模糊數學綜合評判優化甘蔗龍眼火龍果獼猴桃復合發酵飲品配方

陳 永,呂 峰2,*,蘇秀芳,杜麗娟

(1.廣西民族師范學院生物與食品工程學院,廣西崇左 532200;2.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002)

廣西崇左市屬亞熱帶季風氣候區,水果資源豐富,尤以甘蔗、龍眼、火龍果、獼猴桃等產量居多。甘蔗產業是崇左市的傳統產業、優勢產業和特色產業,作為全國“高產、高糖”甘蔗優勢生產區域,崇左“甜蜜的事業”蓬勃發展,目前已成為全國最大的原料蔗加工和蔗糖生產基地[1-2];崇左的龍眼種植歷史悠久,素有“中國龍眼之鄉”的美稱,所產龍眼品質上乘,風味濃郁,肉脆核小、果肉白色、晶瑩剔透、清甜可口,深受消費者喜愛[3-5];火龍果和獼猴桃也是崇左種植面積較大的兩種水果,是當地農戶經濟增收的重要來源。目前崇左的果品產業仍以鮮果銷售為主,但隨著近幾年生產規模的顯著增加,產量大幅提升,銷售價格有明顯走低的趨勢,且因果品的深加工業較為單薄,已出現結構性過剩和滯銷,因此開展崇左本地主要果品的精深加工研究,提高其科技含量和經濟附加值,對于當地果品產業的發展具有重要的現實意義。

近年來,國內飲品市場蓬勃發展,其中兼具營養、功能、風味的復合發酵飲品因天然、健康的理念而受到消費者的認同與青睞。復合發酵飲品主要包括復合發酵果蔬汁飲品、復合發酵含乳飲品、復合發酵植物蛋白飲品、復合發酵谷物飲品等,隨著市場份額的不斷擴大,復合發酵飲品也呈現多元化發展,新品層出不窮的活躍態勢[6-8]。范俊華等[9]通過復配柚子汁、梨汁和蘋果汁,結合正交試驗和感官評價,優化復合飲料的工藝參數,試驗結果表明在植物乳桿菌添加量3%,發酵溫度30 ℃,時間40 h的工藝條件下,最佳調配組合為柚子汁20%、梨汁15%、蘋果汁10%、白砂糖9%,制得的產品酸甜適中、果味濃郁;巫永華等[10]以蘋果汁、蘆薈汁和乳液為主要原料,通過調配、發酵、添加穩定劑、均質、脫氣、灌裝、殺菌等工序,制得蘋果蘆薈乳復合發酵飲料,結果表明,最佳復配組合為蘋果汁20 mL、蘆薈汁15 mL、乳液10 mL,制得的復合發酵乳飲料酸甜可口,兼具果香味與發酵風味;羅映英等[11]選取大米、玉米、小米、燕麥、綠豆、黃豆為原料,乳酸菌發酵液、干酵母為發酵劑,采用正交試驗,綜合感官評判,研制出營養豐富、風味良好的復合發酵谷物飲品。

模糊數學綜合評判是以模糊集理論為基礎,將評價因素的差異在中間過渡中的不分明性數值化,從而把定性評價轉化為定量評價的一種方法[12-14]。目前甘蔗汁相關產品的開發與應用研究尚鮮見報道,本試驗運用模糊數學綜合評判,以甘蔗原汁替代傳統蔗糖,可為復合發酵工藝提供所需的碳源和氮源,并使產品保留了甘蔗中豐富的營養、功能成分和純正的甘蔗清香,同時產品中添加的植物乳桿菌、乳酸鏈球菌協同發酵,解決了單一菌種產酸有限,風味不佳的問題。

