基于模糊数学的蒲公英脆片微波真空膨化工艺的优化

张云亮,窦博鑫,杜世琴,甘 志,陈青青,姜化林,孙 鹏,张 娜,刘 颖,*

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江哈尔滨 150076;2.黑龙江省北大荒米业集团有限公司,黑龙江哈尔滨 150090)

我国蒲公英品种资源丰富,分布十分广泛,一般根据产地可大体分为蒙古蒲公英、碱地蒲公英、东北蒲公英、内蒙海拉尔、白缘蒲公英[1]等。蒲公英的营养丰富,且其根部含有蒲公英醇、甾醇、β-香树脂醇、果糖、蔗糖及亚油酸;叶含有叶黄素、蝴蝶梅黄素、叶绿醇素等。蒲公英的植株中还含有一定量的黄酮类物质[2],它不仅可作为保健食品开发的原料,还具有超高的药用价值。目前,蒲公英除了药用与直接食用之外,还涌现了蒲公英饮料、面包和面条等系列产品,但蒲公英膨化脆片产品在市场上未见出现,其相关研究也未见报道。

蔬菜膨化脆片主要利用各类蔬菜为原料,直接切片或打浆后,加入各种调味剂混合,再在定型后利用真空冷冻、真空油炸、烘焙、热风和压差等方法制成[3-5]。其主要特点为工艺要求严格,制作过程繁琐,产品热量高。微波膨化是将微波能量在到达物料深层后转换成热能,使物料深层的水分迅速蒸发并形成较高内部蒸汽压力,以迫使物料膨化,其加工时间短,且膨化、干燥和杀菌工艺能同时完成[6]。利用微波真空膨化技术制作的脆片不仅消除了油炸脆片可能产生致癌物的隐患,而且也克服了其他方法复杂且耗时的缺点,是一种可行的新型脆片制作方法。

模糊数学评价法已广泛应用于食品加工[7-8]、食品检测[9-10]、工作评价[11-13]等多项研究领域。模糊数学感官综合评价法,是通过模糊数学评价和分析对无法明确评价的食物进行逻辑思维系统分析从而进行评判的方法[14]。普通感官评价法易受到评价员的个人喜好、培训所接受程度等诸多不确定因素的影响,很难对产品进行客观而准确的评价[15-18],通过模糊数学感官评分对食品各个影响因素进行评价,可大幅度的降低评价过程中人为的主观误差,应用于食品研发过程中多种不同的评价数字处理。

本研究以蒲公英为原料,采用微波真空膨化技术,以模糊数学感官评价体系评分和产品脆度、模糊数学感官评分为指标,通过单因素和响应曲面优化实验,对物料厚度、膨化时间、膨化功率、淀粉种类、豆粉与白砂糖等微波真空膨化工艺和产品配方进行优化研究,旨在提供一种绿色健康蒲公英休闲食品的制作方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜蒲公英(苍叶蒲公英,TaraxacumglaucophyllumV.Soest) 市售;食盐 铁岭市盐业专营有限公司;白砂糖 上海市糖业烟酒集团有限公司;豆粉 黑龙江北大荒绿色食品有限公司;(玉米、马铃薯、豌豆)淀粉 滕州是宁源食品有限责任公司;醋酸锌 分析纯,北京化学试剂公司。

DJ12B-A11型豆浆机 九阳股份有限公司;ESJ180-4型电子天平 上海恒平科学仪器有限公司;P70F23P-G5(SO)型微波炉 广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;SZ42S1型蒸煮锅 浙江苏泊尔股份有限公司;DHG-9203A型恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;HD580型洁净工作台 北京东联哈尔仪器制造有限公司;DHP-9162B型电热恒温培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;LDZX-50FBS型立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;220V-AC型电子调节万用电炉 天津泰斯特仪器有限公司;BCD-216TSM型冰箱 美的集团有限公司;TA. new plus质构仪 上海瑞玢国际贸易有限公司;BA-2KW型微波真空干燥机 上海博奥微波能有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 蒲公英原料挑选→清洗→漂烫护色→打浆→调浆味→定型→微波膨化→冷却→包装→成品

