多级模糊数学评判法评价虾壳类调味料

卢文超,白婵,熊光权,周际松,王炬光,邱亮*,廖涛*

(1.武汉工程大学 化学与环境工程学院,武汉 430073;2.湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所,农业农村部农产品冷链物流技术重点实验室,湖北省农产品辐照工程技术研究中心,武汉 430064)

小龙虾因其独特的风味和较高的营养价值而深受中国消费者的喜爱。2020年,我国小龙虾养殖总面积达到2 184.63万亩,养殖总产量达到239.37万吨,位列我国淡水养殖品种第六位[1]。然而目前小龙虾加工产品多以冷冻虾尾为主,精深加工产品不多,加工过程中废弃的虾壳类物质接近四成。这些副产物含有大量的虾青素[2-3]、红色素[4-5]、甲壳素[6]、生物蛋白钙[7-8]等高值化物质,经过酶解的小分子生物活性肽[9]等物质还具有较好的风味和抗氧化功能,因此制备虾壳类调味料已成为优化小龙虾产业链的重要手段。

近几年,国内外专家学者对小龙虾虾味调味料的制备做了相关研究。如王紫微[10]利用超声辅助方法对小龙虾制备风味料进行工艺优化;Kazakova等[11]对虾味调味料的营养风味和药物残留进行了相关分析。本研究用60Co-γ射线辐照改性碱性蛋白酶,酶解小龙虾虾壳粉制备酶解液,以低分子量香气中间体形成程度[12]、类黑精聚合物浓度[13]等指标评价还原糖对美拉德反应产物的影响,以多级模糊数学评判法[14]评价去腥剂和增鲜剂对美拉德反应产物的影响,该研究为多级模糊数学评判法在调味料感官评价中的应用提供了一定的启发。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

闻香纸(160 mm×10 mm×0.6 mm)、D-葡萄糖、D-核糖、D-木糖、D-果糖、牛磺酸、柠檬酸、5′-肌苷酸二钠、5′-鸟苷酸二钠(均为食品级):武汉光丽生物技术有限公司;碱性蛋白酶(生物试剂):上海源叶生物科技有限公司;酵母抽提物(食品级):北京索莱宝科技有限公司。

1.2 主要仪器设备

BSA124S天平(0.1 mg) 德国Sartorius公司;K1100F自动凯氏定氮仪 济南海能仪器股份有限公司;DW-86L959W恒温冰箱 青岛海尔公司;可见分光光度计、微量玻璃比色皿/96孔板、匀浆器、可调式移液器、台式离心机、磁力搅拌器、多种规格的EP管、恒温水浴箱 武汉光丽生物技术有限公司;DF-101T集热式恒温加热磁力搅拌器 河南省予华仪器有限公司;Spark酶标仪 帝肯(上海)贸易有限公司;PHS-25 pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;JH-752紫外分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品预处理

小龙虾购于湖北省武汉市洪山区悦活里超市,单虾体长(5.3±0.6) cm,质量(25.2±5.4) g,人工作业剥得虾壳、虾脚。将剥得的虾壳类物质置于冰水中清洗3遍,烘干后经20 min超微粉碎制成虾壳粉。取虾壳粉1 g,加蒸馏水和0.1 mol/L的HCl调节pH至8.5,蒸馏水和HCl总量为20 mL。然后加入2 kGy辐照后的改性碱性蛋白酶,在恒温水浴锅中酶解3 h,接着对酶100 ℃灭活6 min,在5 000 r/min离心30 min,最后取上清液作为样品。

1.3.2 还原糖实验设计与评价指标

固定美拉德反应条件:pH为11,反应温度为110 ℃,反应时间为100 min。为探究还原糖添加量对美拉德反应产物的影响,以性价比较高的葡萄糖为例,向酶解液中加入不同量(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%)的葡萄糖。为探索还原糖添加种类和比例对美拉德反应产物的影响,固定还原糖总添加量为4%,向酶解液中加入葡萄糖∶木糖为1∶1、葡萄糖∶果糖为1∶1、葡萄糖∶核糖为1∶1以及葡萄糖∶木糖∶核糖为2∶1∶1的还原糖。

