模糊數學綜合評價法結合響應面法優化紅葡萄酒風味發酵乳工藝

尹麗萍，張劍林，殷 娜，黎進雪，王妍凌，達菊慶，李 寧，武 運

（新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

隨著人們生活水平逐漸提高，人們對于健康更加關注，特別是對于乳品的營養及口感需求與日俱增[1-4]。發酵乳為乳和乳制品在特征菌的作用下發酵而成的酸性凝乳狀制品[5]，具有改善乳糖不耐受的優勢，同時具備抗有害微生物、抗胃腸感染、抗癌和降低血清膽固醇等功能[6-8]。益生菌在發酵乳發酵過程中發揮著重要的作用，賦予發酵乳獨特風味[9-11]。由于發酵乳風味獨特、質感細膩，受到更多消費者的青睞[12-14]。發酵乳衍生產品的感官品質及營養價值是廣大消費者選擇、購買和食用考慮的首要因素。因此，豐富發酵乳產品種類，提高其口感及食用價值是發酵乳的研究方向[15-16]。周潔等[17-18]研制了生姜紅糖發酵乳與凝固型芝士風味發酵乳，徐華益[19]將白首烏添加到發酵乳制品，研制出既具有白首烏功能特性又具備發酵乳風味的白首烏發酵乳。

紅葡萄酒粉主要由利用紅葡萄酒（紅酒）原汁及濃縮汁經噴霧干燥制備而成，粉末細致，顏色鮮艷、口味均勻、復水性好以及性狀穩定。紅酒風味乳制品是基于純牛乳資源而開發的一種新型風味乳制品，阮雁春等[20]以紅酒和全脂牛乳為主要原料制備了具有紅酒和牛乳營養及風味的紅酒酸奶產品，而紅酒風味發酵乳的研究未見報道。紅酒風味發酵乳制品的開發對于乳資源的擴展利用具有很大的現實意義，符合風味發酵乳產品多元化的趨勢。紅酒風味發酵乳既可以豐富發酵乳制品的種類，又可以發揮紅酒粉與發酵乳的營養價值，改善人體腸道菌生活環境，容易人體消化吸收[21-23]，響應“健康、安全、綠色”的號召[24]。

本研究以牛奶與紅酒粉為主要原料制備紅酒風味發酵乳，以其酸度和感官評分為評價指標，在單因素試驗基礎上，采用模糊數學綜合評價法結合響應面法對紅酒風味發酵乳發酵工藝條件進行優化。以期為紅酒風味發酵乳的制作提供理論及實踐依據，為風味發酵乳的研發及工業化生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料與菌株

生鮮牛乳：新疆烏魯木齊；紅酒粉：上海德樂飲品有限公司；植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）YL15：新疆農業大學食品科學與藥學學院食品生物發酵與質量安全研究室保藏。

1.1.2 試劑

蔗糖、NaOH、七水硫酸鈷（均為分析純）：天津致遠化學試劑有限公司；酚酞（分析純）：天津永晟精細化工有限公司；MRS肉湯培養基：青島高科技工業園海博生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

HR40-A2生物安全柜：青島海爾特種電器有限公司；PTX-FA210電子天平：福州華志科學儀器有限公司；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋：光明醫療（北京）儀器廠；LDZX-50KBS高壓滅菌鍋：上海申安醫療器械廠；JM-L型膠體磨：諾尼輕工機械（上海）有限公司；DHG-9140A電熱鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；H2500R臺式高速離心機：湘儀儀器（長沙）有限公司；MJX-100B-Z生化培養箱：上海博迅實業有限公司醫療設備廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅酒風味發酵乳的加工工藝流程及操作要點

