模糊數(shù)學(xué)綜合評價法優(yōu)化紅棗奶飲料的生產(chǎn)配方

何 欣，俞彭欣，張玲瑜，許 靜，杜玉瓊，李煥榮

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

紅棗（Zizyphus jujube）為鼠李科（Rhamnaceae）棗屬（Zizyphus）植物的果實[1]，是我國特有的滋補果品。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，紅棗含有多種生理活性物質(zhì)，對于增強機體免疫力及抗氧化作用效果顯著[2-3]。近年來，我國棗樹品種越來越多，栽種面積不斷擴大，紅棗的產(chǎn)量大幅度提高。但由于紅棗含有約80%的水分，不易保存、運輸，還處于初級加工階段，沒有形成大規(guī)模批量生產(chǎn)。據(jù)資料統(tǒng)計，每年鮮棗因腐爛的損失率高達(dá)20%～30%[4]。我國大部分紅棗產(chǎn)品以鮮食或者干制為主，現(xiàn)今市場上常見的紅棗加工產(chǎn)品有核桃紅棗飲料[5]、木瓜紅棗飲料[6]、紅棗枸杞復(fù)合飲料[7]等。乳制品的種類豐富，主要產(chǎn)品有液態(tài)奶、酸奶、干酪、奶油、奶粉、煉乳、乳清粉、干酪素和乳糖，其中鈣元素以離子態(tài)存在（乳鈣）適宜人體吸收，是人體最好的鈣源，在人們的膳食中有其他食品無法替代的作用。

目前國內(nèi)外有研究已經(jīng)將羊奶粉配以紅棗[8]、枸杞[9]、核桃[10]等原料進(jìn)行加工，然而，研究將牛奶粉和紅棗粉加以復(fù)配制作飲料，還鮮見報道。在飲料食品的質(zhì)量評價中，感官評價起著主導(dǎo)作用，而理化檢測則處于從屬地位。感官評價由于受主觀因素的影響較大，致使結(jié)果存在一定的局限性，從而影響了準(zhǔn)確客觀地評價食品質(zhì)量。利用模糊數(shù)學(xué)這一工具，可獲得較客觀的檢驗結(jié)果[11-12]。因此，本試驗選擇以紅棗粉和奶粉為主要原料，輔以蔗糖，并對飲料的穩(wěn)定性進(jìn)行探討，通過正交試驗優(yōu)化篩選紅棗奶飲料的配方，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，對紅棗奶飲料的感官品質(zhì)進(jìn)行綜合評判，研制一種組織狀態(tài)良好、風(fēng)味獨特、營養(yǎng)豐富的新型復(fù)合飲料，不僅能豐富紅棗飲料市場，同時可為新疆紅棗業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

哈密大棗：哈密市火箭農(nóng)場；雀巢脫脂牛奶粉、蔗糖：新疆友好超市南昌路店；瓜爾豆膠：滕州市通達(dá)海藻工程技術(shù)有限責(zé)任公司；單硬脂酸甘油酯：佳力士添加劑（海安）有限公司；黃原膠：淄博中軒生化有限公司；所用試劑均為國產(chǎn)分析純或生化試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)篩：浙江上虞市英超儀器有限公司；FW-100萬能粉碎機、GMSX-280高壓滅菌鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；AL204-2C電子天平：梅特勒-托利多公司；TD5A-WS型臺式低速離心機：鄭州南北儀器設(shè)備有限公司；DNP-9022電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海舍巖儀器有限公司；GYB40-10S高壓均質(zhì)機：上海東華高壓均質(zhì)機廠；WZ-108手持折光儀：上海重逢科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紅棗奶飲料的加工工藝流程及操作要點

挑選、清洗：選擇大小均勻的哈密大棗為試驗原材料。剔除有病蟲害、霉?fàn)€和腐敗果，選取成熟度相似的紅棗并用自來水沖洗干凈。

去核、切片：用去核機將紅棗去核后切分為5 mm左右的棗片，備用。

脫水處理：將切好的棗片在55℃條件下熱風(fēng)干燥12 h進(jìn)行脫水預(yù)處理，用多功能粉碎機粉碎。

烘焙、過篩：將粉碎后的紅棗粉平鋪于托盤放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在115℃條件下烘焙30 min后過200目篩網(wǎng)。

