基于模糊数学感官评价法和混料设计优化紫薯莜麦酒配方

吴芳彤，曹倩荣，吴广枫，郑翔，秦艳梅，马清河

1(河北省微生物研究所，河北 保定，071000)2(中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京，100083)

莜麦，又称裸燕麦，主要分布于我国西北、西南、华北和湖北等省区，其营养价值居谷类粮食之首，含有丰富的蛋白质和矿质元素，具有人体必需的18种氨基酸，以及Fe、Zn等微量元素，且脂肪含量低[1-3]；莜麦中还含有丰富的膳食纤维，其中β-葡聚糖被誉为膳食纤维中的贵族，具有提高免疫力、降血脂、降胆固醇、激发皮肤免受紫外线伤害、促进皮肤重组等功效[4-6]，莜麦中的β-葡聚糖为可溶性膳食纤维，且含量远高于大米、小麦等其他谷物。

紫薯与甘薯属于旋花科的不同属，它除含有普通甘薯的营养成分外，还含有丰富的花色苷(30～120 mg/100 g)[7]和硒元素。花色苷是一类黄酮类天然色素，具有清除自由基、抗氧化、预防和治疗心血管疾病等多种生理功能[8-11]。紫薯还富含硒，硒是人体必需微量元素，是人体内必需氨基酸的组成部分，硒水平的高低与癌症的发病率有密切关系[12-13]。

混料设计已被广泛应用于冶金、化工、药物和食品工业等方面的配方设计。传统混料设计配方优化以感官评价作为响应值，本研究的紫薯莜麦酒隶属于发酵酒、露酒范畴，可按照我国现已颁发的国家标准《GB/T 27588—2011 露酒》中感官分析为评价依据进行评定。但在实际应用中，感官评价属性界限有一定的模糊性，难以量化评价，易受到感官评价者主观因素的干扰[14-15]。采用模糊数学的方法来处理感官评价的结果，可以对感官特性进行数学化和定量化的描述和处理，把定性评价转变为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的紫薯莜麦酒感官特性做出一个总体的评价[16-17]。

前期研究发现，仅以紫薯和莜麦为原料酿造紫薯莜麦酒，虽然颜色瑰丽，营养价值丰富，但是口感协调性差，苦涩味明显[18]。常用的酿酒原料中高粱香、玉米甜、大米净、小麦躁、糯米绵、大麦冲[19]，因此本文基于混料设计原理，设计了以紫薯和莜麦为主料，玉米和糯米为辅料的紫薯莜麦酒的18种配方，并依据配方制备了18种紫薯莜麦酒，通过模糊数学感官评价逐一进行了感官评判，拟建立原料配方与感官品质之间的回归模型，以获得高品质紫薯莜麦酒。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

紫薯、莜麦、玉米、糯米，市售；蔗糖、柠檬酸、Na2CO3，市售，食品级；葡萄酒和果酒专用酵母、甜酒曲、固体糖化酶(100 000 U/g),安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶(10 000 U/g)，邢台万达生物工程有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DZKW-4电热恒温水浴锅,北京中兴伟业仪器有限公司；ZXRD-A7230恒温鼓风干燥箱、ZXSD-R1160生化培养箱，上海智城分析仪器制造有限公司；PHS-25 pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司；TD10002G电子天平、JA2003A电子精密天平,天津天马衡基仪器有限公司；YXQ-LS-50SⅡ高压蒸汽灭菌锅,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；JYL-C91T打浆机,九阳股份有限公司；GL-22离心机,湖南沪康离心机有限公司；SHD-Ⅲ循环水式多用真空泵,保定市阳光仪器厂；RY-BS-10L巴氏杀菌机,上海锐元机械设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 紫薯莜麦酒发酵工艺流程

紫薯、莜麦粉、糯米粉和玉米粉按一定比例混合→蒸煮糊化→工业酶液化、糖化→灭菌→接种酵母→发酵→澄清→陈酿6个月→巴氏灭菌

1.3.2 操作要点

紫薯、莜麦粉、糯米粉和玉米粉的处理：紫薯去皮洗净，隔水蒸煮。按照m(水)∶m(紫薯)=1∶1.5打浆。莜麦、玉米粉和糯米粉按照一定比例混合，隔水蒸40 min，灭菌水与混合粉按照1∶1.5(m∶m)混合。

