模糊数学评定与响应面法综合优化熏马肉辣椒酱工艺

徐建宗，郭超男，年国芳，赛依旦·居马洪，周建中

(新疆农业大学 食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830002)

辣椒为茄科辣椒属一年生草本植物，又名辣子、番椒、海椒、广椒等，是我国重要的蔬菜作物，也是我国多省人们餐桌上的重要组成部分[1-2]。辣椒营养价值丰富，其果实中含有辣椒素、辣椒碱、维生素、辣椒色素、蛋白质、糖和矿物质等多种营养成分[3]。同时辣椒是我国栽植最广的蔬菜之一，在我国多省皆有栽植[4]。近年来，辣椒产业中制干椒的飞速发展，已成为继番茄加工之后蔬菜种植规模第二的产业[5]。新疆地区独特的自然资源、周边广阔的戈壁滩和自然晒场为制干辣椒提供了有利条件[6]。新疆制干辣椒种植品种多以当地品种为主，主要包括线椒、板椒、铁皮椒等，干线椒加工和销售方式多以制酱和辣椒红色素加工为主[7]。熏马肉作为新疆维吾尔自治区哈萨克族传统美食的翘楚，一直备受消费者喜爱。熏马肉营养价值很高，富含10多种氨基酸以及铁、钙等矿物质，同时蛋白质含量高、脂肪含量低且质量优于牛、羊等[8]，熏马肉于食用前仍需加热使其熟化[9]，熏马肉干加入辣椒酱的调制，探究制酱最优工艺参数为新型辣酱的开发提供理论依据。目前辣椒酱工艺优化研究以自然发酵和天然或人为加入乳酸菌发酵辣椒酱为主，不发酵辣椒酱工艺优化相关研究较少，且不发酵辣椒酱工艺优化又多以新型辣椒酱为主，其突出特点在于调配过程，重在研究其他调味料与辣椒混合后所附带营养、保健等功能对辣椒酱的影响与优化，强调的是调味料的影响作用，却甚少研究干辣椒制酱过程中辣椒自身工艺优化[10]。

本研究通过对不发酵辣椒酱加工工艺进行改良和优化，搭配新疆特产熏马肉开发出熏马肉辣椒酱，同时为了规避评价员主观原因对实验的影响，采取模糊数学综合评定和响应面优化二者结合的方法，优化干椒制酱工艺，旨在为新疆辣椒酱走入市场提供一种新的思路，为干椒复水制酱工艺开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

辣椒:新疆北疆安集海干线椒，采购于乌鲁木齐市新北园春农贸市场；熏马肉：购于乌鲁木齐聚众旺盛商贸有限公司；盐、糖、油等：购于本地商超。

1.2 实验仪器与设备

C21S-C2130九阳电磁炉 九阳股份有限公司； Meilen电子天平 深圳市美孚电子有限公司；美吉斯真空包装机 东莞市凯仕电器有限公司；TA-XT2i高精度专业食品质构仪 英国BMS有限公司； 电子油温温度计 乐清市米特尔电气有限公司。

1.3 基础配方

1.3.1 主料

干线椒30 g、熏马肉24 g、葵花籽油120 g。

1.3.2 辅料

白砂糖1.5 g、盐2.5 g、生姜粉0.9 g、桂皮0.1 g、八角粉0.1 g、小茴香0.2 g、香叶0.1 g、花椒粉0.5 g、草果0.1 g。

1.4 制作工艺与操作要点

1.4.1 工艺流程

1.4.2 操作要点

1.4.2.1 干辣椒处理

挑选无虫害、完整无霉变、色泽较好的干线椒，除柄去蒂后清洗待复水。

1.4.2.2 复水与粉碎

复水选择25 ℃环境，将干线椒清洗后浸泡于清水中，复水完成后切成长3 cm左右辣椒皮待炒制。

1.4.2.3 熏马肉的预处理

挑取颜色深红、肥瘦均匀、无腐烂变质的熏马肉，去除筋膜后置于清水中浸泡10 min后，洗净除去油脂和肉皮。马肉含水量较高，炒制成酱前应切成1 cm3大小方块待煸干水分。

1.4.2.4 炒制熟化

油温表探头深入油里，待油温达到180 ℃放入马肉丁煸干水分至见油不见水，调料于辣椒炒制完成30 s内加入，以防止调料糊锅和香气挥发。

1.4.2.5 冷却与包装

将炒制熟化的辣椒酱成品冷却后置于真空包装袋中，于真空包装机内进行包装。

1.4.2.6 灭菌贮藏

真空包装后辣椒酱成品通过消毒装置消毒，并在低温和避光条件下储存。

1.5 试验设计

1.5.1 质构测定

采用TA-XT2i型质构仪测定辣椒酱的质构，根据文献[11]的方法并稍加改进，采用P/5探头，形变量50%，测前速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，测后速度1 mm/s，触发力8 g，测定硬度、内聚性、弹性、咀嚼性。平行测定3次取平均值用于结果。

