模糊逻辑模型优化海藻鸡肉膏工艺条件

张馨宁，刘雪，刘少伟*，施晓予，宋皓瑜，金鑫

(1.华东理工大学 食品科学与工程系，生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237；2.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)

膏状香精具有香味浓厚、耐热性好的特点，被广泛用于中式菜肴、火锅底料、肉灌制品和方便面等各种食品中。近年来，餐饮业及各种方便食品、休闲食品等相关产业在我国迅速发展，消费者对膏状香精的品种需求也越来越广泛。运用酶解技术、美拉德反应生产膏状香精是目前研究香精的热点[1]。鸡肉因蛋白质含量高、氨基酸完整、口感好等特点，被广泛用作肉味香精原料[2]。海藻富含海藻多糖、膳食纤维和多不饱和脂肪酸等，作为一种优质植物基料，也逐渐应用于制作健康、营养的功能性调味料[3]。

食品的价值取决于感官评价、理化性质、微生物、有毒污染物水平和保质期等[4]。在这些质量指标中，食品感官评价是最直观的，它体现了消费者对产品的接受程度[5]。用语言或数字表示的感官结果易受环境影响导致其稳定性差，不具有统计学意义。模糊逻辑模型是目前食品质量控制中一个重要的研究领域[6]，广泛应用于食品的感官评价、质量属性的排序和最优化配方的选择等[7-8]。运用模糊逻辑模型能解决主观评价带来的精度低、准确性差和缺乏重复性等问题[9]。

目前市售的鸡膏主要有浓香原味和椒麻味两种，缺少味感复合化的特殊风味鸡膏产品。因此，本文将以鸡肉和海藻为主要原料制作海藻鸡肉膏，通过单因素试验和正交试验，结合模糊逻辑模型对感官评价结果进行验证，确定最佳配方，以获得鸡肉味浓郁、口感丰富的海藻鸡肉膏产品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

北京油鸡：北京百年栗园生态农业有限公司；马尾藻：山东省荣成市崂山运升海产品店；复合蛋白酶(120 U/mg)、纤维素酶(50 U/mg)：上海源叶生物有限公司；木糖、葡萄糖、半胱氨酸、硫胺素、玉米淀粉、麦芽糊精：浙江一诺生物科技有限公司；食盐、香辛料：市售。

1.1.2 仪器

DS-1组织捣碎机 上海标本模型厂；多功能粉碎机 永康市铂欧五金制品有限公司；ST2100 pH计 常州奥豪斯仪器限公司；DL-5-B离心机 上海安亭科学仪器厂；HHS-II-1电热水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司；CP213电子分析天平 上海奥豪斯仪器有限公司；LMQ.C-80E蒸汽灭菌锅 济南来宝医疗器械有限公司。

1.2 方法

1.2.1 鸡肉酶解物的制备

取新鲜的北京油鸡去皮、去骨搅碎至肉糜，80 ℃热处理15 min，冷却后加入1∶3比例的去离子水，调节pH至6.5，加入3000 U/g复合蛋白酶，在55 ℃恒温水浴中酶解3.5 h。反应结束后，升温至90 ℃灭酶15 min，冷却至室温，5000 r/min离心10 min，去沉淀，上清液即为鸡肉酶解液。

1.2.2 海藻酶解物的制备

将马尾藻洗净、烘干、粉碎，在料液比1∶25的海藻粉溶液中，调节pH为 4.4，加入4.0% (W/W)纤维素酶，在55 ℃恒温水浴中酶解3 h。反应结束后，升温至90 ℃灭酶15 min，冷却至室温，5000 r/min离心10 min，去沉淀，上清液即为海藻酶解液。

1.2.3 海藻鸡肉膏的制备

按表1的配方，在鸡肉酶解液基础上，依次加入海藻酶解液、木糖、半胱氨酸、硫胺素和鸡油，设置反应温度为100 ℃，于锅中反应80 min，得到美拉德反应产物。之后加入食盐、香辛料、玉米淀粉和麦芽糊精混匀并乳化25 min，停止加热，静置放凉，得到海藻鸡肉膏。