工业酶液化、糖化法：将4种原料的浆液混匀，于85 ℃，起始pH 6.8、α-淀粉酶添加量为0.25%(质量分数)、液化75 min；pH 4.5、温度60 ℃、糖化酶添加量0.1%(质量分数)、糖化90 min。

灭菌：115 ℃灭菌20 min。

发酵：将灭菌后的酒料放至室温，按质量分数0.02%的接种量接种安琪酵母，18 ℃发酵10 d。

澄清：6 000 r/min离心20 min，硅藻土抽滤。

1.3.3 感官评价方法

紫薯莜麦酒呈瑰丽的紫红色，以紫薯莜麦酒的色泽、香气、滋味风味和回味作为感官评价的指标。参加评定人员为10名(5男、5女)食品专业科技人员，且身体健康，无任何感官方面的缺陷，在检测前1 h内不抽烟喝酒不吃东西，不使用任何有气味的化妆品，评价过程中禁止互相讨论，每次评价间隔10 min，评价完每一个样品后以清水漱口[20]。参加评定人员按照表1的4个指标从优、好、良、差4个等级，按照10分制进行评分。

表1 紫薯莜麦酒感官评价标准Table 1 The standards of purple sweet potato and naked oats wine sensory evaluation

1.3.4 模糊数学感官综合评价法的建立

因素集的确定：以紫薯莜麦酒色泽(U1)、香气(U2)、滋味风味(U3)和回味(U4)作为评价指标，从而得出评价指标的因素集U={U1，U2，U3，U4}[21-23]。

由评价小组评价得出紫薯莜麦酒的4个评价等级：优(V1)、好(V2)、良(V3)和差(V4)，从而得出紫薯莜麦酒的评语集V={V1，V2，V3，V4}。试验中优、好、良和差4个等级分别对应其中间值为9、7、4、1，因此评价等级集K={K1，K2，K3，K4}={9，7，4，1}。

权重集的确定：采用用户调查法[24]。征集20名消费者，有饮酒喜好，其中男女各10名，年龄在23～65岁，且身体健康，无任何感官方面的缺陷。每人发放打分表及紫薯莜麦酒样品一瓶，对紫薯莜麦酒的色泽、香气、滋味风味和回味各因素按所占重要性程度的比率进行分析评价，结果见表2，得出紫薯莜麦酒的权重集为W={0.22，0.24，0.35，0.19}。

评价体系的建立：将经混料设计的18种紫薯莜麦酒建立评价体系Tg={T1，T2，T3，…，T18}。

表2 紫薯莜麦酒权重的分析Table 2 The statistical weight analysis of purple sweet potato and naked oats wine

1.3.5 混料设计试验

紫薯莜麦酒以紫薯和莜麦为主要原料，辅助添加玉米和糯米2种原料，根据前期预实验和混料设计要求，对辅料的添加量进行搭配设计，结果见表3。试验设计采用Design-Expert 8.05B设计软件中的D-optimal mixture design，以模糊数学感官评价为响应值，进行回归分析。

表3 影响因素与水平Table 3 Factors and levels

1.3.6 有机酸及氨基酸含量测定

均委托青岛科创质量检测有限公司进行检测。

2 结果与分析

2.1 紫薯莜麦酒模糊数学感官综合评价结果

由10名评价员对18种紫薯莜麦酒样品的4项指标进行逐一评价，将评价结果收集汇总后进行统计分析，统计结果如表4所示。

模糊评定矩阵根据感官评价结果除以总人数，即得到18个Tg的模糊矩阵：

表4 紫薯莜麦酒感官评价指标数统计Table 4 Sensory evaluation tall of different purple sweet potato and naked oats wine

标准模糊综合评判数学模型，采用取大取小的算法，会给评定结果带来误差[26]。因此，本文采用矩阵乘法代替传统算法，并按照公式计算综合评分避免误差的产生。已知紫薯莜麦酒4个权重集为W={0.22，0.24，0.35，0.19}，按照Y=X×R得到紫薯莜麦酒各样品评价结果：

