基于模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的救生食品配方及工藝研究

王曉超, 楊 成, 王若永, 杜 鵬, 張志強(qiáng),穆慧玲, 白 霜, 陳曦蒙, 張連富

(江南大學(xué)食品學(xué)院1，無錫 214122) (空軍特色醫(yī)學(xué)中心2,北京 100142) (江蘇自然之道生物科技有限公司3,無錫 210000)

救生食品是指在發(fā)生災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)以及事故等待救援時(shí)，用以滿足人體對(duì)能量以及營養(yǎng)素的最低需要量，盡可能維持遇險(xiǎn)人員生存的一類食品[1,2]?，F(xiàn)有的救生食品制作原料通常選擇植物油、糖、大豆(植物)分離蛋白等分離性原料，這些分離性原料缺少維生素、礦物質(zhì)等養(yǎng)素[3,4]。此外，目前救生食品還存在能量密度偏低；產(chǎn)品中蛋白質(zhì)含量偏高，對(duì)水分需求較大；未根據(jù)遇險(xiǎn)人員焦慮緊張的心理特點(diǎn)添加相應(yīng)的功能性成分進(jìn)行設(shè)計(jì)等問題[5,6]。對(duì)此，國內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。趙雁武等[7]通過向救生食品中添加植物甾醇，改善了其口感，延長了救生食品的保質(zhì)期，但未添加相應(yīng)功能性物質(zhì)。Luo等[8]將生姜、梨渣、?；撬岬染哂锌蛊诠πУ墓δ苄猿煞痔砑又辆壬称分校纳屏水a(chǎn)品的感官接受度，但未考慮產(chǎn)品熱量及供能營養(yǎng)素的合理配比。

通過線性規(guī)劃法完成救生食品的原料篩選，用模糊綜合評(píng)判法對(duì)其感官品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。線性規(guī)劃法(LP)是在線性約束條件下，求解線性目標(biāo)函數(shù)最值的一種方法，是運(yùn)籌學(xué)中最實(shí)用的求解方法[9]。在綜合考慮所有原料的營養(yǎng)成分基礎(chǔ)上，能夠快速、高效地篩選食品配方[10]。在食品加工的研究過程中，對(duì)其感官接受度進(jìn)行評(píng)價(jià)有助于研究人員對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)做出判斷[11]。模糊綜合評(píng)判法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)隸屬度的原則將食品的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)食品的感官接受度做出客觀評(píng)價(jià)的一種方法[12,13]。Yu等[14]對(duì)添加小麥，高粱和膨化高粱粉的餅干建立模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，評(píng)判了其感官接受度。本實(shí)驗(yàn)對(duì)救生食品的配方和工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。擬研制高能量低蛋白、具有緩解遇險(xiǎn)人員焦慮緊張狀態(tài)功效的救生食品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低筋小麥粉、葡萄糖、棕櫚油、β-環(huán)糊精、燕麥、番茄清汁粉、茶葉茶氨酸、黑芝麻粉豆渣。

HM-740型家用多功能廚師機(jī)，CS-E11S型烤箱，ZL-600型高效搖擺式制粒機(jī)，YSB型壓縮餅干機(jī)，TA XTplus型物性測(cè)試儀，皇代800Y型高速多功能粉碎機(jī)。

1.2 方法

1.2.1 原料篩選

根據(jù)及救生食品技術(shù)性能的要求，建立線性規(guī)劃優(yōu)化模型：根據(jù)常見食物營養(yǎng)成分表，對(duì)以小麥粉，燕麥粉、黑芝麻粉、豆渣等全天然食品原料為主的原料配方進(jìn)行篩選,其營養(yǎng)成分如圖1所示。設(shè)定營養(yǎng)素單位質(zhì)量能量密度(蛋白質(zhì)4 kcal/g，脂肪9 kcal/g，碳水化合物4 kcal/g，膳食纖維2 kcal/g。設(shè)定約束條件：熱量在1 300 kcal以上，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)10%～20%，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%～80%，經(jīng)換算后得到：蛋白質(zhì)質(zhì)量應(yīng)不超過14.5 g，脂肪質(zhì)量為29～58 g，碳水化合物質(zhì)量為203～232 g；總質(zhì)量在285～290 g之間；葡萄糖用量小于小麥粉用量的2倍，以保證面團(tuán)成型；燕麥粉、豆渣用量均大于10 g，黑芝麻粉用量大于5 g；以熱量(Z)最高為目標(biāo)，進(jìn)行求解。

