模糊感官評(píng)價(jià)在雙螺桿擠壓雜糧工程米工藝優(yōu)化中的應(yīng)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(xué)附屬醫(yī)院，河北邯鄲056002；2.河北工程大學(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)食品學(xué)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(shù)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(shù)產(chǎn)品，相對(duì)于通過單螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)的工程米，具有更好的組織化性能和食用品質(zhì)[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(zhuǎn)速、主機(jī)腔體溫度、出口模板設(shè)計(jì)和干燥方式等改變產(chǎn)品形態(tài)，導(dǎo)致如外觀、氣味、質(zhì)地、適口性、滋味等的不同[4]。雜糧工程米是一個(gè)全新的針對(duì)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(yīng)的品質(zhì)控制和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還不健全，雖然有稻谷、大米的國家標(biāo)準(zhǔn)可供參考[7]，存在一定的差異性和局限性，并不能直接應(yīng)用。而且目前來看，缺少深入的涉及品質(zhì)分析和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化實(shí)施的探討，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)控技術(shù)的不成熟已成為制約雜糧工程米發(fā)展的瓶頸。

食品品質(zhì)的評(píng)價(jià)是一種復(fù)雜且具有模糊性質(zhì)的系統(tǒng)，多以感官檢驗(yàn)為主，其結(jié)果受人為因素影響，無法用精確的數(shù)學(xué)進(jìn)行描述[8-10]。模糊感官評(píng)價(jià)就是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，在模糊集合論的基礎(chǔ)上建立運(yùn)算、變換規(guī)律，運(yùn)用模糊邏輯將產(chǎn)品評(píng)價(jià)過程中的不確定性和模糊性得到綜合體現(xiàn)，進(jìn)而能從產(chǎn)品加工的本質(zhì)上，從更深層次上做出準(zhǔn)確、客觀與科學(xué)的評(píng)價(jià)[11-15]。

本研究以雜糧工程米的食用感官體驗(yàn)為研究對(duì)象，在前期試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上選定一組原料配方比例，通過控制3個(gè)影響產(chǎn)品品質(zhì)的主要過程控制因素（物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒二區(qū)溫度），設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，并以產(chǎn)品蒸煮前后的模糊感官評(píng)價(jià)結(jié)果為考量指標(biāo)，以期得到這3種過程控制因素對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)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(shí)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(fù)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(shè)備

SR-DG183型保溫式自動(dòng)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(mào)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(shè)備（拌粉機(jī)和喂料絞龍）：濟(jì)南晨陽科技有限公司；TPE62S型雙螺桿擠壓膨化機(jī)：北京現(xiàn)代洋工機(jī)械科技發(fā)展有限公司；CYH50型雜糧工程米烘干系統(tǒng)（預(yù)烘干箱、平衡穩(wěn)定箱、低溫恒濕烘干箱和冷卻傳送帶）：濟(jì)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(dǎo)及前期多次試驗(yàn)結(jié)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(fù)合改良劑3%。

1.4 方法

1.4.1 單因素試驗(yàn)

根據(jù)該套設(shè)備實(shí)際可控制參數(shù)情況確定共11個(gè)影響產(chǎn)品性狀的可變因素：物料含水量，喂料速度，螺桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，烘箱溫度，烘箱速度。對(duì)雜糧工程米品質(zhì)影響最為顯著的因素為物料含水量（X1），螺桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速X2（80，150，250，300 r/m），二區(qū)溫度X3（60，100，140，180℃）分別取4個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并以產(chǎn)品耐煮性為指標(biāo)，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(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定物料含水量X1，螺桿轉(zhuǎn)速X2，二區(qū)溫度X3的控制水平，采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)雜糧工程米工藝進(jìn)行優(yōu)化，并采用模糊感官評(píng)價(jià)法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)定。

1.4.2.1 確定產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)集

蒸煮前評(píng)價(jià)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(zhì)地：包括質(zhì)地堅(jiān)硬A31，完整無破損A32。

蒸煮后評(píng)價(jià)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(jié)構(gòu)：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(zhì)地：包括黏彈性B51，無回生性B52。

1.4.2.2 產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于該權(quán)重系數(shù)的計(jì)算，采用了專業(yè)人員調(diào)查（專業(yè)人員）和網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查（普通人員）兩種方式對(duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行排序，并將結(jié)果匯總于綜合評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表中，然后將某一指標(biāo)的各個(gè)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(biāo)的分值總和除以全部指標(biāo)獲得的總分值[20－22]，即可得到某一指標(biāo)的權(quán)重Xi。根據(jù)這兩部分人對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重排序的可信度不同，首先采用強(qiáng)制決策法也對(duì)兩種人員的品評(píng)結(jié)果賦予了不同的權(quán)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(píng)價(jià)工作的研究人員，共7人；普通人員72人。

