基于模糊數學法復合茯磚茶飲料配方優化 及其香氣品質分析

鐘 凱，羅易萍，張天天，陳艷妮，劉碩謙,2，田 娜,2*

1.湖南農業大學 茶學教育部重點實驗室/國家植物功能成分利用工程技術研究中心 湖南 長沙 410128； 2.湖南省植物功能成分利用協同創新中心，湖南 長沙 410128

茶飲料作為茶葉消費的新興渠道，對茶葉原料等級要求不高，具有成本低、口感豐富及綠色健康等特點[22]，但目前市售茶飲料的原料主要以綠茶、紅茶、烏龍茶為主，而以黑茶為原料開發的茶飲料較為少見。黑茶是六大茶類之一，經過鮮葉的殺青、揉捻、渥堆、干燥制成，在長時間的渥堆發酵過程中，微生物參與了茶葉中物質的轉化，具有獨特的品質特征，其中茯磚茶因為進一步的加工陳化過程，產生明顯的“菌花香”香氣和醇厚的口感[1]。研究表明，黑茶中含有豐富的茶多糖，在降血糖、降血脂、抗血凝、預防心血管疾病與糖尿病及抗癌等方面具有顯著性效果[2-5]。龍眼是歷史上推崇的四大名果之一，龍眼中的龍眼多糖具有抗炎、保護腸屏障以及去甲基化等作用[6-7]。靈芝是多孔菌科植物赤芝或紫芝的全株，現代醫學研究表明，靈芝在免疫調節、保肝解毒、抗過敏和降血脂降血糖等方面有一定的作用[8-9]。茯苓為多孔菌科真菌茯苓的干燥菌核，茯苓水提物可以促進睡眠、提高免疫、抗炎抑菌及降血糖等功效[10-11]。利用黑茶中的茯磚茶為主料，配料龍眼、靈芝和茯苓，開發一種復合茯磚茶飲料，保持有濃郁的“菌花香”和醇厚的滋味品質被廣大消費者喜愛。黑茶飲料產品在茶飲料的市場上有很大的發展空間。

模糊數學感官評價相較于傳統的感官審評方法，可以減少評價過程中由于個人原因造成的主觀誤差，得到更加客觀、準確的結果[12]；D-最優混料設計方法通過減少試驗次數以及利用回歸方程分析，比較準確的預測各因素與響應值之間的定量關系，從而獲得最佳的配方或處方工藝，能起到事半功倍的效果[13]，被廣泛應用于食品、化工、冶金等領域[14-16]，如搗打料成分的優化[17]、廢烹飪油的酯交換過程優化[18]、功能飲料配方的優化[19]、方便粥粉配方的優 化[20]及面團配方的優化[21]等。

本試驗將茯磚茶、龍眼干、茯苓和靈芝進行復配，采用模糊數學對茶飲料的色澤、香氣和口感進行感官評價，利用D-最優混料設計方法尋找最優復合茶飲料配方，為開發新型黑茶飲料或其他新型食品提供技術方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茯磚茶1 級和2 級（湖南瀟湘茶葉有限公司提供）；龍眼干、茯苓粉、靈芝粉（湖南中藥材研究所提供）；65 μm PDMS/DVB 萃取頭 （美國Supelco 公司）HH-4 數顯恒溫水浴鍋（金壇市順華儀器有限公司）；101-2AB 型電熱鼓風干燥機（中國天津市泰斯特儀器有限公司）；TP-620A 型電子天平（中國湘儀天平儀器設備有限公司）；標準10 目篩（浙江上虞市金鼎標準篩具廠）； GC/MS-QP2010（日本島津公司）。

1.2 復合茶飲料提取方法

茯苓粉與靈芝粉過10 目篩后，與茯磚茶、龍眼干混合，按1 ∶40 料液比加水100℃提取40 min，在茶葉審評碗中進行感官審評。

1.3 感官模糊綜合評定

1.3.1 因素集、評語集、權重集的確定

本試驗感官評價因素集為色澤U1、香氣U2、口感U3 為評價指標，即U={ U1,U2,U3}。

本試驗選擇茶飲料的評語集為優V1、良V2、中V3、差V4。得到評語集V={V1,V2,V3, V4}，并且將評價等級進行分值量化，即V={10分,8 分,6 分,4 分}。

