模糊感官评价在双螺杆挤压杂粮工程米工艺优化中的应用

玉王宁，刘杰，刘士伟，范光森，刘炎桥，王雪，段盛林

（1.河北工程大学附属医院，河北邯郸056002；2.河北工程大学医学院，河北邯郸056002；3.中国食品发酵工业研究院，北京100015；4.北京工商大学食品学院，北京100048）

本研究中的杂粮工程米是以杂粮粉为主要原料，通过双螺杆挤压技术集破碎、混合、搅拌、加热、蒸煮、剪切及成型等为一体的高新技术产品，相对于通过单螺杆挤压机生产的工程米，具有更好的组织化性能和食用品质[1－3]，并可以通过控制产品配方、物料水分含量、螺杆选型、螺杆转速、主机腔体温度、出口模板设计和干燥方式等改变产品形态，导致如外观、气味、质地、适口性、滋味等的不同[4]。杂粮工程米是一个全新的针对居民身体健康的营养方案，可提高居民的健康水平，具有其他功能性食品无法比拟的优势与地位，并且原料利用率高、低污染，营养损失少、易消化，不易回生、有利于长期保存等[5-6]，作为一种新兴产品，相应的品质控制和评价标准还不健全，虽然有稻谷、大米的国家标准可供参考[7]，存在一定的差异性和局限性，并不能直接应用。而且目前来看，缺少深入的涉及品质分析和产品产业化实施的探讨，导致产品品质监控技术的不成熟已成为制约杂粮工程米发展的瓶颈。

食品品质的评价是一种复杂且具有模糊性质的系统，多以感官检验为主，其结果受人为因素影响，无法用精确的数学进行描述[8-10]。模糊感官评价就是应用模糊数学对产品进行评价分析，在模糊集合论的基础上建立运算、变换规律，运用模糊逻辑将产品评价过程中的不确定性和模糊性得到综合体现，进而能从产品加工的本质上，从更深层次上做出准确、客观与科学的评价[11-15]。

本研究以杂粮工程米的食用感官体验为研究对象，在前期试验的经验基础上选定一组原料配方比例，通过控制3个影响产品品质的主要过程控制因素（物料含水量、螺杆转速、机筒二区温度），设计L9（34）正交试验，并以产品蒸煮前后的模糊感官评价结果为考量指标，以期得到这3种过程控制因素对产品品质影响的主次顺序及最优水平。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通糙米粉碎（80目）：市售；玉米粉（80目）：天津真如果食品工业有限公司；大豆分离蛋白：山东禹王实业有限公司；南瓜粉：北京宝得瑞食品有限公司；魔芋粉：汕头市捷成生物科技有限公司；复合改良剂（卵磷脂和单甘脂）：中国食品发酵工业研究院食品添加剂与配料研发中心自制。

1.2 仪器与设备

SR-DG183型保温式自动电饭锅：松下电器（中国）有限公司；XP10002S型电子天平（感量0.01 g）：梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；MA150型快速水分测定仪：赛多利斯茵泰科公司（德国）；CYS22型原料混合及输送设备（拌粉机和喂料绞龙）：济南晨阳科技有限公司；TPE62S型双螺杆挤压膨化机：北京现代洋工机械科技发展有限公司；CYH50型杂粮工程米烘干系统（预烘干箱、平衡稳定箱、低温恒湿烘干箱和冷却传送带）：济南晨阳科技有限公司。

1.3 杂粮工程米配方

采用的杂粮工程米配方是根据理论推导及前期多次试验结果所得，各组分所占比例为糙米粉60%，玉米粉20%，大豆分离蛋白7%，南瓜粉5%，魔芋粉5%，复合改良剂3%。

1.4 方法

1.4.1 单因素试验

根据该套设备实际可控制参数情况确定共11个影响产品性状的可变因素：物料含水量，喂料速度，螺杆转速，一区温度，二区温度，三区温度，四区温度，五区温度，切刀转速，烘箱温度，烘箱速度。对杂粮工程米品质影响最为显著的因素为物料含水量（X1），螺杆转速（X2），二区温度（X3）[16-18]。固定其他可控参数为喂料速度150 kg/h，一区温度60℃，三区温度70℃，四区温度80℃，五区温度60℃，切刀转速600 rpm，烘箱温度60℃，烘箱速度1 m/min。将物料含水量X1（10%，15%，20%，25%），螺杆转速X2（80，150，250，300 r/m），二区温度X3（60，100，140，180℃）分别取4个水平进行单因素试验，并以产品耐煮性为指标，初步确定各因素的水平。耐煮性测定是将100粒颗粒均匀的样品置于200 mL蒸馏水中煮沸30min，以最后完整颗粒所占百分比表示[19]。