因为美拉德反应主要是氨基酸和还原糖反应[15],应侧重香气和色泽的评价,所以用A294 nm、A420 nm和A280 nm评价调味料更为客观,A294 nm代表香味中间体物质,即“低分子量香气中间体形成程度”,吸取1 mL样液稀释50倍测得;A420 nm代表褐变程度,即“类黑精聚合物浓度”,吸取反应终产物1 mL稀释20倍测得;A280 nm代表“肉香味”物质[16],吸取反应终产物1 mL稀释100倍测得。

1.3.3 去腥剂实验设计与评价指标

固定美拉德反应条件,固定葡萄糖添加量2%、木糖添加量1%、核糖添加量1%。为探究去腥剂种类对调味料的影响,向调味料中分别加入牛磺酸1%、柠檬酸1%和酵母提取物1%。为探究牛磺酸和酵母提取物两种去腥剂添加量对调味料的影响,向调味料中分别加入不同添加量的牛磺酸(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)和酵母提取物(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)。

去腥剂实验用多级模糊数学评判法进行感官评判。

1.3.4 增鲜剂实验设计与评价指标

固定美拉德反应条件,固定葡萄糖添加量2%、木糖添加量1%、核糖添加量1%、牛磺酸添加量0.4%。研究表明,当鸟苷酸二钠∶肌苷酸二钠为1∶1时可发挥食品增鲜剂的最大协同作用。因此固定此比例,以总添加量作为增鲜剂实验的因素。为探究增鲜剂添加量对调味料的影响,向调味料中分别加入不同添加量(0.1%、0.2%、0.3%)的增鲜剂。

增鲜剂实验用多级模糊数学评判法进行感官评判。

1.3.5 多级模糊数学评判模型的建立

挑选10 位专家对调味料4个一级指标、8个二级指标进行感官评价,评价专家均为具有正常感官条件,能够进行独立评价且对小龙虾无过敏史的人员。挑选1位记录员对评价结果进行及时、准确记录。其中,评价指标分别为滋味(虾味、甜味、鲜味)、异味(腥味、苦味、硫味)、色度、接受度,感官评价标准表见表1。

表1 感官评价标准

以评价指标得分值与总得分值的比值作为该指标权重系数,一级指标权重评价结果见表2。

表2 一级指标权重评价结果

由表2可知,滋味指标的得分值为370 分,异味指标的得分值为280 分,色度指标的得分值为80 分,接受度指标的得分值为270 分,总分值为1 000 分,由此所建立的一级指标权重系数集合为:

A={0.37,0.28,0.08,0.27}。

二级指标权重评价结果见表3。

表3 二级指标权重评价结果

由表3可知,虾味指标的得分值为550 分,甜味指标的得分值为210 分,鲜味指标的得分值为240 分,总分值为1 000 分,由此所建立的二级滋味指标权重系数集合为:

A1={0.55,0.21,0.24};

腥味指标的得分值为380 分,苦味指标的得分值为390 分,硫味指标的得分值为230 分,总分值为1 000 分,由此所建立的二级异味指标权重系数集合为:

A2={0.38,0.39,0.23};

色度和接受度指标的得分值均为1 000 分,由此所建立的二级色度和接受度指标权重系数集合分别为:

A3={1};

A4={1}。

多级模糊评判响应面法基本原理如下:

首先,将评价指标U划分成若干子集(子集为一级,子集包含的元素为二级),得到新的因素集组合:

Bi=Ai·Ri(i=1,2,3,4);

最后,对一级因素集做综合评价,设其权重为A={a1,a2,…a4},则总评判矩阵为:

因此得到综合评价为B=A·R,按照最大隶属度原则得到相应评分。

1.3.6 调味剂实验设计

设置还原糖(D-葡萄糖、D-核糖、D-木糖、D-果糖)、去腥剂(牛磺酸、柠檬酸、酵母抽提物)和增鲜剂(5′-肌苷酸二钠、5′-鸟苷酸二钠)3类调味剂及其不同添加比例为影响因素,在pH为11、反应温度为110 ℃、反应时间为100 min的条件下进行美拉德反应,以低分子量香气中间体形成程度、类黑精聚合物浓度和肉香味为评价指标。

