模糊邏輯模型優(yōu)化濃縮辣椒醬配方

薛偉,康雨薇

(1.南京航空航天大學(xué),南京 211106;2.江蘇旅游職業(yè)學(xué)院 烹飪科技學(xué)院,江蘇 揚州 225127)

辣椒醬是一種在烹飪中常用的調(diào)味品[1],以辣椒為原料加工而成。辣椒的收獲有季節(jié)性且新鮮辣椒不易保存,而辣椒醬能夠長時間保存[2-3]。目前,全國辣椒醬企業(yè)多達(dá)2 000家,市場上辣椒醬產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,開發(fā)新型綠色辣椒醬是必然趨勢。

日常生活中,人們評價某種食品的好壞主要是通過其感官性質(zhì)和理化指標(biāo)來進(jìn)行判斷,但是客觀和主觀因素的影響容易導(dǎo)致用語言或數(shù)字表示的結(jié)果穩(wěn)定性差,不具有統(tǒng)計學(xué)意義[4-6]。因此,學(xué)者們研究出了基于模糊邏輯模型來對食品質(zhì)量屬性進(jìn)行控制的方法,目前已被廣泛應(yīng)用于食品品評方面,基于此種方法能夠有效解決在食品中由存在的主,客觀因素所產(chǎn)生的影響[6]。近年來,隨著人民生活水平的日益提升,人們對于食品安全這一問題也越來越注重,不僅講究吃得好,而且要“吃得精”[7]。

目前市場上大多數(shù)辣椒醬都含有添加劑,產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,缺乏特色,而且亞硝酸鹽含量偏高,很難達(dá)到消費者的期望[8-10]。因此,本文以干辣椒為主要原材料,加入其他輔料進(jìn)行調(diào)制制作濃縮辣椒醬,通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗進(jìn)行工藝優(yōu)化,然后選擇模糊邏輯模型的試驗方法對感官特性進(jìn)行驗證篩選,從而得到辣椒醬的最佳配方。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

選取新疆烏魯木齊特級干辣椒;番茄、食鹽、白砂糖、香辛料:市售。

1.1.2 儀器

DS-1組織搗碎機 青島圣吉儀器系統(tǒng)有限公司;pH計、分析天平 浙江奧豪斯儀器有限公司;水浴鍋 浙江生物儀器有限公司;蒸汽滅菌鍋 蘇州阿爾法醫(yī)療器械有限公司。

1.2 試驗方法

以辣椒醬的總酸含量為參照指標(biāo),對影響辣椒醬的不同因素進(jìn)行研究,其具體方法如下[11]。

1.2.1 工藝流程

蒜、姜→去皮→粉碎→輔料1;

番茄→去皮→榨汁→輔料2;

干辣椒→粉碎成渣→蒸煮→冷卻→加入輔料1和輔料2→接菌→發(fā)酵6 d→熬制、調(diào)味→殺菌→裝瓶。

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料預(yù)處理

選擇外觀無損壞的新疆干辣椒,粉碎成渣。選用完整、無霉變、外觀較好的姜、蒜,去皮。

1.2.2.2 粉碎

將清洗去蒂的生姜、大蒜分別放入粉碎機中進(jìn)行粉碎處理,打好的材料放入干凈的容器中備用。

1.2.2.3 發(fā)酵

按比例加入純凈水,煮沸,加入干辣椒渣并不斷攪拌。然后加入適量的原輔料,再次攪拌均勻,冷卻至室溫后加入酵母菌,放入發(fā)酵箱中進(jìn)行發(fā)酵。

1.2.2.4 調(diào)味

將發(fā)酵好的辣椒醬再次加入純凈水煮沸,然后按比例稱量好果葡糖漿、食鹽、蒜粉、乙基麥芽酚等輔料。待熬煮至辣椒醬呈少許黏稠狀態(tài)且顏色略顯暗紅色時為最佳狀態(tài),即可盛出晾涼[12-13]。