本試驗采用頻數統計法[23]確定各因素的權重分別為：湯色20%，香氣30%，綜合口感50%，即評價指標模糊權重集 a=(0.20,0.30,0.50)。

表1 復方茶飲料感官評價參照表Table 1 Reference table for sensory evaluation of compound tea beverage

表2 感官評價結果Table 2 Results of sensory evaluation

1.3.2 茶飲料感官指標評價

隨機挑選出 20 名具有《評茶員》資格證書的人員組成感官評定小組，對20 組茶飲料的配方進行感官評定，并將感官評價的結果進行歸一化，即得到模糊矩陣 R。評定標準見表1。

1.3.3 模糊矩陣的確立及配方優選

由20 名評價人員按標準對樣品進行感官評價，得到的票數按表2 方法統計。再將各級的票數除以20 得到模糊矩陣，將設定的權重集與模糊矩陣相乘得到模糊關系評價集Y，并且用 A值作為試驗配方的感官得分值，用Design Expert（V.10.0.4）進行回歸分析并優選出茶飲料的最佳配方。

1.4 最優混料試驗設計

1.4.1 單因素試驗

茯磚茶比例對感官得分的影響：按照復合茶飲料提取方法，感官審評參照表1；固定龍眼干3.8 g、靈芝1.2 g、茯苓0.8 g，分別考察茯磚茶添加占比為22%、32%、42%、52%與62%對復合茶飲料感官得分的影響。

龍眼干比例對感官得分的影響：按照復合茶飲料提取方法，感官審評參照表1；固定茯磚茶4.2 g、靈芝1.2 g、茯苓0.8 g，分別考察龍眼干添加占比為18%、28%、38%、48%與58%對復合茶飲料感官得分的影響。

靈芝比例對感官得分的影響：按照復合茶飲料提取方法，感官審評參照表1；固定茯磚茶4.2 g、龍眼干3.8 g、茯苓0.8 g，分別考察靈芝添加占比為12%、18%、24%、30%與36%對復合茶飲料感官得分的影響。

茯苓比例對感官得分的影響：按照復合茶飲料提取方法，感官審評參照表1；固定茯磚茶4.2 g，龍眼干3.8 g，靈芝1.2 g，分別考察茯苓添加占比為8%，10%，12%，14%，16%復合茶飲料感官得分的影響。

1.4.2 D-最優混料設計優化茶飲料配方

依據單因素實驗的結果，采用軟件Design Expert（V.10.0.4）中的D-最優混料設計試驗，以四種原料的添加量為變量，以茶飲料的感官評分為響應值，建立各因子比例與感官評分之間的回歸方程。

1.5 茶飲料中揮發性成分測定

1.5.1 樣品萃取

固相微萃取頭經240℃老化50 min 后備用。量取茶湯樣品8 mL 放入20 mL 的萃取瓶中，以四氟乙烯密封瓶口，然后將其置于80℃的恒溫水浴鍋內平衡40 min，將老化好的固相微萃取裝置的針頭穿透四氟乙烯插入萃取瓶內茶湯上方，固定好萃取裝置推出萃取的針頭然后開始計時，計時40 min，取出萃取裝置，插入GC/MS 聯用儀的進樣口，在240℃下熱脫附5 min。進行GC/MS 分析。

1.5.2 GC 條件

CD-WAX 彈性石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度為240℃；流速為0.98 mL/min；升溫程序：60℃保持2 min，以4℃/min 升至180℃，保持10 min，以10℃/min 升至220℃，保持5 min；進樣方式：不分流進樣；載氣：He。

1.5.3 MS 條件

EI 源，電子能量70 eV；離子源溫度為200℃，界面溫度為220℃，核質比掃描范圍45 ～ 500 m/z。

1.5.4 定性分析

根據GC/MS 分析得到的揮發性成分的總離子色譜圖，通過化源網序列號搜索，參考標準譜圖，并結合茶葉香氣文獻資料，取相似度80%以上的揮發性成分進行定性分析。

1.6 數據處理

數據采用Microsoft excel 2010 和Design Expert（V.10.0.4）進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