1.4 数据处理

实验数据的统计与分析采用SPSS 25.0软件和Matlab R2021a软件,绘图处理采用OriginPro 2018软件。

2 结果与分析

2.1 还原糖实验结果

为探究还原糖添加量对美拉德反应产物的影响,以性价比较高的葡萄糖为例,向酶解液中加入不同量(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%)的葡萄糖。因为美拉德反应主要是氨基酸和还原糖反应,侧重香气和色泽的评价,所以用A294 nm、A420 nm和A280 nm评价反应液更客观,结果见图1。

图1 葡萄糖添加量对美拉德反应的影响

由图1可知,葡萄糖添加量在1%～4%范围内,A294 nm、A420 nm和A280 nm值随着葡萄糖添加量的增加而显著增加(P<0.05)。在4%～7%范围内,3个值随着葡萄糖添加量的增加增长速度不明显。说明当葡萄糖添加量超过4%后,低分子量香气中间体形成程度、类黑精聚合物浓度和肉香味增加缓慢。因此,选择还原糖添加量为4%。

为探索还原糖添加种类和比例对美拉德反应产物的影响,固定总还原糖添加量为4%,按葡萄糖∶木糖为1∶1、葡萄糖∶果糖为1∶1、葡萄糖∶核糖为1∶1以及葡萄糖∶木糖∶核糖为2∶1∶1 4种还原糖种类和比例的搭配方式分别加入酶解液,用A294 nm、A420 nm和A280 nm评价反应液,结果见图2。

图2 还原糖添加种类和比例对美拉德反应的影响

由图2可知,葡萄糖∶核糖为1∶1时(即各加2%)A294 nm和A280 nm值最高,说明核糖对提高美拉德反应的低分子量香气和肉香味效果最好;葡萄糖∶木糖为1∶1时A420 nm值最高,说明木糖对提高美拉德反应的类黑精聚合物浓度效果最好。核糖和果糖比葡萄糖反应速度要快[17],核糖更易与氨基酸、肽、蛋白质发生美拉德反应形成风味物质[18],而果糖发生美拉德反应时会有些许异味,口感较平淡[19]。木糖与甘氨酸反应对反应液的色度影响最大,这与董明英[20]在红糖香精的制备与应用中的发现相一致。因为核糖价格较高[21],综合考虑,选择葡萄糖∶木糖∶核糖为2∶1∶1的添加方式,即葡萄糖添加量2%、木糖添加量1%、核糖添加量1%,此时A294 nm=0.503,A420 nm=0.521,A280 nm=0.824。

2.2 去腥剂实验结果

去腥剂种类对调味料的影响结果见表4。

表4 去腥剂种类对调味料的影响

由表4可知,牛磺酸和酵母提取物对虾味的保持较好,其中牛磺酸在调味料增色方面效果最好。柠檬酸对鲜味的破环较大,接受度较低。多级模糊数学关系矩阵如下:

B1-牛=A1·R1-牛;B2-牛=A2·R2-牛;

B3-牛=A3·R3-牛;B4-牛=A4·R4-牛。

B1-柠=A1·R1-柠;B2-柠=A2·R2-柠;

B3-柠=A3·R3-柠;B4-柠=A4·R4-柠。

B1-酵=A1·R1-酵;B2-酵=A2·R2-酵;

B3-酵=A3·R3-酵;B4-酵=A4·R4-酵。

结果显示,1%牛磺酸最高隶属度为0.310 31,隶属评价等级为差;1%柠檬酸最高隶属度为0.467 15,隶属评价等级为很差;1%酵母提取物最高隶属度为0.335 16,隶属评价等级为差;因此选择牛磺酸和酵母提取物做去腥剂的添加量实验。

牛磺酸和酵母提取物添加量对调味料的影响结果见表5。

表5 牛磺酸和酵母提取物添加量对调味料的影响

由表5可知,随着牛磺酸和酵母提取物添加量的减少,在感官上虾味、甜味、鲜味、苦味和硫味总体上变好,但腥味增加,色度偏浅。多级模糊数学关系矩阵如下:

