模糊数学综合评判优化甘蔗龙眼火龙果猕猴桃复合发酵饮品配方

陈 永,吕 峰2,*,苏秀芳,杜丽娟

(1.广西民族师范学院生物与食品工程学院,广西崇左 532200;2.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

广西崇左市属亚热带季风气候区,水果资源丰富,尤以甘蔗、龙眼、火龙果、猕猴桃等产量居多。甘蔗产业是崇左市的传统产业、优势产业和特色产业,作为全国“高产、高糖”甘蔗优势生产区域,崇左“甜蜜的事业”蓬勃发展,目前已成为全国最大的原料蔗加工和蔗糖生产基地[1-2];崇左的龙眼种植历史悠久,素有“中国龙眼之乡”的美称,所产龙眼品质上乘,风味浓郁,肉脆核小、果肉白色、晶莹剔透、清甜可口,深受消费者喜爱[3-5];火龙果和猕猴桃也是崇左种植面积较大的两种水果,是当地农户经济增收的重要来源。目前崇左的果品产业仍以鲜果销售为主,但随着近几年生产规模的显著增加,产量大幅提升,销售价格有明显走低的趋势,且因果品的深加工业较为单薄,已出现结构性过剩和滞销,因此开展崇左本地主要果品的精深加工研究,提高其科技含量和经济附加值,对于当地果品产业的发展具有重要的现实意义。

近年来,国内饮品市场蓬勃发展,其中兼具营养、功能、风味的复合发酵饮品因天然、健康的理念而受到消费者的认同与青睐。复合发酵饮品主要包括复合发酵果蔬汁饮品、复合发酵含乳饮品、复合发酵植物蛋白饮品、复合发酵谷物饮品等,随着市场份额的不断扩大,复合发酵饮品也呈现多元化发展,新品层出不穷的活跃态势[6-8]。范俊华等[9]通过复配柚子汁、梨汁和苹果汁,结合正交试验和感官评价,优化复合饮料的工艺参数,试验结果表明在植物乳杆菌添加量3%,发酵温度30 ℃,时间40 h的工艺条件下,最佳调配组合为柚子汁20%、梨汁15%、苹果汁10%、白砂糖9%,制得的产品酸甜适中、果味浓郁;巫永华等[10]以苹果汁、芦荟汁和乳液为主要原料,通过调配、发酵、添加稳定剂、均质、脱气、灌装、杀菌等工序,制得苹果芦荟乳复合发酵饮料,结果表明,最佳复配组合为苹果汁20 mL、芦荟汁15 mL、乳液10 mL,制得的复合发酵乳饮料酸甜可口,兼具果香味与发酵风味;罗映英等[11]选取大米、玉米、小米、燕麦、绿豆、黄豆为原料,乳酸菌发酵液、干酵母为发酵剂,采用正交试验,综合感官评判,研制出营养丰富、风味良好的复合发酵谷物饮品。

模糊数学综合评判是以模糊集理论为基础,将评价因素的差异在中间过渡中的不分明性数值化,从而把定性评价转化为定量评价的一种方法[12-14]。目前甘蔗汁相关产品的开发与应用研究尚鲜见报道,本试验运用模糊数学综合评判,以甘蔗原汁替代传统蔗糖,可为复合发酵工艺提供所需的碳源和氮源,并使产品保留了甘蔗中丰富的营养、功能成分和纯正的甘蔗清香,同时产品中添加的植物乳杆菌、乳酸链球菌协同发酵,解决了单一菌种产酸有限,风味不佳的问题。

本文通过正交试验设计和模糊数学综合评判优化筛选甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁、猕猴桃清汁复合发酵饮品的最佳配方,研发集风味、口感、功能于一体,具有地域特色的亚热带水果复合发酵饮品,旨在为利用甘蔗中的天然糖分为主要碳源的亚热带水果复合发酵工艺提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘蔗、龙眼、火龙果、猕猴桃 均由广西香果人家食品股份有限公司提供;乳酸链球菌、植物乳杆菌由广西民族师范学院微生物实验室提供;果胶酶(1×106U/g) 海藻酸钠、黄原胶、羧甲基纤维素钠(CMC-Na) 均购自浙江一诺生物科技有限公司。

LZ-0.5螺旋榨汁机 靖江市舜天工业设备制造有限公司;SDJ-2 果蔬打浆分离机 广州旭众食品机械有限公司;QH-1J水果去核机 新沂市精工机械设备厂;HH.S21-6-S恒温水浴锅 上海跃进医疗器械有限公司;Scientz-150高压均质机 宁波新芝生物科技有限公司;LRHS-250-ll恒温恒湿培养箱 上海跃进医疗器械有限公司;超高温瞬时灭菌机 江阴港利特机械制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 清汁制备 基于前期探索性试验,设计甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁和猕猴桃清汁的制备方法,以期获得甘蔗、龙眼、火龙果、猕猴桃复合发酵工艺所需的原料清汁。

