混料设计优化复合果蔬酒原料配比 及其模糊数学评价

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(西南科技大学生命科学与工程学院,四川绵阳 621010)

苹果含有多种维生素、碳水化合物以及矿物质[1-2],是良好的膳食纤维源,并且具有一定的保健功能[3]。番茄(Tomato)含有多种营养成分[4],尤其是它所含的番茄红素,是一种天然的抗氧化剂,可以抵抗衰老、增强免疫力[5]。猕猴桃富含多种维生素,其中VC含量最高,具有降血压、降血脂、治疗烧伤等作用[6-7]。胡萝卜不仅富含胡萝卜素、维生素B2和矿物质,还含有一种能分解VC的酶,具有增强免疫功能、降糖降脂等作用[8-9]。

复合果蔬酒富含多种营养物质、有机酸[10]及抗氧化物质,其具有调节人体自身的新陈代谢、控制体内胆固醇水平、延缓衰老等作用[11]。单一果酒和蔬菜酒在色泽、香气、风味上欠佳,也存在营养成分不足的缺陷。复合果蔬酒则是通过结合各种果蔬汁的特点,酿造出营养丰富风格独特的果酒[12],其在香味、色泽、滋味以及营养成分等方面可形成一定的互补,例如王晓丽等[13]酿造的胡萝卜苹果复合酒,成品酒颜色呈喜人的淡橘黄色,并且酒质醇厚、口味纯正[14-16]。

本实验通过对苹果汁、胡萝卜汁、猕猴桃汁和番茄汁混合配比,利用混料设计研制一种风味独特的新型复合果蔬酒，不仅具有较好的感官风味和营养保健功能,同时克服单种果酒风味欠佳、营养成分不足的缺点。这在新型果酒的开发、酿造中,具有普遍指导作用[17-18]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果、猕猴桃、胡萝卜、番茄 绵阳市涪城区家多乐购物中心;酿酒酵母 安琪酵母股份有限公司;果胶酶(5万U/g)、纤维素酶(10万U/g) 深圳恒生生物科技有限公司;偏重亚硫酸钠 深圳恒生生物科技有限公司。

HH-S数显恒温水浴锅 浙江金坛市正基仪器有限公司;DNP-9082恒温培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;LYT-330手持折光仪 上海淋誉公司;BS223S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;0-100%uoe酒精计 上海一展实验设备有限公司;MJ-L500榨汁机 松下电器。

1.2 实验方法

1.2.1 果蔬汁的制备及发酵 苹果汁:选取成熟的、适宜、无虫害的红富士苹果,用清水洗净,去皮切小块,浸泡在复合护色液[19](亚硫酸添加量为0.004%,抗坏血酸添加量为0.20%,L-半胱氨酸添加量为0.07%)中15 min后用榨汁机压榨过滤取清汁,加入60 mg/L的纤维素酶、50 mg/L果胶酶,在50 ℃时酶解1 h。

猕猴桃汁:将成熟的猕猴桃清洗干净,去皮打浆过滤,然后加入0.02%的果胶酶,在40 ℃水浴中酶解2 h[20]。

番茄汁:选取完整无腐烂的番茄清洗、榨汁过滤,加0.02%果胶酶,35 ℃水浴3 h[21]。

胡萝卜汁:将清洗整理后的完整无腐坏胡萝卜去皮,切成小块[22],榨汁过滤,在50 ℃进行搅拌,然后加入纤维素酶和果胶酶进行生物酶解,纤维素酶的用量为1 g/L,果胶酶的用量为0.035 g/L。

主发酵:将四种原料汁按试验设计的比例混合,加入0.03%果酒酵母。在25 ℃恒温培养箱中发酵4 d。

1.2.2 试验设计 采用混料设计(Mixture design)的方法,以猕猴桃汁(A)、胡萝卜汁(B)、番茄汁(C)、苹果汁(D)为自变量,以酒精度和感官值为响应值。使原料的限定配比范围均为10.0%～70.0%,且各因子的体积百分比总和为100%。对所得试验数据进行回归分析,得出最佳配比条件,并做验证试验,重复3次得平均值。

1.2.3 酒精度的测定 采用酒精计法[23]测定产品的酒精度。

1.2.4 感官评价 根据国标方法[23]。由20名进行过感官评价学习的食品专业研究生组成感官分析小组。参照陈卉等[24]的研究并进行相应的调整,制定评价标准,见表1。根据此标准进行评判,满分100,结果取平均值。

表1 感官评价标准Table 1 Standard of sense evaluation

1.2.5 应用模糊数学原理建立复合果蔬酒感官评价系统 根据食品感官指标内容,本试验设定两个评定论域[25-26]:因素集,即感官质量指标集U={外观(U1),香气(U2),口味(U3),典型性(U4)};评语集,即感官质量评语集V={优秀V1,良好V2,一般V3,较差V4};由各指标权重值得出权重域矩阵A=(a1,a2,…,an),其中a1,a2,…,an[ai∈(0,1)]是各评价指标相应的隶属度,且满足条件a1+a2+…+an=1。其中A的因素是U 中的一个模糊子集,A与U是相互对应的,模糊评判矩阵即参加模糊综合评判各因素根据相应隶属度所组成的评判结果矩阵R。在评价集中引入模糊子集Y。根据权重域矩阵A与模糊评判矩阵R通过模糊变换可得到,表示为Y=A×R={b1,b2,…,bm}。过程如下:

Y= A×R=(a1,a2,…,an)