1.2.2.5 殺菌

包裝好的辣椒醬需要進(jìn)行殺菌處理,以便于長期保存,殺菌條件為80 ℃水浴殺菌20 min。

1.2.2.6 冷卻貯存

將滅菌后的辣椒醬在常溫下冷卻至室溫后,常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 單因素試驗

在干辣椒與水的添加比為1∶3的情況下,蒜與姜按辣椒粉量的5%添加,確定以下各單因素水平[14-16]。

1.2.3.1 白砂糖添加量

每100 g原料中分別加入 6,8,10,12,14 g的白砂糖進(jìn)行梯度試驗。

1.2.3.2 菌種添加量

每100 g原料中分別加入 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%的酵母菌進(jìn)行梯度試驗。

1.2.3.3 食鹽添加量

每100 g原料中分別加入 3,4,5,6,7 g的食鹽進(jìn)行梯度試驗。

1.2.3.4 番茄添加量

每100 g原料中分別加入10,20,30,40,50 g的番茄鮮榨汁進(jìn)行梯度試驗。

不同條件添加輔料后分別發(fā)酵6 d進(jìn)行測定,得出較優(yōu)試驗組。

1.2.4 響應(yīng)面試驗

在以上單因素試驗的基礎(chǔ)上選取最優(yōu)組合進(jìn)行響應(yīng)面試驗,優(yōu)化配方,因素水平表見表1。

表1 辣椒醬響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of resonse surface test for chili sauce

1.2.5 感官品評

感官品評由10名食品高級品評師完成(5名男性和5名女性)。測評員在試驗前均接受過專業(yè)訓(xùn)練,對于品評不同類型的食品類樣品均有著豐富的經(jīng)驗,評價標(biāo)準(zhǔn)見表2[17]。

表2 感官品評標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria

1.2.6 模糊邏輯模型[18-19]

1.2.6.1 樣品的三角模糊數(shù)

感官評分可以用三角模糊數(shù)來表示,簡稱三元組。圖1分別表示“差”、“中等”、“好”和“優(yōu)秀”4種語言變量。

圖1 語言變量的隸屬函數(shù)圖Fig.1 Membership function diagram of language variables

測評員對辣椒醬的質(zhì)量屬性進(jìn)行評價,得到的三元組函數(shù)為:

三角模糊數(shù)(a b c)和(d e f)的特殊運算法則為(a b c)⊙(d e f)=(a b a e+d b a f+d c),計算樣品的總體感官分?jǐn)?shù)SOi:

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

式中:SiC、SiF、SiT、SiA對應(yīng)色澤、氣味、滋味和回味三元組,QCrel、QFrel、QTrel、QArel對應(yīng)各質(zhì)量屬性的模糊相對權(quán)重。

1.2.6.2 感官評分的總體隸屬函數(shù)

由4種感官評價指標(biāo)得出Bx(模糊數(shù)隸屬函數(shù)):

1.2.6.3 樣本的相似值

由上述公式計算可得出樣本的相似值Sn:

式中:F表示感官評分矩陣;F′表示F的倒置矩陣;Bx′表示Bx的倒置矩陣。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果采用Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 白砂糖添加量對辣椒醬總酸含量的影響

由圖2可知,白砂糖添加量對辣椒醬中總酸含量的影響明顯。發(fā)酵時間相同時,隨著白砂糖添加量的增加,總酸含量開始穩(wěn)步上升,當(dāng)白砂糖添加量大于12 g時,總酸含量開始降低。由此說明當(dāng)添加量為6～10 g時,辣椒醬中的微生物能夠正常生長;當(dāng)白砂米糖添加量大于10 g時,微生物生長受到抑制,辣椒醬中的總酸含量不再增加。所以,白砂糖添加量為10 g、發(fā)酵6 d時,辣椒醬中的總酸含量最高[20-22]。

圖2 白砂糖添加量對辣椒醬總酸含量的影響Fig.2 Effect of white granulated sugar addition amount on total acid content of chili sauce

2.1.2 菌種添加量對辣椒醬總酸含量的影響

由圖3可知,不同菌種添加量對辣椒醬總酸含量的影響明顯。在發(fā)酵時間相同的條件下,隨著菌種添加量的增加,辣椒醬中的總酸含量開始持續(xù)上升,當(dāng)菌種添加量大于0.2%時,總酸含量開始降低。所以,菌種添加量為0.15%、發(fā)酵6 d時,辣椒醬中的總酸含量最高。

