基于极差分析法、主成分分析与模糊数学法的沙茶烤水牛肉工艺优化

2020-09-10郝婉名祝超智赵改名张继才韩广星李苗云柳艳霞

食品研究与开发 2020年18期

郝婉名，祝超智，赵改名，*，张继才，韩广星，李苗云，柳艳霞

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州450002；2.昆明综合试验站，云南昆明650000；3.临沂综合试验站，山东临沂276000）

近五年来，我国的肉牛产业发展迅猛，牛肉需求不断攀升。2016年我国牛肉产量是736.6万t[1]，2017年我国人均牛肉消费量为5.8 kg。牛肉需求上升但我国肉牛产出却不足，严重的供需不平衡使我国肉牛产业发展一度进入瓶颈期。寻找和开发牛肉生产新资源对发展肉牛产业显得尤为重要。

水牛肉色泽鲜红[2]，营养丰富，《中国家畜家禽品种志》[3]中记载水牛肉中蛋白质含量约为21%，与肉牛相同[4]，其他水牛肉加工特性如背最长肌pH值约为5.51，嫩度约为12.20 kg，熟肉率约为63.23%，与黄牛均无明显差异[5]。因此可以说水牛肉是我国肉牛资源不足情况下完美的资源替代，且我国水牛资源丰富，2015年～2017 年我国水牛肉产量分别为 34.5、35.9、36.3 万t，占牛肉总产量的5%左右[6]，目前国内对于水牛资源的研究多见于奶水牛的利用[7]，而肉用资源开发不足，市面上产品种类严重缺乏。本文以云南当地特色水牛为原料研发出休闲食品——沙茶烤水牛肉，其营养丰富，风味独特。在我国牛肉市场供不应求的情况下，开发多元化的水牛肉新产品对水牛肉资源的合理利用有重要意义。

沙茶烤牛肉是一种广东省潮州特色小吃，其色泽金黄，牛肉醇香滑嫩，沙茶酱汁稠浓鲜美，具有鲜、香、甜、辣等独特风味，深受消费者的喜爱。传统沙茶烤牛肉采用明火烧烤，温度及烤制时间全凭厨师经验，不利于工业化生产。因此本试验将传统明火烧烤工艺更改为烤箱烤制，分别研究了烤制温度、烤制时间、沙茶酱添加量及芝麻酱添加量对沙茶烤水牛肉颜色及风味等品质的影响，采用正交试验极差分析法[7-8]、主成分分析法[9]及模糊数学分析法[10]减少工艺试验次数，确定主次因素和最优组合。通过3种分析方法得到最佳沙茶烤水牛肉配方，产品色泽明亮，风味独特，多汁性和咀嚼性都得到了提升。沙茶烤水牛肉配方工艺的优化为增加水牛产品多样性，提高水牛肉用资源利用率提供了基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

河流型三岁水牛黄瓜条肉：采样自云南昆明试验站，屠宰后经15 d排酸，样品于冷冻状态下运回实验室并于-18℃保存；食盐、酱油、白糖、味精、白酒、白酱油、咖喱粉、沙茶酱、芝麻酱、辣椒油：郑州市花园路丹尼斯拜特超市。

1.2 仪器与设备

T4-L326F电烤箱：芜湖美的厨房电器制造有限公司；DZ-700/2ES落地式真空包装机：郑州星火包装机械有限公司；JC-STSX50L数显自控型高温杀菌锅：青岛聚创环保有限公司。

1.3 方法

1.3.1 基本配方

牛肉 5 kg、沙茶酱 500 g、芝麻酱 150 g、辣椒油500 g、食盐 75 g、白砂糖 100 g 、白酱油 500 g、白酒75 g、咖喱粉 200 g、味精 50 g。

1.3.2 工艺流程及操作要点

原料肉的选择与预处理→腌渍入味→晾晒→烘烤→冷却成品

原料肉的选择与预处理：选择经国家检疫合格的牛黄瓜条肉，剔除表面筋膜血污，清洗干净，加工成2 cm宽，4 cm长，每片厚0.3 cm连刀片（5片相连）；腌渍入味：将沙茶酱、芝麻酱和辣椒油混合制成沙茶辣油备用；连刀牛肉片加入白糖、白酱油、白酒、食盐、味精、咖喱粉抓均，腌制30 min～40min；晾晒：用绳子捆好在阴凉通风处晾晒2 h～4 h；烘烤：烤箱预热，将连刀片均匀刷上沙茶辣油，入烤箱烤制一定时间，取出；冷却包装成品。

1.3.3 感官评价

参考阿木提等[11]的感官评定规则，进行修改后得到表1所示烤肉感官评定表，选择16个经专业培训的食品学院师生对产品的颜色、风味、多汁性和咀嚼性进行评价，每两个样品品尝间隙用清水漱口。

1.3.4 单因素试验

研究表明烘烤温度和时间对烤肉的品质影响显著[12-13]，沙茶酱和芝麻酱[14]可以很好地调节沙茶烤水牛肉的风味，赋予其独特的口感。因此选取烘烤温度、烘烤时间、沙茶酱添加量和芝麻酱添加量为变量，探究4个单因素变化对沙茶烤牛肉品质的影响。在1.3.1配方的基础上，各因素水平表见表2。

