模糊數學感官評價法優化三種干果復合固體飲料的配方

高 濤,陳虹旭,唐華麗

(重慶三峽學院生物與食品工程學院,重慶 404100)

枸杞果實富含蛋白質、氨基酸等營養成分以及活性多糖、生物堿和黃酮類化合物等藥用成分[1]。現代醫學研究表明,枸杞多糖具有調節人體免疫力、降血糖、抗疲勞、抗衰老等作用[2-4]。山楂又名山里紅,果實富含黃酮、多酚和原花青素等150余類物質[5]。現代藥理學研究表明,山楂具有很好的降糖降脂、抗氧化、輔助治療心血管疾病等功能[6-9]。紅棗富含糖類、蛋白質、脂肪、鈣以及各種維生素等營養成分,具有很高的使用價值和保健食療功能[10-11]。

果汁固體飲料是以水果或其汁液、水果粉為主要原料經加工制成的固體飲料。具有體積小、運輸貯存及攜帶方便、營養豐富等優點[12-13]。枸杞、山楂、紅棗營養價值高,保健功效好,是加工天然保健復合飲料的理想原料。以三者為原料制成的復合固體飲料有一定的食用價值,值得推廣。但傳統的食品感官評價由于其方法落后,易受評價人員主觀因素的干預,導致其評價結果誤差較大,不宜對產品進行評價[14-16]。采用模糊數學法對產品的感官評價進行更加細致的處理,讓產品的感官指標數字化,讓感官評價的結構更加科學、可靠[17-18]。但應用此方法的前提是產品的每個感官評價的標準闡述一定要清楚,參與感官評價的人數一定要多,才能讓產品的感官評價結果更加接近真實值。同時在利用主成分分析(PCA)進行模型建立的時候也需要足夠的數據量,這樣才能更加清楚地找出各個指標所處在的關系,以及讓模型更加精準[19]。模糊數學法與感官評價結合,利用模糊數學法讓產品感官中的模糊概念數字化,讓評價結果更加科學合理[20-21]。由于食品品質的影響因素較多,但每個因素的權重未知,通過主成分分析(PCA)技術對各因素進行綜合分析,建立數學模型,得到產品的綜合評價,讓產品的評價結果更加準確[22-25]。

本次實驗采用模糊數學法對產品的感官評價進行更加細致的處理,讓產品的感官指標數字化,讓感官評價的結構更加科學、可靠。同時,對產品的模糊感官評分、可溶性固形物含量、總酸含量、澄清度、溶解時間等指標利用主成分分析(PCA)進行整合并建立綜合評價模型。依據此模型來對產品的質量進行綜合評價并得到最優配方。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

寧夏紅果枸杞、散裝山楂干、新疆紅棗 永輝超市;麥芽糊精、白砂糖、檸檬酸、卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素鈉 食品級,本地食化超市。

FA1004分析天平 上海舜平恒宇科學儀器有限公司;SRH60-70高壓均質機 上海申鹿均質機有限公司;YC-015噴霧干燥機 上海雅程儀器設備有限公司;JYC-21HEC05九陽電磁爐 九陽股份有限公司;DE12F51美的豆漿機 廣東美的生活電器制造有限公司;PAL-1糖度計 日本愛拓公司;SP-756可見光分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 基礎配方 以500 mL飲用水為標準,按其百分比質量稱取枸杞汁40%、紅棗汁20%、山楂汁20%、復合穩定劑0.20%、白砂糖4%、檸檬酸0.02%、麥芽糊精10%。

1.2.2 三種干果復合固體飲料的工藝流程 枸杞、山楂、紅棗→挑選→清洗→漂燙→打漿→粗濾→濃縮→過濾→三種干果混合原汁→混勻→調配→均質→噴霧干燥→成品

1.2.3 操作要點

1.2.3.1 三種干果混合原汁制備 分別選取優質枸杞、山楂、紅棗干果為原料,冷水沖洗,熱水漂燙30 s后量取枸杞干重的6倍水,山楂濕重的15倍水,紅棗干重的6倍水分別進行打漿,4層紗布過濾,再加熱濃縮至可溶性固形物含量達到14%左右時停止,4層紗布過濾后即可分別得到各原汁,按比例稱取枸杞、山楂、紅棗原汁混合,即得三種干果混合原汁。