表1 海藻鸡肉膏基础配方Table 1 The basic formula of seaweed chicken paste

1.2.4 单因素试验

选取海藻酶解液添加量10%、15%、20%、25%、30%为梯度进行试验；选取木糖添加量4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%为梯度进行试验; 选取半胱氨酸添加量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%为梯度进行试验；选取反应温度80，90，100，110，120 ℃为梯度进行试验。

1.2.5 正交试验优化

在以上试验的基础上进行正交试验，优化配方，其因素水平表见表2。

表2 海藻鸡肉膏正交试验因素水平表Table 2 The factors and levels of orthogonal experiment for seaweed chicken paste

1.2.6 感官评价方法

感官评价小组由年龄在20～28岁的16名测评员(8名男性和8名女性)组成，试验前接受过专业训练，对肉类香精的评定标准熟悉，能够区分不同膏状香精的感官特征，评价标准见表3。

表3 感官属性的评价标准Table 3 The evaluation standard of sensory attributes

1.2.7 模糊逻辑模型的建立[10]

1.2.7.1 样品总体感官分数的三角模糊数

感官评分是一个三角形的分布模式，即三角模糊数，简称为三元组。图1中有5种语言变量，分别表示“差/不重要”、“中等/有点重要”、“好/重要”、“非常好/非常重要”和“优秀/极其重要”。

图1 语言变量的隶属函数图Fig.1 The membership functions of linguistic variables

测评员对样品i的某一质量属性给出评价，当差为n1票，中等为n2票，好为n3票，非常好为n4票，优秀为n5票时，得到样品i的三元组Si：

(1)

三角模糊数(a b c)和(d e f)的特殊运算法则为 (a b c)⊙(d e f)=(ab ae+db af+dc)，按公式(2)计算样品的总体感官分数SOi：

SOi=SiC⊙QCrel+SiFO⊙QFrel+SiT⊙QTrel+SiFO⊙QFOrel+SiA⊙QArel。

(2)

式中:SiC、SiF、SiT、SiFO和SiA对应色泽、气味、滋味、形态和回味三元组，QCrel、QFrel、QTrel、QFOrel 和QArel对应各质量属性的模糊相对权重。

1.2.7.2 感官评分的总体隶属函数

感官评分隶属函数服从三角形分布，6种感官评价标度分别为F1=(1 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0)，F2=(0.5 1 1 0.5 0 0 0 0 0 0)，F3=(0 0 0.5 1 1 0.5 0 0 0 0)，F4=(0 0 0 0 0.5 1 1 0.5 0 0)，F5=(0 0 0 0 0 0 0.5 1 1 0.5)和F6=(0 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1)，分别对应了“不满意”、“中等”、“满意”、“好”、“很好”和“优秀”6种评价标度。

图2 感官标度的隶属函数图Fig.2 The membership functions of sensory scale

对于三元组(a b c)来说，当给定的值为a时，隶属度为1；当给定的值小于a-b或大于a+c时，隶属度为0。对于给定的值x，三角模糊数隶属函数Bx可表示为[11]：

(3)

1.2.7.3 样本的相似值和排序

按公式(4)计算样本的相似值Sm：

(4)

式中：Fn＇是矩阵Fn的转置矩阵；Bx＇是矩阵Bx的转置矩阵。比较不同样品的相似值，对样品进行排序。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析。采用Microsoft Office Excel 2016、Matlab R2017a分析模糊逻辑模型的感官数据。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 海藻酶解液添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响

由图3可知，随着海藻酶解液添加量的增加，感官分数呈先上升后下降的趋势。海藻酶解液添加量为20%时，感官分数最高。海藻酶解液中谷氨酸和天冬氨酸含量较高[12]，浓缩加热后鲜味增强，与鸡肉酶解液进行风味契合，可以达到理想的风味效果。当添加量超过20%时，感官评分开始下降，可能是样品的藻腥味加重，肉香味减少，导致回味变差，这是大多数测评员不能接受的。故海藻酶解液添加量选择15%、20%、25%为宜。

图3 海藻酶解液添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响Fig.3 Effect of seaweed enzymatic hydrolysate additive amount on the sensory quality of seaweed chicken paste