操作要點：

原料的調配：向生鮮牛乳中添加3%的紅酒粉、6%的蔗糖進行調配。

均質：溫度60～75 ℃，均質壓力18～20 MPa下均質300 s。

殺菌：于恒溫水浴鍋中85 ℃加熱20 min進行巴氏殺菌，冷卻至室溫。

菌種的活化：將單菌落挑至10 mL MRS肉湯培養基中37 ℃靜置培養24 h。

接種：將活化好的植物乳桿菌YL15菌液以4℃、5000r/min離心15 min，取其沉淀用已滅菌蒸餾水進行洗滌后再次離心，重復2次后，加入已滅菌的蒸餾水制成菌懸液，以2%的接種量接種至冷卻后混合原料中。

發酵、灌裝：于42 ℃發酵5 h，凝固后進行灌裝，即得紅酒風味發酵乳成品。

1.3.2 紅酒風味發酵乳發酵條件優化單因素試驗

固定發酵基礎條件為：接種量3%、發酵溫度42 ℃、發酵時間5 h、蔗糖添加量6%、紅酒粉添加量3%。以酸度及感官評分為評價指標，分別考察發酵時間（4 h、5 h、6 h、7 h、8 h）、發酵溫度（33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃、45 ℃）、接種量（1%、2%、3%、4%、5%）、蔗糖添加量（2%、4%、6%、8%、10%）、紅酒粉添加量（1%、3%、5%、7%、9%）對紅酒風味發酵乳發酵效果的影響。

1.3.3 紅酒風味發酵乳發酵條件優化響應面試驗

根據單因素試驗結果，固定接種量為2%，蔗糖添加量為6%，分別以酸度（Y1）、感官評分（Y2）為響應值，以紅酒粉添加量（A）、發酵溫度（B）、發酵時間（C）為自變量，通過Box-Behnken原理進行3因素3水平的響應面試驗設計。Box-Behnken試驗設計因素和水平見表1。

表1 發酵條件優化Box-Behnken試驗因素及水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken tests of fermentation conditions optimization

1.3.4 感官評價

請20名專業感官評價員對紅酒風味發酵乳的色澤、口感、組織形態、香氣4個指標進行感官綜合評價，滿分100分，紅酒風味發酵乳感官評價標準見表2。

表2 紅酒風味發酵乳感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standards of red wine flavored fermented milk

1.3.5 模糊數學綜合評價模型的建立

根據表2，參照張劍林等[25]的方法對不同條件下紅酒風味發酵乳的感官指標進行模糊數學綜合評價，并建立評價模型。

（1）對象集、因素集、得分集與權重集的建立

評價對象集U，代表進行感官評價的紅酒風味發酵乳樣品集合。U={u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9，…uj…，u17}，其中，j=1，2，3，4，5，6，7，8，9，……，17。

評定因素集R={v1，v2，v3，v4}，v1～v4依次代表評價紅酒風味發酵乳的4個評價因素。即R={色澤，口感，組織形態，香氣}。

評價得分集B={b1，b2，b3，b4}，b1～b4依次代表優、良、中、差4個等級評判結果，對應的分值是90，80，70和60。即B={優，良，中，差}={90，80，70，60}。權重集X={x1，x2，x3，x4}，根據表2設置權重X={0.2，0.3，0.2，0.3}。

（2）模糊矩陣的建立及評價結果的確定

請20名專業感官評價員按照紅酒風味發酵乳的色澤、口感、組織形態、香氣4個因素進行感官綜合評價，評價之后可統計各個因素在各個等級中的票數，然后根據所得的票數結果得紅酒風味發酵乳的感官評價模糊關系矩陣Rk。

其中k=1，2，3，4，5，…17為樣品的編號，里面的每一行都代表每一個質量因素的評價數據結果。然后依照紅酒風味發酵乳模糊數學評價模型Tk=X×Rk（其中T評價集，X為權重系數，R為模糊矩陣）對第k號樣品的感官評分進行計算。