2.1.3 食鹽添加量對辣椒醬總酸含量的影響

由圖4可知,食鹽添加量對辣椒醬總酸含量的影響明顯。在發(fā)酵時間相同時,隨著食鹽添加量的增加,辣椒醬中的總酸含量開始呈現(xiàn)上升趨勢,食鹽添加量為6 g時,總酸含量開始持續(xù)降低[6]。所以,食鹽添加量為5 g、發(fā)酵6 d時,辣椒醬中的總酸含量最高。

圖4 食鹽添加量對辣椒醬總酸含量的影響Fig.4 Effect of salt addition amount on total acid content of chili sauce

2.1.4 番茄添加量對辣椒醬總酸含量的影響

由圖5可知,番茄添加量對辣椒醬總酸含量有明顯影響。在發(fā)酵時間相同的情況下,隨著番茄添加量的增加,總酸含量剛開始呈現(xiàn)持續(xù)上升的狀態(tài),當(dāng)辣椒醬添加量大于40 g時,總酸含量開始降低。當(dāng)番茄添加量為10～30 g時,辣椒醬中的微生物能夠正常生長發(fā)育;當(dāng)番茄添加量大于30 g時,辣椒醬中的微生物生長發(fā)育已經(jīng)受到了抑制[6],辣椒醬中的總酸含量不再增加。所以,番茄添加量為30 g、發(fā)酵6 d時,辣椒醬中的總酸含量最高。

圖5 番茄添加量對辣椒醬總酸含量的影響Fig.5 Effect of tomato addition amount on total acid content of chili sauce

2.2 響應(yīng)面試驗分析

基于單因素試驗進(jìn)行響應(yīng)面試驗測定辣椒醬總酸含量,使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,菌種添加量、食鹽添加量和番茄添加量對辣椒醬總酸含量的影響結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化辣椒醬配方響應(yīng)面設(shè)計Table 3 Response surface design for the formula optimization of chili sauce

對響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析,得出發(fā)酵辣椒醬總酸含量(Y)與菌種添加量(A)、食鹽添加量(B)、番茄添加量(C)之間的二次回歸方程:Y=+0.41+6.250E-003A-8.750E-004B+0.026C-0.022AB-2.250E-003AC-0.015BC-0.035A2-0.055B2-0.042C2。

由表4可知,試驗?zāi)Ｐ椭惺M項的P=0.059 6>0.05,差異結(jié)果顯示為不顯著;F=5.9,模型顯著。由此表明試驗結(jié)果準(zhǔn)確,模型建立成功,所得出的二次回歸模型是合適的,同時模型具有較高的擬合性,可變異的因素對試驗結(jié)果有較小的影響。

表4 響應(yīng)面試驗結(jié)果顯著性分析Table 4 Significance analysis of response surface test results

菌種添加量(A)、食鹽添加量(B)和番茄添加量(C)兩兩之間的等高線和響應(yīng)面三維圖形見圖6。

圖6 三因素兩兩相互作用影響結(jié)果Fig.6 Effect results of interaction of three factors in pairs

由圖6可知,三因素之間交互作用明顯,證明響應(yīng)面模型建立成功。

經(jīng)過響應(yīng)面試驗對辣椒醬的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,得出結(jié)果僅有一種優(yōu)化方案,經(jīng)驗證試驗得出的模型擬合合理,結(jié)果得到的自變量最優(yōu)真實值為菌種添加量0.15%、食鹽添加量5 g,番茄添加量30 g時,其預(yù)測的總酸含量最高可達(dá)到0.445 g/mL。

2.3 模糊邏輯模型感官驗證

為了驗證上述試驗結(jié)果的可靠性,選取最優(yōu)組合樣品中評分排名前四的3組樣品進(jìn)行記憶模糊邏輯模型的驗證性試驗。將3組樣品分別記作S1(A2B1C1),S2(A2B2C3),S3(A2B3C2)。樣品整體感官評分(a、b、c、d分別表示4種不同等級差、中等、好、優(yōu)秀)見表5。

