基于模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法的馬鈴薯工程米適口性研究

苑鵬，段盛林*，歐陽道福，劉士偉，劉義鳳，劉亞旭，杜玉蘭，喻勤，嚴(yán)建剛，王璽

1(中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司，北京，100015) 2(完美(中國)有限公司，廣東 中山，528402)

隨著人們對功能食品更深地了解與對健康的進(jìn)一步關(guān)注，國際、國內(nèi)市場對“多樣化、營養(yǎng)、健康、安全、方便”的糧食類健康食品的需求日漸增強(qiáng)，對主糧食品的研究與深度開發(fā)引起了世界關(guān)注。馬鈴薯是排名第四的糧食作物，在我國種植已有400多年的歷史。2012年初，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《馬鈴薯加工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》；2013年，農(nóng)業(yè)部提出實(shí)施馬鈴薯主食產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略，其中明確提出為推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，加快農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，把馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，以營養(yǎng)功能為重點(diǎn)，引導(dǎo)居民消費(fèi)主食產(chǎn)品。

在國家大力倡導(dǎo)使用馬鈴薯粉制成其他食品形式的號召下，通過擠壓重組得到馬鈴薯工程米是實(shí)現(xiàn)這一策略的良好途徑[1]。馬鈴薯工程米作為米狀主食的消費(fèi)形式，具備同大米一樣的加工和食用方式，并不改變我國人群的主食消費(fèi)習(xí)慣和飲食文化。馬鈴薯工程米與普通大米相比其血糖生成指數(shù)(GI)值低，微量元素豐富，營養(yǎng)價值高，膳食結(jié)構(gòu)可調(diào)，更適合開展?fàn)I養(yǎng)干預(yù)，比如給糖尿病人群、肥胖人群食用等。馬鈴薯工程米能起到防控慢病的作用，不僅有助于慢病人群開展食療，提高生活品質(zhì)，更能減輕國家醫(yī)療負(fù)擔(dān)。然而迄今沒有系統(tǒng)的評價雜糧加工食品中馬鈴薯工程米的體系，因此建立馬鈴薯工程米的適口性評價體系，評價其與普通大米的適口差異性顯得尤為重要[2]。

1材料與方法

1.1 材料與儀器

樣品：1號為秈米，2號粳米，均為超市中采購的普通大米；3號為含有5%馬鈴薯全粉的工程米，4號為含有10%馬鈴薯全粉的工程米，5號為含有15%馬鈴薯全粉的工程米，6號為含有20%馬鈴薯全粉的工程米。以上4種馬鈴薯工程米的配方和工藝見表1。

設(shè)備：物理特性測定儀TA-XT2i，Stable Micro Systems, Reading UK。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 米飯的制備

米飯和工程米樣品的制作方法、流程及要點(diǎn)如圖1所示。

1.2.2 大米和工程米的蒸煮食用品質(zhì)感官評價

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15682-2008，品評人員對米飯的外觀、氣味、滋味、適口性(包括黏性、彈性、軟硬度)進(jìn)行評定，以10分制填寫評分。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)儀測定參數(shù)的確定

通過采用表中不同的檢測探頭、壓縮比、壓縮速率及不同的取樣方式，對米飯的質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)(硬度、彈性、適口性)進(jìn)行測定，比較所測指標(biāo)與感官指標(biāo)的相關(guān)性及同品種大米的重復(fù)性，得到最優(yōu)的壓縮檢測探頭、壓縮比、壓縮速率[3]。表2給出了質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)的測定數(shù)據(jù)。

表1 四種馬鈴薯工程米的配方

圖1 米飯樣品的制作方法流程

Fig.1 The method of making rice samples

質(zhì)構(gòu)測定方法：直接取樣法：將煮熟的約50 g米飯盛入玻璃器皿中，溫度在40～65 ℃之間，每6 min測1次。冷卻整盒法：米飯冷卻1 h后，取約50 g放入玻璃器皿中進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。冷卻散粒法：冷卻1 h后，經(jīng)四分法取3粒米飯進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定，結(jié)果見表2。

表2 質(zhì)構(gòu)儀的測定參數(shù)

1.2.4 米飯質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)的測定

米飯的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)(硬度、黏性、彈性、內(nèi)聚性、黏聚性、適口性)等用質(zhì)構(gòu)儀來測定。

1.3 統(tǒng)計方法

為減小主觀性，采用組合賦權(quán)法對評價指標(biāo)分配權(quán)重，再用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法計算綜合評價值，使綜合評價值的科學(xué)性得到提高，為米質(zhì)量進(jìn)一步客觀評價提供依據(jù)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)構(gòu)儀測定參數(shù)的確定