甘蔗清汁制备:挑选皮泽光亮,蔗茎节少,匀称成熟,无病虫害、无褐变发红的甘蔗,切去甘蔗两端,清洗蔗茎,削除蔗皮,并将去皮后的蔗茎,砍断去节,切成约4 cm×4 cm×6 cm小块,送入螺旋榨汁机压榨,取得甘蔗原汁;经100目曲筛过滤,滤去甘蔗原汁中的蔗渣、蔗屑及其他夹杂物,往滤汁中添加0.1%絮凝剂海藻酸钠,以便除去蔗汁中悬浮物和胶体物质,室温下5000 r/min离心10 min,三层纱布过滤,取得甘蔗清汁。

龙眼清汁制备:挑选形体完整,新鲜饱满,无虫害、无霉烂的成熟龙眼鲜果,将龙眼清洗之后剥壳、去核、蒸汽热烫2 min,冷却至室温,打浆榨汁,并添加0.02%的果胶酶45 ℃水浴4 h,室温下5000 r/min离心10 min,三层纱布过滤,取得龙眼清汁。

火龙果清汁制备:拣选8～9分熟、无霉烂变质、无病虫害的新鲜火龙果,洗净,去外皮,取得果肉,将切分成薄片的果肉放入螺旋榨汁机中,破碎处理,三层纱布过滤,滤去果籽和粗纤维,取得火龙果原汁,添加果胶酶水浴酶解,酶解温度45 ℃,酶解时间3 h,酶使用量1.0×106U/kg火龙果原汁,室温下5000 r/min离心10 min,三层纱布过滤,即得火龙果清汁。

猕猴桃清汁制备:挑选新鲜、无腐烂、无机械损伤、成熟度适中的猕猴桃,清洗干净,剥除外皮,果肉切片、破碎榨汁,三层纱布过滤,即得猕猴桃清汁。

1.2.2 甘蔗、龙眼、火龙果、猕猴桃复合发酵工艺 将制备的甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁、猕猴桃清汁按一定体积复配,添加0.06%黄原胶,0.08% CMC-Na[7],将复配后的果汁预热至60～70 ℃,25 MPa高压均质2次,并于0.05 MPa真空脱气10 min,脱气后以135 ℃超高温瞬时灭菌4 s,然后冷却至38 ℃左右,再各接种1%活化后的乳酸链球菌和植物乳杆菌,于(27±1) ℃发酵7 d,最后采用无菌灌装并封盖,产品于4 ℃冷藏6 h,使其口感更加柔顺,再组织综合评判小组进行模糊数学综合评判。

1.2.3 单因素试验

1.2.3.1 甘蔗清汁添加量对感官品质的影响 控制发酵温度27 ℃,发酵时间7 d,选择龙眼清汁添加量40 mL,火龙果清汁添加量30 mL、猕猴桃清汁添加量15 mL,设定甘蔗清汁添加量10、20、30、40和50 mL,以感官评价为指标,考察甘蔗清汁添加量对复合发酵饮品感官品质的影响。

1.2.3.2 龙眼清汁添加量对感官品质的影响 控制发酵温度27 ℃,发酵时间7 d,选择甘蔗清汁添加量20 mL,火龙果清汁添加量30 mL、猕猴桃清汁添加量15 mL,设定龙眼清汁添加量分别为10、20、30、40和50 mL,以感官评价为指标,探讨龙眼清汁添加量对复合发酵饮品感官品质的影响。

1.2.3.3 火龙果清汁添加量对感官品质的影响 控制发酵温度27 ℃,发酵时间7 d,选择甘蔗清汁添加量20 mL,龙眼清汁添加量30 mL,猕猴桃清汁添加量15 mL,设定火龙果清汁添加量分别为10、20、30、40和50 mL,进行复合发酵工艺试验,以感官评价为指标,考察火龙果清汁添加量对复合发酵饮品感官品质的影响。

1.2.3.4 猕猴桃清汁添加量对感官评价的影响 控制发酵温度27 ℃,发酵时间7 d,选择甘蔗清汁添加量20 mL,龙眼清汁添加量30 mL,火龙果清汁添加量20 mL,设定猕猴桃清汁添加量分别为5、10、15、20 和25 mL,进行发酵试验,以感官评价为指标,探讨猕猴桃清汁添加量对复合发酵饮品感官品质的影响。

1.2.4 复合发酵饮品的感官评价 感官评价易受主观因素、生理状态、年龄性别等因素的影响,试验从广西民族师范学院16级食品科学与工程、生物科学专业,经过感官培训的学生中总共优选10人,其中男性和女性各5人,组成综合评判小组。参考文献中复合发酵饮品的评价标准[15-17],并作出适当的修改,感官评价标准如表1所示。

