模糊数学结合响应面法优化啤酒鱼的煮制工艺

王哲铭，王成财，朱立宏，江虹锐，刘小玲，姜 毅

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004）

“啤酒鱼”是广西阳朔一道有名的地方特色菜，其鱼肉鲜辣可口，富有啤酒香味，2018年9月，被评为“中国菜”之广西十大经典名菜。啤酒鱼的传统做法是选用漓江水域里鲜活的鱼，先用桂北山区出产的生茶油煎至表面微黄后起锅，接着将辣椒、葱、蒜等香辛料爆香后放入番茄略炒，然后加入用漓江水源酿造的啤酒以及调味料，最后放入煎好的鱼焖至入味后撒上葱花。为确保啤酒鱼制作技艺得到有效的保护、传承与发展，阳朔工商行政管理质量技术监督局等起草了《阳朔啤酒鱼制作技术规程》[1]。但目前还未见关于适用于工业化生产的啤酒鱼产品的工艺研究报道，而非标准化的加工工艺影响产品的品质稳定性和加工操作可重复性，因此优化啤酒鱼加工工艺对其实现工业化生产有重要意义。

鱼肉的品质不仅受原料本身（品种、性别、年龄等）、环境因素（产地、饲养方式、季节等）等因素的影响，还因加工方式（蒸、煮、炸、腌、微波等）的不同而发生改变[2]。热加工是用于改善食品品质、延长贮藏期的重要方法，而煮制是热加工常用的方式之一。鱼肉经过煮制后，其质构、风味特性会发生明显变化。盛利燚等[3]研究发现丁香鱼肉在80 ℃水温下煮制1～4 min，剪切力值持续上升，表明煮制能使肉质变紧密。陈丽丽等[4]探究不同烹饪方法对脆肉鲩挥发性风味物质的影响时，发现煮制后的鱼肉中挥发性的酮类和醛类物质的浓度显著增大，而酯类物质的种类和含量降低。综上，煮制工艺参数会影响鱼肉质构和挥发性风味物质。

啤酒中含有多种挥发性有机物，如醇类、酯类、羰基类、有机酸类、硫化物类、苯胺类、酚类等物质[5]，这些物质共同构成了啤酒独特的风味。啤酒在烹饪菜肴时能起到增香、调味、去腥等作用，因此常被用于制作风味食品。汤高奇等[6]在制作酱香鸭脖过程中加入啤酒，发现啤酒的添加量和放入时间会影响啤酒的风味，在卤煮开始后29 min 放入26%的啤酒获得感官评分89 分的酱香啤酒鸭脖新产品。苗清霞等[7]通过正交试验研制出的一种啤酒风味的香肠产品脆爽有弹性，又有较强的肉粒感。周惠健等[8]探究了啤酒对红烧老鹅品质的影响，结果表明啤酒能改善鹅肉的色泽、肉质和风味。此外，啤酒还具有特殊的作用，相关研究结果表明用啤酒进行腌制能降低煎牛肉中有害物杂环胺类物质的量[9]，降低烤猪肉[10]、烤鸡翅[11]中多环芳烃类物质的量。目前，关于啤酒应用于食品加工的研究还较少，且啤酒对啤酒鱼品质影响的相关研究鲜有报道。

模糊数学评定法是由Zadeh 创建的一种评定方法，通过建立模糊综合评价的评判因素集、评语集、权重集以及建立矩阵和权重之间的运算，将模糊的、定性的指标转变为清晰的、定量的指标[12]。通过将模糊数学评定法与感官评价结合，能使感官评价过程中由主观性带来的误差减小。本文对啤酒鱼加工过程中煮制工艺的啤酒添加量、煮制时间及加热功率进行变量设置，采用模糊数学感官综合评价法、出品率、剪切力等指标对啤酒鱼的品质进行评价，同时结合响应面法优化啤酒鱼的煮制条件，以模糊数学感官综合评价值为指标得到最优参数，并分析啤酒鱼的风味及质构特性，以期为实现工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

