）

同理計算樣品在蒸煮后的評價結果：

YB=（0.196，0.380，0.366，0.058）

得到樣品1的評價隸屬度矩陣R1：

根據(jù)最小計算法則，采用“∧”運算獲得1號樣品的評價集：

歸一化得：

Y1=（0.265，0.492，0.164，0.079）

根據(jù)評價集對應分值（表1），可知1號樣品得分=95×0.265+85×0.492+70×0.164+30×0.079=80.8（分）。

同理，計算其他樣品得分，見表4。

表4 正交試驗9個樣品的綜合評價結果Table 4 Comprehensive evaluation results of the 9 samples

2.2.4 正交試驗結果

將9個樣品的綜合評價得分作為因變量帶入正交試驗，得正交試驗結果見表5，及其方差分析結果見表6。

表5 雜糧工程米L9（34）正交試驗設計及結果Table 5 Orthogonal array design and corresponding results of coarse grain engineering rice

表6 正交試驗結果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal array

根據(jù)極差值可初步確定影響樣品品質的3個主要因素的主次順序是：X3（二區(qū)溫度）＞X2（螺桿轉速）＞X1（物料含水量）。根據(jù)ki值可知，X3的第2個水平，即二區(qū)溫度為140℃，X2的第2個水平，即螺桿轉速為150 r/m，X1的第1個水平，即物料含水量為15%，分別為最優(yōu)水平。并且因素X3、X2、X1均對雜糧工程米的綜合評價得分都有有顯著影響（P＜0.05），其中，因素 X3接近極顯著影響（P＜0.001）。

3 討論

通過雙螺桿擠壓機生產(chǎn)雜糧工程米的研究發(fā)現(xiàn)，和許多已有研究結論類似，各種過程控制參數(shù)對產(chǎn)品品質有著不同程度的影響[25]，這與熊善波等在單螺桿擠壓機生產(chǎn)工程重組米中的結論有所不同[14]。莊海寧的研究表明合適的螺桿轉速和進料水分含量的控制對于工程米生產(chǎn)節(jié)能和品質穩(wěn)定來說意義重大[17]；楊綺云等認為各種控制參數(shù)相互聯(lián)系、相互制約，共同影響產(chǎn)品品質，物料含水量在 15.6%～16.8%、螺桿轉速為104 r/m～126 r/m、機筒溫度在174℃～183℃時可使產(chǎn)品的糊化度達到較高水平[26]；高揚等通過研究認為螺桿轉速350 r/m、物料含水量為31%、模頭溫度為75℃、干燥溫度為65℃是對于質構特性和復水率影響的最優(yōu)參數(shù)；魏再鴻等通過單因素試驗和響應面優(yōu)化試驗得出了影響工程米吸水指數(shù)主要因素的最優(yōu)水平，螺桿轉速 238.2 r/m，物料含水量 26.8%，機筒溫度分布在 86.1℃～96.1℃～106.1℃[16]等等。雖然不同研究成果的最優(yōu)參數(shù)因配方、設備等試驗條件的差異而不盡相同，但主要過程控制參數(shù)對產(chǎn)品品質的顯著影響無論是從理論推導還是實踐經(jīng)驗來說，都是毋庸置疑的，因此本研究決定采取物料含水量、螺桿轉速、機筒二區(qū)溫度作為主要過程控制因素加以研究。

模糊感官評價運用模糊邏輯將產(chǎn)品評價過程中的不確定性和模糊性進行綜合分析，進而能從產(chǎn)品加工的本質上，從更深層次上做出準確、客觀與科學的評價[8，12]。本研究產(chǎn)品評價指標集的制定是在GB/T 15682－2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》的基礎上加以改進的，針對雜糧工程米本身在蒸煮前外觀、顆粒完整性，耐煮性，蒸煮后適口性、滋味等方面較易出現(xiàn)狀態(tài)波動的特點，重點細化了部分的評價指標，并將蒸煮前、后加以區(qū)分；在此基礎上確定了評價指標權重系數(shù)的計算方法[20－21]。另外，本研究在模糊變換過程中共涉及到了由內到外的三級層次，內部三級和二級的模糊變換因指標間存在相似相關性，遵從最大隸屬度原則，所以采用“∨”；而最外層蒸煮前、后的模糊變換因指標間的相對獨立性和缺陷的短板效應，遵從最小運算法則，所以采取“∧”[14，23]。

4 結論

采用單因素試驗、正交試驗和模糊感官評價等方法對雙螺桿擠壓機制作雜糧工程米的工藝進行優(yōu)化研究，確立一套改進的雜糧工程米模糊感官評價體系，克服傳統(tǒng)感官品質評價方法的缺陷，評價結果更客觀、準確。本研究在單一經(jīng)驗配方的基礎上，固定其他可控參數(shù)為喂料速度150 kg/h，一區(qū)溫度60℃，三區(qū)溫度70℃，四區(qū)溫度80℃，五區(qū)溫度60℃，切刀轉速600 r/m，烘箱溫度60℃，烘箱速度1 m/min，以物料含水量、螺桿轉速、機筒二區(qū)溫度為自變量過程控制因素，將模糊感官評價結果數(shù)值化，作為因變量用于L9（34）正交試驗，并最終通過數(shù)據(jù)分析確定3個過程控制因素對產(chǎn)品品質影響的主次關系及最優(yōu)水平：機筒二區(qū)溫度（140℃）＞螺桿轉速（150 r/m）＞物料含水量（15%）。

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