1.4.2 正交试验设计

根据单因素试验结果确定物料含水量X1，螺杆转速X2，二区温度X3的控制水平，采用L9（34）正交试验设计对杂粮工程米工艺进行优化，并采用模糊感官评价法对产品进行评定。

1.4.2.1 确定产品评价指标集

蒸煮前评价集：Ai={A1，A2，A3}

A1=外观：包括色泽正常A11，颗粒均匀A12；

A2=气味：包括有自然香味A21，无霉味A22；

A3=质地：包括质地坚硬A31，完整无破损A32。

蒸煮后评价集：Bi={B1，B2，B3，B4，B5}

B1=气味：包括香气纯正性B11和香气浓郁性B12；

B2=外观结构：包括颜色B21，光泽 B22，完整性B23；

B3=适口性：包括黏性 B31，弹性 B32，软硬度 B33；

B4=滋味：包括滋味纯正性B41，滋味持久性B42；

B5=冷饭质地：包括黏弹性B51，无回生性B52。

1.4.2.2 产品评价指标体系权重系数的计算

对于该权重系数的计算，采用了专业人员调查（专业人员）和网络问卷调查（普通人员）两种方式对上述评价指标的重要程度进行排序，并将结果汇总于综合评价统计表中，然后将某一指标的各个重要程度的人数乘以该重要程度指定的分值，并求出该指标的分值总和除以全部指标获得的总分值[20－22]，即可得到某一指标的权重Xi。根据这两部分人对各评价指标权重排序的可信度不同，首先采用强制决策法也对两种人员的品评结果赋予了不同的权重：{专业人员，普通人员}=[0.6，0.4]。其中专业人员为从事食品感官评价工作的研究人员，共7人；普通人员72人。

1.4.2.3 确定评价对象集

评价对象集Y是指研究过程中，需要进行评价的产品的集合，以 Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}表示。Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9分别表示本研究正交试验产生的产品，Yj分别代表对9种样品的综合评价，其中 j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.4.2.4 确定产品评语集

通过规定特定分值区域与评价集相对应，可将最终结果量化为分数。首先设定评价集为：V={V1，V2，V3，V4}；V1=很好，V2=良好，V3=一般，V4=较差。根据清晰质量等级边界模糊化法将分值区域清晰化，即取区域的中心值得到对应的分值[23－24]，见表1。

表1 评价集与分值区域对应表Table 1 The corresponding table of evaluation sets and score areas

1.4.2.5 米饭样品的制备[7]

1）称米：称取每份50 g样品于蒸饭皿中，样品份数按照评价人员每人1份准备；

2）洗米：将称量后的样品倒入沥水筛中，将沥水筛置于盆内，快速加入300 mL水，顺时针搅拌10圈，逆时针搅拌10圈，快速换水重复上一操作。再用200 mL蒸馏水淋洗1次，沥尽余水，放入蒸饭皿中；

3）蒸米：蒸锅内加入适量的水，用电炉加热至沸腾，此时向装有样品的蒸饭皿中加入蒸馏水40 mL，并置于蒸屉上，盖上蒸锅锅盖，继续加热并开始计时，蒸煮15min，停止加热；

4）取出样品，以备品尝。

1.4.2.5 样品评定，形成模糊矩阵

本研究的最终评价人员组成来7名专业从事食品研究开发的工作人员，分别对正交试验设计的试验产品从上述的的产品评价集内容的各个角度进行品评。将结果汇总于米饭食味品质评价统计表中，然后将选择某一个评语的人数除以评委的总数得到隶属度，形成评价矩阵Rij。