罗非鱼、生姜、葱、蒜、辣椒、番茄 均购于超市；漓泉啤酒 燕京啤酒（桂林漓泉）股份有限公司；大豆油 益海嘉里粮油工业有限公司；食盐 中国盐业集团有限公司；辣椒油 东莞市永益食品有限公司；生抽、蚝油 佛山市海天调味食品股份有限公司。

TB-81 油浴锅 湖北香江电器股份有限公司；C22-Star201 电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司；EK813 电子秤 广东香山衡器集团股份有限公司；FlavourSpec®气相-离子迁移谱食品风味分析与质量控制系统 德国G.A.S 公司；TMS-PRO 质构仪 美国FTC 公司；STAR A111 pH 计 美国赛默飞公司；CR21N 高速冷冻离心机 日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 原料选择→预处理→清洗→油炸→炒料→调料→煮制→成品

1.2.2 操作要点 原料选择：挑选鲜活的罗非鱼，每条体重为（750±50）g。

预处理：将鱼重击头部致死，刮去鳞片，开膛破肚，取出内脏，去除鳃及鳍部分。

清洗：用清水冲洗干净鱼体上的血污，然后沥干表面多余水分。

油炸：用油浴锅将料液比为1:2（w/w）的大豆油加热至180 ℃后，再将鱼炸制3 min 后起锅，沥油后备用。

炒料：以鱼质量为基准，将4%的大豆油加热至180 ℃后，放入1.3%生姜、2%葱、2%蒜翻炒30 s，然后加入13.3% 番茄再翻炒30 s。

调料：以鱼质量为基准，按照3.75:1（w/w）的料液比添加一定量啤酒和水的混合液，然后加入0.9%食盐、2.6%辣椒油、2.6%蚝油、2%生抽，混匀后加热。

煮制：将调料液加热至100 ℃后，放入油炸好的鱼，并按照一定的煮制时间和加热功率进行煮制，当达到煮制时间一半时将鱼体翻面，继续煮制后获得啤酒鱼成品。

传统工艺制作的啤酒鱼（传统组）操作将上述油炸步骤改为油煎，并在煮制步骤改为加入纯啤酒。具体方法为：用平底锅将料液比为25:1（w/w）的大豆油加热至180 ℃后，再将鱼煎制3 min 后起锅。

1.2.3 单因素实验设计 根据啤酒鱼的工艺流程，在调料和煮制步骤中固定煮制时间为30 min，加热功率为500 W，煮制液中分别添加20%、40%、60%、80%、100%质量分数的啤酒，研究啤酒添加量对啤酒鱼感官评分、剪切力和出品率的影响。固定啤酒添加量为80%，加热功率为500 W，于100 ℃分别煮制10、20、30、40、50 min，研究煮制时间对啤酒鱼感官评分、剪切力和出品率的影响。固定煮制时间为30 min，啤酒添加量为80%，分别以功率120、500、1000、1500、2000 W 进行加热，研究加热功率对啤酒鱼感官评分、剪切力和出品率的影响。通过建立模糊数学感官综合评价模型，获得啤酒添加量、煮制时间、加热功率对啤酒鱼模糊数学感官综合评价值的影响。

1.2.4 响应面优化试验设计 根据单因素实验结果及Box-Behnken 试验设计原理，以煮制时间、加热功率、啤酒添加量为考察因素，以模糊数学感官综合评价结果为评价指标，进行三因素三水平试验设计，优化啤酒鱼煮制工艺条件。因素及水平编码见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiments

1.2.5 感官评价 参考陈娇娇等[13]的方法并作修改，挑选10 名具有食品专业知识的人员组成评价小组，根据评分标准分别对啤酒鱼鱼肉的嫩度、弹性、组织状态、气味和滋味进行感官评价（表2）。为避免评价小组成员因各自嗜好等因素造成对产品的偏见，感官评定时需对样品进行随机编码。每次评价时由每位评价员单独进行，不互相交流，且在评价每个样品之前咀嚼苏打饼干，并用清水漱口，排除上一个样品的影响。