1.5.2 响应面优化试验设计

在前期单因素试验的基础上，选定复水时间、炒制温度、炒制时间为三因素，按照响应面Box-Behnken设计原则以咀嚼度和感官评分为响应值，选择三因素三水平设计响应面试验，以-1，0，1代指变量三水平，并采取模糊数学综合评价法研究三因素三水平对食品感官质量的影响，结合响应面优化对辣椒酱制作工艺进行优化，以期确定最佳制作工艺参数[12-14]。利用Design-Expert软件对辣椒酱工艺条件进行数据分析，具体因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素和水平Table 1 The factors and levels of response surface test

1.6 熏马肉辣椒酱模糊感官评价构建

1.6.1 感官评鉴与评分标准

按照GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则》并参考曾习等[15]的办法，选定10名食品相关专业的同学，5男5女，五感正常且敏感，无酗酒、抽烟等恶习，健康状况和表达能力良好，经验丰富，具备必需的分辨差异能力，能胜任感官检验的人员组成感官评价小组。要求评价员对1～17号样品按照感官评价标准分别从色泽、气味、滋味和组织形态4个方面进行打分，并填写感官评价表，具体评分标准见表2。

表2 熏马肉辣椒酱感官评价标准Table 2 Sensory evaluation criteria for smoked horse meat chili sauce

1.6.2 因素集论域U的确定

因素集，即与评价事物有关因素的评价指标集，用U指代。本次研究中，即为熏马肉干线辣椒酱产品质量各相关因素构成的评价指标集。选择色泽、气味、滋味和组织形态作为熏马肉干线辣椒酱4个评价指标，其分别被表示为u1，u2，u3，u4，指代因素集U的4个子向量，即U={色泽，气味，滋味，组织形态}[16]。

1.6.3 评语集V的建立

评语集是对评价事物质量指标相关因素评价的结果，V即为评语集，vm指代出现的评语个数。本次研究中，将每个因素评价等级细分，根据感官评价分为优(v1)、良(v2)、中(v3)、差(v4)4个评分等级。经评价小组决定，确定辣椒酱的评语集为V={优，良，中，差}[17]。

1.6.4 权重集分配方案的确定

权重指在指标评价时，由于各因素的作用和影响力不同，导致其重要程度不同，反映的是消费者对各种因素要求满足的急切程度。对于辣椒酱因素论域中的4个因素，所占比重也不尽相同。参考姬长英[18]的方法，采用强制决定法对色泽、气味、滋味、组织形态4个因素和4个评价标准构建矩阵，因素两两进行对比，重要的计1分，不重要的计0分，自身比较得1分，最后归一化处理数据。

1.6.5 模糊矩阵的建立和最终评价结果的确定

挑选10名评价员组成评价小组，分别对样品因素集中色泽、气味、滋味和组织形态进行感官打分，得到4个因素评价结果模糊矩阵Rj，j指代样品编号。将Rj和权重集A 相乘得到第j 号样品综合评价集Bj，j数值设为1～17，赋值分数与综合评价集Bj相乘得到最终感官综合评分并作为响应值。

2 结果与分析

2.1 模糊综合评价结果与分析

2.1.1 权重集确定

针对评价因素采用强制决定法分别赋予4个因素权重占比，权重集用A表示，A={a1,a2,a3,a4}，其中a1,a2,a3,a4分别指代辣椒酱的色泽、气味、滋味和组织形态的权重。依据统计结果，A={0.2,0.3,0.4,0.1},见表3。

表3 权重强制决定法Table 3 Forced determination method of weight

2.1.2 模糊评价感官分数结果

10名评价员构成小组对样品的色泽、气味、滋味和组织形态4个方面无顺序打分，统计分数并记录，见表4。

表4 感官评价投票结果Table 4 Voting results of sensory evaluation

2.1.3 模糊变换与评价矩阵结果

将表4中感官评价票数结果按照10名评价员折算成相应的比例，结合表中所有结果表示为向量，根据隶属度原则构造并得到综合评价矩阵Rj，共计17个矩阵：

第j号模糊矩阵表示为：

式中：m和 n数字皆为从1到4，即为4个因素评价等级比例占比，j=1，2，3……17为样品编号，rn1,rn2,rn3……rn4表示第n个评价指标对应项所获得的票数比例。