根据表2各项指标的权重值得到复合果蔬酒的权重因素:A={0.20,0.30,0.40,0.10}。

表2 混料设计与结果Table 2 Mixture design and the results

1.3 数据处理

本文数据处理及做图均采用Design Expert(Version 8.0.6)软件进行。

2 结果与分析

2.1 混料实验设计及结果

实验采用D-Optimal混料设计,考察感官评价、酒精度两个指标,实验设计与结果如表2所示。

2.1.1 不同原料配比对酒精度的影响 应用Design Expert 8.0.6.1软件对实验结果进行回归拟合分析,结果如表3所示,回归方程模型的p值小于0.0001,表明该模型极显著,失拟项p值0.0915>0.05,表明失拟项不显著。说明方程对实验的拟合度较好,实验误差小,因此该模型可以真实地拟合和推测实际情况;从数据中可以看出AB、AC、BD交互作用都是极显著水平(p<0.01),而AD、BC、CD交互作用不显著(p>0.05)。

表3 回归方程的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由此可得出数学模型,见下式:

酒精度=2.04A+2.79B+2.82C+4.93D+3.69AB+2.19AC-1.26AD-0.61BC-2.66 BD+0.14CD

模型的决定系数R2=0.9622,说明模型96.22%的实验数据的可变性可用此模型解释,仅有总变异的3.78%不能用此模型解释;且回归模型的拟合程度良好,表明该模型是合适的。

由图1分析可知,响应面呈曲面趋势,说明各组分之间存在交互影响。从数学模型和图1可以看出,猕猴桃汁对酒精度影响最小,苹果汁对酒精度影响最大。是因为苹果汁自身所含糖分较高,所以其转化出的酒精度就高;而猕猴桃汁由于酸含量较高,在一定的程度上会抑制酒精度的产生。

图1 酒精度等高线图和3D图Fig.1 The contour plot and the 3D surface plot of liquor yield

2.1.2 不同原料配比对感官评价的影响 采用Design Expert 8.0.6.1软件对数据结果进行回归拟合分析,不同原料配比对感官评价影响如表4,p值为0.0001<0.01,表明此模型极显著,失拟项p值为0.0812>0.05,表明失拟项相对于误差不显著,说明方程对实验的拟合度较好,实验误差小,因此该模型可以真实地拟合和推测实际情况。从数据中可以看出AC、BD交互作用显著(p<0.05)。

表4 回归方程的方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

各原料配比对感官评价影响的数学模型如下:

感官=77.73A+70.73B+73.05C+83.80D+7.17AB+8.77AC-7.68AD-4.49BC+8.32BD+6.72CD

模型的决定系数R2=0.9606,说明模型96.06%的实验数据的可变性可用此模型解释,仅有总变异的3.94%不能用此模型解释;回归模型的拟合程度良好,表明模型是合适的。

从数学模型和图2可以看出,响应面呈曲面趋势,说明各组分之间存在交互影响。苹果汁对感官评价影响最大,而胡萝卜汁对感官评价影响最小。因为感官评价是产品的综合评定,即对外观、香味、色泽、口感等多个方面的综合评价,所以评定者的主观因素更为强烈。由于苹果汁自身所含糖分较高,对口感影响较大,口感在感官评价中所占分数比例较高,所以苹果汁比例对感官评价影响较大。而猕猴桃汁由于酸含量较高,所占比例较高时,会致使糖酸比不合适,从而影响口感。番茄汁和胡萝卜汁自身所含糖酸较低,随着其比例的变化,对酒精度影响较小;感官评定过程中酒体颜色通常以清淡者较优,所以其颜色较深会影响色泽评分。

图2 感官评价等高线图和3D图Fig.2 The contour and the 3D surface plot of sensory evaluation

2.2 原料配比优化及验证

用响应面的优化功能来设定各响应项的期望值及各成分变化范围,如表5所示。响应面最终得出的原料配比方案及响应项的预测值,如表6所示。

表5 混料设计区间表Table 5 The constraits of mixture design experiment

表6 混料设计实验优化Table 6 Optimization of mixture design experiment

综合酒精度和感官评价的实验结果分析表明最佳原料配比为:猕猴桃汁10.0%,胡萝卜汁10.0%,番茄汁10.0%,苹果汁70.0%。

对最优配比进行验证实验:得出发酵后酒精度为5.0%vol,感官评价为85.0,颜色澄清透明,果香和酒香均明显且协调,无杂异味,具有典型性。与实验预测值几乎一致,所以可作为果蔬酒原料配比。

2.3 模糊数学综合评判

随机挑选10名20～25岁的本科生,按表7中4项指标进行打分评判,结果如表7。

表7 感官评定调查结果Table 7 Sensory evaluation survey results

由表7得模糊关系矩阵R:

根据模糊综合评判数学模型原理:

Y=A×R=(0.20,0.30,0.40,0.10)

由Y可知,峰值在0.43,根据最大隶属度原则,对应的评价为一般,可得出结论,该复合果蔬酒属于能接受。

3 结论

利用Design Expert 8.0.6.1软件对猕猴桃汁、番茄汁、胡萝卜汁、苹果汁四种原料的复配比例进行优化,得到四种原料最优配比为猕猴桃汁10.0%,胡萝卜汁10.0%,番茄汁10.0%,苹果汁70.0%。发现苹果汁的比例对感官和酒精度的影响最大,说明苹果汁比例在复合果蔬酒中起到了主导作用。经实验验证,优化配比的复合果蔬酒的酒精度为5.0%vol,感官评价为85.0,与预测值相符,所以混料设计可以用于优化复合果蔬酒比例。