表2 啤酒鱼感官评价评分标准Table 2 Sensory evaluation standard of beer fish

1.2.6 模糊数学感官综合评价模型的建立

1.2.6.1 因素集及评语集的确定 以啤酒鱼嫩度、弹性、组织状态、气味和滋味为因素集U=[U1,U2,U3,U4,U5]=[嫩度，弹性，组织状态，气味，滋味]，以优、良、中、差为评语集V=[V1,V2,V3,V4]=[优，良，中，差]。

1.2.6.2 因素集权重的确定 参照姬长英[14]的方法，采用“0、4”评分法，确定各因素权重。请评价员对啤酒鱼感官评价指标嫩度、弹性、组织状态、气味和滋味的重要性进行两两比较，根据重要程度差距进行打分，两者中相对重要者取高分，另一者取低分。把比分分为“0:4”、“1:3”、“2:2”三种情况：两因素重要程度差距很大时用“0:4”；差距较大时用“1:3”；重要程度接近时用“2:2”。根据各因素所得总分除以全部因素的总分即得到各因素的权重，把各因素的权重组成权重集。

本实验依据啤酒鱼感官评价指标的标准和评价员判定的权重系数得分统计结果，确定嫩度、弹性、组织状态、气味、滋味的权重系数分别为0.2325、0.1225、0.1600、0.2250、0.2600，即权重集AU=[AU1,AU2,AU3,AU4,AU5]=[0.2325,0.1225,0.1600,0.2250,0.2600]。

1.2.6.3 模糊数学感官综合评价值的计算 根据表2啤酒鱼感官评价评分标准对啤酒鱼各感官评价指标得分对应的优、良、中、差4 个评分等级的打分人数进行统计，并作归一化处理，构成模糊矩阵R，然后乘以权重向量AU，得到模糊综合评判集B。为了将最终评判结果量化为分数，取每个感官评价指标的评分等级对应分值段的中间值构成评价等级向量H=[9.5,7,4,1][15]。最后，通过Y=B·HT计算得到模糊数学感官综合评价值。

1.2.7 出品率的测定 参考张艳[16]的方法并作修改。用滤纸将原料鱼表面液体吸干后称重，质量记为m1，单位为g；煮制后的啤酒鱼冷却后，再用滤纸吸干表面液体后进行称重，质量记为m2，单位为g。

1.2.8 剪切力的测定 参考的赵矩阳等[17]的方法并作修改。使用单刀剪切探头进行测定，测试速度60 mm/s，回程速度60 mm/s，回程距离55 mm。每组样品平行测定8 次。

1.2.9 挥发性风味物质的测定 以响应面试验设计优化的煮制条件制作啤酒鱼，以传统方法制作的啤酒鱼、和水取代啤酒进行煮制作为对照组。使用GCIMS 分析样品的挥发性风味物质，参考Arroyo 等[18]的方法并作修改。

进样条件：称取2.00 g 鱼肉于20 mL 顶空瓶，在孵化器内以50 ℃加热10 min。进样方式：顶空进样；加热方式：振荡加热；振荡速率500 r/min；进样针温度80 ℃；进样量0.5 mL。

GC 条件：色谱柱：FS-SE-54-CB-1 石英毛细管柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；色谱柱温度40 ℃；载气（N2）流速程序：初始流速2 mL/min，3 min 内保持2 mL/min，10 min 内线性升至25 mL/min，15 min 内线性升至50 mL/min，25 min 内线性升至150 mL/min。