评价人员在品评前1小时不吸烟、不吃东西、但可以喝水，品评期间具有正常的生理状态，不使用化妆品或其他有明显气味的用品。每次品评包括4份样品（包含1份参照样品和3份待品评样品）。每位评价人员每天最多做2次品尝，且时间安排在饭前1小时或饭后2小时进行。其中，参照样品为事先选出3份试验样品，经过米饭制作，由评价人员进行3次品评，选出色、香、味正常，综合评分在80左右的样品1份，作为每次品尝的参照样品[22－24]。

1.4.2.6 模糊评判

依据模糊变换原理：Y=X○R

其中，Y为评价对象集，是对样品的综合评价集；X为权重集；R为评价矩阵；○为广域模糊算子。

式中：Yi=（x1×r1i）∨或∧（x2×r2i）…（xn×rni）。这里“∨”表示两者相比较后取较大者，“∧”表示两者相比较较小值，根据杂粮米感官评价的各指标之间的关系，二级和三级因素的模糊变换根据最大运算法则选取“∨”，而最外层蒸煮前、后一级因素之间的模糊变换根据最小运算法则选取“∧”[14，23]。最后根据评价集与分值区域对应表中对应的分值将综合品评结果转换为相应的分值，作为结果带入正交试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

料含水量、螺杆转速、二区温度对杂粮工程米耐煮性的影响见图1。

由图1可以看出，物料含水量、螺杆转速、二区温度对杂粮工程米的耐煮性评价的水平初步确定在物料含水量20%，螺杆转速150 r/m，二区温度140℃，并可确定正交试验的因素水平为物料含水量X1（15%、20%、25%），螺杆转速X2（100、150、200 r/m），二区温度X3（120、140、160℃）。

图1 物料含水量、螺杆转速、二区温度对杂粮工程米耐煮性的影响Fig.1 Effects of material moisture，main engine speed and temperature of barrel areaⅡon the boiling resistance of coarse grain engineering rice

2.2 正交试验结果

2.2.1 杂粮工程米感官评价集及权重

通过调查统计及数据分析，可确定杂粮工程米感官评价的评价因素及各项权重见表2。各项权重的计算根据公式：

式中：Xi为第i个指标的权重；aj为指标重要程度赋值；nij为认为第i个指标的重要程度为j的人数；N为参与投票总人数。

表2 食味品评标准及权重计算结果Table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

续表2 食味品评标准及权重计算结果Continue table 2 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 杂粮工程米模糊评判隶属度的确定

通过收集7名专业评价人员对9个正交试验杂粮工程米样品的感官评价表，统计每个样品各项指标的隶属度。其中1号样品的隶属度结果如表3。

表3 样品1号各项指标的隶属度Table 3 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 评判结果的计算

对于指标“外观”A1，按模糊变换法则，经模糊变换得出其评价结果为：

归一化得，

YA1=（0.387，0.387，0.128，0.098）

同理可以计算出，

YA2=（0.367，0.489，0.144，0.000）

YA3=（0.429，0.429，0.142，0.000）

进而得到蒸煮前指标的评价隶属度矩阵RA：

进一步计算样品在蒸煮前的评价结果：

归一化得，

YA=（0.395，0.395，0.131，0.079）

同理计算样品在蒸煮后的评价结果：

YB=（0.196，0.380，0.366，0.058）

得到样品1的评价隶属度矩阵R1：

根据最小计算法则，采用“∧”运算获得1号样品的评价集：

归一化得：

Y1=（0.265，0.492，0.164，0.079）

根据评价集对应分值（表1），可知1号样品得分=95×0.265+85×0.492+70×0.164+30×0.079=80.8（分）。

同理，计算其他样品得分，见表4。

表4 正交试验9个样品的综合评价结果Table 4 Comprehensive evaluation results of the 9 samples

2.2.4 正交试验结果

将9个样品的综合评价得分作为因变量带入正交试验，得正交试验结果见表5，及其方差分析结果见表6。

表5 杂粮工程米L9（34）正交试验设计及结果Table 5 Orthogonal array design and corresponding results of coarse grain engineering rice