根据模糊变换原理[19]，对于综合评价结果B=A·R,因此对于第j号样品，则Bj=A·Rj。

因而对于1号样品，综合评价集B1=A·R1=(0.22,0.57,0.17,0.04),按此法获得其他样品综合评价集，结果如下：

R2=(0.04,0.35,0.54,0.07)，R3=(0.15,0.61,0.24,0)，R4=(0.12,0.46,0.39,0.03)，R5=(0,0.1,0.62,0.28)，R6=(0.16,0.38,0.35,0.11)，R7=(0.36,0.38,0.26,0)，R8=(0.2,0.39,0.34,0.07)，R9=(0.01,0.33,0.57,0.09)，R10=(0,0.24,0.6,0.16)，R11=(0,0.17,0.53,0.3)，R12=(0.08,0.25,0.61,0.06)，R13=(0.17,0.57,0.23,0.03)，R14=(0.44,0.3,0.26,0)，R15=(0.19,0.65,0.16,0)，R16=(0.24,0.66,0.1,0)，R17=(0.36,0.48,0.16,0)。

对以上评价结果优、良、中、差分别赋值90，80，70，60分，赋值结果与以上17组数据进行加乘，得到最终感官评分，见表5。

表5 Box-Behnken试验设计与结果Table 5 Design and results of Box-Behnken test

2.2 熏马肉干丝辣椒酱Box-Behnken优化结果分析

在前期单因素试验基础上，以复水时间A、炒制温度B、炒制时间C为研究对象，以感官评分和咀嚼度作为响应值，利用响应面对其进行设计优化熏马肉制作工艺，结果见表5。其中12个析因试验，5个中心平行试验。使用Design-Expert 8.0.6.1中Box-Behnken响应面优化程序对表中咀嚼度和模糊数学综合评价所得结果进行多元回归模型拟合得到回归方程：

咀嚼度Y1=279.98-7.03A+7.24B+12.08C+23.35AB-3.25AC-21.15BC-22.19A2-34.31B2-39.45C2。

感官评分Y2=81.30-2.16A+1.34B+1.67C+2.75AB-0.18AC-3.08BC-2.28A2-2.53B2-5.30C2。

对回归方程与模型采用方差分析，结果见表6和表7。

表6 响应值感官评分方差分析表Table 6 Analysis of variance of sensory score of response values

由表6可知，该感官评分回归模型的P值为0.0002,此结果表明回归模型极显著，同时失拟项表现为不显著，表明模型在回归区域各因素之间模拟好，较为稳定，无需调整，可以很好地分析后续数据。其中多元相关系数R2=0.9699，表示线性回归模型分析总离差平方和中由回归平方影响的值，该方差分析表中多元相关系数R2较大且接近1，可看出模型准确且回归效果显著，拟合度较高。校正决定系数RAdj2=0.9311，表示考虑独立变量个数影响下对多元决定系数R2进行校正以后的值，表明感官评分指数约93.11%由独立变量所决定。变异系数C.V.=1.57%<10%，变异系数低可解释为数据稳定性高，试验具备较高可信度与精确度[20]。模型的因子交互作用方面，一次项A(复水时间)、C(炒制时间)影响极显著(P<0.01),B(炒制温度)影响显著(P<0.05),二次项A2、B2、C2差异性影响极显著(P<0.01)，交互作用项AB、BC差异性也极显著(P<0.01)。表明该试验各个影响因素之间交互作用对感官评分具有显著差异，并由F值可知对感官评分的影响主次顺序为A(复水时间)>C(炒制时间)>B(炒制温度)。

表7 响应值咀嚼度方差分析表Table 7 Analysis of variance of response value chewiness

续 表

由表7可知，该咀嚼度线性回归模型的P<0.0001，模型达极显著水平，失拟项不显著(P>0.05),表明模型在回归区域各因素之间模拟好，较为稳定，无需调整，可以很好地分析后续数据。多元相关系数R2=0.9894，表示回归模型因变量98.94%的变异，此回归模型的R2较高，表明模型拟合度高且可预测效果显著，校正决定系数RAdj2= 0.9757，校正回归系数较大，指代回归方程更优，表示咀嚼度指数约97.57%由独立变量所决定，回归模型预测更为准确且客观。C.V.=2.42%<10%，数据变异系数较低，具备较高可信度与精确度。 模型的因子交互作用方面，一次项B、C影响极显著(P<0.01),A影响显著(P<0.05),二次项A2、B2、C2影响极显著(P<0.01)，交互作用项AB、BC影响极显著(P<0.01)。表明该试验各个影响因素之间交互作用对咀嚼度具有显著差异，并由F值可知对咀嚼度影响的主次顺序为A(复水时间)>C(炒制时间)>B(炒制温度)。