表1 复合发酵饮品感官评价标准Table 1 Sensory evaluarion criteriafor compound fermented beverage

1.3 模糊数学综合评判模型的构建

1.3.1 正交试验优化配方 基于单因素试验结果,设计L16(45)正交试验方案,定量复配甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁和猕猴桃清汁,优选最佳复合果汁发酵配方。试验因素与水平见表2。

表2 L16(45)因素与水平设计Table 2 Factors and levels design of L16(45)

采用L16(45)正交试验方案,得复合发酵饮品1～16号,设计方案见表3。

表3 复合发酵饮品正交试验方案Table 3 Projects and results of orthogonal experimentof compound fermented beverage

1.3.2 建立评价因素集 因素是产品的各种属性或性能,也称质量指标,它们能综合的反映出产品的质量,因而可由不同的因素来评价产品。建立评价因素集U={口感u1,色泽u2,香气u3,形态u4}。

1.3.3 建立评价权重集 权重反应了评价因素集U中食品感官质量因素构成的重要程度。采用强制决定法确定各质量因素的权重,评价因素的权重分配如表4所示,并建立评价权重集X={0.50,0.20,0.15,0.15}。

表4 评价因素及权重Table 4 Evaluation factors and weight

1.3.4 建立评价等级集 评价结果优劣顺序依次为优、良、中、下,评价等级集是评语的集合,即评价等级集V={优,良,中,下}。

1.4 数据处理

采用DPS v7.05软件进行正交试验设计、试验数据的统计分析,通过模糊数学综合评判模型的构建与解析,获得最佳调配工艺配方组合。

2 结果与分析

2.1 复配工艺的确定

2.1.1 甘蔗清汁添加量对感官品质的影响 甘蔗清汁添加量是影响发酵工艺和感官品质的重要因素。甘蔗汁不但可为微生物发酵提供所需的碳源和氮源,并可使产品保留甘蔗丰富的营养、功能成分和纯正的甘蔗清香[18]。从图1可以看出,随着甘蔗清汁添加量增加,感官评价分值先呈现上升的趋势而后下降明显,添加量在20 mL以内时,感官评价分值随着添加量的增加上升明显,并于添加量20 mL时达到峰值90分,而当甘蔗清汁添加量高于30 mL后,其感官评价分值下降趋势加快,原因在于甘蔗糖分高,发酵后体系中的含糖量仍比较大,使得饮品稠度较高,流动性较差,且口感过于甘甜、厚重,因此确定甘蔗清汁添加量20 mL。

图1 甘蔗清汁添加量对感官品质的影响Fig.1 Effects of sugarcane juice addition on sensory quality

2.1.2 龙眼清汁添加量对感官品质的影响 龙眼汁液丰富且糖分较高,适合微生物发酵,通过微生物代谢,不仅可以提高饮品的营养性、功能性,还能赋予饮品新奇口味和嗜好性[19-20]。从图2可以看出,在整个添加量范围内,随着龙眼清汁添加量的增加,感官评价分值呈现先上升后缓慢下降的趋势。在10～30 mL的浓度范围内,感官评价分值由85分升高并达到峰值93分,而后有所下降,但幅度和趋势较为缓慢,因此从感官评价和经济性的角度考虑,确定龙眼清汁添加量30 mL。

图2 龙眼清汁添加量对感官品质的影响Fig.2 Effects of longan juice addition on sensory quality

2.1.3 火龙果清汁添加量对感官品质的影响 从图3可以看出,火龙果清汁添加量在20 mL范围内时,感官评价分值上升趋势明显,而随着添加量继续加大,感官评价分值显著下降,原因在于火龙果风味较强,其清汁添加量若过多,在协同发酵的过程中则易使得最终产品风味不协调,因此确定火龙果清汁添加量20 mL。

图3 火龙果清汁添加量对感官品质的影响Fig.3 Effects of dragon juice addition on sensory quality

图4 猕猴桃清汁添加量对感官品质的影响Fig.4 Effects of kiwi fruit juice addition on sensory quality

2.1.4 猕猴桃清汁添加量对感官品质的影响 从图4可以看出,随着猕猴桃清汁添加量的增加,感官分值先是逐渐上升,在其添加量为15 mL达到最大值,此时发酵饮品综合感官评价达到峰值,饮品色泽均匀一致,香味浓郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味带有余香。而随着猕猴桃清汁添加量的继续加大,感官分值呈现缓慢下降的趋势,其原因是不完全成熟的猕猴桃呈酸味,略带涩味,而随着猕猴桃清汁添加量的增加,体系中的糖酸比下降,发酵后酸味过浓则会影响最终的感官评价,因此猕猴桃添加量控制在15 mL。

