基于模糊数学评价法的救生食品配方及工艺研究

王晓超, 杨 成, 王若永, 杜 鹏, 张志强,穆慧玲, 白 霜, 陈曦蒙, 张连富

(江南大学食品学院1，无锡 214122) (空军特色医学中心2,北京 100142) (江苏自然之道生物科技有限公司3,无锡 210000)

救生食品是指在发生灾害、战争以及事故等待救援时，用以满足人体对能量以及营养素的最低需要量，尽可能维持遇险人员生存的一类食品[1,2]。现有的救生食品制作原料通常选择植物油、糖、大豆(植物)分离蛋白等分离性原料，这些分离性原料缺少维生素、矿物质等养素[3,4]。此外，目前救生食品还存在能量密度偏低；产品中蛋白质含量偏高，对水分需求较大；未根据遇险人员焦虑紧张的心理特点添加相应的功能性成分进行设计等问题[5,6]。对此，国内外一些学者进行了相关研究。赵雁武等[7]通过向救生食品中添加植物甾醇，改善了其口感，延长了救生食品的保质期，但未添加相应功能性物质。Luo等[8]将生姜、梨渣、牛磺酸等具有抗疲劳功效的功能性成分添加至救生食品中，改善了产品的感官接受度，但未考虑产品热量及供能营养素的合理配比。

通过线性规划法完成救生食品的原料筛选，用模糊综合评判法对其感官品质进行评价。线性规划法(LP)是在线性约束条件下，求解线性目标函数最值的一种方法，是运筹学中最实用的求解方法[9]。在综合考虑所有原料的营养成分基础上，能够快速、高效地筛选食品配方[10]。在食品加工的研究过程中，对其感官接受度进行评价有助于研究人员对产品的品质做出判断[11]。模糊综合评判法根据模糊数学隶属度的原则将食品的定性评价转化为定量评价，进而对食品的感官接受度做出客观评价的一种方法[12,13]。Yu等[14]对添加小麦，高粱和膨化高粱粉的饼干建立模糊数学评价模型，评判了其感官接受度。本实验对救生食品的配方和工艺进行了系统的研究。拟研制高能量低蛋白、具有缓解遇险人员焦虑紧张状态功效的救生食品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低筋小麦粉、葡萄糖、棕榈油、β-环糊精、燕麦、番茄清汁粉、茶叶茶氨酸、黑芝麻粉豆渣。

HM-740型家用多功能厨师机，CS-E11S型烤箱，ZL-600型高效摇摆式制粒机，YSB型压缩饼干机，TA XTplus型物性测试仪，皇代800Y型高速多功能粉碎机。

1.2 方法

1.2.1 原料筛选

根据及救生食品技术性能的要求，建立线性规划优化模型：根据常见食物营养成分表，对以小麦粉，燕麦粉、黑芝麻粉、豆渣等全天然食品原料为主的原料配方进行筛选,其营养成分如图1所示。设定营养素单位质量能量密度(蛋白质4 kcal/g，脂肪9 kcal/g，碳水化合物4 kcal/g，膳食纤维2 kcal/g。设定约束条件：热量在1 300 kcal以上，蛋白质质量分数不大于5%，脂肪质量分数应10%～20%，碳水化合物质量分数70%～80%，经换算后得到：蛋白质质量应不超过14.5 g，脂肪质量为29～58 g，碳水化合物质量为203～232 g；总质量在285～290 g之间；葡萄糖用量小于小麦粉用量的2倍，以保证面团成型；燕麦粉、豆渣用量均大于10 g，黑芝麻粉用量大于5 g；以热量(Z)最高为目标，进行求解。