表5 樣品整體感官評分Table 5 Overall sensory score of samples

由表5可知,根據(jù)感官屬性標(biāo)準(zhǔn)對3組不同的試驗樣品進(jìn)行評分,得出結(jié)果:S2的評分結(jié)果高于其他兩組樣品。

利用上文公式進(jìn)行計算,得出最優(yōu)樣品的三角模糊數(shù),色澤、氣味、滋味、回味分別為S1C=(35.66,21.34,22.23),S2C=(43.56,28.59,29.86),S3C=(35.66,21.34,22.23),S1F=(37.15,21.23,19.38),S2F=(42.15,25.64,20.38),S3F=(36.15,22.64,18.64),S1T=(32.33,25.61,21.49),S2T=(39.87,21.61,20.49),S3T=(34.62,21.22,18.99),S1A=(32.14,18.95,24.61),S2A=(36.58,22.99,27.65),S3A=(33.12,20.35,22.61)。

由表6可知,沒有質(zhì)量檢測員認(rèn)為某一種質(zhì)量屬性是完全對辣椒醬品質(zhì)無影響的。

表6 質(zhì)量屬性感官得分表Table 6 Quality attribute sensory score table

根據(jù)三角模糊數(shù)的運算法則,得到模糊相對權(quán)重,分別為QCrel=(0.154,0.062,0.051),QFrel=(0.205,0.057,0.039),QTrel=(0.279,0.061,0.033),QArel=(0.185,0.060,0.043)。

計算選取最優(yōu)樣品的總體感官分?jǐn)?shù),得到:SO1=(35.57,22.89,22.18),SO2=(40.54,24.71,24.61),SO3=(34.88,21.39,20.62)。

將0～100平均分為10個區(qū)間,Bx取每個區(qū)間隸屬度的最大值。經(jīng)公式計算得出感官分?jǐn)?shù)總體隸屬函數(shù)值,見表7。

表7 樣品的總體隸屬函數(shù)值Table 7 Overall membership function values of samples

樣品的感官相似值體現(xiàn)出品評者對該樣品的接受程度。由表8可知S2的最大相似值出現(xiàn)在“優(yōu)秀”等級中,因此可以判定S2是風(fēng)味最佳的濃縮辣椒醬樣品,由此可推斷出模糊邏輯模型的驗證分析與響應(yīng)面結(jié)果相吻合。經(jīng)過驗證試驗得到的辣椒醬最佳工藝配方為菌種添加量0.15%、食鹽添加量5 g,番茄添加量30 g,且發(fā)酵時間為6 d。

表8 樣品相似值及排序Table 8 Similarity values and ranking of samples

3 總結(jié)

本研究主要通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗對辣椒醬的配方工藝進(jìn)行優(yōu)化,然后選取最優(yōu)組合,利用模糊邏輯模型進(jìn)行驗證,測定此條件下辣椒醬的感官特性,通過對辣椒醬的總酸分布規(guī)律進(jìn)行預(yù)測分析,結(jié)合感官評分標(biāo)準(zhǔn),得到最佳工藝配方。通過采集不同發(fā)酵辣椒醬的樣品,基于響應(yīng)面回歸擬合模型和模糊邏輯模型,分析發(fā)酵過程中總酸百分含量和感官評分的變化情況;結(jié)合選取的最優(yōu)組合的指標(biāo)信息,建立效果最佳的預(yù)測模型。通過對模糊邏輯模型測定結(jié)果的不同組合進(jìn)行選取,得到菌種添加量0.15%、食鹽添加量5 g、番茄添加量30 g時,其總酸含量最高,可達(dá)到0.445 g/mL。結(jié)合模糊邏輯模型研究濃縮辣椒醬的風(fēng)味質(zhì)量屬性,結(jié)果表明利用模糊邏輯模型方法來優(yōu)化辣椒醬工藝具有可行性,模糊邏輯模型方法對于改進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)工藝具有科學(xué)價值,能夠為食品科學(xué)的發(fā)展提供一定的理論研究基礎(chǔ),同時也為食品檢測技術(shù)的提升奠定了實質(zhì)性基礎(chǔ)。