表1 原料配方篩選計(jì)算表的設(shè)計(jì)

Zmax=3.524X1+9X2+3.697X3+1.963X4+4X5+6.318X6

運(yùn)用Excel軟件的規(guī)劃求解工具進(jìn)行求解，滿足所有約束條件得到的最高熱量配方。

1.2.2 工藝流程

1.2.3 操作要點(diǎn)

粉碎過篩：利用高速多功能粉碎機(jī)粉碎燕麥并與其余粉狀原料分別過60目篩。物料混合: 將β-環(huán)糊精與棕櫚油混合后用廚師機(jī)攪拌均勻，與葡萄糖、低筋小麥粉、豆渣、水按一定比例混合均勻，形成面團(tuán)。將面團(tuán)輥壓成型后，切割成長寬約3 cm×3 cm，厚度約3 mm的小塊，再放入預(yù)熱后的烤箱中進(jìn)行烘焙。熟化后的餅干自然冷卻至室溫后，移入搖擺式顆粒機(jī)中破碎并過16目篩。將番茄清汁粉、燕麥粉、茶葉茶氨酸等熱敏性物質(zhì)與熟化餅干粉末充分混合后，放入壓縮餅干機(jī)中擠壓成型[15]。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)

以線性規(guī)劃求解的配方為基準(zhǔn)，固定焙烤時(shí)間15 min、β-環(huán)糊精占比70%、擠壓壓強(qiáng)60 kg/cm2，考察不同焙烤溫度(160、170、180、190、200 ℃)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響；固定焙烤溫度180 ℃、β-環(huán)糊精占比70%、擠壓壓強(qiáng)60 kg/cm2，考察不同焙烤時(shí)間(9、12、15、18、21 min)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響；固定焙烤溫度180 ℃、焙烤時(shí)間15 min、擠壓壓強(qiáng)60 kg/cm2，考察不同β-環(huán)糊精添加量(50%、60%、70%、80%、90%)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響；固定焙烤溫度180 ℃、焙烤時(shí)間15 min、β-環(huán)糊精占比70%，考察不同擠壓壓強(qiáng)(30、40、50、60、70 kg/cm2)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取每個(gè)因素下對(duì)救生食品感官評(píng)分影響較大的三個(gè)水平，以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用Design-Expert軟件中的Box-Behnken模塊設(shè)計(jì)四因素三水平實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 救生食品的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.3 模糊數(shù)學(xué)-感官評(píng)價(jià)方法的建立

1.3.1 確定評(píng)判因素合集與評(píng)價(jià)集

以救生食品的色澤、形態(tài)、口感、組織狀態(tài)為評(píng)判指標(biāo)，設(shè)u1=色澤、u2=形態(tài)、u3=口感、u4=組織狀態(tài)，組成評(píng)判因素集合:U={u1、u2、u3、u4}。評(píng)價(jià)集即每個(gè)因素的評(píng)價(jià)合集，由數(shù)值表示:v1=優(yōu)、v2=良、v3=中、v4=差，組成評(píng)語集合:V={v1、v2、v3、v4}。優(yōu)、良、中、差依次被賦予90、80、70、60分[16]。

1.3.2 確定權(quán)重集

權(quán)重是指某個(gè)因素在所有被評(píng)定因素中的影響。在本實(shí)驗(yàn)中色澤、形態(tài)、口感、組織狀態(tài)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，組成權(quán)重集:C={c1，c2，c3，c4}[17]。根據(jù)歸一化原則，權(quán)重集X中的各因素總和為1。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)品評(píng)員判定的權(quán)重系數(shù)得分進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，確定各因素的權(quán)重系數(shù)分別為0.16、0.25、0.38、0.21，即權(quán)重集:X={x1，x2，x3，x4}={0.16，0.25，0.38，0.21}。