表1 原料配方筛选计算表的设计

Zmax=3.524X1+9X2+3.697X3+1.963X4+4X5+6.318X6

运用Excel软件的规划求解工具进行求解，满足所有约束条件得到的最高热量配方。

1.2.2 工艺流程

1.2.3 操作要点

粉碎过筛：利用高速多功能粉碎机粉碎燕麦并与其余粉状原料分别过60目筛。物料混合: 将β-环糊精与棕榈油混合后用厨师机搅拌均匀，与葡萄糖、低筋小麦粉、豆渣、水按一定比例混合均匀，形成面团。将面团辊压成型后，切割成长宽约3 cm×3 cm，厚度约3 mm的小块，再放入预热后的烤箱中进行烘焙。熟化后的饼干自然冷却至室温后，移入摇摆式颗粒机中破碎并过16目筛。将番茄清汁粉、燕麦粉、茶叶茶氨酸等热敏性物质与熟化饼干粉末充分混合后，放入压缩饼干机中挤压成型[15]。

1.2.4 单因素实验

以线性规划求解的配方为基准，固定焙烤时间15 min、β-环糊精占比70%、挤压压强60 kg/cm2，考察不同焙烤温度(160、170、180、190、200 ℃)对产品品质的影响；固定焙烤温度180 ℃、β-环糊精占比70%、挤压压强60 kg/cm2，考察不同焙烤时间(9、12、15、18、21 min)对产品品质的影响；固定焙烤温度180 ℃、焙烤时间15 min、挤压压强60 kg/cm2，考察不同β-环糊精添加量(50%、60%、70%、80%、90%)对产品品质的影响；固定焙烤温度180 ℃、焙烤时间15 min、β-环糊精占比70%，考察不同挤压压强(30、40、50、60、70 kg/cm2)对产品品质的影响。

1.2.5 响应面实验

在单因素实验的基础上，选取每个因素下对救生食品感官评分影响较大的三个水平，以感官评分为评价指标，应用Design-Expert软件中的Box-Behnken模块设计四因素三水平实验，实验设计如表2所示。

表2 救生食品的响应面实验因素水平表

1.3 模糊数学-感官评价方法的建立

1.3.1 确定评判因素合集与评价集

以救生食品的色泽、形态、口感、组织状态为评判指标，设u1=色泽、u2=形态、u3=口感、u4=组织状态，组成评判因素集合:U={u1、u2、u3、u4}。评价集即每个因素的评价合集，由数值表示:v1=优、v2=良、v3=中、v4=差，组成评语集合:V={v1、v2、v3、v4}。优、良、中、差依次被赋予90、80、70、60分[16]。

1.3.2 确定权重集

权重是指某个因素在所有被评定因素中的影响。在本实验中色泽、形态、口感、组织状态对应的权重，组成权重集:C={c1，c2，c3，c4}[17]。根据归一化原则，权重集X中的各因素总和为1。本实验依据品评员判定的权重系数得分进行结果统计，确定各因素的权重系数分别为0.16、0.25、0.38、0.21，即权重集:X={x1，x2，x3，x4}={0.16，0.25，0.38，0.21}。

1.3.3 确定评价标准

选择10位品评员(年龄为18～30岁，男女各5名，身体健康，对色香味分辨能力强)进行感官评定实验。对每份样品进行3位随机编码后置于白色纸盘中呈送，在自然光线中观察饼干，检查色香及有无异物，并观察其形态和组织状态，最后用温开水漱口后品评其滋味，评定指标如表3所示[18]。对被评定因素的各分值段打分人数进行汇总，结果如表4所示(ri1+ri2+ri3+ri4=10，其中i=1、2、3、4)。

表3 救生食品感官评定标准

表4 被评定因素各评定等级打分人数汇总

1.4 质构测定方法

使用TA XTplus物性测试仪全质构(TPA)模式进行测试。测试探头为 P/25，测前速度:1.0 mm/s，测试速度:1.0 mm/s，测后速度:5.0 mm/s；应变为40%，触发力10 g。所有样品重复测定6次，取平均值。

1.5 营养、理化指标及微生物指标

蛋白质参考 GB 5009.5—2016 检测；脂肪参考GB 5009.6—2016 检测；碳水化合物及能量参考GB 28050—2011计算；酸价参考 GB 5009.229—2016检测；过氧化值参考 GB 5009.227—2016检测；铅参考GB 5009.12—2017 检测；总砷参考GB 5009.11—2014 检测；灰分参考GB 5009.4—2016 检测；菌落总数、大肠菌群、霉菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌分别参考 GB 4789.2、GB 4789.3、GB 4789.15、GB 4789.4、GB 4789.10检测。