根據前期大量預實驗初試，將茯磚茶、龍眼干、靈芝與茯苓粉的添加范圍縮小至22% ～ 62%、18% ～ 48%、12% ～ 36%、8% ～ 16%，單因素試驗按照此結果進行研究。

2.1.1 茯磚茶添加比例對復合茶飲料感官得分的影響

結果見圖1。當茯磚茶添加量小于42%時，隨著比例的增大，茯磚茶的香氣、口感逐漸優化，達到適中的水平，感官得分隨之增大，而之后隨著茯磚茶比例的增加，茶飲料中的茯磚茶口感掩蓋了其他物質的風味，感官得分下降，因此，本試驗選擇茯磚茶的添加量為32% ～ 52%。

2.1.2 龍眼干添加比例對復合茶飲料感官得分的影響

結果見圖2。當龍眼干比例逐漸增大時，感官得分隨之增大，口感甜度達到適中的程度，而超過48%時，甜度過重，影響整體的口感，感官得分下降，因此，本試驗選擇龍眼干的添加量為28% ～ 48%。

圖1 茯磚茶添加比例對復方茶飲料感官得分的影響Figure 1 Effect of proportion of Fuzhuan brick tea on sensory score of compound tea beverage

圖2 龍眼干添加比例對復方茶飲料感官得分的影響Figure 2 Effect of proportion of longan on sensory score of compound tea beverage

2.1.3 靈芝添加比例對復合茶飲料感官得分的影響

結果見圖3。靈芝呈苦澀味，當添加量在12% ～ 24%時，口感比較適中，無明顯苦澀味，感官得分可以取到最大值，而之后隨著比例的增大，苦澀味明顯，感官得分下降，因此，本試驗選擇靈芝添加量為12% ～ 24%。

圖3 靈芝添加比例對復方茶飲料感官得分的影響Figure 3 Effect of proportion of ganoderma lucidum on sensory score of compound tea beverage

2.1.4 茯苓添加比例對復合茶飲料感官得分的影響

結果見圖4。茯苓的感官呈現不明顯，無明顯香氣和口感，在比例增大后，會導致感官得分下降，因此，茯苓添加量選擇在8% ～ 12%為佳。

圖4 茯苓添加比例對復合茶飲料感官得分的影響Figure 4 Effect of proportion of poria cocos on sensory score of compound tea beverage

根據單因素試驗結果，可以確定四種原料的最優添加范圍分別為：茯磚茶32%≤A ≤52%、龍眼干28%≤B ≤48%、靈芝粉12% ≤C ≤24%、茯苓粉8%≤C ≤12%，并且保證A+B+C+D=1。

2.2 茶飲料感官評價

以軟件給出的第一組配方為例，茯磚茶3.8 g、龍眼干3.4 g、靈芝粉1.8 g、茯苓粉1 g，將評價人員給出的票數進行統計得到表3，將各級票數除以20 可以得到模糊矩陣R1，同理可得其余19 組的模糊矩陣。

表3 感官評價結果Table 3 Results of sensory evaluation

根據公式

歸一化得到Y1={0.454, 0.306, 0.214, 0.026}，同理得到其余19 組的Y 值，Y2={0.200, 0.500, 0.235, 0.065}，Y3={0.140, 0.555, 0.240, 0.065}，Y4={0.485, 0.315, 0.125, 0.075}，Y5={0.205, 0.405, 0.315, 0.075}，Y6={0.180, 0.360, 0.220, 0.240}，Y7={0.250, 0.245, 0.295, 0.210}，Y8={0.205, 0.480, 0.290, 0.025}，Y9={0.215, 0.305, 0.275, 0.205}，Y10={0.205, 0.390, 0.290, 0.115}，Y11={0.215, 0.490, 0.210, 0.085}，Y12={0.170, 0.335, 0.395, 0.100}，Y13={0.155, 0.385, 0.245, 0.215}，Y14={0.185, 0.355, 0.325, 0.135}，Y15={0.380, 0.430, 0.150, 0.040}，Y16={0.215, 0.525, 0.200, 0.060}，Y17={0.480, 0.275, 0.125, 0.120}，Y18={0.215, 0.360, 0.370, 0.055}，Y19={0.235, 0.420, 0.295, 0.050}，Y20={0.335, 0.410, 0.215, 0.040}