調(diào)配：原輔料投入時，均預(yù)先溶解，然后按一定的順序先后均勻加入，復(fù)合穩(wěn)定劑分別在冷水中攪溶。

均質(zhì)、脫氣：在壓力20 MPa、55℃的條件下，均質(zhì)2次，均質(zhì)后在60℃、50 kPa條件下進(jìn)行真空脫氣。

灌裝、封口、殺菌、冷卻、成品：將調(diào)配好的紅棗奶飲料裝入玻璃瓶中，置于沸水中殺菌10 min，冷卻至室溫，密封，即得紅棗奶飲料成品。

1.3.2 穩(wěn)定劑配比優(yōu)化試驗設(shè)計

（1）單因素試驗優(yōu)化穩(wěn)定劑配比試驗

由于紅棗奶沖泡后性質(zhì)不穩(wěn)定，在沖泡過程中容易發(fā)生分層、抱團(tuán)、沉底等現(xiàn)象，所以選用適宜的穩(wěn)定劑對提高紅棗奶飲料的穩(wěn)定性具有十分重要的意義[13]。常用的飲料穩(wěn)定劑有黃原膠、單硬脂酸甘油酯、瓜爾豆膠、魔芋粉等，本試驗分別固定單硬脂酸甘油酯0.05%、瓜爾豆膠0.100%，考察黃原膠添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%）對離心沉淀率的影響；固定黃原膠0.05%、瓜爾豆膠0.10%，考察單硬脂酸甘油酯添加量（0.050%、0.075%、0.100%、0.125%、0.150%、0.175%）對離心沉淀率的影響；固定單硬脂酸甘油酯0.05%、黃原膠0.05%，考察瓜爾豆膠添加量（0.100%、0.125%、0.150%、0.175%、0.200%、0.225%）對離心沉淀率的影響。各單因素試驗中，紅棗粉添加量為6%，奶粉添加量為3%，蔗糖添加量為3%。

（2）穩(wěn)定劑配比優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以離心沉淀率為評價指標(biāo)，設(shè)計黃原膠添加量（A）、單硬脂酸甘油酯添加量（B）、瓜爾豆膠添加量（C）4因素3水平L9（34）正交試驗，因素與水平見表1。

表1 穩(wěn)定劑配比優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for stabilizers proportion optimization

1.3.3 紅棗奶飲料配方優(yōu)化試驗設(shè)計

（1）單因素試驗優(yōu)化紅棗奶飲料配方

固定奶粉3%、蔗糖3%，考察紅棗粉添加量（2%、4%、6%、8%、10%）對感官評價的影響；固定紅棗粉6%、蔗糖3%，考察奶粉添加量（1%、2%、3%、4%、5%）對感官評價的影響；固定紅棗粉為6%、奶粉3%，考察蔗糖添加量（1%、2%、3%、4%、5%）對感官評價的影響。

（2）正交試驗優(yōu)化紅棗奶飲料配方

以感官評價為考察指標(biāo)，設(shè)計紅棗粉添加量（A）、奶粉添加量（B）、蔗糖添加量（C）3因素3水平正交試驗，因素與水平表見表2。

表2 紅棗奶飲料配方優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal tests for formula optimization of jujube milk beverage

1.3.4 離心沉淀率的測定

采用離心沉淀率來衡量體系的穩(wěn)定性，離心沉淀率值越大，表示體系穩(wěn)定性越差[12]。取紅棗奶飲料樣品m1，置于10 mL離心管中，4 000 r/min條件下離心10 min，稱量離心管上清液質(zhì)量m2。每個樣品重復(fù)3次，取平均值。離心沉淀率計算公式[13]如下：

1.3.5 分析檢測

可溶性固形物：采用阿貝折光儀測定[14]；蛋白質(zhì)：按照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》[15]；菌落總數(shù)：按照GB 4798.2—2016《食品微生物學(xué)檢驗菌落總數(shù)測定》[16]；大腸菌群：按照GB 4789.3—2016《食品微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)》[17]；致病菌：按照GB 4789.18—2010《食品中致病菌限量》[18]。

1.3.6 感官評定標(biāo)準(zhǔn)