1.2.2 操作要点 预处理:挑选新鲜无干叶的蒲公英,除去根部与大茎。后经流动水清洗,以清除表面泥土杂物。

漂烫、护色:将经清洗后的蒲公英放入加热好的85 ℃清水(含0.05%的Zn2+)[19]中进行烫漂和护色1 min,后捞出、沥水。

打浆:将烫漂、护色后的蒲公英切成长度约为2 cm的小段,然后放入豆浆机进行打浆,直至至黏稠无大颗粒状,备用。

调浆味:将淀粉、白砂糖、豆粉、食盐等加入已打好的蒲公英浆液中,进行调味。

定型:将调好浆味的蒲公英置于铺垫一层油纸的物料盒中,并使其均匀平整。每次装载量约50 g,厚度为2～3 mm。

微波膨化:将定型好的蒲公英湿片,放入微波真空干燥机中,按照设定的时间及功率进行膨化。

冷却及包装:膨化后脆片取出,冷却至室温后,选择色泽均一,形状良好的脆片进行包装。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 膨化时间 在真空度为-75 kPa、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、玉米淀粉7 g、白砂糖5 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同时间(30、35、40、45和50 min)。

1.2.3.2 膨化功率 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、蒲公英糊50 g、玉米淀粉7 g、白砂糖5 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同膨化功率(1300、1400、1500、1600和1700 W)。

1.2.3.3 白砂糖用量 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、玉米淀粉8 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同白砂糖用量(0、2.5、5、7.5和10 g)。

1.2.3.4 淀粉种类选择 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、淀粉7 g、白砂糖7.5 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置3组不同种类淀粉(玉米淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉)。

1.2.3.5 淀粉用量 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、白砂糖7.5 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同马铃薯淀粉用量(6、7、8、9和10 g)。

1.2.3.6 豆粉用量 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、马铃薯淀粉8 g、白砂糖7.5 g、食盐0.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同豆粉用量(4、5、6、7和8 g)。

1.2.3.7 食盐用量 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、马铃薯淀粉8 g、豆粉7 g、白砂糖7.5 g、脆片厚度2 mm的条件下设置5组不同食盐用量(0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 g)。

1.2.3.8 脆片厚度 在真空度为-75 kPa、膨化时间40 min、膨化功率1500 W、蒲公英糊50 g、马铃薯淀粉8 g、豆粉7 g、白砂糖7.5 g、食盐0.5 g、的条件下设置5组不同脆片厚度(1、2、3、4和5 mm)。

依照上述设计依次制作出38个样品,进行感观评定并测定脆度，每个样品脆片于同一脆片不同的三个点取样,进行测定各脆片脆度,指标为三次测定的平均值。

1.2.4 响应面优化试验 经过单因素实验之后,发现膨化功率、膨化时间、马铃薯淀粉用量对蒲公英脆片的影响显著,故利用Box-Behnken中心组合实验进行响应曲面优化实验,以脆片脆度与模糊数学感官评分为指标,运用Design Export 8.0软件,确定蒲公英脆片的加工配方及工艺条件。实验设计各因素水平如表2:

表2 Box-Behnken 中心组合试验因素与水平

1.2.5 模糊数学感官评价体系建立

1.2.5.1 感官评价方法 由食品工程学院老师和学生共10人组成的评价小组,分别对蒲公英脆片的组织状态、色泽、滋味口感、气味4个指标进行感官评价,将每个评价指标以好、较好、一般、差4个等级进行评定。蒲公英脆片产品品质评价标准见表1。

表1 蒲公英脆片评价标准

1.2.5.2 模糊数学感官评价体系建立 参考张钟等[20]、刘加友等[21]的方法建立蒲公英脆片模糊数学感官评价体系。根据产品品质评判标准,设定2个评定集:即设U=[组织状态,色泽,滋味口感,气味]作为感官质量指标评价集;V=[好、较好、一般、差]作为评定等级集。