1.3.3 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

選擇10位品評(píng)員(年齡為18～30歲，男女各5名，身體健康，對(duì)色香味分辨能力強(qiáng))進(jìn)行感官評(píng)定實(shí)驗(yàn)。對(duì)每份樣品進(jìn)行3位隨機(jī)編碼后置于白色紙盤中呈送，在自然光線中觀察餅干，檢查色香及有無異物，并觀察其形態(tài)和組織狀態(tài)，最后用溫開水漱口后品評(píng)其滋味，評(píng)定指標(biāo)如表3所示[18]。對(duì)被評(píng)定因素的各分值段打分人數(shù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表4所示(ri1+ri2+ri3+ri4=10，其中i=1、2、3、4)。

表3 救生食品感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表4 被評(píng)定因素各評(píng)定等級(jí)打分人數(shù)匯總

1.4 質(zhì)構(gòu)測(cè)定方法

使用TA XTplus物性測(cè)試儀全質(zhì)構(gòu)(TPA)模式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試探頭為 P/25，測(cè)前速度:1.0 mm/s，測(cè)試速度:1.0 mm/s，測(cè)后速度:5.0 mm/s；應(yīng)變?yōu)?0%，觸發(fā)力10 g。所有樣品重復(fù)測(cè)定6次，取平均值。

1.5 營養(yǎng)、理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)

蛋白質(zhì)參考 GB 5009.5—2016 檢測(cè)；脂肪參考GB 5009.6—2016 檢測(cè)；碳水化合物及能量參考GB 28050—2011計(jì)算；酸價(jià)參考 GB 5009.229—2016檢測(cè)；過氧化值參考 GB 5009.227—2016檢測(cè)；鉛參考GB 5009.12—2017 檢測(cè)；總砷參考GB 5009.11—2014 檢測(cè)；灰分參考GB 5009.4—2016 檢測(cè)；菌落總數(shù)、大腸菌群、霉菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌分別參考 GB 4789.2、GB 4789.3、GB 4789.15、GB 4789.4、GB 4789.10檢測(cè)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為3次平行實(shí)驗(yàn)所得平均值，采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用GraphPad Prism 8繪制圖表，使用Design-Expert 12進(jìn)行響應(yīng)面分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料篩選結(jié)果

根據(jù)線性規(guī)劃模型運(yùn)算結(jié)果見表5。由于在擠壓成型過程中，產(chǎn)品油脂含量過高，在擠壓成型過程的高壓作用下產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)明顯滲油現(xiàn)象。將β-環(huán)糊精與棕櫚油預(yù)混后進(jìn)行產(chǎn)品制備，可有效減緩擠壓過程中的滲油現(xiàn)象，考察β-環(huán)糊精按比例(50%、60%、70%、80%、90%)取代原葡萄糖用量后對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。已有研究證實(shí)，茶氨酸可能通過與神經(jīng)遞質(zhì)相互作用起到降低血壓、降低自述焦慮評(píng)分、提升腦皮層α腦波活動(dòng)的作用[19]。番茄清汁粉也具有降低血壓、保護(hù)心血管健康和改善產(chǎn)品風(fēng)味作用[20]。故分別按產(chǎn)品總質(zhì)量的0.5%添加番茄清汁粉及茶葉茶氨酸，以改善風(fēng)味并緩解遇險(xiǎn)人員的焦慮、緊張情緒。

表5 救生食品配方運(yùn)算結(jié)果

2.2 感官評(píng)價(jià)結(jié)果

感官因素綜合評(píng)判的結(jié)果向量為Y，由權(quán)重集X和評(píng)價(jià)矩陣R合成，即Y=X×R[21]。根據(jù)評(píng)價(jià)流程，評(píng)語集V=(90, 80, 70, 60)，則樣品的評(píng)判總分為：M=Y×V。

Yj= (y1,y2,y3,y4)=

式中：j=1，2，3，……29，為樣品編號(hào)，i=1，2，3，4為救生食品的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，ri1、ri2、ri3、ri4分別表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分?jǐn)?shù)項(xiàng)所得到的票數(shù)。品評(píng)員分別對(duì)所有樣品的各個(gè)因素進(jìn)行逐一評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)各因素在每個(gè)等級(jí)中的票數(shù)并進(jìn)行歸一化處理，得到模糊矩陣R以第一組樣品R1為例，其感官評(píng)定結(jié)果見表6。

