基于模糊数学和响应面法的超高压嫩化河蚌肉的感官评价

张斌,孙兰萍,胡海燕,许晖,屠康

1(蚌埠学院 食品与生物工程学院，安徽 蚌埠，233030) 2(南京农业大学 食品科技学院， 江苏 南京，210095)

基于模糊数学和响应面法的超高压嫩化河蚌肉的感官评价

张斌1*,孙兰萍1,胡海燕1,许晖1,屠康2

1(蚌埠学院 食品与生物工程学院，安徽 蚌埠，233030) 2(南京农业大学 食品科技学院， 江苏 南京，210095)

为提升河蚌肉食用品质，利用超高压技术对蚌肉进行嫩化处理。选取色泽、黏度、弹性和气味为感官评价因素，利用层次分析法确定评价因素的权重，建立模糊感官综合评分体系，并以压力强度、CaCl2浓度和保压时间为实验因素，以超高压处理后的河蚌肉感官评价的模糊综合评分Y为响应值，进行3因素3水平Box-Behnken响应面实验设计，并对模型进行优化。试验结果表明，在压力强度364.51 MPa、CaCl2浓度0.28 mol/L、保压时间14.55 min条件下河蚌肉的综合评分最优为1.034。模糊数学和响应面法相结合用于超高压嫩化河蚌肉的工艺切实可行，且重复性好。

模糊评价；河蚌肉嫩化；超高压

河蚌，又名河歪、河蛤蜊，一种贝壳类水生动物，是中国特有资源[1]。蚌肉富含蛋白质、多糖、矿物质及易被人体利用的必需氨基酸等营养成分，有益于人体健康，正是当前消费者普遍追求的健康食品[2-4]。但河蚌肉肉质较硬，口感粗韧，嫩度较差[5]。肉的嫩度是消费者最为关心和重视的感官性状之一，在一定程度上决定了蚌肉的食用品质和市场竞争力[6]。目前肉类嫩化方法有压力法、钙盐法[7]、酶法[8]等，但超高压技术在河蚌肉嫩化方面的报道较少。食品的超高压技术(ultra high pressure, UHP)是将100～1 000 MPa的静态液体压力施加于食品物料上并保持一定的时间，起到杀菌、灭酶、蛋白质变性等作用[9]。该技术属于一种纯物理的冷加工技术，能够在改变产品部分属性的同时最大限度的保持食品原有的营养成分和风味。

食品感官评价是在食品理化分析的基础上，集心理学、生理学、统计学知识发展起来的一门学科，其评价结构复杂，评价结果难于准确表达[10]。模糊数学法在食品感官评定中的应用，克服了感官评定结果的主观性和片面性，使模糊的问题数学化，使评定结果更趋于合理性。国内已有学者将模糊数学综合感官评价法在酱牛肉[11]、鹅肉嫩化[12]、猪肉加工[13]、营养早餐[14]等方面进行研究。但将模糊数学综合感官评价法应用于水产品嫩度评价的研究较少，尚未有将模糊数学法用于超高压嫩化河蚌肉的研究。

基于此，本文采用超高压技术对河蚌肉进行嫩化，在单因素研究基础之上，确定实验因素的取值范围和编码水平，利用模糊数学计算出超高压嫩化后河蚌肉的感官综合评分，以模糊综合评分Y为响应值，通过响应面分析，优化出超高压嫩度河蚌肉的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

河蚌：由蚌埠市固镇县绿色家园家庭农场提供，选择蚌壳完整，喷水有力，壳长约(8.5+0.5) cm的河蚌，置于水族箱中暂养3～5 d；CaCl2为国产分析纯。

超高压处理器(HPLL3-600),天津森淼高压设备有限公司；小型真空包装机(DC400-2C),浙江兄弟包装机械有限公司。

1.2 超高压嫩化工艺流程

河蚌→去壳、内脏→取肉体→冲洗→浸泡10-20 min→自然晾干→分割→CaCl2浸泡→真空密封→超高压处理→卸压→取样品

1.3 模糊综合评价[16-17]

1.3.1 感官评定

参考SALLAM[15]的方法，经过感官评定实验培训、筛选，选择具有一定感官评定知识并身体状态良好的10名(6男4女)食品科学与工程专业学生组成；按照基本的感官评定实验要求，对超高压嫩化后河蚌肉的色泽、气味、黏度和弹性进行感官评定，感官评分标准见表1。

表1 感官评分标准

1.3.2 评价因素集和评语集的确定

因素集即影响河蚌肉嫩化质量的指标合集，通常表示为U=(u1，u2，u3，…，um)，其中U为因素集，ui为第i个因素。对于超高压嫩化河蚌肉，确定有4项指标组成因素集，即U=(色泽u1，气味u2，黏度u3，弹性u4)。

