基于模糊数学评价法优化凡纳滨对虾真空微波干燥工艺

（广东海洋大学食品科技学院//广东省水产品加工与安全重点实验室//广东省海洋食品工程技术研发中心//水产品深加工广东普通高校重点实验室，广东 湛江 524088）

凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei），又称南美白对虾、白虾，以其营养丰富、味道鲜美，深受消费者青睐，是我国主要养殖虾类品种之一[1-4]。目前，凡纳滨对虾加工品主要以冷冻品为主，产品种类单一且运输成本高，无法很好满足消费者需求，因此拓宽对虾加工途径和改进加工工艺是对虾加工研究的重要方向[5-7]。干制是虾常见加工方式之一，虾干制品风味独特、流通方便、销售量大[8-9]。真空微波干燥是微波系统与真空系统相结合的一种新型高效干燥技术。该技术使物料内部的水分在较低的温度条件下，通过微波作用迅速汽化和迁移，实现低温干燥，避免物料中活性成分的氧化变质，能较好地保持物料的原有特性[10-17]。目前真空微波干燥已被运用到猕猴桃、草莓、毛豆、甘薯、花椒、桃等果蔬加工领域[18-23]，但鲜见真空微波干燥技术应用于对虾干燥的报道。

在食品加工评价体系中，感官评价有重要作用。模糊数学感官评价法，利用人的逻辑思维方式对各种因素综合考虑，使其评价结果更加准确、科学，此方法在食品工艺优化等方面应用广泛且较成熟[24-25]。朱由珍等[26]通过模糊数学评价法得到凡纳滨对虾最佳真空油炸工艺；张迪等[27]通过响应面法优化得到南极磷虾酶解液的最佳脱氟工艺。本研究采用模糊数学评价法对不同真空微波干燥条件下的凡纳滨对虾进行感官评价，研究干燥条件与虾干感官品质的关系，旨在开发一种营养美味、方便贮存运输的即食虾干食品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜凡纳滨对虾（40～50尾/kg）购于霞山水产品批发市场，加冰运至实验室，选大小均匀的凡纳滨对虾作为实验材料。食用盐购自鼎盛卜蜂莲花超市，无水柠檬酸（食品级）购于源隆食品有限公司。

主要仪器设备：FA 2004型分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），RWBZ-08S型真空微波干燥箱（南京苏恩瑞干燥设备有限公司），JY 20002型电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），TMS-Pro型质构仪（美国F.T.C公司），DZKW-0-2型电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1工艺流程 制备工艺参考潘创[28]的方法，并稍作改进，工艺流程：新鲜凡纳滨对虾→挑选、分级→沥水称量→水煮（NaCl浓度2 mol/L，溶液pH 4.0，加热温度80 ℃，加热时间1 min，水料质量比40∶1）→真空微波干燥。

1.2.2实验设计

1.2.2.1单因素实验 真空微波干燥法制备虾干的条件为微波干燥时间20 min、干燥腔体积33 dm3，载装量75 g、功率400 W、真空度0.08 MPa。固定其他条件不变，改变其中某个因素条件分别分析对虾干感官评分、咀嚼性和中心温度的影响。3个因素的梯度分别设置为载装量25、50、75、100、125 g，加热功率250、300、350、400、450 W，真空度0.075、0.080、0.085、0.090、0.095 MPa。凡纳滨对虾真空微波干燥处理后，对其色泽、滋味、香气、组织质地4个指标进行感官评定（表1），以这4个指标评分的加权平均分作为感官评分。

1.2.2.2响应面优化试验 在1.2.2.1试验的基础上，以载装量、加热功率、真空度为自变量，感官评分为因变量，利用Design-Expert 10.0.7软件设计响应面试验，对凡纳滨对虾真空微波干燥工艺参数进行优化。试验因素与水平见表2。

表1 凡纳滨对虾真空微波干燥感官指标评分标准Table 1 Evaluation standard of sensory index of shrimp by vacuum microwave drying

表2 响应面试验因素与水平Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.3虾体中心温度测定 将真空微波干燥箱自带的温度探针插入虾体中，探针与红外温度指示器相连，实现温度自动记录。实验过程中待温度示数稳定后，记录该数值，即为虾体中心温度。

1.2.4咀嚼性测定 咀嚼性能够反映食品的硬度、凝聚性及弹性特性，是食品重要的感官品质之一。本试验采用TMS-Pro物性测试仪进行质构测定。选取大小相近的真空微波干燥凡纳滨对虾，截取第三腹节，选用P/0.5柱形探头，测试速度60 mm/min，测试形变量50%，重复3次。

1.2.5综合模糊感官评定分析

1.2.5.1感官评定标准 参考Sallam[29]的方法，选食品专业10名学生（5男5女）组成感官评定小组，并进行与虾干相关的食品感官评定培训，要求评定小组成员在评价前12 h内不得有食用刺激性食物、饮酒等行为，按表1进行感官评定。