1.6 数据分析

所有实验结果均为3次平行实验所得平均值，采用Excel 2016进行数据统计分析，采用GraphPad Prism 8绘制图表，使用Design-Expert 12进行响应面分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 原料筛选结果

根据线性规划模型运算结果见表5。由于在挤压成型过程中，产品油脂含量过高，在挤压成型过程的高压作用下产品会出现明显渗油现象。将β-环糊精与棕榈油预混后进行产品制备，可有效减缓挤压过程中的渗油现象，考察β-环糊精按比例(50%、60%、70%、80%、90%)取代原葡萄糖用量后对产品品质的影响。已有研究证实，茶氨酸可能通过与神经递质相互作用起到降低血压、降低自述焦虑评分、提升脑皮层α脑波活动的作用[19]。番茄清汁粉也具有降低血压、保护心血管健康和改善产品风味作用[20]。故分别按产品总质量的0.5%添加番茄清汁粉及茶叶茶氨酸，以改善风味并缓解遇险人员的焦虑、紧张情绪。

表5 救生食品配方运算结果

2.2 感官评价结果

感官因素综合评判的结果向量为Y，由权重集X和评价矩阵R合成，即Y=X×R[21]。根据评价流程，评语集V=(90, 80, 70, 60)，则样品的评判总分为：M=Y×V。

Yj= (y1,y2,y3,y4)=

式中：j=1，2，3，……29，为样品编号，i=1，2，3，4为救生食品的各项评价指标，ri1、ri2、ri3、ri4分别表示第i个评价指标分数项所得到的票数。品评员分别对所有样品的各个因素进行逐一评价，统计各因素在每个等级中的票数并进行归一化处理，得到模糊矩阵R以第一组样品R1为例，其感官评定结果见表6。

表6 样品R1的感官评价结果

对评定结果进行归一化处理

依据模糊变换原理，Y=X×R,样品R的综合评价结果

结果说明，对于样品R1有62%的品评员认为其等级为优，24.6%的品评员认为良，13.4%的品评员认为中，无评定员认为差。得出各组样品综合评定结果后，与评价集合对应相乘再相加[22]。

同理得到其他样品的感官评分结果，见表7。

2.3 单因素实验结果

本实验以挤压压强、焙烤时间、焙烤温度、β-环糊精添加量为4个影响救生食品品质的因素进行单因素实验，结果见图1。

图1 不同工艺参数对救生食品的感官评分和硬度的影响

2.3.1 β-环糊精添加量对救生食品品质的影响

葡萄糖不但赋予食品甜度，而且与蛋白质作用发生美拉德反应使得食品发生褐变并产生风味物质。葡萄糖用量过高会导致饼干甜度过高，口感较腻[23]。由图1可知，随着β-环糊精添加量的增加，葡萄糖的用量减少，救生食品感官评分逐渐升高。当β-环糊精添加量大于70%时，饼干色泽较弱，甜度偏低，感官评分随之下降。

2.3.2 焙烤温度对救生食品品质的影响

焙烤温度较低时，饼干熟化不充分，出现夹生口感，风味物质形成不充分，感官得分较低。随着焙烤温度的升高，饼干感官评分先增大，当达到180 ℃时感官评分最高，继续升高温度，产品表面出现焦黑现象，感官评分随之下降。随着焙烤温度的升高，产品的含水量降低，粉质间黏合性下降，使得产品硬度降低，当焙烤温度超过180 ℃时产品硬度趋于平稳。

2.3.3 挤压压强对救生食品品质的影响

随着挤压压强的增加，救生食品硬度显著增加。当挤压压强较小时，救生食品偏软且易破碎。随着压强的逐步升高，救生食品硬度增加，但易出现渗油现象。将β-环糊精与油预混后进行制备，可有效缓解在高压强下的溢油现象。感官评分随着挤压压强的升高而增加，当压强超过60 kg/cm2时，由于饼干硬度过大，难以咀嚼，导致感官评分下降。产品的硬度随着挤压压强的增加而增加。