于 是A1= ∑4Y1×Vi=0.454×10 ＋0.306×8＋0.214×6 ＋0.026×4=8.38

同理可以得到A2=7.67；A3=7.54；A4=8.42；

A5=7.48；A6=6.96；A7=7.07；A8=7.73；A9=7.06；A10=7.37；A11=7.67；A12=7.15；A13=6.96；A14=7.18；A15=8.30；A16=7.79；A17=8.23；A18=7.47；A19=7.68；A20=8.08。

2.3 D-最優混料設計優化復方茶飲料配方結果

2.3.1 混料試驗設計

以四種原料的添加量為自變量，感官得分為響應值，采用D-最優混料試驗設計優化配方，結果見表4。

利用 Design Expert（V.10.0.4） 軟件，試驗模型采用 Scheffe 不完全三次多項式對感官評分值進行回歸擬合，建立回歸模型：Y=6.925A+7.470B+0.173C+3.492D+3.919AB+13.310AC+8.970 AD+19.317BC+4.294BD+44.135CD+11.676ABC-16.651ABD-43.012ACD-122.929BCD。

對回歸模型進行方差分析見表5。結果表明模型具有顯著差異性（p ＜ 0.01），說明在不同配方的情況下感官評分也存在顯著性差異。決定系數R2 = 0.9901，說明感官評分的變異99%是由于變量（A,B,C,D）引起的，其中AB、AC、BC、CD、ABD、ACD 與BCD 對感官評分影響極顯著（p ＜ 0.01），ABC 對感官評分影響顯著（p ＜ 0.05），校正后的判定系數R2adj= 0.9687 說明模型方程很好的擬合了四個因素與感官評分之間的關系。失擬項為0.2572 不顯著（p ＞ 0.05），該模型擬合程度較好，誤差較小，因此可以用該模型來確定黑茶、龍眼干、靈芝和茯苓與感官評分之間的關系。

表4 最優混料試驗方案與結果Table 4 The experimental scheme and results of Mixture-DOptimal

2.3.2 交互因子的響應面圖

混料設計可以通過各組分的三元等高線圖更直觀地觀察四種原料對感官評分的影響，由于茯苓的添加占比較少，因此固定茯苓的添加量，觀察其他三種原料對符合茶飲料感官評分的影響，如圖5 所示。響應圖為曲面，說明隨著三種原料的增加感官評分隨之升高，當增加到一定比例時，感官評分達到最大，而當添加量超過一定比例時，感官評分反而降低，可能是因為比例不協調，導致其中的風味口感不佳，評分下降；觀察等高線圖呈橢圓形，可以判定三種原料對感官評分具有顯著性影響。

2.4 復方茶飲料的配方優化

利用軟件的最優化功能對復方茶飲料配方進行尋優，給出的5 組配方和預測值，按照本文中的模糊數學感官評定打分并且進行驗證實驗，得到的實際值見表6 所示。結果表明，由軟件給出的最佳復方茶飲料配方即感官評分可以達到9.21，與軟件預測值9.36 接近。

2.5 茶飲料揮發性成分

利用GC-MS 分析固相微萃取法檢測茶飲料中的揮發性成分，通過化源網序列號搜索，參考標準譜圖，并結合茶葉香氣文獻資料，取相似度80%以上的揮發性成分進行定性分析，結果見表7。