2.1.5 模糊数学综合评判确定最佳复配组合 由10人组成的综合评判小组,以复合果汁发酵饮品的口感、色泽、香气、形态为评价因素按照优、良、中、下的评价等级在食品感官评定实验室逐一对16组试样进行感官评定。感官评价结果汇总见表5。

将表5正交试验所得16组试样各评价等级所得票数折合成赞成比率,综合各样品评价因素的结果,得模糊矩阵Rj[21]。

式中：j=1,2,3……16为样品编号;ri1,ri2,ri3…ri16分别表示第i个试样评价因素各评价等级所得赞成票数的占比。

以1#复合发酵饮品试样进行举例计算:

依据模糊矩阵变换原理计算综合隶属度Yj=X·Rj,可知1#复合发酵饮品的综合评判结果为:

表5 复合发酵饮品评价要素统计结果Table 5 Statistical table of evaluations of compound fermented beverage

Y1=X·R1=(0.50,0.20,0.15,0.15)

=(0.30,0.30,0.30,0.10)

因此,通过模糊数学一级综合评判模型Yj=X·Rj,并进行归一化处理,可得模糊变换结果,即试验组各评价因素下的四个评价等级所占的票数占比[22-23],如表6所示。

表7 模糊综合评判排序结果Table 7 Results of comprehensive sequencing with normalization

表6 模糊变换结果Table 6 Results of fuzzy transform

根据隶属函数理论和最大隶属度原则对综合评判结果进行排序,结果见表7。

模糊数学综合评判排序结果表明:编号Y8(A2B4C3D2)评价等级中,优良等级占比分别为0.625和0.250,且评价等级为下的占比为0,根据最大隶属度原则,其综合评判结果为“优”,且较其余试验组更好,表明综合评判小组的绝大多数评审员认同编号Y8(A2B4C3D2)的试样配方是最佳的,即:甘蔗清汁25 mL、龙眼清汁50 mL、火龙果清汁20 mL、猕猴桃清汁12 mL,在此组合下定量复配发酵得到的饮品综合感官最为理想,饮品色泽均匀一致,香味浓郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味带有余香。

2.2 验证性试验

为确定综合评判结果的科学性、有效性,以优选组合Y8(A2B4C3D2)定量复配发酵,进行重复性验证试验,建立评价因素集U={口感u1,色泽u2,香气u3,形态u4},评价权重集X={0.50,0.20,0.15,0.15},评判等级集V={优,良,中,下}。评分统计结果见表8。

表8 要素评价统计表Table 8 Statistical table of the elements ofquality on the shark residual meat

对表8的数据进行模糊综合评判,得到模糊关系矩阵R如下:

Y=X·R=(0.50,0.20,0.15,0.15)

=(0.50,0.20,0.10,0.00)

对Y进行归一化处理得(0.625,0.250,0.125,0.000),模糊数学综合评判峰值为0.625,与之对应的指标等级为“优”。由此证明,在优选组合下定量复配发酵得到的饮品综合感官质量得到了普遍认同。

3 结论

在食品感官质量分析领域,模糊数学综合评判法基于评价因素的多元性及权重差异,运用模糊推理,将定性与定量相结合、精确与非精确相统一,使得模糊信息数值化从而进行综合评判,具有科学性和有效性[24-26]。本试验以口感、色泽、香气、形态为评价因素,结合L16(45)正交试验方案,以模糊数学综合评判优化甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁、猕猴桃清汁复配工艺参数。结果表明,复配发酵优选组合为A2B4C3D2,即:甘蔗清汁25 mL、龙眼清汁50 mL、火龙果清汁20 mL、猕猴桃清汁12 mL,在此组合下,定量复配发酵得到的饮品综合感官品质最为理想,饮品色泽均匀一致,香味浓郁、清爽,入口酸甜爽朗、滋味柔和、回味带有余香。

目前关于采用甘蔗为特色原料的饮品研究鲜有报道,有的也只是作为原料之一的简单调配,更多的是酿制果酒,本研究筛选甘蔗清汁、龙眼清汁、火龙果清汁、猕猴桃清汁进行发酵,通过微生物代谢,不仅可以提高复合发酵饮品的营养价值和保健功能,还能赋予产品新奇口味和嗜好性。对于丰富崇左特色水果的精深加工,促进当地甘蔗产业和果品产业的经济效益和社会效益具有重要的意义,同时也为利用甘蔗中的天然糖分为主要碳源的亚热带水果复合发酵工艺提供参考和理论依据。目前,市场上以甘蔗为特色原料的产品种类还比较少,且加工技术科技含量不高,经济附加值不高。本文对于饮品发酵过程中不同阶段微生物的生理指标和菌群变化以及香气成分变化还有待进一步的研究探讨。