2.1.2 木糖添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响

由图4可知，随着木糖添加量的逐渐增大，感官评分呈上升趋势。在添加量达到5.5%时，产物呈棕褐色，伴有鸡肉香、烤香和焦糖香。在添加量大于5.5%后，感官评分开始下降，可能是因为添加了较多的还原糖，使得体系中的游离氨基酸含量显著降低[13]，加剧了褐变反应，导致产物色泽变暗，焦糖味重，肉香味被掩盖。因此，选择木糖的最适添加量为5.0%、5.5%、6.0%。

图4 木糖添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响Fig.4 Effect of xylose additive amount on the sensory quality of seaweed chicken paste

2.1.3 半胱氨酸添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响

由图5可知，半胱氨酸添加量对海藻鸡肉膏的感官品质影响显著，当半胱氨酸的添加量为0.3%时，产物的整体感官较好，鸡肉香浓郁。半胱氨酸与脂质和还原糖的热降解反应能产生大量的含硫化合物，随着半胱氨酸的增加，肉味特征香气物质也加速生成[14]。当半胱氨酸的添加量小于0.3%时，鸡肉味淡，风味不显著。当半胱氨酸的添加量大于0.3%时，感官品质变化不大。因此，选择0.2%、0.3%、0.4%为半胱氨酸的最适添加量。

图5 半胱氨酸添加量对海藻鸡肉膏感官品质的影响Fig.5 Effect of cysteine additive amount on the sensory quality of seaweed chicken paste

2.1.4 反应温度对海藻鸡肉膏感官品质的影响

由图6可知，反应温度对海藻鸡肉膏的感官品质有明显影响，温度从80 ℃升至120 ℃时，感官分数先上升后下降。当温度为80 ℃时，因热反应速率慢，反应不完全，造成生腥味重，鸡肉香被覆盖；当反应温度为100 ℃时，样品整体感官最优；当温度为120 ℃时，反应变得剧烈，加速生成噻烷、噻嗪、吡嗪类物质[15]，伴有焦糊味，对整体感官产生影响。因此，选择90，100，110 ℃为最佳反应温度。

图6 反应温度对海藻鸡肉膏感官品质的影响Fig.6 Effect of reaction temperature on the sensory quality of seaweed chicken paste

2.2 正交试验结果

海藻鸡肉膏配方优选的正交试验结果见表4。

表4 海藻鸡肉膏正交试验结果Table 4 The orthogonal experiment results of seaweed chicken paste

分析上述正交试验，4个因素对海藻鸡肉膏感官评分的影响顺序依次是：A(海藻酶解液添加量)>C(半胱氨酸添加量)>D(反应温度)>B(木糖添加量)。由直观分析可见最优组合为A2B3C1D2，即制备海藻鸡肉膏的最佳工艺条件为：海藻酶解液添加量20%，木糖添加量6.0%，半胱氨酸添加量0.2%，反应温度100 ℃，此时制备的海藻鸡肉膏感官评分为86.4分，产品鸡肉香味浓郁、风味突出、口感醇厚。

2.3 模糊逻辑模型验证

为了使试验结果更有可靠性和合理性，选取在正交试验中得分高于80分的4组样品进行验证性试验，结合模糊逻辑模型对感官评价结果进行优化检验。4组样品分别记作S1(A2B1C2D3)，S2(A2B2C3D1)，S3(A2B3C1D2)和S4(A3B1C3D2)。