1.2.6 指标脆度的测定 实验选用质构分析仪测定其脆性。探头型号:P/0.25S球形探头,测试模式:下压,测试前速度:1 mm/s;测试速度:0.5 mm/s;测试后速度:1 mm/s;下压距离:5 mm。脆度的测定,将样品固定在探头的正下方进行穿刺实验,选取最大力的距离指标进行比较,最大力的距离是指脆片破裂时探头所走过的距离,单位为mm,若距离值越小则脆度越大[22]。

1.3 数据处理

实验数据采用Excel 2010进行处理,用Origin 2018软件进行图表的绘制,用Design-Expert分析软件进行数据分析,无特殊说明,数据均为测定三次后的平均值。

2 结果与分析

2.1 模糊数学感官评价

2.1.1 评价结果 由10位评价人员对前期实验38个样品的四个指标进行评测,对评分结果进行收集整理,得到对蒲公英脆片的感官评价结果(表3)。

表3 模糊数学感官评价结果

参照刘春凤等[23]的方法,由评价人员对蒲公英脆片组织状态、色泽、滋味口感、气味4个指标的重要性进行评价,给出其所占产品重要性的比例,组织状态0.1、色泽0.2、滋味口感0.5、气味0.2,构成评价体系的权重集A=(0.1 0.2 0.5 0.2)。

再通过比例集与等级集进行相乘运算,得出1号蒲公英脆片模糊感官综合评分T1=B1×D=100×0+80×0.09+60×0.4+40×0.51=51.6。同理可得T2～T38模糊感官综合评分。

同上原理可得各评价集:

同上原理通过矩阵相乘B(比例集)=A(权重集)×R(评价集)可得各比例集:

B2=(0.16 0.17 0.36 0.37);B3=(0.84 0.12 0.04 0);B4=(0.23 0.02 0.17 0.58);B5=(0.24 0.1 0.11 0.51);B6(0 0.09 0.2 0.71);B7=(0.19 0.08 0.21 0.52);B8=(0.85 0.14 0.01 0);B9=(0 0.35 0.37 0.28);B10=(0 0.35 0.41 0.24);B11=(0 0.2 0.41 0.39);B12=(0 0.29 0.48 0.23);B13=(0 0.49 0.28 0.23);B14=(0 .56 0.29 0.15 0);B15=(0.27 0.38 0.27 0.08);B16=(0.18 0.2 0.43 0.19);B17=(0.78 0.19 0.07 0);B18=(0.11 0.22 0.30 0.37);B19=(0.14 0.08 0.18 0.6);B20=(0.06 0.18 0.43 0.6);B21=(0.58 0.3 0.07 0.05);B22=(0.16 0.12 0.31 0.42);B23=(0.09 0.09 0.44 0.38);B24=(0.07 0.18 0.42 0.33);B25=(0 0.4 0.16 0.24);B26=(0.07 0.3 0.35 0.28);B27=(0.34 0.38 0.28 0);B28=(0.14 0.3 0.5 0.06);B29=(0 0.2 0.49 0.31);B30=(0 0.28 0.46 0.21);B31=(0.13 0.42 0.33 0.12);B32=(0.37 0.54 0.09 0);B33=(0.2 0.43 0.37 0);B34=(0.36 0.27 0.20 0.17);B35=(0.76 0.21 0.03 0);B36=(0.03 0.32 0.41 0.24);B37=(0.04 0.38 0.42 0.16);B38=(0.12 0.21 0.30 0.37)。

由T=B(比例集)×D(评价等级集)矩阵的计算即可得到模糊数学感官评分(分):