B1-0.2牛=A1·R1-0.2牛;B2-0.2牛=A2·R2-0.2牛;

B3-0.2牛=A3·R3-0.2牛;B4-0.2牛=A4·R4-0.2牛。

依此类推,其他7 种添加方式多级模糊数学结果如下:

结果显示,0.2%牛磺酸最高隶属度为0.328 82,隶属评价等级为良;0.4%牛磺酸最高隶属度为0.316 22,隶属评价等级为良;0.6%牛磺酸最高隶属度为0.321 37,隶属评价等级为差;0.8%牛磺酸最高隶属度为0.263 03,隶属评价等级为差。0.2%酵母提取物最高隶属度为0.343 3,隶属评价等级为差;0.4%酵母提取物最高隶属度为0.352 71,隶属评价等级为中;0.6%酵母提取物最高隶属度为0.319 4,隶属评价等级为差;0.8%酵母提取物最高隶属度为0.387 44,隶属评价等级为差。由此可知,0.2%和0.4%牛磺酸在多级模糊数学评判中等级较好,均为良。其中,0.4%牛磺酸中级及以上隶属度和为0.864 08,良级及以上隶属度和为0.549 53,优级隶属度为0.233 31;0.2%牛磺酸中级及以上隶属度和为0.721 36,良级及以上隶属度和为0.504 27,优级隶属度为0.175 45。表明添加0.4%牛磺酸的调味料比添加0.2%牛磺酸的调味料在各层级上都能满足更多消费者的感官需求,即更具有普适性。因此,最佳去腥剂添加方式为0.4%的牛磺酸。

2.3 增鲜剂实验结果

增鲜剂添加量对调味料的影响结果见表6。

表6 增鲜剂添加量对调味料的影响

由表6可知,增鲜剂对提高调味料滋味(特别是虾味和鲜味)、降低异味、提高接受度有明显作用。其中,添加0.2%增鲜剂的调味料虾味指标结果最好;添加0.3%增鲜剂的调味料鲜味指标结果最好,但对虾味造成了一定程度的损失和掩盖;0.2%和0.3%的增鲜剂都对调味料的异味有很大的改善,但整体接受度上添加0.2%增鲜剂的调味料明显优于其他两个添加量。多级模糊数学结果如下:

结果显示,0.1%、0.2%和0.3%增鲜剂隶属评价等级均为优,最高隶属度分别为0.367 63,0.643 26,0.504 88;添加0.1%和0.2%增鲜剂的调味料评价等级都在中等及以上,添加0.3%增鲜剂的调味料评价等级在中等及以上的隶属度之和超过0.99,说明添加增鲜剂后的调味料整体感官效果良好,其中增鲜剂添加量为0.2%时调味料感官效果最好。因此,最佳增鲜剂添加量为0.2%,即0.1%鸟苷酸二钠和0.1%肌苷酸二钠。

3 结论

以改性碱性蛋白酶和小龙虾虾壳粉为原料制备的酶解液,通过对比还原糖的添加量、种类和比例,得到在加入葡萄糖2%、木糖1%、核糖1%之后进行美拉德反应,A294 nm、A420 nm和A280 nm综合效果最好,此时A294 nm=0.503,A420 nm=0.521,A280 nm=0.824。

通过对比去腥剂的种类和添加量,得到在加入牛磺酸0.2%之后多级模糊数学评判结果最好,此时其中级及以上隶属度和为0.864 08,良级及以上隶属度和为0.549 53,优级隶属度为0.233 31,均优于其他种类和添加量。通过对比增鲜剂的添加量,得到在加入鸟苷酸二钠0.1%、肌苷酸二钠0.1%之后多级模糊数学评判结果最好,此时其隶属评价等级为优,最高隶属度0.643 26,评价等级全部在中等及以上。研究表明多级模糊数学评判法在小龙虾虾壳类调味料感官评判中可以发挥显著作用,使得评价结果更严谨、客观。