表1 烤肉感官评定Table 1 Sensory evaluation of roast

表2 单因素试验因素水平表Table 2 Factor level table of single factor test

1.3.5 正交试验设计

综合单因素试验结果，从中选取烘烤温度、烘烤时间、沙茶酱添加量与芝麻酱添加量最适宜的3个梯度，采用四因素三水平正交分析方法，探究4个变量对沙茶烤牛肉水颜色、风味、多汁性与咀嚼性4个感官评价的影响。正交试验因素水平表见表3。

表3 正交因素水平及编码Table 3 Orthogonal factor level and coding

1.3.6 极差分析

极差分析是正交试验中常用的分析方法，可以较为直观地排列出影响试验结果因素的主次，找出最优组合[15]。设Kjm为第j列因素m水平对应的试验指标和，kjm为Kjm的平均值，由kjm的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合。Rj为第j列因素的极差，即j列因素各水平指标值的最大值与最小值之差。

Rj=max（kj1，kj2，…，kji）-min（kj1，kj2，…，kji）

Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大越重要，因此依据极差Rj的大小，就可以判断因素的主次。

1.3.7 主成分分析

主成分分析，是利用降维的思想，把多个指标转化为少数几个综合指标（即主成分）的分析方式，选出的主成分能够反映原始变量的大部分信息，且不重复。这种方法在引进多方面变量的同时将复杂的因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时得到更加科学有效的数据信息[16-17]。设 X=（X1，X2，…，Xp）′是 p 维随机向量，它的线性变化如下：

采用新变量 PC1来替代原来 p 个变量 x，x2，…，xp，PC1应尽可能多地反映原变量信息，如果第一主成分不足以代表原变量的绝大部分信息，考虑引入第二主成分PC2，依次类推。主成分分析的主要目的就是简化数据，因此在实际应用中不会取p个主成分，通常选用m（m＜p）个主成分。主成分个数m要依据各个主成分累计方差贡献率来最终判定。

式中：λ为各个主成分对应的特征值；k为选定的主成分数；i为全部主成分数。

1.3.8 模糊数学

模糊数学是一种可以通过简单的矩阵变换得到不同处理产品综合品质排序的一种分析方法，目前已在果汁饮料[18-20]、酱[21]、饼干[22-23]等产品中应用。沙茶烤水牛肉模糊数学评价模型的建立根据产品品质评判标准，设定2个评定论域：因素集，即感官质量指标集U=[A色泽，A风味，A多汁性，A咀嚼性]；评语集，即感官质量评语集 V=[优、良、中、差]。

权重是指各个因素在被评价因素中的影响和所处地位，表示为 S=（S1，S2，…，Si），根据归一化原则，权重集S中的元素总和为1[24]。采用用户调查法请评价小组成员对沙茶烤水牛肉的颜色、风味、多汁性和咀嚼性4个因素在感官评价中所占权重进行打分，确定权重集 S=（S1，S2，S3，S4）。

模糊关系综合评价结果：Y=S×R

式中：S为权重集；R为评判矩阵。

1.4 数据分析

利用SPSS 18.0对数据进行单因素方差分析，Origin8.5作图；每个试验结果重复3次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素感官评价结果分析

图1为不同单因素处理组沙茶烤水牛肉感官评价的结果。

图1 不同单因素处理组沙茶烤水牛肉感官评价结果Fig.1 Sensory evaluation of different single-factor treatment group

从图1中所示可以明显看出，随着烘烤温度的升高，产品的各项指标都呈现出一种先升高后降低的趋势，当烘烤温度为160℃时，产品的颜色、咀嚼性和多汁性都显著高于其他各温度指标（P＜0.05），风味变化不显著（P＞0.05），但160℃处理时，风味得分最高。当烘烤时间达到15 min后，产品风味、咀嚼性和多汁性虽略有升高但变化不显著（P＞0.05），但此时产品色泽评分较低，色泽评分随烘烤时间的延长而升高，当烘烤时间超过25 min后，风味、多汁性和咀嚼性评分显著下降。随着沙茶酱添加量的增大，产品的风味呈现先增加后显著降低的趋势，添加量为8%时风味得分最高，但此时产品的色泽、多汁性和咀嚼性评分都显著降低。不同芝麻酱添加量对产品的颜色、风味和多汁性评分影响不显著（P＞0.05），但当芝麻酱添加量为2%时，产品的咀嚼性得分显著高于其他组。因此通过单因素试验得到烘烤温度为160℃最佳，时间为25 min最佳，沙茶酱添加量和芝麻酱添加量分别为6%和2%最佳。

2.2 极差分析法评价正交试验结果

采用1.3.7中用户调查法确定颜色、风味、多汁性和咀嚼性4个因素在感官评价中所占权重，确定权重集S，并计算出综合评价值F。表4为L9（34）正交试验设计及结果，表5为正交试验极差分析结果。