1.2.3.2 復合穩定劑的制備 等比例稱取卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素鈉并混合均勻作為復合穩定劑。

1.2.3.3 調配 將白砂糖、檸檬酸、麥芽糊精和復合穩定劑溶液先后加入三種干果混合原汁中,攪拌均勻。

1.2.3.4 均質 將料液置于高壓均質機中于25 MPa,70 ℃條件下均質處理15 min[26]。

1.2.3.5 噴霧干燥 根據預實驗確定干燥條件為進風溫度180 ℃,出風溫度90 ℃,進料速度55 mL/min,進行噴霧干燥。

1.2.4 模糊感官評價

1.2.4.1 建立評價因素集合 設產品的評價因素集合為U=(u1,u2,u3,u4),u1,u2,u3,u4分別代表產品的色澤、香味、組織狀態、口感。

1.2.4.2 建立評價評語集合 設產品的評價評語集合為V=(v1,v2,v3,v4)=(90,80,70,60),v1,v2,v3,v4分別代表優、良、中、差四個等級,每個等級分別對應90、80、70、60分。

1.2.4.3 建立評價因素權重集合 權重集合表示各評價因素的重要程度,通過采用強制對比法[27]確定了產品的權重集合W=(w1,w2,w3,w4)=(0.22,0.18,0.29,0.31),即色澤,香味,組織狀態,口感分別占比0.22、0.18、0.29、0.31。

1.2.4.4 建立模糊感官評價矩陣 由10名評價人員按表1標準對產品進行感官評價評價,假設產品得分情況如表2所示。

表1 感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria

表2 產品感官評價得分情況匯總表Table 2 Summary of sensory evaluation scores of products

1.2.4.5 矩陣變換及模糊感官綜合評價 通過將表中數據進行轉化即可得到產品的模糊感官評價得分矩陣R。

令綜合評分集合為Y,依據模糊變換原理:Y=W×R,即矩陣變化如下所示:

Y=W×R=(0.18，0.22，0.29，0.31)

產品的模糊感官評分為綜合評分集合Y與評語集合V的乘積,即模糊感官評分T=Y×V。

1.2.5 單因素實驗 在預實驗基礎上選取枸杞汁添加量、紅棗汁添加量、山楂汁添加量,復合穩定劑添加量進行單因素實驗,分別考察各因素水平對產品感官評分的影響。

1.2.5.1 枸杞汁添加量對產品感官評分的影響 在基礎配方不變的情況下,固定紅棗汁添加量20%,山楂汁添加量20%,復合穩定劑添加量0.20%,考察枸杞汁添加量(24%、32%、40%、48%、56%)對產品模糊感官評分的影響。

1.2.5.2 紅棗汁添加量對產品感官評分的影響 在基礎配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,山楂汁添加量20%,復合穩定劑添加量0.20%,考察紅棗汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)對產品模糊感官評分的影響。

1.2.5.3 山楂汁添加量對產品感官評分的影響 在基礎配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,紅棗汁添加量20%,復合穩定劑添加量0.20%,考察山楂汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)對產品模糊感官評分的影響。

1.2.5.4 復合穩定劑添加量對產品感官評分的影響 在基礎配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,紅棗汁添加量20%,山楂汁添加量20%,考察復合穩定劑添加量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)對產品模糊感官評分的影響。

1.2.6 正交實驗 采用10人小組評分法,以產品的模糊感官評分為指標,通過對產品的單因素實驗結果進行分析,確定了各因素正交實驗水平(表3)。

表3 正交實驗因素水平表Table 3 Factors and levels table of orthogonal experiment

1.2.7 產品質量評價 溶解時間的測定:按照QB/T 3623-1999方法進行測定;可溶性固形物檢測:按照GB/T 12143-2008方法進行測定;總酸含量的測定:按照GB 5009.239-2016方法進行測定;澄清度的測定:以蒸餾水為對照,測定飲料樣液在700 nm處的透光率(%),以此表示飲料的澄清度。