本文通過正交試驗設計和模糊數學綜合評判優化篩選甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁、獼猴桃清汁復合發酵飲品的最佳配方,研發集風味、口感、功能于一體,具有地域特色的亞熱帶水果復合發酵飲品,旨在為利用甘蔗中的天然糖分為主要碳源的亞熱帶水果復合發酵工藝提供參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗、龍眼、火龍果、獼猴桃 均由廣西香果人家食品股份有限公司提供;乳酸鏈球菌、植物乳桿菌由廣西民族師范學院微生物實驗室提供;果膠酶(1×106U/g) 海藻酸鈉、黃原膠、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na) 均購自浙江一諾生物科技有限公司。

LZ-0.5螺旋榨汁機 靖江市舜天工業設備制造有限公司;SDJ-2 果蔬打漿分離機 廣州旭眾食品機械有限公司;QH-1J水果去核機 新沂市精工機械設備廠;HH.S21-6-S恒溫水浴鍋 上海躍進醫療器械有限公司;Scientz-150高壓均質機 寧波新芝生物科技有限公司;LRHS-250-ll恒溫恒濕培養箱 上海躍進醫療器械有限公司;超高溫瞬時滅菌機 江陰港利特機械制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 清汁制備 基于前期探索性試驗,設計甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁和獼猴桃清汁的制備方法,以期獲得甘蔗、龍眼、火龍果、獼猴桃復合發酵工藝所需的原料清汁。

甘蔗清汁制備:挑選皮澤光亮,蔗莖節少,勻稱成熟,無病蟲害、無褐變發紅的甘蔗,切去甘蔗兩端,清洗蔗莖,削除蔗皮,并將去皮后的蔗莖,砍斷去節,切成約4 cm×4 cm×6 cm小塊,送入螺旋榨汁機壓榨,取得甘蔗原汁;經100目曲篩過濾,濾去甘蔗原汁中的蔗渣、蔗屑及其他夾雜物,往濾汁中添加0.1%絮凝劑海藻酸鈉,以便除去蔗汁中懸浮物和膠體物質,室溫下5000 r/min離心10 min,三層紗布過濾,取得甘蔗清汁。

龍眼清汁制備:挑選形體完整,新鮮飽滿,無蟲害、無霉爛的成熟龍眼鮮果,將龍眼清洗之后剝殼、去核、蒸汽熱燙2 min,冷卻至室溫,打漿榨汁,并添加0.02%的果膠酶45 ℃水浴4 h,室溫下5000 r/min離心10 min,三層紗布過濾,取得龍眼清汁。

火龍果清汁制備:揀選8～9分熟、無霉爛變質、無病蟲害的新鮮火龍果,洗凈,去外皮,取得果肉,將切分成薄片的果肉放入螺旋榨汁機中,破碎處理,三層紗布過濾,濾去果籽和粗纖維,取得火龍果原汁,添加果膠酶水浴酶解,酶解溫度45 ℃,酶解時間3 h,酶使用量1.0×106U/kg火龍果原汁,室溫下5000 r/min離心10 min,三層紗布過濾,即得火龍果清汁。

獼猴桃清汁制備:挑選新鮮、無腐爛、無機械損傷、成熟度適中的獼猴桃,清洗干凈,剝除外皮,果肉切片、破碎榨汁,三層紗布過濾,即得獼猴桃清汁。

1.2.2 甘蔗、龍眼、火龍果、獼猴桃復合發酵工藝 將制備的甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁、獼猴桃清汁按一定體積復配,添加0.06%黃原膠,0.08% CMC-Na[7],將復配后的果汁預熱至60～70 ℃,25 MPa高壓均質2次,并于0.05 MPa真空脫氣10 min,脫氣后以135 ℃超高溫瞬時滅菌4 s,然后冷卻至38 ℃左右,再各接種1%活化后的乳酸鏈球菌和植物乳桿菌,于(27±1) ℃發酵7 d,最后采用無菌灌裝并封蓋,產品于4 ℃冷藏6 h,使其口感更加柔順,再組織綜合評判小組進行模糊數學綜合評判。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 甘蔗清汁添加量對感官品質的影響 控制發酵溫度27 ℃,發酵時間7 d,選擇龍眼清汁添加量40 mL,火龍果清汁添加量30 mL、獼猴桃清汁添加量15 mL,設定甘蔗清汁添加量10、20、30、40和50 mL,以感官評價為指標,考察甘蔗清汁添加量對復合發酵飲品感官品質的影響。