1.3.6 分析檢測

酸度的測定：參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準食品酸度的測定》[26]。

1.3.7 數據分析

采用Excel2019進行數據分析，使用軟件Origin8.0繪圖，采用Design-Expert 8.0.5進行響應面優化試驗。

2 結果與分析

2.1 紅酒風味發酵乳發酵工藝優化單因素試驗結果

2.1.1 發酵時間對紅酒風味發酵乳品質的影響

由圖1可知，當發酵時間＜5 h時，酸度及感官評分均逐漸增加；當發酵時間為5 h時，酸度及感官評分均達到最大值，分別為82.1°T、88.4分；當發酵時間＞5 h之后，酸度及感官評分均下降。綜合考慮，確定最適發酵時間為5 h。

圖1 發酵時間對紅酒風味發酵乳品質的影響Fig.1 Effect of fermentation time on the quality of red wine flavored fermented milk

2.1.2 發酵溫度對紅酒風味發酵乳品質的影響

由圖2可知，當發酵溫度＜42 ℃時，酸度及感官評分逐漸增加；當發酵溫度為42 ℃時，酸度及感官評分達到最大值，分別為87.1°T、88.7分；當發酵溫度＞42 ℃之后，酸度及感官評分下降。綜合考慮，確定最適發酵溫度為42 ℃。

圖2 發酵溫度對紅酒風味發酵乳品質的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on the quality of red wine flavored fermented milk

2.1.3 接種量對紅酒風味發酵乳品質的影響

由圖3可知，當接種量＜2%時，酸度及感官評分均逐漸增加；當接種量為2%時，酸度接近最高值且感官評分達到最大值，分別為75.1°T、89.2分；當接種量＞2%之后，酸度及感官評分均下降。綜合考慮，確定最適接種量為2%。

圖3 接種量對紅酒風味發酵乳品質的影響Fig.3 Effect of inoculum on the quality of red wine flavored fermented milk

2.1.4 蔗糖添加量對紅酒風味發酵乳品質的影響

由圖4可知，當蔗糖添加量＜6%時，紅酒風味發酵乳酸度及感官評分逐漸增加；當蔗糖添加量為6%時，酸度及感官評分均達到最高值，分別為75.2°T、88.7分；當蔗糖添加量＞6%之后，酸度及感官評分呈下降趨勢。綜合考慮，確定最適接種量為6%。

圖4 蔗糖添加量對紅酒風味發酵乳品質的影響Fig.4 Effect of sucrose addition on the quality of red wine flavored fermented milk

2.1.5 紅酒粉添加量對紅酒風味發酵乳品質的影響

由圖5可知，當紅酒粉添加量＜3%時，酸度及感官評分均逐漸增加；當紅酒粉添加量為3%時，酸度及感官評分均達到最高值，分別為80.7°T、89.1分；當紅酒粉添加量＞3%之后，酸度及感官評分均逐漸下降。綜合考慮，確定最適紅酒粉添加量為3%。

圖5 紅酒粉添加量對紅酒風味發酵乳品質的影響Fig.5 Effect of red wine powder addition on the quality of red wine flavored fermented milk

2.2 模糊數學綜合評價法分析

20名感官評定人員對17組樣品進行感官評定打分，各個等級的各項指標票數統計結果見表3。

將表3中的數據建立模糊評價矩陣，將每個樣品的各自影響因素的得票數除以總的參與評價人數20，即可得到各個模糊矩陣R1～R17。以1號產品為例，色澤的評價人數分別為：0人優，7人良，10人中，3人差，則R色澤=（0.00，0.35，0.50，0.15），同理，R口感=（0.00，0.25，0.40，0.35），R組織形態=（0.00，0.30，0.40，0.30），R香氣=（0.00，0.15，0.40，0.45），由此得矩陣R1：

表3 紅酒風味發酵乳感官評分投票結果Table 3 Voting results of sensory scores of red wine flavored fermented milk