T2=61.2;T3=96.0;T4=58.0;T5=60.6;T6=47.6;T7=58.5;T8=96.8;T9=81.6;T10=62.2;T11=56.2;T12=61.2;T13=65.2;T14=88.2;T15=76.8;T16=67.4;T17=97.2;T18=59.8;T19=55.2;T20=58.8;T21=88.2;T22=60.6;T23=57.8;T24=59.8;T25=63.2;T26=63.2;T27=81.2;T28=70.4;T29=55.8;T30=58.4;T31=71.2;T32=85.6;T33=76.6;T34=76.4;T35=94.6;T36=62.8;T37=66.0;T38=61.6。

2.2 单因素实验结果

2.2.1 膨化时间对蒲公英脆片品质的影响 如图1所示,随着膨化时间的增加,感官评价得分逐渐上升至最大值后又下降。当膨化时间达到40 min时,感官评价得分96.0最高,脆度1.71 mm最佳。当膨化时间少于40 min时,达不到很好的膨化状态,脆片脆度差、质地发软,且风味苦涩,当膨化时间大于40 min时,膨化时间过长,脆片发生烤焦,无论感官口感都会急剧下降,故此,最佳膨化时间为40 min。

图1 膨化时间对蒲公英脆片品质的影响

2.2.2 膨化功率对蒲公英脆片品质的影响 如图2所示,随着膨化功率的增加,感官评价得分先逐渐上升至最大值后又下降。当膨化功率达到1500 W时,感官评价得分96.8最高,脆度值1.69 mm最佳。这是因为当膨化功率低于1500 W时,热量较低,产能较少,达不到很好的膨化状态,且风味较淡;膨化功率过大,脆片发生烤焦,同样达不到很好的组织状态和风味,故此,最佳膨化功率为1500 W。

图2 膨化功率对蒲公英脆片品质的影响

2.2.3 白砂糖用量对蒲公英脆片品质的影响 如图3所示,随着白砂糖添加量的增加,感官评价得分先逐渐上升至最大值后又下降。当添加量达到7.5 g时,感官评价得分88.2最高,脆度也最佳,蒲公英脆片的口感和风味达到最佳,因此最佳白砂糖用量为7.5 g。

图3 白砂糖用量对蒲公英脆片品质的影响

2.2.4 淀粉种类对蒲公英脆片品质的影响 如图4所示,淀粉种类不同,蒲公英脆片的感官评分也出现很大的差异。当淀粉是马铃薯淀粉时,感官评价得分97.2分最高,脆度最优。从实际效果来看,淀粉种类对该产品的感官评价得分影响非常明显,且使用马铃薯淀粉蒲公英芽脆片的口感最佳,因此最佳淀粉原料为马铃薯淀粉。

图4 淀粉种类对蒲公英脆片品质的影响

2.2.5 淀粉用量对蒲公英脆片品质的影响 如图5所示,随着马铃薯淀粉添加量的增加,感官评价得分先逐渐上升到最高88.2分后又逐渐下降。当马铃薯淀粉添加量为8 g时,感官评价得分与脆度最高;当马铃薯淀粉添加量高于8 g时,脆片脆度下降,口感及感官评分也降低,原因可能是所含直链淀粉较高时不利于膨化[24],导致脆片较软,脆性不好,从而影响脆片的口感,因此最佳马铃薯淀粉用量为8 g。

图5 淀粉用量对蒲公英脆片品质的影响

2.2.6 豆粉用量对蒲公英脆片品质的影响 如图6所示,随着豆粉添加量的增加,感官评价得分先逐渐上升至最大值后又下降。当添加量达到7 g时,感官评价得分81.2最高,脆度最优。当添加量大于7 g时,脆片中糖分、蛋白质含量过高,膨化效果较差。因此豆粉添加量为7 g时最佳。

图6 豆粉用量对蒲公英脆片品质的影响

2.2.7 食盐用量对蒲公英脆片品质的影响 如图7所示,随着食盐添加量的增加,感官评价得分先逐渐上升至最大值后又有所下降。当食盐添加量达到0.5 g时达到最大值,感官评价得分85.6最高且脆度及口感达最优。食盐添加量是影响微波膨化脆片品质的一项重要加工工艺,通过食盐添加量的改变,可以有效地提高脆片的整体口感。当食盐添加量小于或大于0.5 g时,脆片的感官评分降低,影响膨化效果。因此食盐最佳用量为0.5 g。

