模糊数学评价过热蒸汽牛肉干工艺研究

刘斌雄，苏煌杰，谢昭鹏，张帆，陈锦权，方婷

（福建农林大学食品科学学院，福建福州350002）

牛肉是我国仅次于猪肉的第二大肉类食品[1]。牛肉干因富含蛋白质、营养丰富、风味独特，深受广大消费者的青睐[2-3]。然而传统牛肉干通过烘焙或者风干，干燥效率较低，非酶褐变严重，口感坚硬，色泽灰暗，出品率低等问题，不适合消费者需求[4-5]，需添加天然着色剂及嫩化处理，改善牛肉干品质[6-7]。

过热蒸汽干燥技术（superheated steam drying，SSD）是一种利用过热蒸汽直接与物料接触去除水分的新型节能干燥技术[8]。既能进行食物烹饪，又可实现干制，且干燥过程无氧气参与，传热传质快，物料受热均匀，抑制油脂氧化、快速杀菌及产品组织状态良好等优点[9-12]。过热蒸汽技术处理后，微生物大量减少，食品安全性提高[13]，在食品加工领域具有广阔的前景。食品加工中，感官评价是重要指标，而在实际中，感官质量评价受到主观因素的影响[14]，存在模糊性、不确定性[15]。通过模糊数学把感官评价的主观模糊事件，利用数学方法，分析归纳得到模糊事件共性规律[16]，将感官评价的模糊性转变成可定量描述的评价模型[17]。

本文利用自制的常压过热蒸汽设备，利用过热蒸汽干燥技术，改变传统牛肉干制作的工艺步骤，省去预煮、复煮环节。采用响应面法结合模糊数学综合评价法，研究过热蒸汽牛肉干的最佳干燥工艺，为生产牛肉干提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

澳洲牛霖：湿基含水率（75±2）%，按GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》的方法。将原料肉中的结缔组织和脂肪剔除后切分，快速冷冻使牛肉片表面硬化成型，按规格（长50 mm×宽30 mm）切成不同厚度的牛肉片，切片后放置4 ℃冷藏室备用。

料酒：老恒和酿造有限公司；白糖：广州华糖食品有限公司；食盐：福盐集团；醋、生抽：广东美味鲜调味品有限公司；花椒、八角、辣椒粉：河北昊德盟农副产品有限公司（分装）。

1.2 主要仪器设备

JJ3000 电子天平：常熟市双杰测试仪器厂；PFTN-LUGB-2401 涡街流量计：河南普菲特仪器仪表有限公司；DHG-9123A 干燥箱：上海精宏室验设备有限公司；MNT-150T 游标卡尺：德国美耐特公司；过热蒸汽干燥设备：福建农林大学自制（示意图如图1所示）。

图1 常压过热蒸汽干燥设备Fig.1 Atmospheric superheated steam drying equipment

1.3 试验方法

1.3.1 试验流程

过热蒸汽干燥：开启蒸汽发生器，加热干燥室，往干燥室通入蒸汽，待干燥室温度到达试验预定值，将已处理好的物料放入干燥室内进行干燥，同时开启尾汽阀⑨排出尾汽。

1.3.2 响应面中心组合试验

将预处理后的牛肉称取（300±1）g，按适当比例添加调味品以及香辛料进行腌制，放在0 ℃～4 ℃静腌2 h；腌制后进行过热蒸汽干燥。通过选取过热蒸汽干燥温度（X1）、牛肉切片厚度（X2）、干燥时间（X3）3 个因素，各取3 个水平，以模糊评价感官综合值为指标，采用中心组合试验设计做进一步分析，试验因素水平如表1所示。

表1 响应面因素水平表Table 1 Factors and levels for response surface analysis

1.3.3 感官评定

挑选10 名在食品感官评价上有相关经验的专业人员，进行感官评定，标准见表2。

表2 感官评定表Table 2 Standards of sensory evaluation

1.4 模糊数学法模型的建立

以色泽、口感、组织状态和风味为因素集，以优、良、一般、差为评语集，根据感官评定结果，建立4 个单因素评价矩阵，用模糊数学模型评判分析。

1.4.1 牛肉干的因素集、评语集

本试验的4 个因素为牛肉干的色泽（U1）、组织状态（U2）、风味（U3）、口感（U4），组成因素集U={U1，U2，U3，U4}。评价等级为好（V1）、良（V2）、一般（V3）、差（V4）。组成评语集V={V1，V2，V3，V4}；其中得分，大于8 分为优，6 分～8 分为良，3 分～5 分为一般，小于3 分为差。分别取评分值域的平均值，即9、7、4、1；构成评价等级集W={W1，W2，W3，W4}={9，7，4，1}。

1.4.2 权重的确定

权重用X表示，权重集X={0.2，0.2，0.3，0.3}，即色泽的权重为0.2，组织形态的权重为0.2，风味的权重为0.3，口感的权重0.3，总分1。

1.4.3 模糊矩阵

从U到V的模糊映射R，将牛肉干的评价结果进行处理，对结果进行映射，分别将等级的结果除以10，得到模糊关系矩阵R，设X为U的加权，则得到评价集T=X*R，那么第i个处理的评价结果为Ti=X*Ri，对T 进行处理，设定综合评价矩阵Y=T*W。