1.3 數據處理

實驗數據采用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0、Design Expert 10和origin 2018進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

單因素實驗結果如圖1A～D所示,圖1A表示枸杞汁添加量對產品模糊感官評分的影響,隨著枸杞汁添加量的增大,產品的模糊感官評分顯現先增大后降低的趨勢,并在枸杞汁添加量為48%時達到最大。在枸杞汁添加量低于48%時,枸杞汁添加量的增加能改善產品的口感和色澤方面。同時,實驗現象表明,隨著枸杞汁添加量的增大,產品中的枸杞絮狀物越來越多,在枸杞汁添加量超過48%時,枸杞絮狀物產生沉淀的現象更為明顯,使得產品的感官評分下降。因此,枸杞汁適宜的添加量為48%。

如圖1B所示,由于濃縮后的紅棗汁清澈透亮,對產品的色澤和組織狀態方面存在積極影響,但高濃度的紅棗汁其甜度較高,過量添加會導致產品的口感出現酸甜失調。因此,產品的感官評分隨著紅棗汁添加量的增大而呈現先增大后降低的趨勢。并在紅棗汁添加量為16%時,產品感官評分達到最大。因此,紅棗汁適宜的添加量為16%。

如圖1C所示,產品的感官評分隨山楂汁添加量的增大呈先增大后降低的趨勢,當山楂汁添加量為16%時,產品的感官評分達到最大。在此實驗中,濃縮后的山楂汁澄清透亮,對產品色澤與組織狀態有積極影響,但濃縮后的山楂汁其酸味顯著增加,過量的添加會導致產品的酸甜失調。在山楂汁添加量低于16%范圍內時,山楂汁添加量對色澤和組織狀態的改善作用大于其對口感的作用,但當添加量超過16%后,其對口感的破壞高于其對色澤與組織狀態的改善作用。即當山楂汁添加量超過16%時,其產品感官評分急劇下降。因此,適宜的山楂汁添加量為16%。

如圖1D所示,產品的感官評分隨著復合穩定劑添加量的增加顯現先增大后降低的趨勢。在復合穩定劑添加量低于0.2%時,隨著復合穩定劑添加量的增加,產品的穩定性越好,枸杞絮狀物不易沉淀,對產品的組織狀態有積極影響。但當復合穩定劑添加量大于0.2%時,會使得物料變得粘稠,從而降低產品在組織狀態上的得分。所以,適宜的復合穩定劑添加量為0.20%。

圖1 單因素實驗結果Fig.1 Results of single factor experiments

2.2 正交試驗結果

由表4可知,極差分析結果RD>RC>RA>RB,表明各因素對三種干果復合固體飲料的模糊感官評價的影響程度為:復合穩定劑添加量>山楂汁添加量>枸杞汁添加量>紅棗汁添加量。與表5方差分析結果一致。原因可能是復合穩定劑添加量對產品的色澤、澄清度以及口感影響都較為劇烈。雖然山楂汁在濃縮過程會引起酸味增重,但山楂汁在色澤與組織狀態方面的影響較弱,而枸杞汁中所存在的絮狀物,其只對產品的組織狀態的影響較大,但組織狀態所占的權重小于口感,所以山楂汁添加量對產品的模糊感官評價的影響大于枸杞汁的添加量。

表4 正交試驗樣品模糊感官評分Table 4 Fuzzy sensory scores oforthogonal experiment samples

表5 模糊感官評分方差分析表Table 5 Cumulative variance contribution rateof fuzzy sensory scores

2.2 PCA分析

通過SPSS 23.0對產品的模糊感官評價、總酸含量、可溶性固形物含量、澄清度、溶解時間五組指標的29組數據(表6)先進行標準化處理,再進行主成分分析。在KMO和Bartleet檢驗中,得到模型的KMO>0.5,以及P<0.05,表明數據適合做因子分析。