IMS 条件：漂移管温度45 ℃；管内线性电压500 V/cm；漂移气（N2）流速150 mL/min；放射源：β射线（氚，3H）；离子化模式：正离子。

1.2.10 质构的测定 测定方法参考杨少玲等[19]并作修改，用滤纸将鱼肉的表面水分吸干，取背部肌肉，然后将鱼块沿着肌肉横纹水平放置在质构仪的探头底座上，进行质构特性（硬度、弹性、内聚性和咀嚼性）的测定。使用直径为6 mm 圆柱形不锈钢探头，设置质构仪测定模式为TPA 模式，测试速度1.00 mm/s，压缩形变量30%，间隔时间5 s，触发力0.05 N。每组样品平行测定6 次。

1.2.11 pH 的测定 pH 的测定参考单钱艺等[20]方法。称取3.00 g 鱼肉，加入30 mL 蒸馏水（pH 6.91），以10000 r/min 均质45 s，然后经9000 r/min 离心15 min，上清液用pH 计测定其pH。

1.3 数据处理

采用Design-Expert 8.0.6 软件对响应面优化试验进行设计和分析。采用 Microsoft Excel 2019 和SPSS 25.0 软件对数据进行处理和分析。使用GCIMS 仪器配套的Laboratory Analytical Viewer 软件及GC-IMS Library Search 软件对鱼肉中的挥发性风味物质进行分析。所有实验分析重复3 次以上，结果表述为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 啤酒添加量对啤酒鱼品质的影响 啤酒鱼的感官综合评价值随着啤酒添加量的增加先升高后降低（图1）。啤酒添加量为20%～40%时，感官综合评价值升高。啤酒添加量为40%与添加量为60%所得到的综合评价值相近。但是在啤酒添加量>60%后，综合评价值降低。添加适量的啤酒能去除鱼肉的腥味[21]，提高气味评分。但啤酒添加量过多，会使啤酒鱼带有较重的苦味，导致滋味评分下降，降低综合评价值。从样品的剪切力结果中发现，剪切力随啤酒添加量的增加先降低后升高，经60%的啤酒添加量处理的啤酒鱼剪切力（9.22 N）低于其他处理组，而此时出品率也较高，综合考虑啤酒添加量为60%最佳。

图1 啤酒添加量对啤酒鱼综合评价值、出品率及剪切力的影响Fig.1 Effects of beer additive amount on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.1.2 煮制时间对啤酒鱼的影响 随着煮制时间的增加，啤酒鱼感官综合评价值呈先上升后下降趋势（图2）。煮制时间<30 min 时的综合评价值较低，可能是因为煮制时间过短导致入味和肉质较差。煮制时间为40 min 时，鱼体完整，肉质细嫩，啤酒鱼综合评价值最高（7.70）。当煮制时间>40 min 时，除滋味外其余评分均降低，导致综合评价值降低。这是因为煮制时间过长，会引起肉质的过分软烂，并且破坏食物本身具有的良好风味[22]。从啤酒鱼的出品率结果发现，煮制时间为20 min 时出品率最高（73.05%），之后出品率持续下降。而鱼肉的剪切力随着煮制时间的增加持续下降。煮制不仅是一个烹饪食物的过程，也是一个灭菌的过程。煮制时间过短，灭菌不彻底，会对食品的安全性造成负面影响；而煮制时间长，能耗消耗大，同时会影响产品感官评分。综合考虑煮制时间为30 min 最佳。

图2 煮制时间对啤酒鱼综合评价值、出品率及剪切力的影响Fig.2 Effects of boiling time on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.1.3 加热功率对啤酒鱼的影响 加热功率在120～1000 W 时，啤酒鱼的嫩度评分及综合评价值随加热功率的增大持续升高（图3）。以1000 W 的加热功率煮制得到的啤酒鱼综合评价值最高（7.27）。加热功率高于1000 W 后，鱼肉弹性、气味评分降低，组织变得松散，综合评价值降低。这是由于非稳态传热是加工过程中的基本特征，鱼体内外受热是不均匀的，内部成熟时，外部可能因加热过度而品质劣化[23]。随着加热功率增大，啤酒鱼的剪切力持续下降，表明嫩度升高，但同时出品率也呈下降趋势。加热功率为2000 W 时，出品率仅为65.82%。王琳可[24]发现中火煮制鸡腿的总体评价要优于小火和大火煮制的鸡腿。因此，选择合适的火候十分重要，能既保证成熟并达到整体品质最优。综合考虑，选择1000 W 作为响应面优化试验加热功率的中间值进行后续研究。