1.4.2.3 確定評(píng)價(jià)對(duì)象集

評(píng)價(jià)對(duì)象集Y是指研究過程中，需要進(jìn)行評(píng)價(jià)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(yàn)產(chǎn)生的產(chǎn)品，Yj分別代表對(duì)9種樣品的綜合評(píng)價(jià)，其中 j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.4.2.4 確定產(chǎn)品評(píng)語集

通過規(guī)定特定分值區(qū)域與評(píng)價(jià)集相對(duì)應(yīng)，可將最終結(jié)果量化為分?jǐn)?shù)。首先設(shè)定評(píng)價(jià)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(zhì)量等級(jí)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(duì)應(yīng)的分值[23－24]，見表1。

表1 評(píng)價(jià)集與分值區(qū)域?qū)?yīng)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(píng)價(jià)人員每人1份準(zhǔn)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(nèi)，快速加入300 mL水，順時(shí)針攪拌10圈，逆時(shí)針攪拌10圈，快速換水重復(fù)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(nèi)加入適量的水，用電爐加熱至沸騰，此時(shí)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(jì)時(shí)，蒸煮15min，停止加熱；

4）取出樣品，以備品嘗。

1.4.2.5 樣品評(píng)定，形成模糊矩陣

本研究的最終評(píng)價(jià)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(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)產(chǎn)品從上述的的產(chǎn)品評(píng)價(jià)集內(nèi)容的各個(gè)角度進(jìn)行品評(píng)。將結(jié)果匯總于米飯食味品質(zhì)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表中，然后將選擇某一個(gè)評(píng)語的人數(shù)除以評(píng)委的總數(shù)得到隸屬度，形成評(píng)價(jià)矩陣Rij。

評(píng)價(jià)人員在品評(píng)前1小時(shí)不吸煙、不吃東西、但可以喝水，品評(píng)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(píng)包括4份樣品（包含1份參照樣品和3份待品評(píng)樣品）。每位評(píng)價(jià)人員每天最多做2次品嘗，且時(shí)間安排在飯前1小時(shí)或飯后2小時(shí)進(jìn)行。其中，參照樣品為事先選出3份試驗(yàn)樣品，經(jīng)過米飯制作，由評(píng)價(jià)人員進(jìn)行3次品評(píng)，選出色、香、味正常，綜合評(píng)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(píng)判

依據(jù)模糊變換原理：Y=X○R

其中，Y為評(píng)價(jià)對(duì)象集，是對(duì)樣品的綜合評(píng)價(jià)集；X為權(quán)重集；R為評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的各指標(biāo)之間的關(guān)系，二級(jí)和三級(jí)因素的模糊變換根據(jù)最大運(yùn)算法則選取“∨”，而最外層蒸煮前、后一級(jí)因素之間的模糊變換根據(jù)最小運(yùn)算法則選取“∧”[14，23]。最后根據(jù)評(píng)價(jià)集與分值區(qū)域?qū)?yīng)表中對(duì)應(yīng)的分值將綜合品評(píng)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分值，作為結(jié)果帶入正交試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、二區(qū)溫度對(duì)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(zhuǎn)速、二區(qū)溫度對(duì)雜糧工程米的耐煮性評(píng)價(jià)的水平初步確定在物料含水量20%，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/m，二區(qū)溫度140℃，并可確定正交試驗(yàn)的因素水平為物料含水量X1（15%、20%、25%），螺桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、二區(qū)溫度對(duì)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(yàn)結(jié)果

2.2.1 雜糧工程米感官評(píng)價(jià)集及權(quán)重

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分析，可確定雜糧工程米感官評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因素及各項(xiàng)權(quán)重見表2。各項(xiàng)權(quán)重的計(jì)算根據(jù)公式：

式中：Xi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；aj為指標(biāo)重要程度賦值；nij為認(rèn)為第i個(gè)指標(biāo)的重要程度為j的人數(shù)；N為參與投票總?cè)藬?shù)。

表2 食味品評(píng)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

續(xù)表2 食味品評(píng)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計(jì)算結(jié)果Continue table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 雜糧工程米模糊評(píng)判隸屬度的確定

通過收集7名專業(yè)評(píng)價(jià)人員對(duì)9個(gè)正交試驗(yàn)雜糧工程米樣品的感官評(píng)價(jià)表，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度。其中1號(hào)樣品的隸屬度結(jié)果如表3。

表3 樣品1號(hào)各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度Table 3 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 評(píng)判結(jié)果的計(jì)算