選擇10名食品專業(yè)的同學(xué)作為評價員，為了確保感官評價的準(zhǔn)確性，要求評價員在評價前1 h內(nèi)不進(jìn)食，1 d內(nèi)避免進(jìn)食強味食品、接觸強味物質(zhì)，以及使用化妝品或用有氣味的洗滌液洗手[19]。在評價時，避免交談。為提高感官評價的可信度，采用3位隨機編碼編號供評價員隨機取樣逐一評價[20]。從紅棗奶飲料的色澤、口感、風(fēng)味、組織狀態(tài)四方面進(jìn)行綜合評價，滿分100分，每種紅棗奶飲料取3個樣品，紅棗奶飲料的感官評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 紅棗奶飲料的感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory evaluation standards of jujube milk beverage

1.3.7 建立模糊數(shù)學(xué)模型和確定權(quán)重

（1）評價對象集Y

研究中需要進(jìn)行感官評價的產(chǎn)品的集合。Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}，Y1～Y9分別代表本研究正交試驗中分別制作的9組紅棗奶飲料，用Yj表示9組紅棗奶飲料的綜合評價，其中j=1，2，3......，9。

（2）評價因素集U

以色澤（U1）、口感（U2）、風(fēng)味（U3）、組織狀態(tài)（U4）4個評價指標(biāo)組成紅棗奶飲料的評價因素集，即因素集U=[U1，U2，U3，U4]。

（3）評語集V

指每個因素的評語集合。即V=[V1，V2，V3，V4]=[優(yōu)，良，中，差]。

（4）評價權(quán)重集A

表4 紅棗奶飲料權(quán)重分布統(tǒng)計Table 4 Distribution of weight distribution of jujube milk beverage

各因素的重要程度，權(quán)重集A的元素綜合為1[21]，A=（a1，a2，a3，a4）=（0.18，0.28，0.35，0.19），其中a1，a2，a3，a4分別表示紅棗奶飲料的色澤、口感、風(fēng)味、組織狀態(tài)這幾個因素的權(quán)重。本試驗采用用戶調(diào)查法[22]和二次對比決定法[23]，隨機找10名不同專業(yè)及不同年齡階段的評價員，記錄評價員對紅棗奶飲料的評定結(jié)果，對參加評價的因素作一對一比較，重要的得1分，次要的得0分，自身比較按1分記。各項指標(biāo)的總得分與總分100分的比重即為權(quán)重[24]，結(jié)果見表4。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每組試驗做3次平行，采用Sigmaplot 19.0作圖，SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定劑配比優(yōu)化單因素試驗

2.1.1 黃原膠添加量對離心沉淀率的影響

圖1 黃原膠添加量對離心沉淀率的影響Fig.1 Effect of xanthan gum addition on centrifugation rate

由圖1可知，隨著黃原膠添加量在0.05%～0.30%范圍內(nèi)的增加，離心沉淀率逐漸減小。當(dāng)黃原膠添加量為0.20%時，離心沉淀率為（3.66%±0.006）%。黃原膠分子在溶液中具有剛性棒狀結(jié)構(gòu)或螺旋狀結(jié)構(gòu)，分子的側(cè)鏈?zhǔn)沽黧w動力學(xué)體積增大，分子的氫鍵締合，使其表現(xiàn)出較高的黏附性，使離心沉淀率降低[25]。當(dāng)黃原膠的添加量繼續(xù)增加，使紅棗奶飲料的黏性也會相應(yīng)增加。因此，選擇0.15%、0.20%、0.25%這3個水平進(jìn)行正交試驗優(yōu)化。

2.1.2 單硬脂酸甘油酯添加量對離心沉淀率的影響

圖2 單硬脂酸甘油酯添加量對離心沉淀率的影響Fig.2 Effect of glycerin monostearate addition on centrifugation rate

由圖2可知，隨著單硬脂酸甘油酯添加量在0.050%～0.175%范圍內(nèi)逐漸增加，紅棗奶飲料離心沉淀率逐漸下降，穩(wěn)定性逐步提高；單硬脂酸甘油酯添加量為0.100%時離心沉淀率下降比較明顯，為（4.09±0.016）%，在單硬脂酸甘油酯添加量為0.125%、0.150%、0.175%時，離心沉淀率分別為（4.03±0.011）%、（3.98±0.008）%、（3.92±0.011）%，結(jié)果表明，離心沉淀率在緩慢下降、黏稠度逐漸上升。因此，選擇0.100%、0.125%、0.150%這3個水平進(jìn)行正交試驗優(yōu)化。