图3 加热功率对啤酒鱼综合评价值、出品率及剪切力的影响Fig.3 Effects of heating power on sensory comprehensive evaluation value,yield and shearing force of the beer fish

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面优化试验结果 由于模糊数学感官综合评价方法综合了对样品的嫩度、弹性、组织状态、气味和滋味等五个方面的评价，本研究基于单因素实验结果，选取啤酒添加量（X1）、煮制时间（X2）、加热功率（X3）为自变量并以模糊数学感官综合评价值为响应值Y，经Box-Behnken 响应面优化试验设计进一步优化各因素参数值（表3）。

表3 响应面优化试验设计与结果Table 3 Design and results of response surface experiments

2.2.2 回归模型的建立及方差分析 根据感官综合评价结果进行多元回归拟合，获得啤酒鱼综合评价值（Y）对自变量啤酒添加量（X1）、煮制时间（X2）、加热功率（X3）的二次回归方程：Y=7.81+0.16X1+0.2X2+0.014X3−0.13X1X2−0.22X1X3−0.071X2X3−0.52X12−0.4X22−0.005498X32。模型的决定系数R2为0.9744，校正决定系数R2adj为0.9407，表明该模型能够解释94.07%响应值的变化，说明该模型拟合程度良好，可对啤酒鱼的综合评价值进行分析和预测。

为进一步检验该二次回归方程有效性，对回归模型的方差进行分析（表4）。本研究中模型的方差极显著（P<0.01），失拟项不显著（P>0.05），说明回归模型与实测值拟合良好。逐步显著性检验结果表明，一次项X1和X2达到极显著水平（P<0.01），表明啤酒鱼制作过程中，煮制时间及啤酒添加量对感官综合评价值的影响很大。根据回归方程中各因素的系数，可以得到各因素影响强弱顺序为：煮制时间>啤酒添加量>加热功率。交互项X1X2对响应值Y 的影响显著（P<0.05），X1X3极显著（P<0.01），而X2X3不显著（P>0.05）。二次项X12和X22对响应值Y 的影响极显著（P<0.01），而X32不显著（P>0.05），表明各因素与响应值不是简单的线性关系。

表4 响应面二次模型的方差分析Table 4 Analysis of variance for the response surface quadratic model

2.2.3 响应面图分析及工艺优化 通过Design-Expert软件的Model Graphs 模块得到了两因素交互作用的响应面图（图4）。如图4（a）所示，X1X2两因素的等高线趋于圆形，曲面图坡度陡峭，表明啤酒添加量与煮制时间交互作用较弱，对综合评价值影响较大。如图4（b）所示，X1X3两因素的等高线趋于椭圆形，曲面图坡度陡峭，表明啤酒添加量与加热功率交互作用较强，对响应值影响较大。沿着啤酒添加量方向，等高线密度明显高于加热功率方向，说明啤酒添加量对综合评价值的影响大于加热功率。如图4（c）所示，X2X3两因素的等高线趋于椭圆形，曲面图较平坦，表明煮制时间与加热功率交互作用较强，对响应值影响较小。沿着加热时间方向，等高线密度明显高于加热功率方向，说明加热时间对综合评价值的影响大于加热功率。

图4 两因素交互作用的响应面图Fig.4 Response surface graphs of interaction between two factors

模型预测最优条件为：啤酒添加量66.54%，煮制时间32.92 min，加热功率500.01 W。在此条件下，啤酒鱼的感官综合评价值预测值最高为7.89。为验证预测值与实测值之间的拟合程度及模型的有效性，进行验证实验。但考虑到操作的可行性，对自变量值修正为：啤酒添加量66%，煮制时间33 min，加热功率500 W，得到实测值为7.91±0.01，与模型的预测值7.89 基本一致，表明模型有效可靠。