表6 樣品R1的感官評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)評(píng)定結(jié)果進(jìn)行歸一化處理

依據(jù)模糊變換原理，Y=X×R,樣品R的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)果說明，對(duì)于樣品R1有62%的品評(píng)員認(rèn)為其等級(jí)為優(yōu)，24.6%的品評(píng)員認(rèn)為良，13.4%的品評(píng)員認(rèn)為中，無評(píng)定員認(rèn)為差。得出各組樣品綜合評(píng)定結(jié)果后，與評(píng)價(jià)集合對(duì)應(yīng)相乘再相加[22]。

同理得到其他樣品的感官評(píng)分結(jié)果，見表7。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)以擠壓壓強(qiáng)、焙烤時(shí)間、焙烤溫度、β-環(huán)糊精添加量為4個(gè)影響救生食品品質(zhì)的因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 不同工藝參數(shù)對(duì)救生食品的感官評(píng)分和硬度的影響

2.3.1 β-環(huán)糊精添加量對(duì)救生食品品質(zhì)的影響

葡萄糖不但賦予食品甜度，而且與蛋白質(zhì)作用發(fā)生美拉德反應(yīng)使得食品發(fā)生褐變并產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)。葡萄糖用量過高會(huì)導(dǎo)致餅干甜度過高，口感較膩[23]。由圖1可知，隨著β-環(huán)糊精添加量的增加，葡萄糖的用量減少，救生食品感官評(píng)分逐漸升高。當(dāng)β-環(huán)糊精添加量大于70%時(shí)，餅干色澤較弱，甜度偏低，感官評(píng)分隨之下降。

2.3.2 焙烤溫度對(duì)救生食品品質(zhì)的影響

焙烤溫度較低時(shí)，餅干熟化不充分，出現(xiàn)夾生口感，風(fēng)味物質(zhì)形成不充分，感官得分較低。隨著焙烤溫度的升高，餅干感官評(píng)分先增大，當(dāng)達(dá)到180 ℃時(shí)感官評(píng)分最高，繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)品表面出現(xiàn)焦黑現(xiàn)象，感官評(píng)分隨之下降。隨著焙烤溫度的升高，產(chǎn)品的含水量降低，粉質(zhì)間黏合性下降，使得產(chǎn)品硬度降低，當(dāng)焙烤溫度超過180 ℃時(shí)產(chǎn)品硬度趨于平穩(wěn)。

2.3.3 擠壓壓強(qiáng)對(duì)救生食品品質(zhì)的影響

隨著擠壓壓強(qiáng)的增加，救生食品硬度顯著增加。當(dāng)擠壓壓強(qiáng)較小時(shí)，救生食品偏軟且易破碎。隨著壓強(qiáng)的逐步升高，救生食品硬度增加，但易出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。將β-環(huán)糊精與油預(yù)混后進(jìn)行制備，可有效緩解在高壓強(qiáng)下的溢油現(xiàn)象。感官評(píng)分隨著擠壓壓強(qiáng)的升高而增加，當(dāng)壓強(qiáng)超過60 kg/cm2時(shí)，由于餅干硬度過大，難以咀嚼，導(dǎo)致感官評(píng)分下降。產(chǎn)品的硬度隨著擠壓壓強(qiáng)的增加而增加。

2.3.4 焙烤時(shí)間對(duì)救生食品品質(zhì)的影響

焙烤時(shí)間低于15 min時(shí)，救生食品熟化程度隨著焙烤時(shí)間升高而增加，感官得分也隨著增加；當(dāng)焙烤時(shí)間超過15 min時(shí)，由于過度烘焙出現(xiàn)焦糊味，熟化后的餅干會(huì)出現(xiàn)外焦內(nèi)生的現(xiàn)象，導(dǎo)致粉碎壓制后口感較差。此外過度焙烤也會(huì)造成熟化后的餅干表面顏色過深，導(dǎo)致擠壓成形后的產(chǎn)品出現(xiàn)明顯黑色，使得感官得分逐漸下降[24]。產(chǎn)品的水分含量隨著焙烤溫度的升高而降低，當(dāng)焙烤時(shí)間超過15 min時(shí)，產(chǎn)品硬度趨于平穩(wěn)。