對(duì)于指標(biāo)“外觀”A1，按模糊變換法則，經(jīng)模糊變換得出其評(píng)價(jià)結(jié)果為：

歸一化得，

YA1=（0.387，0.387，0.128，0.098）

同理可以計(jì)算出，

YA2=（0.367，0.489，0.144，0.000）

YA3=（0.429，0.429，0.142，0.000）

進(jìn)而得到蒸煮前指標(biāo)的評(píng)價(jià)隸屬度矩陣RA：

進(jìn)一步計(jì)算樣品在蒸煮前的評(píng)價(jià)結(jié)果：

歸一化得，

YA=（0.395，0.395，0.131，0.079）

同理計(jì)算樣品在蒸煮后的評(píng)價(jià)結(jié)果：

YB=（0.196，0.380，0.366，0.058）

得到樣品1的評(píng)價(jià)隸屬度矩陣R1：

根據(jù)最小計(jì)算法則，采用“∧”運(yùn)算獲得1號(hào)樣品的評(píng)價(jià)集：

歸一化得：

Y1=（0.265，0.492，0.164，0.079）

根據(jù)評(píng)價(jià)集對(duì)應(yīng)分值（表1），可知1號(hào)樣品得分=95×0.265+85×0.492+70×0.164+30×0.079=80.8（分）。

同理，計(jì)算其他樣品得分，見表4。

表4 正交試驗(yàn)9個(gè)樣品的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation results of the 9 samples

2.2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

將9個(gè)樣品的綜合評(píng)價(jià)得分作為因變量帶入正交試驗(yàn)，得正交試驗(yàn)結(jié)果見表5，及其方差分析結(jié)果見表6。

表5 雜糧工程米L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Orthogonal array design and corresponding results of coarse grain engineering rice

表6 正交試驗(yàn)結(jié)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(zhì)的3個(gè)主要因素的主次順序是：X3（二區(qū)溫度）＞X2（螺桿轉(zhuǎn)速）＞X1（物料含水量）。根據(jù)ki值可知，X3的第2個(gè)水平，即二區(qū)溫度為140℃，X2的第2個(gè)水平，即螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/m，X1的第1個(gè)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(duì)雜糧工程米的綜合評(píng)價(jià)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(jī)生產(chǎn)雜糧工程米的研究發(fā)現(xiàn)，和許多已有研究結(jié)論類似，各種過程控制參數(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有著不同程度的影響[25]，這與熊善波等在單螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)工程重組米中的結(jié)論有所不同[14]。莊海寧的研究表明合適的螺桿轉(zhuǎn)速和進(jìn)料水分含量的控制對(duì)于工程米生產(chǎn)節(jié)能和品質(zhì)穩(wěn)定來說意義重大[17]；楊綺云等認(rèn)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(zhì)，物料含水量在 15.6%～16.8%、螺桿轉(zhuǎn)速為104 r/m～126 r/m、機(jī)筒溫度在174℃～183℃時(shí)可使產(chǎn)品的糊化度達(dá)到較高水平[26]；高揚(yáng)等通過研究認(rèn)為螺桿轉(zhuǎn)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(duì)于質(zhì)構(gòu)特性和復(fù)水率影響的最優(yōu)參數(shù)；魏再鴻等通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)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(zhuǎn)速 238.2 r/m，物料含水量 26.8%，機(jī)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(shè)備等試驗(yàn)條件的差異而不盡相同，但主要過程控制參數(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的顯著影響無論是從理論推導(dǎo)還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)速、機(jī)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(píng)價(jià)運(yùn)用模糊邏輯將產(chǎn)品評(píng)價(jià)過程中的不確定性和模糊性進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而能從產(chǎn)品加工的本質(zhì)上，從更深層次上做出準(zhǔn)確、客觀與科學(xué)的評(píng)價(jià)[8，12]。本研究產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)集的制定是在GB/T 15682－2008《糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，針對(duì)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(dòng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)細(xì)化了部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將蒸煮前、后加以區(qū)分；在此基礎(chǔ)上確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的計(jì)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(nèi)到外的三級(jí)層次，內(nèi)部三級(jí)和二級(jí)的模糊變換因指標(biāo)間存在相似相關(guān)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(biāo)間的相對(duì)獨(dú)立性和缺陷的短板效應(yīng)，遵從最小運(yùn)算法則，所以采取“∧”[14，23]。

4 結(jié)論

采用單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)和模糊感官評(píng)價(jià)等方法對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)制作雜糧工程米的工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，確立一套改進(jìn)的雜糧工程米模糊感官評(píng)價(jià)體系，克服傳統(tǒng)感官品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的缺陷，評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確。本研究在單一經(jīng)驗(yàn)配方的基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速、機(jī)筒二區(qū)溫度為自變量過程控制因素，將模糊感官評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值化，作為因變量用于L9（34）正交試驗(yàn)，并最終通過數(shù)據(jù)分析確定3個(gè)過程控制因素對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的主次關(guān)系及最優(yōu)水平：機(jī)筒二區(qū)溫度（140℃）＞螺桿轉(zhuǎn)速（150 r/m）＞物料含水量（15%）。

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