2.1.3 瓜爾豆膠添加量對離心沉淀率的影響

圖3 瓜爾豆膠添加量對離心沉淀率的影響Fig.3 Effect of guar gum addition on centrifugation rate

由圖3可知，瓜爾豆膠可有效提高紅棗奶的穩(wěn)定性，瓜爾豆膠添加量為0.125%時，離心沉淀率下降比較明顯，為（3.49±0.005）%，說明有較好的穩(wěn)定性，瓜爾豆膠添加量繼續(xù)增加離心沉淀率開始緩慢下降，對紅棗奶穩(wěn)定性影響不明顯。因此，選擇0.125%、0.150%、0.175%這3個水平進(jìn)行正交試驗優(yōu)化。

2.2 穩(wěn)定劑配比優(yōu)化正交試驗結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以離心沉淀率為評價指標(biāo)，考察黃原膠添加量（A）、單硬脂酸甘油酯添加量（B）和瓜爾豆膠添加量（C）對離心沉淀率的影響，正交試驗結(jié)果與分析見表5，方差分析見表6。

表5 穩(wěn)定劑配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 5 Results and analysis of orthogonal tests for stabilizers proportion optimization

由表5可知，通過極差分析可知各因素對紅棗奶穩(wěn)定性的影響作用順序為A＞B＞C，即黃原膠＞單硬脂酸甘油酯＞瓜爾豆膠。穩(wěn)定劑最佳配比組合為A3B3C2，即黃原膠添加量0.25%，單硬脂酸甘油酯添加量0.150%，瓜爾豆膠添加量0.150%。在此最佳配比條件下進(jìn)行3次驗證試驗，所得產(chǎn)品懸浮性較好，無分層，無沉淀，口感細(xì)膩，質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性高，離心沉淀率最小，為3.08%。

表6 正交試驗結(jié)果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal test results

由表6可知，黃原膠添加量對紅棗奶飲料離心沉淀率影響顯著（P＜0.05），單硬脂酸甘油酯和瓜爾豆膠對紅棗奶飲料離心沉淀率影響不顯著（P＞0.05）。

2.3 紅棗奶飲料配方優(yōu)化單因素試驗

2.3.1 紅棗粉添加量對感官評價的影響

由圖4可知，紅棗粉添加量為8%時，感官評分最高為（83.6±0.43）分，紅棗奶飲料色澤均勻一致，呈米黃色；口感較好，具有較濃的棗香味和奶香味；隨著紅棗粉添加量的增加，奶香味逐漸變淡，紅棗粉添加量較高時，棗香味過濃，奶香味不明顯，顏色逐漸加深變暗，呈棕黃色，有輕微沉淀現(xiàn)象發(fā)生，紅棗粉添加量較低時，無明顯棗香味，顏色呈乳白色。因此，綜合考慮選取紅棗粉添加量為6%、8%、10%進(jìn)行正交試驗。

圖4 紅棗粉添加量對感官評價的影響Fig.4 Effect of jujube powder addition on sensory evaluation

2.3.2 奶粉添加量對感官評價的影響

圖5 奶粉添加量對感官評價的影響Fig.5 Effect of milk powder addition on sensory evaluation

由圖5可知，奶粉添加量為4%時，感官評分最高為（82.5±0.54）分，紅棗奶飲料口感較好，具有較濃的棗香味和奶香味；色澤均勻一致，呈米黃色；奶粉添加量對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，添加量過少，會導(dǎo)致棗香味過濃，奶香味不足；添加量過多，會掩蓋棗香味，僅有奶香味，呈象牙白色。因此，綜合考慮選取奶粉添加量2%、3%、4%進(jìn)行正交試驗。

2.3.3 蔗糖添加量對感官評價的影響

由圖6可知，蔗糖添加量為3%時，感官評分最高為（81.7±0.55）分，紅棗奶飲料口感最佳，酸甜適中，組織狀態(tài)均勻細(xì)膩，具有較濃的棗香味和奶香味；蔗糖添加量過少，導(dǎo)致甜度不夠，口感較淡；添加量過多，口感過于甜膩，影響口感，不易被消費者接受。因此，綜合考慮，選取蔗糖添加量為2%、3%、4%進(jìn)行正交試驗。