1.2.3.2 龍眼清汁添加量對感官品質的影響 控制發酵溫度27 ℃,發酵時間7 d,選擇甘蔗清汁添加量20 mL,火龍果清汁添加量30 mL、獼猴桃清汁添加量15 mL,設定龍眼清汁添加量分別為10、20、30、40和50 mL,以感官評價為指標,探討龍眼清汁添加量對復合發酵飲品感官品質的影響。

1.2.3.3 火龍果清汁添加量對感官品質的影響 控制發酵溫度27 ℃,發酵時間7 d,選擇甘蔗清汁添加量20 mL,龍眼清汁添加量30 mL,獼猴桃清汁添加量15 mL,設定火龍果清汁添加量分別為10、20、30、40和50 mL,進行復合發酵工藝試驗,以感官評價為指標,考察火龍果清汁添加量對復合發酵飲品感官品質的影響。

1.2.3.4 獼猴桃清汁添加量對感官評價的影響 控制發酵溫度27 ℃,發酵時間7 d,選擇甘蔗清汁添加量20 mL,龍眼清汁添加量30 mL,火龍果清汁添加量20 mL,設定獼猴桃清汁添加量分別為5、10、15、20 和25 mL,進行發酵試驗,以感官評價為指標,探討獼猴桃清汁添加量對復合發酵飲品感官品質的影響。

1.2.4 復合發酵飲品的感官評價 感官評價易受主觀因素、生理狀態、年齡性別等因素的影響,試驗從廣西民族師范學院16級食品科學與工程、生物科學專業,經過感官培訓的學生中總共優選10人,其中男性和女性各5人,組成綜合評判小組。參考文獻中復合發酵飲品的評價標準[15-17],并作出適當的修改,感官評價標準如表1所示。

表1 復合發酵飲品感官評價標準Table 1 Sensory evaluarion criteriafor compound fermented beverage

1.3 模糊數學綜合評判模型的構建

1.3.1 正交試驗優化配方 基于單因素試驗結果,設計L16(45)正交試驗方案,定量復配甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁和獼猴桃清汁,優選最佳復合果汁發酵配方。試驗因素與水平見表2。

表2 L16(45)因素與水平設計Table 2 Factors and levels design of L16(45)

采用L16(45)正交試驗方案,得復合發酵飲品1～16號,設計方案見表3。

表3 復合發酵飲品正交試驗方案Table 3 Projects and results of orthogonal experimentof compound fermented beverage

1.3.2 建立評價因素集 因素是產品的各種屬性或性能,也稱質量指標,它們能綜合的反映出產品的質量,因而可由不同的因素來評價產品。建立評價因素集U={口感u1,色澤u2,香氣u3,形態u4}。

1.3.3 建立評價權重集 權重反應了評價因素集U中食品感官質量因素構成的重要程度。采用強制決定法確定各質量因素的權重,評價因素的權重分配如表4所示,并建立評價權重集X={0.50,0.20,0.15,0.15}。