2.3 响应面分析

通过上述回归模型，不难看出两个模型都对交互因素AC不显著，另外两组交互因素复水时间和炒制温度、炒制温度和炒制时间之间具有显著性。复水时间和炒制温度对感官评分的影响见图1，炒制温度和炒制时间对感官评分的影响见图2，复水时间和炒制温度对质构特性咀嚼度的影响见图3，炒制温度和炒制时间对质构特性咀嚼度的影响见图4。

图1 复水时间和炒制温度对综合评分影响的响应面及等高线Fig.1 Response surface diagram and contour plot of effect of rehydration time and frying temperature on comprehensive score

图2 炒制温度和炒制时间对综合评分影响的响应面及等高线Fig.2 Response surface diagram and contour plot of effect of frying temperature and frying time on comprehensive score

图3 复水时间和炒制温度对咀嚼度影响的响应面及等高线Fig.3 Response surface diagram and contour plot of effect of rehydration time and frying temperature on chewiness

图4 炒制温度和炒制时间对咀嚼度影响的响应面及等高线Fig.4 Response surface diagram and contour plot of effect of frying temperature and frying time on chewiness

响应面和等高线图中，等高线图考察两因素之间与因变量作用造成影响的定量变化，等高线图中曲线弯曲程度表示对结果影响程度的大小，越趋近于圆表示交互作用越不显著，越趋近于椭圆表示交互作用越显著[21]。由表6和图1可知，等高线图趋于椭圆，复水时间和炒制温度之间交互作用较为显著，且等高线图由深变浅，变化速率较快，坡度越大表示对试验结果影响越显著。当复水时间不变时，能较为明显地发现感官评分随着炒制温度的提升而呈现增长趋势，从3D立体图可看出，曲面倾斜度较大，意味着复水时间和炒制温度对响应值影响较大，二者交互显著。感官综合评分在适当的复水时间和炒制温度下具有最大值，该最大值出现在复水时间为4～5 h，温度为136～144 ℃时。

由表6和图2可知，等高线图呈椭圆且3D立体图爬坡较陡峭，由等高线可知，在复水时间保持不变时，所对应因素炒制温度和炒制时间的交互作用影响显著，炒制温度和炒制时间在0水平时交互获得最大感官评分。炒制温度恒定时，感官评分随炒制时间的延长先升高后降低，于145 ℃时获得最大感官评分；当炒制温度和炒制时间为定值时，感官评分随复水时间的增加先升高后逐渐降低。此外，响应面图曲线较为弯曲且靠近炒制时间处较为稠密，可知在复水时间保持定值时，炒制时间对感官评分的影响程度高于炒制温度。

由表7和图3可知，当炒制时间一定时，两影响因素间交互作用显著。复水时间和炒制温度在等高线上存在最大值，该最大值在复水时间5.75～6.5 h和炒制温度136.39～142 ℃范围内，复水时间不变时，咀嚼度随着炒制温度升高而逐渐变大，增大到最大值后呈降低趋势，由较为弯曲的响应面图和靠近复水时间侧响应面图更为稠密可知，两相比较，复水时间对咀嚼度的影响高于炒制温度。

由表7和图4可知，等高线图呈曲率较低的椭圆形，当复水时间一定时，炒制温度和炒制时间之间交互作用显著，等高线上出现最值点，最大值范围位于炒制温度140～144 ℃与炒制时间4～4.5 h范围内，咀嚼度大小在炒制温度为定值时随着炒制时间的增加增大到最大值后降低。由响应面靠近炒制时间一侧线更稠密可知，炒制时间对咀嚼度的影响高于炒制温度。

2.4 参数优化验证试验

借助Design-Expert 8.6.0.1软件分析响应面优化结果，得到最佳熏马肉辣椒酱最优工艺组合为复水时间5.31 h、炒制温度138.93 ℃、炒制时间4.18 min，此时得到最大感官评分值81.916分，咀嚼度为281.018 mJ。应用到实际试验中，此工艺应改变为复水时间5.3 h、炒制温度140 ℃、炒制时间4.2 min。在此工艺下准备验证试验，3次工艺条件不变，获得3次试验平均值依次为感官评分80.23分，咀嚼度275.573 mJ。该结果与理论值接近，相对误差分别约为2.1%和1.9%。数据表明此模型拟合较好，同时证明应用模糊数学法结合响应面优化对熏马肉辣椒酱工艺优化合理且科学。

3 结论

本试验通过对熏马肉辣椒酱进行感官评定，采用模糊数学综合评价，在此基础上通过响应面试验进一步确定熏马肉辣椒酱的工艺条件并优化，借助Design-Expert获得工艺最优条件为复水时间5.3 h、炒制温度140 ℃、炒制时间4.2 min，于此工艺下制成的熏马肉辣椒酱复合香味明显，辣味适中，兼具咸香，黏性适中，流动性较好，为新疆方便食品伴侣辣酱加工工艺提供了理论依据。