评语集是被评对象所属质量级别的集合，通常表示为V=(v1，v2，v3，…，vm)(2

1.3.3 权重集的确定

采用层次分析法[18]将色泽，气味，黏度和弹性按照1～9标度法构造判断矩阵，求出判断矩阵的最大特征值，及其所对应的特征向量。如果检测系数CR<0.1 ，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则矩阵就不具有满意一致性，要重新构造。若检验通过，归一化后的特征向量即为色泽、气味、黏度和弹性的权值并建立权重集W。

表2 1～9标度表

1.3.4 模糊评价矩阵的建立

10名感官评定者对超高压处理后的河蚌肉的色泽、气味、黏度和弹性按照评价集进行评定，统计每个评价因素每个等级所得的票数然后进行归一化得到模糊关系矩阵R：

1.3.5 综合评分结果

利用合适的模糊合成算子将权重集W与模糊关系矩阵R合成得到各个被评价对象的模糊综合评价结果矢量B。

B=W·R=(b1,b2,…,bm)

本文采用加权平均原则对模糊综合评价结果B进行综合分析。在加权平均原则中，将等级看作一种相对位置，使其连续化，用”1，2，3，…,n”表示评语集中各评语等级的秩，然后用B中对应分量将各等级的秩加权求和，从而得到被评价对象的综合评分Y(k=1或2)。

(1)

按照评价集将优、良、中和差4个等级的秩分别赋值1、2、3和4，本例中k=1，计算出被评价样品的综合评分Y，Y值越小评价等级越高。

1.4 单因素试验设计

每次试验选取18块河蚌肉样，平均分成6组。在一定的CaCl2浓度和保压时间的条件下，对每组河蚌肉样品分别进行0、100、200、300、400、500 MPa压力处理；在一定的CaCl2浓度和压力强度的条件下，对每组河蚌肉样品分别进行 0、5、10、15、20、25 min的高压处理；在一定的压力强度和保压时间条件的条件下，每组河蚌肉样品分别浸入浓度为0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mol/L CaCl2溶液；分别按照1.3.1超高压嫩化蚌肉，分析不同条件对河蚌肉感官品质的影响。

1.5 响应面试验方案设计

根据单因素试验结果，以压力强度(X1)、CaCl2浓度(X2)和保压时间(X3)为3个因素，以超高压嫩化的河蚌肉的模糊感官评分为响应值(Y)进一步进行响应面试验设计，见表3。

2 结果与分析

2.1 层次分析法确定权重集

根据层次分析法原则，按照色泽、气味、黏度和弹性对超高压处理河蚌肉感官评定的重要性建立判断矩阵并计算出4个评价因素的权值，结果如表4所示。

表3 Box-Behnken试验因素水平表

表4 判断矩阵

由表4可知，CR=0.016 1<0.1，说明建立的判断矩阵具有一致性，以此得到的权值结果合理有效。色泽、气味、黏度和弹性4个评价因素在超高压处理河蚌肉感官评价系统中的权值分别为：0.46、0.14、0.17和0.23。

由此建立了模糊综合评价体系，其中评价体系中评价因素集为U=(色泽u1，气味u2，黏度u3，弹性u4)、评语集为V=(优v1，良v2，中v3，差v4)、权重集为W=(0.46，0.14，0.17，0.23)。

2.2 单因素试验

根据1.4进行单因素试验，结果如表5～表7所示。

表5 压力强度对河蚌肉感官评定的影响

注： CaCl2浓度0.20 mol/L、保压时间10 min。同一列字母相同显著性不明显，字母不同显著性明显，小写字母P<0.05，大写字母P<0.01(表6、表7同)。

表6 CaCl2浓度对河蚌肉感官评定的影响

注：压力强度300 MPa、保压时间10 min。

表7 保压时间对河蚌肉感官评定的影响

注：压力强度300 MPa、CaCl2浓度0.20 mol/L。

由表5～表7可知，随着压力强度的增加，河蚌肉的4因素感官综合评分先减小后升高。这主要是由于高压条件下促使蚌肉肌纤维破裂，肌肉结构中大分子物质发生解聚，蚌肉弹性增加较为明显，蚌肉综合评分值较好；CaCl2浓度的增加，河蚌肉的感官综合评分总体呈逐渐减小的趋势。这主要是由于钙激活酶促使蚌肉蛋白质过度水解，并产生少量的醛类、醇类、酮类及含硫化合物[19]等，从而使河蚌肉气味变化较为明显；保压时间的延长，河蚌肉的4因素感官综合评分先减小后升高。这主要较长的保压时间促使肌红蛋白总量降低，河蚌肉色泽总体呈现黄白色或白色，进而影响到综合评分。