表5 方差分析與顯著性檢測Table 5 Analysis of variance and significance test

表7 說明，自制茶飲料中的主要揮發性成分一共檢測出47 種成分，其中主要香氣成分有正己醛（2.17%）、羅勒烯（1.11%）、正辛醛（1.4%）、甲基庚烯酮（1.22%）、壬醛（5.62%）、芳樟醇及其氧化物（4.02%）、反-2-辛烯醛（1.41%）、葵醛（2.44%）、3- 壬烯-2- 酮（1.61%）、α-松油醇（1.18%）、6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮（1.02%）、水楊酸甲酯（1.72%）、香葉基丙酮（3.46%）、反,反-2,4-癸二烯醛（1.92%）、α-紫羅蘭酮（2.26%）、β-紫羅蘭酮（3.16%）、鄰苯二甲酸二異丁酯（2.33%）等。烷烴類化合物有10 種、烯烴類化合物有2 種、醛類化合物有11 種、酯類化合物有8 種、酮類化合物有8 種、醇類化合物有6 種及酚類化合物有2 種，以花香果香等愉悅香氣為主的香氣成分相對含量達43.41%

圖5 茯磚茶(A)、龍眼干(B)、靈芝粉(C) 與感官評分的三維曲面（左）和等高線（右）圖Figure 5 Three dimensional surface(left) and contour diagram(right) of Fuzhuan brick tea (A), longan (B), ganoderma lucidum powder (C) on sensory score

表6 回歸模型優化的組合Table 6 Optimium groups of compound from regression equation

3 結論與討論

隨著經濟社會的發展與物質生活水平的提高，使得人們對飲品的需求發生了深刻的變化，由單純的解渴型轉變為營養功能保健型，并且趨向于無糖、低鈉、無咖啡因、無化學添加劑、無合成色素的天然型飲料，尤其是與藥食同源型植物復配的功能型茶飲料深受消費者們的青睞[24-25]。目前對黑茶飲料的研究主要在果茶飲料的開發和純茶飲料的開發，李搖搖等人以青磚茶、新鮮蘋果汁、西瓜汁和菠蘿汁研究的黑茶飲料色澤清透，且香氣較佳[26]；甄潤英等人研究的黑茶飲料配方為80 mL/100 mL 黑茶汁、8 g/100 mL 白砂糖與0.07 g/100 mL 蜂蜜，此條件下的黑茶飲料口感細膩柔和，清爽順滑，香氣濃郁，色澤清亮[27]；康樂寧在茯磚茶中添加0.03%檸檬酸、0.04%脫苦甜菊糖與0.03%VC，調配后的飲料保持了茯茶特有的菌香和獨特風味[28]。本文通過模糊數學感官審評結合D-最優混料設計方法優化后的配方：茯磚茶40.2%、龍眼干36.2%、靈芝粉15.6%、茯苓粉8%，茶飲料色澤紅濃明亮，不僅有茯磚茶獨特的“菌花香”，還帶有花果香和龍眼的甜香，香氣濃郁

持久，滋味醇厚，甜度適當，無苦澀味，口感豐富。

表7 茶飲料中的揮發性香氣成分Table 7 Volatile aroma components in tea beverage

利用固相微萃取法GC-MS 分析得到茶飲料中的揮發性成分有47 種，主要由烯烴類、烷烴類、酚類、醛類、酯類、酮類與醇類化合物組成，其中醛類為主要的呈香化合物，含量較高的呈香物質有正己醛、壬醛、芳樟醇、葵醛、3-壬烯-2-酮、水楊酸甲酯、香葉基丙酮、反,反-2,4-癸二烯醛、α-紫羅蘭酮、β-紫羅蘭酮等，這些化合物大都帶有較濃的花果香。與沈程文等研究黑茶“菌花香”的主要物質是水楊酸甲酯、己醛、芳樟醇及其氧化物、棕櫚酸乙酯、反,反-2,4-癸二烯醛、紫羅酮、香葉基丙酮等物質可能在形成茯磚茶品質特征起主要作用[29]的研究結果一致；而其他含量較高的呈香物質如羅勒烯、辛醛、庚醛等物質可能是呈龍眼香氣的主要化合物，與胡文舜等人在龍眼果實種檢測到的香氣成分基本一致[30]。此外，呈香物質如藏紅花醛、反-2-辛烯醛、3-壬烯-2-酮、松油醇、金合歡醇、亞油酸乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯等存在，使得自制茶飲料中具有獨特的花果香和甜香。

綜上說明通過模糊數學結合D-最優混料設計方法優化的復合茶飲料配方穩定可行，可為其他茶飲料或食品的配方優化或開發提供技術支撐。