1.2.5.2评定因素确定 确定凡纳滨对虾真空微波干燥4项评判指标组成的因素集，即U=(色泽u1，滋味u2，香气u3，组织质地u4)。

1.2.5.3评语集确定 感官评定小组成员对处理后的凡纳滨对虾质量等级进行评定，确定凡纳滨对虾真空微波干燥的评语集为V=(很差v1，较差v2，一般v3，较好v4，很好v5)=(20分，40分，60分，80分，100分)。

1.2.5.4各因素权重集的确定 各因素在评定因素中的比重和影响即为权重，用K=（k1，k2，k3，k4）来表示评定对象的集合，且k1+k2+k3+k4=1。本研究中，权重因子的确定方法如下：选择10名感官评定员对真空油炸对虾的色泽、滋味、香气和组织质地等4个质量因素在感官评价中的重要程度进行打分，总分为10分，最后各因素得分之和与总分100分的比值，即为各因素的权重因子。

1.2.5.5模糊关系综合评判集 感官评价员对样品的每个影响因素进行等级评定，统计影响因素在每个等级中的票数分布情况，将各等级的票数除以总人数得到样品的质量评价模糊关系矩阵。采用模糊数学方法处理凡纳滨对虾真空微波干燥的综合评价结果，根据模糊矩阵变换原理，将权重矩阵K与模糊关系矩阵A相乘得到每组的评价结果Y，即Y=K×A。分析每组样品的评价结果，优秀峰值最大的样品即可认为其风味质量综合评分最高，在此条件下的反应工艺为最佳工艺。

1.3 统计与分析

每组试验重复3次，试验数据用Design-Expert 10.0.7、Excel 2016和Orgin 2017进行统计分析和响应面分析。

2 结果与分析

2.1 感官品质评定结果

表3为10名感官评定员对凡纳滨对虾真空微波干燥4项品质影响因素的权重统计结果。由表3可知，各感官评定员对色泽、滋味、香气、组织质地等4个影响因素的权重分配有一定差异。每个质量因素权重得分除以总分100，得到各质量因素权重，即色泽（0.335）、滋味（0.305）、香气（0.215）、组织质地（0.145）。其中，权重较大的为色泽和滋味，权重较小的是香气和组织质地。

表3 评价凡纳滨对虾真空微波干燥质量因素的权重分布Table 3 Weight distribution of shrimp quality factors during vacuum microwave drying

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1载装量对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响 如图1，在固定真空度0.095 MPa、功率250 W的条件下，当载装量为75 g时，凡纳滨对虾真空微波干燥的感官评分达到最大值。载装量过低或者过高时感官评分均较低。由于载装量较低时，虾体温度上升较快，水分剧烈蒸发，致使虾体出现爆头、肉质口感变差等问题；而载装量较高时，虾体温度上升较慢，温度较低，水分蒸发较慢，出现香气不明显等问题。

图1 载装量对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响Fig.1 Effect of load on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.2.2功率对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响 如图2，在固定真空度0.095 MPa、载装量75 g的条件下，当功率为400 W时，真空微波干燥凡纳滨对虾的感官评分达到最大值。随着功率的增加，温度呈现上升趋势，而感官评分则是先升后降。在功率超过400 W时感官评分呈下降趋势，主要是因为随着功率的增加导致温度升高过快而使水分剧烈蒸发，从而影响肉质口感。

图2 功率对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响Fig.2 Influence of power on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.2.3真空度对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响 如图3，在固定功率250 W、载装量75 g的条件下，当真空度为0.08 MPa时，真空微波干燥对虾的感官评分达到最大值。随着真空度的增大，温度呈下降趋势，主要是因为真空度的升高而导致压强降低，进而温度下降；感官评分的变化主要是因为功率的变化而导致水分流失速率的不同引起，进而影响肉质口感。

图3 真空度对凡纳滨对虾真空微波干燥品质的影响Fig.3 Influence of vacuum degree on the quality of shrimp in vacuum microwave drying

2.3 响应面优化试验结果

2.3.1模糊数学感官评定结果 感官评定人员对17组样品进行打分，并统计汇总不同指标在各等级中的评定人数，得到凡纳滨对虾真空微波干燥感官评定结果（表4）。

2.3.2模糊矩阵的建立与结果 由表4可见，在评定小组10人中，1号样品色泽评价结果中，很好、较好、一般、较差得票数分别为1、2、5、2，将1号样品不同指标每个等级的票数除以评定总人数，即得1号样品的模糊评价矩阵A1。

表4 凡纳滨对虾真空微波干燥感官评定结果Table 4 Sensory evaluation results of shrimp dried by vacuum microwave

同理可得其他样品的模糊关系矩阵。

2.3.3模糊变换及综合评价结果 以样品1为例，权重矩阵K与模糊关系矩阵A1的乘积为样品1的综合评价Y1，即

同理可得其他样品的综合评价结果。

2.3.4Box-Behnken试验设计与结果分析 设感官特殊性很好、较好、一般、较差、很差分别为100分、80分、60分、40分、20分，等级矩阵R=（100，80，60，40，20）与综合评价结果Y的乘积即为模糊综合评分T。以样品1为例，T1=Y1×R=62.87，同理可得其他样品的综合评分(表5)。