2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

響應(yīng)面法優(yōu)化救生食品配方及工藝的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到感官評(píng)分Y對(duì)A、B、C、D4個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型:

Y=88.15+0.6733A+0.7992B+3.03C-0.89D-0.76AB+1.42AC+1.42AD-0.1825BC-1.74BD+0.56CD-1.4A2-2.53B2-4.78C2-2.61D2

表7 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表8 回歸模型的方差分析

由表8可知各因素對(duì)相應(yīng)值的影響并非線性關(guān)系，一次項(xiàng)C及交互項(xiàng)BD對(duì)應(yīng)急食品的感官評(píng)分呈極顯著影響(P<0.01)，一次項(xiàng)A、B、D及交互項(xiàng)AC、AD對(duì)應(yīng)急食品的感官評(píng)分呈顯著影響(P<0.05)，而交互項(xiàng)AB、BC、CD對(duì)應(yīng)急食品的感官評(píng)分影響并不顯著[26]。F值反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響強(qiáng)度，各因素對(duì)響應(yīng)值的影響與F值呈負(fù)相關(guān)，因此4個(gè)因素對(duì)應(yīng)急食品感官評(píng)分影響程度的大小順序?yàn)镃>D>B>A[27]。

2.4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert 12軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化，得到此款救生食品的理論最優(yōu)配方為：焙烤溫度183.6 ℃、β-環(huán)糊精添加量69.3%、焙烤時(shí)間18.3 min、擠壓壓強(qiáng)63.5 kg/cm2，此條件下救生食品的綜合評(píng)分為88.91。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可行性，選取焙烤溫度183 ℃、β-環(huán)糊精添加量69.3%、焙烤時(shí)間18.3 min、擠壓壓強(qiáng)64 kg/cm2，經(jīng)3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)急食品的感官評(píng)分為(90.74±2.24)，與預(yù)測(cè)值基本一致。表明所建數(shù)學(xué)模型擬合性好，可代替真實(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。

2.4.3 營養(yǎng)、理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)分析

經(jīng)檢測(cè)分析(見表9)，此款救生食品香甜可口、營養(yǎng)豐富、硬度適中，每份救生食品(293 g)的供能營養(yǎng)素含量為：蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.9%、脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.2%、碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)70.0%。理化指標(biāo)、污染物限量、微生物指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

表9 營養(yǎng)、理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)

3 結(jié)論

通過線性規(guī)劃模型篩選、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)、單因素實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)面分析法對(duì)救生食品的配方和工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳配方為：β-環(huán)糊精106.8 g、小麥粉73.2 g、葡萄糖39.5 g、棕櫚油45.5 g、燕麥粉10.0 g、豆渣10.0 g、黑芝麻粉5.0 g、番茄清汁粉1.5 g、茶葉茶氨酸1.5 g，最佳工藝為：焙烤時(shí)間18.3 min，焙烤溫度183.6 ℃，擠壓壓強(qiáng)63.5 kg/cm2。由方差分析可知各因素對(duì)感官評(píng)分的影響主次順序?yàn)楸嚎緶囟?擠壓壓強(qiáng)>β-環(huán)糊精添加量>焙烤時(shí)間。此條件下制備的救生食品每份熱值為1 385.9 kcal、能量密度為4.7 kcal/g、蛋白質(zhì)占比為3.9%。與市售09型壓縮干糧相比，本產(chǎn)品每份包裝的熱量和能量密度分別提升了37.8%、17.5%，蛋白質(zhì)占比降低了6.6%。此外，添加的功能性成分如茶氨酸和番茄清汁粉具有一定的緩解焦慮情緒的效果，產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。下一步可在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)特定人群的需求添加相應(yīng)的營養(yǎng)強(qiáng)化劑，并進(jìn)行人體功效驗(yàn)證。