表4 評價因素及權重Table 4 Evaluation factors and weight

1.3.4 建立評價等級集 評價結果優劣順序依次為優、良、中、下,評價等級集是評語的集合,即評價等級集V={優,良,中,下}。

1.4 數據處理

采用DPS v7.05軟件進行正交試驗設計、試驗數據的統計分析,通過模糊數學綜合評判模型的構建與解析,獲得最佳調配工藝配方組合。

2 結果與分析

2.1 復配工藝的確定

2.1.1 甘蔗清汁添加量對感官品質的影響 甘蔗清汁添加量是影響發酵工藝和感官品質的重要因素。甘蔗汁不但可為微生物發酵提供所需的碳源和氮源,并可使產品保留甘蔗豐富的營養、功能成分和純正的甘蔗清香[18]。從圖1可以看出,隨著甘蔗清汁添加量增加,感官評價分值先呈現上升的趨勢而后下降明顯,添加量在20 mL以內時,感官評價分值隨著添加量的增加上升明顯,并于添加量20 mL時達到峰值90分,而當甘蔗清汁添加量高于30 mL后,其感官評價分值下降趨勢加快,原因在于甘蔗糖分高,發酵后體系中的含糖量仍比較大,使得飲品稠度較高,流動性較差,且口感過于甘甜、厚重,因此確定甘蔗清汁添加量20 mL。

圖1 甘蔗清汁添加量對感官品質的影響Fig.1 Effects of sugarcane juice addition on sensory quality

2.1.2 龍眼清汁添加量對感官品質的影響 龍眼汁液豐富且糖分較高,適合微生物發酵,通過微生物代謝,不僅可以提高飲品的營養性、功能性,還能賦予飲品新奇口味和嗜好性[19-20]。從圖2可以看出,在整個添加量范圍內,隨著龍眼清汁添加量的增加,感官評價分值呈現先上升后緩慢下降的趨勢。在10～30 mL的濃度范圍內,感官評價分值由85分升高并達到峰值93分,而后有所下降,但幅度和趨勢較為緩慢,因此從感官評價和經濟性的角度考慮,確定龍眼清汁添加量30 mL。

圖2 龍眼清汁添加量對感官品質的影響Fig.2 Effects of longan juice addition on sensory quality

2.1.3 火龍果清汁添加量對感官品質的影響 從圖3可以看出,火龍果清汁添加量在20 mL范圍內時,感官評價分值上升趨勢明顯,而隨著添加量繼續加大,感官評價分值顯著下降,原因在于火龍果風味較強,其清汁添加量若過多,在協同發酵的過程中則易使得最終產品風味不協調,因此確定火龍果清汁添加量20 mL。

圖3 火龍果清汁添加量對感官品質的影響Fig.3 Effects of dragon juice addition on sensory quality

圖4 獼猴桃清汁添加量對感官品質的影響Fig.4 Effects of kiwi fruit juice addition on sensory quality

2.1.4 獼猴桃清汁添加量對感官品質的影響 從圖4可以看出,隨著獼猴桃清汁添加量的增加,感官分值先是逐漸上升,在其添加量為15 mL達到最大值,此時發酵飲品綜合感官評價達到峰值,飲品色澤均勻一致,香味濃郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味帶有余香。而隨著獼猴桃清汁添加量的繼續加大,感官分值呈現緩慢下降的趨勢,其原因是不完全成熟的獼猴桃呈酸味,略帶澀味,而隨著獼猴桃清汁添加量的增加,體系中的糖酸比下降,發酵后酸味過濃則會影響最終的感官評價,因此獼猴桃添加量控制在15 mL。

2.1.5 模糊數學綜合評判確定最佳復配組合 由10人組成的綜合評判小組,以復合果汁發酵飲品的口感、色澤、香氣、形態為評價因素按照優、良、中、下的評價等級在食品感官評定實驗室逐一對16組試樣進行感官評定。感官評價結果匯總見表5。

將表5正交試驗所得16組試樣各評價等級所得票數折合成贊成比率,綜合各樣品評價因素的結果,得模糊矩陣Rj[21]。

式中：j=1,2,3……16為樣品編號;ri1,ri2,ri3…ri16分別表示第i個試樣評價因素各評價等級所得贊成票數的占比。

以1#復合發酵飲品試樣進行舉例計算:

依據模糊矩陣變換原理計算綜合隸屬度Yj=X·Rj,可知1#復合發酵飲品的綜合評判結果為:

表5 復合發酵飲品評價要素統計結果Table 5 Statistical table of evaluations of compound fermented beverage