同理得Y2={0.638，0.176，0.186，0}，Y3={0.703，0.100，0.197，0}，Y4={0.698，0.124，0.178，0}，Y5={0.659，0.124，0.217，0}，Y6={0.700，0.168，0.132，0}，Y7={0.666，0.135，0.199，0}，Y8={0.681，0.117，0.202，0}，Y9={0.557，0.224，0.219，0}，Y10={0.759，0.143，0.098，0}，Y11={0.724，0.200，0.076，0}，Y12={0.587，0.100，0.313，0}，Y13={0.638，0.173，0.189，0}，Y14={0.536，0.280，0.184，0}，Y15={0.681，0.119，0.200，0}，Y16={0.625，0.160，0.215，0}，Y17={0.603，0.141，0.256，0}，Y18={0.536，0.197，0.219，0.048}。

模糊综合评价总分T=Y×K，评价等级集K={9，7，4，1}，Y1={0.681，0.100，0.219，0}，因此，第1个紫薯莜麦酒样品的模糊综合评价总分：

同理可得，T2=7.718，T3=7.815，T4=7.862，T5=7.667，T6=8.004，T7=7.735，T8=7.756，T9=7.457，T10=8.224，T11=8.220，T12=7.235，T13=7.709，T14=7.520，T15=7.762，T16=7.605，T17=7.438，T18=7.127。

2.2 D-optimal mixture design优化试验

2.2.1 试验设计及结果

采用Design-expert 8.05B中Mixture的D-optimal设计紫薯莜麦酒混料设计方案(表5)，以模糊数学感官评价总分(Ti)为响应值，以模糊数学感官评价总分最高为优化目标进行实验。根据实验结果，进行二次多项回归拟合分析，剔除不显著因素，得到回归方程：

y=49.42A+45.24B+97.59C+147.98D-160.80AB-270.09AC-371.38AD-254.15BC-359.07BD-444.40CD+54 5.53ABC+758.87ABD+604.08ACD+597.66BCD

表5 紫薯莜麦酒配方的混料设计组合Table 5 Mixture design matrix for purple sweet potato and naked oats wine

2.2.2 方差分析

表6 二次逐步回归模型方差分析Table 6 Variance analysis of the stepwise regression quadratic model

注：**表示极显著(P<0.01)，*表示显著(P<0.05)。

2.2.3 交互因子的响应面分析

利用软件根据拟合后的二次混合模型方程，取其中3个因素为变量，其他1个因素则为固定值[27]，绘制出紫薯(A)、莜麦(B)和玉米(C)3个影响因素对模糊数学感官评价总分影响的等高线和响应面图(图1)。三角响应曲面是以中心点为最高点的曲面图，说明各因素之间交互作用显著。在糯米固定为25%的情况下，随着紫薯(A)和莜麦(B)添加量的增加，模糊数学感官评价总分达到最大值，但达到一定值后，随着其他3种原料添加量的增加，模糊数学感官评价总分分值呈下降趋势。其可能的原因是在糯米固定配比为25%的情况下，随着紫薯和莜麦添加量的增加，酒中紫薯和莜麦的风味逐渐浓郁，但莜麦淀粉含量较低[28]，紫薯酿酒带有薯类酒特有的苦涩味，因此过多添加紫薯和莜麦，会使酒入口寡淡，苦涩味明显，模糊数学感官评价总分随之降低；原料中适当添加玉米可增加酒的甜香味，但过多添加玉米又会掩盖紫薯和莜麦本身的清香味。因此，紫薯莜麦酒最优配方为紫薯32.8%、莜麦32.6%、玉米9.6%和糯米25%。

按照优化后的配方制成紫薯莜麦酒，模糊数学感官评价总分为8.59±0.02，与预测值8.60相一致。

图1 响应面图和等高线图Fig.1 The response surface plot and contour plot

2.3 新旧配方对有紫薯莜麦酒中氨基酸的影响

氨基酸是紫薯莜麦酒风味的重要组成部分，很多氨基酸本身具有愉悦的气味和口感，并且氨基酸的代谢产物——醇类物质，对紫薯莜麦酒的风味和口感也有影响。因此，为进一步验证该配方，对新旧2个配方获得的紫薯莜麦酒进行了氨基酸的检测。如图2所示，经分析新旧配方获得的紫薯莜麦酒均富含17种氨基酸，定量分析见表7。

a-旧配方;b-新配方图2 紫薯莜麦酒新旧配方氨基酸色谱图Fig.2 The amino acid chromatogram of old and new formulations for purple sweet potato and naked oats wine