表6 產品感官感官指標和理化指標實驗結果Table 6 Experiment results of sensory indexesand physicochemical indexes of products

根據特征值大于1的原理對29組數據進行主成分提取,得到2個主成分,結果見表7。PC1方差貢獻率為62.473%,PC2方差貢獻率28.065%,PC1和PC2的累計方差貢獻率為90.539%,表明所提取的2個主成分可解釋5個指標中的90.539%的變量信息。

表7 累計方差貢獻率Table 7 Cumulative variance contribution rate

以PC1為橫坐標,PC2為縱坐標對主成分因子載荷系數矩陣進行分析作圖得到主成分因子載荷圖(圖2)。由于載荷系數的統計學意義為原始變量與公共因子間的相關系數[28],同時根據相關系數的大小,可對相關程度進行劃分[29]。所以,由圖2可知,澄清度與PC1顯高度正相關(載荷系數>0.85),溶解時間與PC1顯高度負相關(載荷系數<-0.85),總酸含量、可溶性固形物與PC1存在顯著正相關(0. 7<載荷系數<0.85),模糊感官評分與PC1顯正相關(0.5<載荷系數<0.7)。可溶性固形物、總酸含量與PC2顯正相關(0.5<載荷系數<0.7),模糊感官評分與PC2具有顯著負相關(載荷系數<-0.5)。當載荷系數在-0.5～0.5之間時,相關性不強[30]。

圖2 主成分因子載荷圖Fig.2 Principal component factor load diagram

根據因子載荷系數,按式(1)、(2)、(3)、(4)依次計算即可得到產品的PCA綜合得分。

式(1)

F1=0.32X1+0.42X2+0.41X3+0.52X4-0.53X5

式(2)

F2=-0.62X1+0.51X2+0.51X3-0.2X4+0.23X5

式(3)

F3=(62.473% F1+28.065% F2)/90.539%

式(4)

式中:X1表示模糊感官評價的特征向量系數;X2表示總酸含量的特征向量系數;X3表示可溶性固形物含量的特征向量系數;X4表示澄清度的特征向量系數;X5表示溶解時間的特征向量系數;F1表示PC1的得分;F2表示PC2的得分;F表示主成分綜合得分。

2.3 正交實驗樣品PCA綜合得分正交結果分析

由表8可知,極差分析結果RD>RA>RC>RB,結果表明各因素對產品的PCA綜合得分的影響程度為:復合穩定劑添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>紅棗汁添加量。原因在于各指標與PC1和PC2的相關性不同以及PC1和PC2的方差貢獻率不同。所以,可得到產品的最優配方為A2B1C3D2,即枸杞汁添加量48%,紅棗汁添加量14%,山楂汁添加量18%,復合穩定劑添加量0.20%。對正交實驗結果進行方差分析(表9)得到枸杞汁添加量、紅棗汁添加量、復合穩定劑添加量對產品的PCA綜合得分的影響極顯著(P<0.05)。由于產品最優配方不在正交實驗組合中,即進行驗證實驗,得到產品的PCA綜合得分為0.53,表明以A2B1C3D2組合制作三種干果復合固體飲料的品質最好。

表8 PCA正交實驗綜合得分Table 8 Comprehensive score of PCA orthogonal experiment

表9 方差分析表Table 9 Table of variance analysis

3 結論

通過模糊數學法與主成分分析,得到噴霧干燥法制備三種干果固體飲料的各因素的影響程度,以及其最優配方。以PCA綜合得分為依據確定了噴霧干燥法制備三種干果固體飲料的四個實驗因素的影響程度為:D>A>C>B,復合穩定劑添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>紅棗汁添加量。產品最優配方為枸杞汁添加量48%,紅棗汁添加量14%,山楂汁添加量18%,復合穩定劑添加量0.20%。在此條件下得到的產品其色澤為橙黃色,色澤透亮,口感細膩,酸甜適中。組織狀態上澄清,無雜質。具有枸杞,山楂,紅棗的復合香味。