S={S色泽，S风味，S多汁性，S咀嚼性}={0.22，0.31，0.25，0.22}

表4 L9（34）正交试验结果Table 4The results of L9（34）orthogonal test

表5 正交试验极差分析结果Table 5 Range analysis results of orthogonal test

Fi=S×Xi=0.22X1i+0.31X2i+0.25X3i+0.22X4i

由表5结果可得，4个单因素变量中对沙茶烤水牛肉颜色的影响主次顺序为B＜A＜D＜C，最优组合为A2B2C2D3；影响风味的主次顺序为 D＜A＜C＜B，最优组合为A3B1C2D2；影响多汁性的主次顺序为B＜C＜D＜A，最优组合为A3B2C1D1；影响咀嚼性的主次顺序为D＜B＜C＜A，最优组合为A3B3C3D3。通过用户调查法得到颜色、风味、多汁性和咀嚼性4项感官指标对于沙茶烤水牛肉综合评价的权重，从而计算得到的综合评价值结合了各项指标的评分，更加客观全面，因此选择综合评价值作为衡量各因素主次顺序的标准指标，得到各项因素中对沙茶烤水牛肉品质影响最大的是烤制温度，其次是沙茶酱添加量与烤制时间，影响最小的是芝麻酱添加量。计算分析可得到沙茶烤水牛肉最佳工艺配方为A3B2C2D3，即烤制温度为170℃，烤制时间为25 min，沙茶酱添加量为6%，芝麻酱添加量为2.5%。此时产品的色泽评分为18.73，风味评分为18.26，多汁性评分为20.23，咀嚼性评分为18.32，综合评价得分为18.87。

2.3 主成分分析法评价正交试验结果

2.4 模糊数学分析法评价正交试验结果

16名感官评价员对9组正交试验不同处理的沙茶烤牛肉产品进行了感官评定，结果见表9。

表9 评分表Table 9 Rating form

由表9可知，9组不同处理方式的沙茶烤牛肉Ri的模糊矩阵分别为R1～R9。

用Y代表模糊数学综合评价的结果，依据模糊变换，Yi＝X×Ri＝（0.22，0.31，0.25，0.22）×Ri＝（y1，y2，y3，y4）。则正交试验中编号为1的试验的综合评价结果可表示为：

归一化后 Y1={0.35，0.49，0.16，0}，同理得：Y2={0.47，0.98，0.15，0.00}归一化后Y2={0.29，0.82，0.09，0.00}；Y3={0.30，1.12，0.20，0.00} 归一化后Y3={0.18，0.69，0.12，0.00}；Y5={0.29，0.99，0.35，0.00}归一化后Y5={0.18，0.61，0.21，0.00}；Y6={0.14，1.11，0.24，0.11}归一化后Y6={0.09，0.69，0.15，0.07}；Y7={0.40，0.89，0.31，0.00}归一化后Y7={0.25，0.55，0.20，0.00}；Y8={0.39，0.94，0.27，0.00} 归一化后Y8={0.24，0.59，0.17，0.00}；Y9={0.37，0.87，0.30，0.00}归一化后Y9={0.24，0.57，0.19，0.00}。以上结果可以说明，1 号处理所得的沙茶烤水牛肉有35%的感官评定员认为优秀，49%认为良好，16%认为中等，0%认为较差，其他同理。为了得到综合评分值，按感官评定分数最高值为优良中差分别赋值（优为25，良为20，中为13，差为6），综合评分计算公式如下：

表10为正交试验不同处理沙茶烤水牛肉模糊数学综合评价值及排序。

表10 模糊数学评价综合评分及排序Table 10 Comprehensive score and ranking of fuzzy mathematics evaluation

从表10结果可以看出，2号处理（烤制温度150℃，烤制时间25 min，沙茶酱添加量6%，芝麻酱添加量2%）的沙茶烤水牛肉评分最高，此时产品的颜色评分为20.42，风味评分为19.85，多汁性评分为19.14，咀嚼性评分为15.00，综合评价为24.82。

3 结论

由单因素试验结果可知，烤制温度、烤制时间、沙茶酱添加量及芝麻酱添加量对沙茶烤水牛肉产品的颜色、风味、多汁性和咀嚼性等感官品质影响显著，综合极差分析、主成分分析和模糊数学分析法对正交试验的结果分析得出，沙茶烤水牛肉最佳配方工艺参数为：烤制温度170℃，时间25 min，沙茶酱添加量6%，芝麻酱添加量2.5%。采用3种分析方法分别评价正交试验结果，优化沙茶烤水牛肉配方工艺具有一定的合理性，但都存在缺点，极差分析中采用单一指标分析时，结果误差较大，权重赋值具有一定的主观性；主成分分析综合评价函数的意义不太明确；模糊数学具有主观性和局限性。因此综合3种方法评价正交试验可以提高结果的准确性。研究基于3种分析方法的沙茶烤水牛肉工艺配方优化，对于开发多元化的水牛肉新产品，提高水牛肉用资源的利用率有重要意义。