1.5 数据分析

采用Excel 2016 及Design Expert 8.06 进行感官数据及响应面试验设计分析。

2 结果分析

2.1 感官评定结果

感官评价结果，如表3所示。

表3 感官评价统计结果Table 3 Statistical results of sensory evaluation

结果表明，各试验组的牛肉干的组织状态无不平整形态，色泽基本处于良好等级。

2.2 模糊数学综合评定集

根据感官评价结果，通过映射，得到单因素模糊矩阵。如表3所示，试验1 号色泽的评定结果，仅1 人评9 分～10 分，5 人评6 分～8 分，3 人评3 分～5 分，1 人评0 分～2 分，将相应人数除以10 之后，则得到U1={0.1，0.5，0.3，0.1}，同样其他因素U2={0.6，0.4，0，0}，U3={0.7，0.2，0.1，0}，U4={0.4，0.2，0.4，0}。将单因素模糊矩阵写成一个矩阵，即：

同理，将其他试验组感官评定数据进行整理，得到模糊矩阵，结果如下。

牛肉评价指标的权重X={0.2，0.2，0.3，0.3}，将所得模糊矩阵R与权重向量X相乘，计算每组牛肉干对各类的隶属度，得到样品评价结果。如试验号1 评价结果为：

计算得T1={0.47，0.3，0.21，0.02}，同理可得：

则模糊评价综合值即Y=T×W，如试验1 号综合结果Y1=T1×W，即

同理可得，Y2=6.83，Y3=Y7=Y9=Y11=Y12=8.32，Y4=7.70，Y5=8.18，Y6=7.36，Y8=7.58，Y10=7.31，Y13=7.52，Y14=7.44，Y15=7.99，Y16=7.31，Y17=7.07。

2.3 响应面结果分析

响应面试验结果如表4所示。

表4 响应面试验设计及结果Table 4 Response surface design and response values

经多元回归拟合分析，得到感官评价综合值（Y）对干燥温度（X1）、切片厚度（X2）、干燥时间（X3）的三元二次回归方程：

通过对回归方程中一次项偏回归系数绝对值的比较可知，影响因素由强到弱依次为温度、干燥时间、切片厚度。方差分析见表5。

表5 回归方程方差分析Table 5 Variance analysis of the regression equation

续表5 回归方程方差分析Continue table 5 Variance analysis of the regression equation

从表5可知，模型效果极显著，模型的R2为0.995 1，校正R2为0.988 7，说明该模型能解释99.51%的响应值变化。回归方程中的一项式X1，X2，交互项X1X2，X2X3以及二项式X12，X22，X32对模糊评价综合值影响极显著，X3影响显著，而交互项X1X3影响不显著。表明试验因素对模糊评价综合值不是简单的线性关系。

2.3.1 响应面交互作用分析

响应面优化模型各因素（过热蒸汽温度、切片厚度、干燥时间）交互作用对牛肉干综合评价值的影响，如图2所示。

图2 各因素间交互作用的响应面曲线及等高线Fig.2 Response surface curve and contour of interaction between various factors

从图2可知，在试验范围内，在切片厚度和干燥时间保持不变的条件下，随着干燥温度的升高，牛肉干综合评价值不断上升然后降低，因为随着温度升高，牛肉干风味不断增强，且赋予良好的色泽，随后温度过高容易造成牛肉干表面产生结壳现象，影响总体评价值。在温度和时间不变的条件下，随着片厚度的变化，综合评价值呈现先上升后下降趋势，切片厚度较薄，容易造成牛肉干硬度变大，影响口感，而切片厚度较厚，造成生片，牛肉干内外色泽不均匀，影响感官值。

2.3.2 牛肉干最佳制作工艺的确定及验证试验

通过响应面拟合分析可知，过热蒸汽干制牛肉的最佳条件为干燥温度132.86 ℃，切片厚度5.0 mm，干燥时间34.51 min，牛肉感官评价综合值的最佳预测值为8.411 7。考虑实际操作调整后，选取干燥温度132.8 ℃、干燥时长34.5 min、切片厚度5.0 mm 进行平行试验，结果分别为8.38、8.42、8.44，均值为8.41，与预测值之间的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）值为0.2%（＜5%），属于可控范围。说明此模型优化的工艺参数适用于过热蒸汽牛肉干加工。

3 结论

利用过热蒸汽干燥技术制作牛肉干，研究不同干燥温度，干燥时间，以及牛肉片厚度等因素对牛肉过热蒸汽干燥品质影响，通过中心组合试验设计，并结合模糊数学法，以感官评价综合值为指标，对过热蒸汽牛肉干加工工艺进行优化。

不同因素对感官综合评价值的影响大小：温度＞时间＞厚度。最优工艺为：干燥温度132.8 ℃，切片厚度5 mm，干燥时间为34.5 min。在此工艺下，牛肉干评价值最高为8.41。经试验验证，预测值与实际值接近。因此，该回归模型能够为过热蒸汽牛肉干制作提供理论依据。通过过热蒸汽干燥技术，改变以往牛肉干的加工方式，提高了牛肉干的制作效率。