2.3.1 样品整体感官分数

由表5可知，依次对4组样品的感官属性进行评分，其中S3所有属性的优秀得票数都高于其他样品。

表5 样品感官得分表Table 5 The sensory scores of samples

根据公式(1)计算样本的感官分数三元组，色泽、气味、滋味、形态和回味三元组分别记作SiC、SiF、SiT、SiFO和SiA，其结果为S1C=(42.19 21.88 25.00)，S2C=(59.38 25.00 23.44)，S3C=(75.00 25.00 18.75)，S4C=(35.94 20.31 25.00)，S1F=(57.81 25.00 23.44)，S2F=(65.63 25.00 21.88)，S3F=(81.25 25.00 15.63)，S4F=(40.63 20.31 25.00)，S1T=(46.88 23.44 23.44)，S2T=(65.63 25.00 21.88)，S3T=(79.69 25.00 17.19)，S4T=(32.81 20.31 25.00)，S1FO=(64.06 25.00 20.31)，S2FO=(75.00 25.00 17.19)，S3FO=(85.94 25.00 14.06)，S4FO=(53.13 25.00 21.88)，S1A=(31.25 18.75 25.00)，S2A=(39.06 23.44 25.00)，S3A=(59.38 25.00 23.44)，S4A=(23.44 17.19 25.00)。

用不重要、有点重要、重要、非常重要和极其重要的评价指标表示测评员对不同属性的偏好程度，由表6可知，质量属性的得分都集中在重要、非常重要和极其重要中，没有一个属性被认为是不重要的。

表6 质量属性感官得分表Table 6 The sensory scores of quality attributes

用QC、QF、QT、QFO和QA表示色泽、气味、滋味、形态和回味的三元组，其结果为QC=(70.31 25.00 18.75)，QF=(79.69 25.00 12.50)，QT=(84.38 25.00 10.94)，QFO=(76.56 25.00 17.19)，QA=(67.19 25.00 20.31)。根据三角模糊数的运算法则，将质量属性三元组的第一个数除以质量属性总得分得到模糊相对权重，则质量属性的模糊相对权重分别为QCrel=(0.186 0.066 0.050)，QFrel=(0.211 0.066 0.033)，QTrel=(0.223 0.066 0.029)，QFOrel=(0.202 0.066 0.045)，QArel=(0.178 0.066 0.054)。按公式(2)计算所有样品的总体感官分数，得SO1=(49.01 38.97 33.32)，SO2=(61.64 44.87 34.29)，SO3=(76.80 50.21 33.43)，SO4=(37.49 33.00 32.12)。

2.3.2 感官分数的总体隶属函数

将0≤x≤100平分为10个区间，Bx取每个区间隶属度的最大值。以S1为例，SO1=(49.01 38.97 33.32)，则a=49.01，b=38.97，c=33.32，B1在x∈[0,10]，[10,20]，[20,30]，[30,40]，[40,50]，[50,60]，[60,70]，[70,80]，[80,90]，[90,100]时的值为0，0.2556，0.5122，0.7688，1.0000，0.9704，0.6703，0.3702，0.0701，0。用相同的方法计算其他样品的感官分数总体隶属函数，结果见表7。

表7 样品的总体隶属函数值Table 7 The overall membership function values of samples

2.3.3 样品相似值及排序

样品感官分数相似值体现了测评者对该样品的喜爱程度，结果见表8。S3的最大相似值出现在“很好”评级中，S2的最大相似值对应了“好”评级，S1和S4都对应了“满意”评级。根据最大隶属度原则比较每个样本相似值，得到以下排序：S3(很好，0.7196)>S2(好，0.7421)>S4(满意，0.8275)>S1(满意，0.7272)。因此S3是喜爱度最高的海藻鸡肉膏样品，且模糊逻辑模型的分析结果与正交结果吻合。经过验证试验确定了海藻鸡肉膏的最优工艺配方为：海藻酶解液添加量20%，木糖添加量6.0%，半胱氨酸添加量0.2%，反应温度100 ℃。

表8 样品相似值及排序Table 8 The similarity values and ranking of samples

3 结论

本试验以鸡肉酶解液为主要原料制作海藻鸡肉膏产品。以感官品质为评价指标，通过单因素试验和正交试验研究不同因素对海藻鸡肉膏感官品质的影响，并采用模糊逻辑模型进行验证试验。试验结果表明：在其他条件不变的情况下，海藻酶解液添加量20%，木糖添加量6.0%，半胱氨酸添加量0.2%，反应温度100 ℃时制得的海藻鸡肉膏感官品质最好。本试验不仅为创新研发海藻鸡肉膏产品提供了借鉴，也为模糊逻辑模型应用于食品配方优化提供了参考。