2.3.4 焙烤时间对救生食品品质的影响

焙烤时间低于15 min时，救生食品熟化程度随着焙烤时间升高而增加，感官得分也随着增加；当焙烤时间超过15 min时，由于过度烘焙出现焦糊味，熟化后的饼干会出现外焦内生的现象，导致粉碎压制后口感较差。此外过度焙烤也会造成熟化后的饼干表面颜色过深，导致挤压成形后的产品出现明显黑色，使得感官得分逐渐下降[24]。产品的水分含量随着焙烤温度的升高而降低，当焙烤时间超过15 min时，产品硬度趋于平稳。

2.4 响应面实验结果

2.4.1 响应面实验设计及结果

响应面法优化救生食品配方及工艺的的实验结果见表7。对实验数据进行多元回归拟合分析，得到感官评分Y对A、B、C、D4个因素的二次多项回归模型:

Y=88.15+0.6733A+0.7992B+3.03C-0.89D-0.76AB+1.42AC+1.42AD-0.1825BC-1.74BD+0.56CD-1.4A2-2.53B2-4.78C2-2.61D2

表7 响应面实验设计方案及结果

表8 回归模型的方差分析

由表8可知各因素对相应值的影响并非线性关系，一次项C及交互项BD对应急食品的感官评分呈极显著影响(P<0.01)，一次项A、B、D及交互项AC、AD对应急食品的感官评分呈显著影响(P<0.05)，而交互项AB、BC、CD对应急食品的感官评分影响并不显著[26]。F值反映各因素对响应值的影响强度，各因素对响应值的影响与F值呈负相关，因此4个因素对应急食品感官评分影响程度的大小顺序为C>D>B>A[27]。

2.4.2 验证实验

运用Design-Expert 12软件对数据进行分析优化，得到此款救生食品的理论最优配方为：焙烤温度183.6 ℃、β-环糊精添加量69.3%、焙烤时间18.3 min、挤压压强63.5 kg/cm2，此条件下救生食品的综合评分为88.91。为进一步验证模型的准确性和可行性，选取焙烤温度183 ℃、β-环糊精添加量69.3%、焙烤时间18.3 min、挤压压强64 kg/cm2，经3次验证实验得到应急食品的感官评分为(90.74±2.24)，与预测值基本一致。表明所建数学模型拟合性好，可代替真实点进行实验预测。

2.4.3 营养、理化指标及微生物指标分析

经检测分析(见表9)，此款救生食品香甜可口、营养丰富、硬度适中，每份救生食品(293 g)的供能营养素含量为：蛋白质质量分数3.9%、脂肪质量分数19.2%、碳水化合物质量分数70.0%。理化指标、污染物限量、微生物指标检测结果均符合国家标准，达到产品设计要求。

表9 营养、理化指标及微生物指标

3 结论

通过线性规划模型筛选、模糊数学综合评价、单因素实验及响应面分析法对救生食品的配方和工艺进行优化，得出最佳配方为：β-环糊精106.8 g、小麦粉73.2 g、葡萄糖39.5 g、棕榈油45.5 g、燕麦粉10.0 g、豆渣10.0 g、黑芝麻粉5.0 g、番茄清汁粉1.5 g、茶叶茶氨酸1.5 g，最佳工艺为：焙烤时间18.3 min，焙烤温度183.6 ℃，挤压压强63.5 kg/cm2。由方差分析可知各因素对感官评分的影响主次顺序为焙烤温度>挤压压强>β-环糊精添加量>焙烤时间。此条件下制备的救生食品每份热值为1 385.9 kcal、能量密度为4.7 kcal/g、蛋白质占比为3.9%。与市售09型压缩干粮相比，本产品每份包装的热量和能量密度分别提升了37.8%、17.5%，蛋白质占比降低了6.6%。此外，添加的功能性成分如茶氨酸和番茄清汁粉具有一定的缓解焦虑情绪的效果，产品达到预期设计目标。下一步可在本实验的基础上，根据特定人群的需求添加相应的营养强化剂，并进行人体功效验证。