表7 紫薯莜麦酒新旧配方中氨基酸含量的变化 单位：mg/kgTable 7 Changes of amino acid content of old and new formulations for purple sweet potato and naked oats wine

新旧2个配方获得的紫薯莜麦酒氨基酸总量分别为3 231.47和2 694.21 mg/kg，新配方与旧配方相比氨基酸总量高出19.94%；9种必需氨基酸总量分别为1 011.9和803.59 mg/kg，非必需氨基酸总量分别为2 219.57和1 890.62 mg/kg，新配方与旧配方相比必需氨基酸总量和非必需氨基酸总量分别高出25.92%和17.40%。上述结果表明，新配方获得的紫薯莜麦酒氨基酸含量明显高于旧配方获得紫薯莜麦酒，表明新配方的原料配比更合理。

将紫薯莜麦酒中检测到的17种氨基酸按照其呈味特征分类，可以分为4类：甜味氨基酸包括丝氨酸、甘氨酸、组氨酸、苏氨酸、丙氨酸、脯氨酸；苦味氨基酸包括精氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸；鲜味氨基酸包括天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸；芳香族氨基酸包括胱氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸。从呈味特征方面对紫薯莜麦酒的4类呈味氨基酸进行分析，结果见图3。在紫薯莜麦酒中甜味氨基酸含量最高，其次为鲜味氨基酸、芳香族氨基酸和苦味氨基酸。紫薯莜麦酒中主体氨基酸为脯氨酸，脯氨酸与糖共热发生氨基酸-羰基反应，可生成特殊的香味物质。

图3 紫薯莜麦酒氨基酸风味分析Fig.3 Flavor amino acid analysis of purple sweet potato and naked oats wine

新配方与旧配方相比，除芳香族氨基酸略有下降，其他3种呈味氨基酸均显著升高。这是由于芳香族氨基酸中的胱氨酸质量分数新旧配方分别为125.92和275.11 mg/kg，在新配方中显著降低。在新配方中甜味氨基酸共1 440.42 mg/kg，占总氨基酸的44.75%，与旧配方相比提高了31.8%，说明新配方酿造的紫薯莜麦酒具有淡淡的甘甜味，与旧配方相比，甘甜味更加明显。鲜味即酒的醇香，是紫薯莜麦酒立足市场的一大卖点。新配方中鲜味氨基酸共1 051.08 mg/kg，占总氨基酸的32.53%，与旧配方30.54%相比略有升高，说明新配方获得的紫薯莜麦酒醇香更加突出。新配方中苦味氨基酸与旧配方相比也略有升高，紫薯莜麦酒中的苦味与甜味、鲜味和芳香族氨基酸相结合，也能形成一种令人倍感舒适的独特风味。

3 结论与讨论

本文采用模糊数学综合评价法对紫薯莜麦酒的感官品质进行了综合评定，评定结果结合混料设计建立了实验指标与各组分的回归模型，考查配方中各组分的互作效应，并通过模型优化得到了以紫薯和莜麦为主要成分的紫薯莜麦酒的最优配方，该方法降低了传统感官评价中主观因素的干扰，将模糊概念转化为可客观分析的数学化问题，大大提高了评价的可信度和准确度[29]，并且本文采用的方法科学有效地降低了试验次数，提高了试验效率。通过该方法优化得到以紫薯和莜麦为主要成分的紫薯莜麦酒的最优配方为紫薯32.8%、莜麦32.6%、玉米9.6%和糯米25%。

本文通过高效液相色谱法，将本文获得紫薯莜麦酒新配方与本实验室之前采用的旧配方在氨基酸方面进行了对比研究，共检测得到17种氨基酸。新配方与旧配方相比除胱氨酸、蛋氨酸含量显著降低，其他15种氨基酸含量均显著升高，氨基酸总量、必需氨基酸和非必需氨基酸分别增高了19.94%、25.92%和17.40%。胱氨酸和蛋氨酸均为含硫氨基酸，减少这类氨基酸有助于减少酒中臭味。按照呈味特征可将这17种氨基酸分为甜味氨基酸、鲜味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸。紫薯莜麦酒中甜味氨基酸含量最高，新配方与旧配方相比提高了31.8%，这可能是由于在新配方中添加了糯米和玉米2种原料。综上所述，新配方在口感和风味方面优于旧配方，采用基于混料设计结合模糊数学综合评价法获得的紫薯莜麦酒新配方具有可行性。