表6 正交试验结果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal array

根据极差值可初步确定影响样品品质的3个主要因素的主次顺序是：X3（二区温度）＞X2（螺杆转速）＞X1（物料含水量）。根据ki值可知，X3的第2个水平，即二区温度为140℃，X2的第2个水平，即螺杆转速为150 r/m，X1的第1个水平，即物料含水量为15%，分别为最优水平。并且因素X3、X2、X1均对杂粮工程米的综合评价得分都有有显著影响（P＜0.05），其中，因素 X3接近极显著影响（P＜0.001）。

3 讨论

通过双螺杆挤压机生产杂粮工程米的研究发现，和许多已有研究结论类似，各种过程控制参数对产品品质有着不同程度的影响[25]，这与熊善波等在单螺杆挤压机生产工程重组米中的结论有所不同[14]。庄海宁的研究表明合适的螺杆转速和进料水分含量的控制对于工程米生产节能和品质稳定来说意义重大[17]；杨绮云等认为各种控制参数相互联系、相互制约，共同影响产品品质，物料含水量在 15.6%～16.8%、螺杆转速为104 r/m～126 r/m、机筒温度在174℃～183℃时可使产品的糊化度达到较高水平[26]；高扬等通过研究认为螺杆转速350 r/m、物料含水量为31%、模头温度为75℃、干燥温度为65℃是对于质构特性和复水率影响的最优参数；魏再鸿等通过单因素试验和响应面优化试验得出了影响工程米吸水指数主要因素的最优水平，螺杆转速 238.2 r/m，物料含水量 26.8%，机筒温度分布在 86.1℃～96.1℃～106.1℃[16]等等。虽然不同研究成果的最优参数因配方、设备等试验条件的差异而不尽相同，但主要过程控制参数对产品品质的显著影响无论是从理论推导还是实践经验来说，都是毋庸置疑的，因此本研究决定采取物料含水量、螺杆转速、机筒二区温度作为主要过程控制因素加以研究。

模糊感官评价运用模糊逻辑将产品评价过程中的不确定性和模糊性进行综合分析，进而能从产品加工的本质上，从更深层次上做出准确、客观与科学的评价[8，12]。本研究产品评价指标集的制定是在GB/T 15682－2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》的基础上加以改进的，针对杂粮工程米本身在蒸煮前外观、颗粒完整性，耐煮性，蒸煮后适口性、滋味等方面较易出现状态波动的特点，重点细化了部分的评价指标，并将蒸煮前、后加以区分；在此基础上确定了评价指标权重系数的计算方法[20－21]。另外，本研究在模糊变换过程中共涉及到了由内到外的三级层次，内部三级和二级的模糊变换因指标间存在相似相关性，遵从最大隶属度原则，所以采用“∨”；而最外层蒸煮前、后的模糊变换因指标间的相对独立性和缺陷的短板效应，遵从最小运算法则，所以采取“∧”[14，23]。

4 结论

采用单因素试验、正交试验和模糊感官评价等方法对双螺杆挤压机制作杂粮工程米的工艺进行优化研究，确立一套改进的杂粮工程米模糊感官评价体系，克服传统感官品质评价方法的缺陷，评价结果更客观、准确。本研究在单一经验配方的基础上，固定其他可控参数为喂料速度150 kg/h，一区温度60℃，三区温度70℃，四区温度80℃，五区温度60℃，切刀转速600 r/m，烘箱温度60℃，烘箱速度1 m/min，以物料含水量、螺杆转速、机筒二区温度为自变量过程控制因素，将模糊感官评价结果数值化，作为因变量用于L9（34）正交试验，并最终通过数据分析确定3个过程控制因素对产品品质影响的主次关系及最优水平：机筒二区温度（140℃）＞螺杆转速（150 r/m）＞物料含水量（15%）。

[1]DUIN M V,MACHADO A V,COVAS J.A Look Inside the Extruder:Evolution of Chemistry,Morphology and Rheology Along the Extruder Axis During Reactive Processing and Blending[J].Macromolecular Symposia,2001,170:29－39

[2]DETCHEWA P,THONGNGAM M,JANE J L,et al.Preparation of gluten－free rice spaghetti with soy protein isolate using twin－screw extrusion[J].Journal of Food Science and Technology,2016,53(9):3485－3494