2.3 响应面分析

2.3.1 Box-Behnken响应面实验设计

根据表3对河蚌肉按照响应面实验设计方案在不同的实验条件进行操作，产生15组产品。由10名食品科学与工程专业学生组成的感官评委，按照表1中的感官评定要求对这15组超高压嫩化后的河蚌肉从色泽、气味、黏度和弹性4个方面进行感官评定，并依据评语集给定评价结果，统计后计算出每个样本的模糊综合评分。将压力强度(X1)、CaCl2浓度(X2)和保压时间(X3)实验条件作为3个试验因素，以超高压河蚌肉感官评价的模糊综合评分Y为响应值，进行3因素3水平Box-Behnken响应面实验设计，结果如表8所示。

表8 响应面实验设计及结果

对响应面实验结果进行回归拟合，得到经超高压处理河蚌肉的感官评价的模糊综合评分Y与压力强度(X1)、CaCl2浓度(X2)和保压时间(X3)的回归方程为：

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

表9 回归模型的方差分析

注：***表示差异极显著(P<0.001)，**表示差异高度显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)。

2. 3.2 主效应分析

压力强度、压力强度平方项、CaCl2浓度、对河蚌肉的模糊综合评分有极显著的影响(表9)；保压时间对河蚌肉的模糊综合评分有显著的影响。因此，在超高压嫩化后的河蚌肉感官评价体系中，3个实验因素的效应影响为：压力强度>CaCl2浓度>保压时间。

2. 3.3 响应面分析

分别固定回归模型中任意一个因素在0水平，可以得到另外2个因素的双因素模型，应用Design-Expert软件绘制出响应面和等高线图，主要考察压力强度(X1)和CaCl2浓度(X2)、压力强度(X1)和保压时间(X3)、CaCl2浓度(X2)和保压时间(X3)之间的交互效应。

由图1～图3结合表9可知，压力强度和保压时间交互作用对河蚌肉的模糊综合评分有极显著的影响；CaCl2浓度和保压时间交互作用对河蚌肉的模糊综合评分有显著的影响；压力强度和CaCl2浓度交互作用河蚌肉的模糊综合评分无显著性影响。

图1 综合评分=f(X1,X2)响应曲面及等高线图Fig.1 Comprehensive score =f(X1, X2) response surface and contour plot

图2 综合评分=f(X1,X3)响应曲面及等高线图Fig.2 Comprehensive score =f(X1, X3) response surface and contour plot

图3 综合评分=f(X2,X3)响应曲面及等高线图Fig.3 Comprehensive score =f (X2, X3) response surface and contour plot

2. 3.4 优化及验证

结合回归模型和响应曲面图，通过软件对各因素求导，得到超高压嫩化河蚌肉感官评价的模糊综合评分最佳工艺条件是：压力强度364.51 MPa、CaCl2浓度 0.28 mol/L、 保压时间 14.55 min，此条件下河蚌肉的综合评分为1.034。为进一步验证响应面优化的可靠性，结合实际操作对最优条件进行调整，在压力强度365 MPa、CaCl2浓度 0.3 mol/L、 保压时间15 min的条件下进行3次验证实验，得到嫩化后河蚌肉的模糊综合评分为1.104，与响应面优化的结果相对误差为6.34%，响应面优化结果准确可信。

3 结论

(1) 利用层次分析法得到色泽、气味、黏度和弹性4个评价因素的权重分别为0.46、0.14、0.17、0.23。对15组实验样本进行感官评价并根据模糊数学理论得到每个样本的模糊综合评分Y。

(2) 以压力强度(X1)、CaCl2浓度(X2)和保压时间(X3)为实验因素，以超高压处理后的河蚌肉感官评价的模糊综合评分Y为响应值，进行3因素3水平Box-Behnken响应面实验设计并对模型进行优化，最终得到了嫩化河蚌肉的感官评定的最佳工艺条件为：压力强度364.51 MPa、CaCl2浓度 0.28 mol/L、 保压时间 14.55 min，此条件下河蚌肉的综合评分为1.034。

(3) 验证实验证明，模糊数学法和响应面法相结合用于超高压嫩化河蚌肉的工艺切实可行，且重复性好。

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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

硕士,副教授 (本文通讯作者，E-mail：zhangbin207@163.com)。

安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2013A182)；高校领军人才引进与培育计划项目；蚌埠学院学术技术带头人及后备人选项目；安徽省质量工程卓越工程师培养计划项目;安徽省质量工程省级名师工作室(2016msgzs044)

2016-10-19，改回日期：2016-12-20

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