質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測試時，由于壓縮探頭型號的不同，被測樣品在探頭壓縮的過程中所受力也不同，因此，應(yīng)該根據(jù)被測樣品及測試方式來選擇合適的探頭[5]。探頭的測定結(jié)果如表3所示。

表3 質(zhì)構(gòu)儀檢測探頭的測定結(jié)果

結(jié)果顯示：采用φ18 mm圓柱形檢測探頭、60%的壓縮比，測定質(zhì)構(gòu)指標(biāo)與米飯感官評價的指標(biāo)和綜合評分具有顯著相關(guān)性，測定指標(biāo)的變異系數(shù)最小，穩(wěn)定性也最優(yōu)。所以選用φ18 mm的探頭，20 mm/min的壓縮速率，60%的壓縮比進(jìn)行后面的實(shí)驗(yàn)。米飯測定時取樣方式對質(zhì)構(gòu)特性測定結(jié)果重現(xiàn)性有一定的影響。因此，米飯質(zhì)構(gòu)特性測試的關(guān)鍵是選用合理的米飯取樣方式。直接取樣法測定質(zhì)構(gòu)特性(硬度、彈性、適口性)與米飯感官評價指標(biāo)的綜合評分具有顯著相關(guān)性[6-8]。

2.2 權(quán)重的建立

2.2.1 感官指標(biāo)權(quán)重的建立

主觀評價法，首先歸一化處理每位專家的評分值，歸一化的公式為：

(1)

式中：Yi為樣品歸一化值；Xi為專家對樣品某指標(biāo)評分值。

求不同專家對不同樣品的各項(xiàng)評分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，大米4個指標(biāo)的主觀權(quán)重即為專家對每個樣品的歸一化值[9]，如表4所示。

表4 四個指標(biāo)的主觀權(quán)重

經(jīng)過計算，外觀所占的權(quán)重最大，滋味與氣味接近。對樣品感官評定結(jié)果見表5。

結(jié)果反映人們很重視米飯樣品的外觀，但產(chǎn)品的質(zhì)量是由內(nèi)外共同決定的，要全面反映產(chǎn)品的品質(zhì)需要主客觀的結(jié)合。

各專家對某指標(biāo)的總均值為主觀權(quán)重，各專家對某指標(biāo)的歸一化值為客觀權(quán)重，將主客觀權(quán)重相結(jié)合的方法即組合賦權(quán)法。

表5中V為標(biāo)準(zhǔn)差除以均值，歸一化處理就得到樣品每個指標(biāo)的客觀權(quán)重Ki(結(jié)果見表5)，即，

(2)

根據(jù)各專家對6個樣品4項(xiàng)指標(biāo)的均值得出大米的氣味、外觀、適口性和滋味的客觀權(quán)重分別為0.295、0.188、0.307和0.289。

設(shè)指標(biāo)Xi的主觀賦權(quán)結(jié)果是αi，客觀賦權(quán)結(jié)果是βi，那么主客觀賦權(quán)結(jié)果即是αiβi，將它們歸一化處理得到組合權(quán)重為

(3)

由公式(3)計算出大米的氣味、外觀、適口性和滋味的組合權(quán)重分別為0.275、0.178、0.279和0.268。這顯示了在大米的感官指標(biāo)中，人們還是最重視適口性，對外觀的要求最低。

表5 感官評分及其統(tǒng)計分析結(jié)果

2.2.2 客觀指標(biāo)權(quán)重的建立

對米綜合評價的前提與基礎(chǔ)是建立米的質(zhì)量評價指標(biāo)體系，它對評價結(jié)果的科學(xué)性、可靠性和準(zhǔn)確性有直接的影響。測定米的彈性、硬度和適口性，測定方法依據(jù)優(yōu)化的條件進(jìn)行。

米的硬度是米局部抵抗硬物穿透的抵抗能力，在感官上是指將米咬碎所需的力。彈性是物品發(fā)生形變再回復(fù)到原來形狀的性質(zhì)。咀嚼度是將樣品破碎到吞咽所需的能量。8位專家協(xié)商后統(tǒng)一對6種樣品氣味、外觀和滋味感官指標(biāo)打分。樣品相關(guān)分析結(jié)果見表6。