2.3 啤酒对啤酒鱼风味与质构特性的影响

2.3.1 啤酒对啤酒鱼风味特性的影响 与空白组相比，最优组和传统组鱼肉中己醛、庚醛等物质信号强度降低（图5，A 区）。最优组和传统组出现乙醇、2,3-戊二酮等物质的信号，且传统组中这些物质信号的强度比最优组高（图5，B 区）。己醛、庚醛是罗非鱼中的主要腥味物质，由ω-6 脂肪酸氧化后产生，在低浓度下具有青草味，高浓度时会产生有不良气味[25−26]。乙醇是啤酒中含量最丰富的醇类物质，贡献啤酒风味，并在其他成分的风味感知中发挥作用[27]。2,3-戊二酮是啤酒发酵过程的产物，具有类似蜂蜜的气味[28]。本实验中，经添加啤酒煮制后的鱼肉腥味物质信号强度降低与乙醇促进小分子物质挥发及鱼肉pH 降低有关（表5）。鱼肉pH 降低使肌原纤维蛋白的疏水结合位点减少，从而降低了其与醛类物质的结合能力[29]。由于传统组相比最优组添加了更多的啤酒，因此鱼肉中啤酒风味物质信号强度更高。

图5 啤酒鱼的挥发性风味物质GC-IMS 指纹图谱Fig.5 GC-IMS fingerprint of beer fish’s volatile flavor compounds

2.3.2 啤酒对啤酒鱼质构特性的影响 如表5所示，经优化工艺得到的最优组啤酒鱼肉质硬度、咀嚼性和pH 显著低于空白组及传统组（P<0.05），但弹性及内聚性无显著性变化（P>0.05）。最优组的感官综合评价值高于传统组，可能是由于传统组的啤酒加入量为100%，使风味感官分值降低，该结果与对传统组风味特征的研究结果一致。pH 变化会影响肌原纤维蛋白的凝胶特性，而熟肉的质构特性高度依赖于肌原纤维蛋白的凝胶化[30]。此外，啤酒中的乙醇能使肌原纤维蛋白的空间结构发生改变，从而影响肉质[8]。陈丽艳等[31]发现糟鹅肉的硬度、咀嚼性随着白酒添加量的增加先降低后升高，内聚性一直下降，而弹性整体变化较小。本实验中，添加适量啤酒能改善啤酒鱼口感和风味。经啤酒煮制后的鱼肉pH 降低及啤酒中乙醇的含量，可能是导致鱼肉中肌原纤维蛋白的凝胶强度减弱从而改变鱼肉质构的原因，啤酒的组成成分对肌原纤维蛋白的空间结构的影响还有待进一步研究。

表5 啤酒鱼的鱼肉质构特性、pH 及综合评价值Table 5 Texture profile analysis,pH and comprehensive evaluation value of beer fish

3 结论

本研究通过建立啤酒鱼模糊数学感官综合评价的方法，结合响应面优化试验对啤酒鱼煮制工艺条件进行优化，得到最佳工艺参数为：啤酒添加量66%，煮制时间33 min，加热功率500 W，在此条件下制得的啤酒鱼综合评价值为7.91，与模型的预测值7.89基本一致。啤酒添加量、煮制时间影响啤酒鱼的感官品质，啤酒鱼工业化生产中可以将以上参数作为加工控制关键点。优化后的啤酒鱼制作工艺得到的啤酒鱼感官综合评价值高于传统方法制得的啤酒鱼。经优化工艺煮制后的鱼肉中己醛、庚醛等腥味物质的浓度降低，出现乙醇、2,3-戊二酮等啤酒风味物质；肉质硬度、咀嚼性、pH 降低，表明啤酒能起到去腥增香、改变肉质的作用。本研究的结果可为啤酒鱼的工业化生产中风味及鱼肉品质的标准化评价提供理论依据。