同理，可依次得到R2～R17。

根據模糊變換原理，利用矩陣乘法，將權重集合X乘以模糊數學關系矩陣Rj，可以得到樣品對4個因素的綜合隸屬度Tk，以1號樣品為例，綜合隸屬度T1如下：

同理，可得其他紅酒風味發酵乳樣品的模糊評價結果，將各個樣品的綜合評判結果分別乘以其對應的分值（優、良、中、差依次被賦予分值90分、80分、70分、60分），經過加和后，即得每個樣品最終感官評分。如1號樣品最終感官評分=0.00×90+0.25×80+0.42×70+0.33×60=69.2分。同理，可以計算出2～17號樣品的感官評分。

2.3 紅酒風味發酵乳發酵條件優化響應面試驗結果

2.3.1 響應面試驗結果與分析

響應面試驗設計及結果見表4，方差分析見表5。通過Design-Expert 8.0.5軟件對表4的試驗結果進行擬合分析，可得到紅酒風味發酵乳酸度（Y1）、感官評分（Y2）對紅酒粉添加量（A）、發酵溫度（B）、發酵時間（C）的擬合回歸方程為：

表4 發酵條件優化響應面試驗設計及結果Table 4 Design and results of response surface tests for fermentation conditions optimization

續表

表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model

由表5可知，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P＞0.05）。決定系數R21=0.981 8，R22=0.998 5，調整決定系數R2Adj1=0.958 5，R2Adj2=0.996 6，該模型分別能解釋95.85%、99.66%的變化，表明實測值與預測值間擬合度比較好。因此，能用該模型對紅酒風味發酵乳的發酵條件進行分析和預測。

由P值可知，一次項A、B、C、交互項BC、二次項A2、B2、C2對酸度影響極顯著（P＜0.01），交互項AB、AC對酸度影響顯著（P＜0.05）；一次項A、B、C與交互項AB、AC及二次項A2、B2對紅酒風味發酵乳感官評分影響極顯著（P＜0.01）。

2.3.2 響應面交互作用分析

由圖6可知，發酵溫度（B）和紅酒粉添加量（A）、發酵時間（C）和紅酒粉添加量（A）、發酵時間（C）和發酵溫度（B）交互作用對酸度影響的等高線呈橢圓形，表明各因素之間的交互作用對酸度影響顯著（P＜0.05）。發酵溫度（B）和紅酒粉添加量（A）、發酵時間（C）與紅酒粉添加量（A）交互作用對感官評分影響的等高線呈橢圓形，表明各因素間交互作用對感官評分影響顯著（P＜0.05），這與方差分析結果一致。

圖6 各因素間交互作用對紅酒風味發酵乳酸度及感官評分影響的響應曲面及等高線Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on acidity and sensory scores of red wine flavored fermented milk

2.3.3 模型驗證

經過Design-Expert8.0.5分析可得紅酒風味發酵乳的最佳發酵工藝條件為：發酵時間5.1 h，紅酒粉添加量3%，發酵溫度42.3 ℃。在此最佳發酵工藝條件下，紅酒風味發酵乳酸度預測值可達78.7°T，感官評分預測值為89分。為方便實際操作，將發酵工藝條件修正為：發酵時間5 h，紅酒粉添加量3%，發酵溫度42 ℃。在此優化條件下進行驗證試驗，重復3次，實際測得的酸度為78.3°T、感官得分為89分，與響應面法預測酸度及感官得分基本保持一致，該模型與實際試驗結果擬合度較好，證實該模型具有一定的可行性。

3 結論

以牛奶和紅酒粉為主要原料制備紅酒風味發酵乳，以酸度和感官評分為評價指標，在單因素試驗的基礎上，采用模糊數學綜合評價法結合Box-Behnken法獲得紅酒風味發酵乳的最佳發酵工藝條件為：紅酒粉添加量3%、發酵溫度42 ℃、發酵時間5 h、接種量2%、蔗糖添加量6%。在該優化發酵工藝條件下，紅酒風味發酵乳的酸度為78.3°T，感官評分為89分，紅酒風味發酵乳色澤淡紅，入口柔綿，有獨特紅酒香味。