表6 六種樣品指標(biāo)分析

將各指標(biāo)正向化和無量綱化處理，確定各指標(biāo)的權(quán)重。大米的硬度與彈性需要一個最佳范圍，所以為望目指標(biāo)。最佳范圍是通過對市場流行的優(yōu)質(zhì)大米調(diào)查得出的，硬度最佳范圍是(9500，13500)，彈性最佳范圍為(0.75，0.98)。表6中2和4號樣品的測定值在最佳范圍內(nèi)。硬度轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)公式為：

R=max|13 500-Xi|=5 535.43，Yi=5 535.43-

|13 500-Xi|

彈性正向化公式

R=max|0.98-Xi|=0.478，Yi=0.478-|0.98-Xi|

式中：Yi分別為硬度和彈性正向化值；Xi為硬度和彈性值。

咀嚼度和感官評分屬于正向指標(biāo)，數(shù)值就代表其質(zhì)量。根據(jù)本研究特點(diǎn)，對正向化的客觀指標(biāo)無量綱化和均值化，計算公式同(1)，結(jié)果見表7。

表7 客觀指標(biāo)正向化后無量綱化結(jié)果

先進(jìn)行無量綱化處理，再進(jìn)行歸一化，即對每個指標(biāo)賦予權(quán)重，選擇3個大米的組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)，感官指標(biāo)里有氣味、外觀和滋味[10]。

根據(jù)感官指標(biāo)權(quán)重的建立結(jié)果可知，氣味、外觀、適口性和滋味4部分的組合賦權(quán)值如表8所示，質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的總權(quán)重為0.279，各個指標(biāo)的分權(quán)重應(yīng)為硬度：0.279×0.369，彈性：0.279×0.104，咀嚼度：0.279×0.527。所有權(quán)重之和為1。

表8 四個指標(biāo)的組合賦權(quán)值

2.3 隸屬函數(shù)的建立和綜合評價集的確定

2.3.1 隸屬函數(shù)的建立

根據(jù)評價指標(biāo)評語集的分類，做出與指標(biāo)數(shù)據(jù)相應(yīng)的隸屬函數(shù)，得到大米質(zhì)量的評價指標(biāo)集及評語集[11]。

當(dāng)評價值隨著指標(biāo)增大而增大時:

(4)

當(dāng)評價值隨著指標(biāo)值增大而減小時，

(5)

表9給出了Uij(xi)等數(shù)學(xué)量的含義。

表9 三個數(shù)學(xué)量的注釋

其中：對Uij(xi)進(jìn)行模糊計算，得到矩陣：R=(rij)n×m,i=1,2,Λ,m,以此計算模糊綜合評價集。正向化處理彈性、硬度指標(biāo)以便綜合分析，結(jié)果如表10所示。

用隸屬函數(shù)對表10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊計算，得到關(guān)系矩陣R：

(6)

表10 評價指標(biāo)

建立評語集如表11所示。

表11 評語集的建立

按分級標(biāo)準(zhǔn),建立評價級E={e1，e2，Λ，et}，t是目標(biāo)等級數(shù)，建立I-V級的質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，見表12。將綜合評價集B對照大米質(zhì)量等級表，米的質(zhì)量綜合評價值bj越大，質(zhì)量越好，bj越小，質(zhì)量越差。

表12 大米和工程米感官質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

將綜合評價集B對照評價級E，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)來確定評價目標(biāo)的等級和優(yōu)劣情況。按質(zhì)量綜合評價值的大小順序?qū)?種樣品進(jìn)行排列為樣品4>樣品2>樣品5>樣品6>樣品1>樣品3，屬于I級米的有4號、2號和5號，其中6號、1號與3號米，等級都在II級以上，說明樣品的質(zhì)量總體較好，分級結(jié)果與實(shí)際相符。

3 討論

本文建立了一套針對擠壓重組方式獲得的馬鈴薯工程米的綜合評價指標(biāo)體系，對工程米的生產(chǎn)和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。采用組合賦權(quán)法求得馬鈴薯工程米和大米在氣味、外觀、質(zhì)構(gòu)和滋味的質(zhì)量權(quán)重，表明最重要的是氣味和質(zhì)構(gòu)，符合人們對大米質(zhì)量的普遍認(rèn)識。馬鈴薯工程米的質(zhì)量等級通過模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法來評定，以及與普通大米的質(zhì)量相比較[12]。根據(jù)綜合評價集及分級標(biāo)準(zhǔn)，也可反映出馬鈴薯工程米和普通大米的適口性比較結(jié)果。通過以上試驗(yàn)，證明模糊數(shù)學(xué)綜合評價運(yùn)用到大米和馬鈴薯工程米上，是主觀和客觀的結(jié)合，具有合理性，可減少人為主觀上的誤差。