2.3.4.1二次响应面回归模型的建立与分析 使用Design-Expert 10.0.7软件对上述结果进行拟合分析，并剔除不显著项，得到感官评分与影响凡纳滨对虾真空微波干燥因素的二元多次回归方程：Ŷ＝84.588＋1.084A＋1.409B＋1.700C－7.353A2－8.793B2－13.860C2。

表5 响应面试验设计方案与结果Table 5 Design and results of response surface analysis

由表6可知，回归模型P＜0.01，失拟项P＝0.430 5 ＞0.05，证明该模型极显著，拟合良好；相关系数R2＝0.9963，一次项（A、C）、二次项（A2、B2、C2）对感官评定影响极显著（P＜0.01），一次项B对感官评定影响显著，而交互项（AB、AC、BC）对感官评分影响不显著（P＞0.05）。因此可用该模型预测和分析凡纳滨对虾真空微波干燥感官评分。

表6 回归模型方差分析结果Table 6 Variance analysis for regression model

2.3.4.2响应面与等高线分析结果 图4－6是载装量、功率、真空度三个因素以感官评分为响应值的趋势图。载装量和真空度交互作用对感官评分的影响最小。在低真空度区，感官评分随载装量和功率的增加而升高；在高真空度区，感官评分随载装量和功率的增加而降低。在低装载量区，感官评分随真空度和功率的增加而升高，在高装载量区，感官评分随真空度和功率的增加而降低。在低功率区，感官评分随真空度和载装量的增加而升高；在高功率区，感官评分随真空度和载装量的增加而降低。

2.3.4.3验证试验结果 用Design-Expert 10.0.7分析拟合方程，得出其最佳真空微波干燥参数为载装量75 g，加热功率400 W，真空度0.08 MPa。在此条件下，模型感官评分预测值为85.92分，对模型预测结果的准确性进行检验，在最佳参数条件下进行重复试验，得到真实感官评分为（85.60 ± 0.07）分，与理论值无显著差异，充分验证了回归模型的正确性，响应面试验设计合理。

图4 载装量和功率对真空微波干燥凡纳滨对虾感官评分影响的响应曲面（左）和等高线（右）Fig.4 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of load and power on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

图5 载装量和真空度对真空微波干燥凡纳滨对虾感官评分影响的响应曲面（左）和等高线（右）Fig.5 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of load and vacuum degree on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

图6 功率和真空度对真空微波干燥凡纳滨对虾感官评分影响的响应曲面（左）和等高线（右）Fig.6 Response surface diagram (left) and contour line (right) of the influence of power and vacuum degree on sensory score of shrimp in vacuum microwave drying

3 讨论

真空微波干燥凡纳滨对虾是集营养美味与方便即食于一体的新型对虾即食食品，不仅酥脆可口、方便运输，还因水分含量低而耐贮藏，但目前关于真空微波干燥凡纳滨对虾的生产鲜见报道。本研究以感官评分最高为出发点，应用模糊数学感官评分结合响应面法确定最佳真空微波干燥凡纳滨对虾工艺条件。模糊数学感官评价法能够极大消除评价员的主观因素对感官评分的影响，且该评价方法方便、准确、有说服力，评价结果较为合理；响应面优化试验仅需三因素三水平，操作简便。本研究采用响应面优化试验，可分析自变量间的交互作用对产品品质的影响，也能确保试验实际值与理论预测值的误差较小，具有操作简单、工艺参数精确、结果显示直观的优点。在常用的干燥技术中，晾晒干燥由于长时间暴露在空气中，产品卫生条件难以保证，且对环境依赖性大；热风干燥虽然操作简单、成本低，但产品品质较差，易出现表皮硬化现象，热敏性营养成分损失严重，色香味劣变；真空冷冻干燥能最大限度保留产品的色泽形态，但口感和风味较差，且生产成本高。本研究采用真空微波干燥技术对凡纳滨对虾进行处理，并通过单因素试验和响应面优化试验对其工艺条件进行优化，建立载装量、功率、真空度三个因素对虾干感官评分的回归模型：＝84.588＋1.084A＋1.409B＋1.700C－7.353A2－8.793B2－13.860C2。验证试验表明，该模型可预测虾干品质的变化规律，适用于实际生产的预测。优化得到的最佳工艺参数为载装量75 g，加热功率400 W，真空度0.08 MPa，该真空微波干燥凡纳滨对虾工艺条件下感官评分为（85.6 ± 0.07）分，产品酥脆可口且色香味俱全。在实际生产中采用该工艺参数，可实现节约能耗、提高生产效率、操作简单且容易控制的目标。

4 结论

通过响应面法优化得到的真空微波干燥凡纳滨对虾工艺条件为载装量75 g，加热功率400 W，真空度0.08 MPa，在此条件下的感官评分为（85.6 ± 0.07）分，与理论预测值偏差小。响应面法优化真空微波干燥凡纳滨对虾工艺具有操作简单、条件精确、结果直观等优点；建立的回归方程能分析各因素对指标的影响规律，并可进行实际预测。