圖6 蔗糖添加量對感官評價的影響Fig.6 Effect of sucrose addition on sensory evaluation

2.4 紅棗奶配方優(yōu)化正交試驗

10名感官評定員對9組樣品按紅棗奶飲料的色澤、口感、風(fēng)味、組織狀態(tài)4個因素逐一評價，對應(yīng)的等級票數(shù)分布情況見表7。

表7 紅棗奶飲料感官評定票數(shù)分布Table 7 Distribution of sensory evaluation votes of jujube milk beverage

由表7可知，10人對9個樣品的評價矩陣Rj如下：Rj由樣品j的色澤、口感、風(fēng)味、組織狀態(tài)在評分等級“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”中的票數(shù)比率組成。

將表6中各樣品的質(zhì)量因素各等級所得票數(shù)折算成贊成的比率，結(jié)合各個樣品所有因素的評價結(jié)果，得到各樣品對各類因素的綜合隸屬度Yj。

依據(jù)模糊變換原理，用矩陣乘法將權(quán)重集合A乘以模糊關(guān)系矩陣Rj，可得到樣品對各類因素的綜合隸屬度Yj。

Y1=（0.08，0.20，0.18，0.54），Y2=（0.16，0.28，0.38，0.18），

Y3=（0.07，0.30，0.44，0.19），Y4=（0.06，0.18，0.38，0.39），

Y5=（0.14，0.46，0.32，0.08），Y6=（0.38，0.42，0.18，0.02），

Y7=（0，0.22，0.47，0.31），Y8=（0.10，0.34，0.40，0.17），

Y9=（0.15，0.41，0.42，0.02）

根據(jù)模糊評定結(jié)果，將各個量分別乘以其對應(yīng)的等級分值（優(yōu)、良、中、差依次賦予分值100分、90分、80分、70分），并進(jìn)行加和，最后可得出每個樣品的最終感官評分，結(jié)果見表8。

表8 紅棗奶飲料配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 8 Results and analysis of orthogonal tests for formula optimization of jujube milk beverage

由表8可知，各因素的影響順序為奶粉添加量＞紅棗粉添加量＞蔗糖添加量。從感官得分結(jié)果看出，試驗2、3、5、6、8、9的得分相對較高，均在80分以上，處于優(yōu)、良等級之間，均可為消費者所接受，試驗6得分最高，為91.53分。綜合考慮，可采用正交表中試驗6中的配方設(shè)計作為產(chǎn)品的生產(chǎn)配方，即紅棗粉添加量8%，奶粉添加量4%，蔗糖添加量2%，產(chǎn)品酸甜可口，感官評分最高，為91.53分。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

按照上述試驗確定的復(fù)合飲料配方制得紅棗奶飲料。其色澤為米黃色，組織狀態(tài)均勻，無沉淀分層現(xiàn)象；口感細(xì)膩、柔和，具有紅棗和牛奶的天然香氣。經(jīng)測定，飲料總固形物含量＞10%，蛋白質(zhì)含量＞1.0 g/100 g。飲料中菌落總數(shù)≤100 CFU/mL，大腸菌群≤10 MPN/100 mL，致病菌未檢出。紅棗奶飲料質(zhì)量指標(biāo)符合相關(guān)國標(biāo)。

3 結(jié)論

本研究采用單因素和正交試驗設(shè)計確定紅棗奶飲料穩(wěn)定劑的最佳配比：黃原膠0.25%，單硬脂酸甘油酯0.15%，瓜爾豆膠0.15%，離心沉淀率最低為3.08%；在此基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評定法考察影響紅棗奶飲料感官品質(zhì)的色澤、風(fēng)味、口感、組織狀態(tài)等確定紅棗奶飲料的最佳配方：紅棗粉添加量8%，奶粉添加量4%，蔗糖添加量2%。在此優(yōu)化配方條件下，感官評分為91.53分；所得紅棗奶飲料產(chǎn)品色澤純正，呈米黃色；口感柔和，酸甜適中；香味濃郁、協(xié)調(diào)；組織狀態(tài)均勻、細(xì)膩，具有濃郁紅棗香和奶香味。