Y1=X·R1=(0.50,0.20,0.15,0.15)

=(0.30,0.30,0.30,0.10)

因此,通過模糊數學一級綜合評判模型Yj=X·Rj,并進行歸一化處理,可得模糊變換結果,即試驗組各評價因素下的四個評價等級所占的票數占比[22-23],如表6所示。

表7 模糊綜合評判排序結果Table 7 Results of comprehensive sequencing with normalization

表6 模糊變換結果Table 6 Results of fuzzy transform

根據隸屬函數理論和最大隸屬度原則對綜合評判結果進行排序,結果見表7。

模糊數學綜合評判排序結果表明:編號Y8(A2B4C3D2)評價等級中,優良等級占比分別為0.625和0.250,且評價等級為下的占比為0,根據最大隸屬度原則,其綜合評判結果為“優”,且較其余試驗組更好,表明綜合評判小組的絕大多數評審員認同編號Y8(A2B4C3D2)的試樣配方是最佳的,即:甘蔗清汁25 mL、龍眼清汁50 mL、火龍果清汁20 mL、獼猴桃清汁12 mL,在此組合下定量復配發酵得到的飲品綜合感官最為理想,飲品色澤均勻一致,香味濃郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味帶有余香。

2.2 驗證性試驗

為確定綜合評判結果的科學性、有效性,以優選組合Y8(A2B4C3D2)定量復配發酵,進行重復性驗證試驗,建立評價因素集U={口感u1,色澤u2,香氣u3,形態u4},評價權重集X={0.50,0.20,0.15,0.15},評判等級集V={優,良,中,下}。評分統計結果見表8。

表8 要素評價統計表Table 8 Statistical table of the elements ofquality on the shark residual meat

對表8的數據進行模糊綜合評判,得到模糊關系矩陣R如下:

Y=X·R=(0.50,0.20,0.15,0.15)

=(0.50,0.20,0.10,0.00)

對Y進行歸一化處理得(0.625,0.250,0.125,0.000),模糊數學綜合評判峰值為0.625,與之對應的指標等級為“優”。由此證明,在優選組合下定量復配發酵得到的飲品綜合感官質量得到了普遍認同。

3 結論

在食品感官質量分析領域,模糊數學綜合評判法基于評價因素的多元性及權重差異,運用模糊推理,將定性與定量相結合、精確與非精確相統一,使得模糊信息數值化從而進行綜合評判,具有科學性和有效性[24-26]。本試驗以口感、色澤、香氣、形態為評價因素,結合L16(45)正交試驗方案,以模糊數學綜合評判優化甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁、獼猴桃清汁復配工藝參數。結果表明,復配發酵優選組合為A2B4C3D2,即:甘蔗清汁25 mL、龍眼清汁50 mL、火龍果清汁20 mL、獼猴桃清汁12 mL,在此組合下,定量復配發酵得到的飲品綜合感官品質最為理想,飲品色澤均勻一致,香味濃郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味帶有余香。

目前關于采用甘蔗為特色原料的飲品研究鮮有報道,有的也只是作為原料之一的簡單調配,更多的是釀制果酒,本研究篩選甘蔗清汁、龍眼清汁、火龍果清汁、獼猴桃清汁進行發酵,通過微生物代謝,不僅可以提高復合發酵飲品的營養價值和保健功能,還能賦予產品新奇口味和嗜好性。對于豐富崇左特色水果的精深加工,促進當地甘蔗產業和果品產業的經濟效益和社會效益具有重要的意義,同時也為利用甘蔗中的天然糖分為主要碳源的亞熱帶水果復合發酵工藝提供參考和理論依據。目前,市場上以甘蔗為特色原料的產品種類還比較少,且加工技術科技含量不高,經濟附加值不高。本文對于飲品發酵過程中不同階段微生物的生理指標和菌群變化以及香氣成分變化還有待進一步的研究探討。