图7 食盐用量对蒲公英脆片品质的影响

2.2.8 脆片厚度对蒲公英脆片品质的影响 如图8所示,设计不同物料厚度进行膨化,评分先逐渐上升到达峰值会下降再稳定,在厚度为2 mm时达到94.6 分。当厚度大于3 mm时,不利于膨化,脆片膨化效果较差。厚度为2 mm时,膨化脆片的脆度效果最好,蒲公英脆片口感最佳。

图8 厚度对蒲公英脆片品质的影响

2.3 响应曲面优化试验结果

以蒲公英脆片脆度与模糊数学感官评分为指标的响应面试验结果见表4。

表4 响应面试验设计方案及结果

实验以膨化功率、膨化时间、马铃薯淀粉用量作为自变量,以最大力的距离代表的脆度与模糊数学感官评分为响应值,表4中5、6、8、11、16为中心试验,其他的实验组为析因试验。采用Design-Expert 8.0.6软件对表4脆度:Y1=1.71-0.068A-0.049B+0.011C+0.11AB+0.06AC+0.063BC+0.12A2+0.17B2+0.13C2。

数据进行多元线性回归拟合,得到以脆度与模糊数学感官评分为响应值的二次多项回归模型方程。

模糊数学感官评分:Y2=93.60+3.50A+2.00B-0.75C-5.50AB-4.00AC-3.50BC-5.05A2-9.55B2-7.05C2。

表5 脆度的方差分析

表6 模糊数学感官评分的方差分析

响应面图中曲面的陡峭程度可以表明变量对脆片质量的影响程度,曲面较陡表明影响较大,反之则较小;而等高线图反映了因素间交互作用的强弱大小,椭圆形表示交互作用显著圆形表示交互作用不显著[25],由表5对于脆度模型的二次回归方程及方差分析及图9可得,互交项AB、AC、BC具有极显著的互交作用(P<0.01)。由表6对于模糊数学感官评分模型的二次回归方程及方差分析及图10可得，互交项AB、AC、BC具有极显著互交作用(P<0.01)。

图9 脆度双因素交互作用响应曲面

图10 模糊数学感官评分双因素交互作用响应曲面

响应面优化以模糊数学感官评分与脆度为指标进行考察,且设定脆度占比30%,模糊数学感官评分占比70%。通过模型分析得:膨化时间、膨化功率对蒲公英脆片脆度与模糊数学感官评分影响显著。从应面陡峭程度分析,模糊数学感官评分变化更大,因此权重更大,符合试验的设定。经过软件分析得出最优膨化功率、膨化时间、淀粉用量为1512.872 W、38.368 min、8.617 g。为了方便实验操作,将优化参数改为膨化功率1513 W,膨化时间38 min,淀粉用量8.6 g。此时所得的脆片模糊数学感官评分为96分,脆度值为1.67 mm,均达到最优。由此可见,优化后的参数与实际操作的感官评价最优结果基本吻合,优化结果可靠。

3 结论

在单因素实验研究的基础上,利用响应曲面法进行优化,通过对模型的分析确定蒲公英脆片的最佳配方:50.00 g蒲公英浆糊,马铃薯淀粉8.6 g,食盐添加量0.5 g,豆粉添加量7 g,白砂糖添加量7.5 g。蒲公英脆片最佳的工艺:脆片厚度为2 mm,膨化功率1513 W,膨化时间38 min,优化后的结果与预期结果相差较小,说明所建立的数学模型具有较高的可靠性。在微波真空的条件下制得的蒲公英脆片营养得到较大程度的保留,组织结构较好,可为传统的蔬果脆片加工提供一种新型的工艺参考。