[3]邓力,何腊平,李秋萍,等.双螺杆挤压复合杂粮米的工艺优化[J].农产品加工(学刊),2013,335(11):35－39

[4]MACHADO A V,COVAS J,DUIN M V.Evolution of morphology and of chemical conversion along the screw in corotating twin－screw extruder[J].JournalofAppliedPolymerScience,1999,71:135－141

[5]POTENTE H,BASTIAN M,FLECKE J.Design of a Compounding Extruder by Means of the SIGMA Simulation Software[J].Advances in Polymer Technology,1999,18(2):147－170

[6]高扬,卢淑雯,任传英,等.糙米挤压工程米生产工艺优化[J].粮油食品科技,2016,24(6):1－7

[7]中国国家标准化管理委员会.GB/T 15682－2008粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法[S].北京:中国标准出版社,2009:2－4

[8]孙兆刚.模糊数学的产生及其哲学意蕴[D].武汉:武汉理工大学,2003:10－12

[9]DEBJANI C,DAS S,DAS H.Aggregation of Sensory Data Using Fuzzy Logic for Sensory Quality Evaluation of Food[J].Journal of Food Science and Technology,2013,50(6):1088－1096

[10]CHAKRABORTY S,RAO P S,MISHRA H N.Response Surface Optimization of Process Parameters and Fuzzy Analysis of Sensory Data of High Pressure-Temperature Treated Pineapple Puree[J].Journal of Food Science,2015,80(8):E1763-E1775

[11]霍红.模糊数学在食品感官评价质量控制方法中的应用[J].食品科学,2004,25(6):185-188

[12]何延治.农业研究中常用的几种模糊数学方法[D].吉林:吉林大学,2005:23-27

[13]INAN O,ARSLAN D,TASDEMIR S,et al.Application of Fuzzy Expert System Approach on Prediction of some Quality Characteristics of Grape Juice Concentrate(Pekmez)after Different Heat Treatments[J].Journal of Food Science and Technology,2011,48(4):423-431

[14]熊善波,张志清,李远志,等.模糊数学综合评价在工程重组米品质改良研究中的应用[J].食品科学,2011,32(18):49-53

[15]张玉荣,周显青,杨兰兰.大米食味品质评价方法的研究现状与展望[J].中国粮油学报,2009,24(8):155-159

[16]魏再鸿,周洋,王丹晖,等.双螺杆挤压机参数对挤压工程米吸水指数的影响[J].食品科学,2013,34(12):99-103

[17]庄海宁.双螺杆挤压机生产人造米及挤压系统模型的研究[D].无锡:江南大学,2011:136-138

[18]张文会,顿珠次仁.青稞复配挤压米技术研究[J].食品科学,2015,40(12):117-123

[19]金茂国,吴嘉根,吴旭初.粉丝生产用淀粉性质及其与粉丝品质关系的研究[J].无锡轻工业学院学报,1995,14(4):307-312

[20]傅丽,张妤,龚辉.基于模糊数学综合评价法优化水晶虾仁的浆液配方[J].食品工业科技,2017,38(11):209-213,218

[21]金婷,谭胜兵,汪成.模糊数学法在煎饼感官评定中的应用[J].食品研究与开发,2017,38(3):25-27

[22]张明,王燕,欧阳梦云.模糊数学感官评价法优化豆渣发酵工艺[J].中国酿造,2015,34(9):75-78

[23]周显青,杨兰兰,张玉荣,等.模糊综合评判法在稻米食味品质感官评价中的应用[J].粮油加工,2008(2):88-91

[24]唐萍,胡怀容,鲜欣言,等.模糊数学评定优化方便八宝粥配方的研究[J].粮油加工,2014(8):51-55

[25]KOWALSKI R J,HAUSE J P,JOYNER H,et al.Waxy Flour Degradation-Impact of Screw Geometry and Specific Mechanical Energy in a Co-rotating Twin-screw Extruder[J].Food Chemistry,2017,238:688-696

[26]杨绮云,李德溥,徐克飞.操作参数对双螺杆挤压机挤压效果影响的研究[J].食品科学,2001,22(2):14-17