基于模糊数学法复合茯砖茶饮料配方优化 及其香气品质分析

钟 凯，罗易萍，张天天，陈艳妮，刘硕谦,2，田 娜,2*

1.湖南农业大学 茶学教育部重点实验室/国家植物功能成分利用工程技术研究中心 湖南 长沙 410128； 2.湖南省植物功能成分利用协同创新中心，湖南 长沙 410128

茶饮料作为茶叶消费的新兴渠道，对茶叶原料等级要求不高，具有成本低、口感丰富及绿色健康等特点[22]，但目前市售茶饮料的原料主要以绿茶、红茶、乌龙茶为主，而以黑茶为原料开发的茶饮料较为少见。黑茶是六大茶类之一，经过鲜叶的杀青、揉捻、渥堆、干燥制成，在长时间的渥堆发酵过程中，微生物参与了茶叶中物质的转化，具有独特的品质特征，其中茯砖茶因为进一步的加工陈化过程，产生明显的“菌花香”香气和醇厚的口感[1]。研究表明，黑茶中含有丰富的茶多糖，在降血糖、降血脂、抗血凝、预防心血管疾病与糖尿病及抗癌等方面具有显著性效果[2-5]。龙眼是历史上推崇的四大名果之一，龙眼中的龙眼多糖具有抗炎、保护肠屏障以及去甲基化等作用[6-7]。灵芝是多孔菌科植物赤芝或紫芝的全株，现代医学研究表明，灵芝在免疫调节、保肝解毒、抗过敏和降血脂降血糖等方面有一定的作用[8-9]。茯苓为多孔菌科真菌茯苓的干燥菌核，茯苓水提物可以促进睡眠、提高免疫、抗炎抑菌及降血糖等功效[10-11]。利用黑茶中的茯砖茶为主料，配料龙眼、灵芝和茯苓，开发一种复合茯砖茶饮料，保持有浓郁的“菌花香”和醇厚的滋味品质被广大消费者喜爱。黑茶饮料产品在茶饮料的市场上有很大的发展空间。

模糊数学感官评价相较于传统的感官审评方法，可以减少评价过程中由于个人原因造成的主观误差，得到更加客观、准确的结果[12]；D-最优混料设计方法通过减少试验次数以及利用回归方程分析，比较准确的预测各因素与响应值之间的定量关系，从而获得最佳的配方或处方工艺，能起到事半功倍的效果[13]，被广泛应用于食品、化工、冶金等领域[14-16]，如捣打料成分的优化[17]、废烹饪油的酯交换过程优化[18]、功能饮料配方的优化[19]、方便粥粉配方的优 化[20]及面团配方的优化[21]等。

本试验将茯砖茶、龙眼干、茯苓和灵芝进行复配，采用模糊数学对茶饮料的色泽、香气和口感进行感官评价，利用D-最优混料设计方法寻找最优复合茶饮料配方，为开发新型黑茶饮料或其他新型食品提供技术方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茯砖茶1 级和2 级（湖南潇湘茶叶有限公司提供）；龙眼干、茯苓粉、灵芝粉（湖南中药材研究所提供）；65 μm PDMS/DVB 萃取头 （美国Supelco 公司）HH-4 数显恒温水浴锅（金坛市顺华仪器有限公司）；101-2AB 型电热鼓风干燥机（中国天津市泰斯特仪器有限公司）；TP-620A 型电子天平（中国湘仪天平仪器设备有限公司）；标准10 目筛（浙江上虞市金鼎标准筛具厂）； GC/MS-QP2010（日本岛津公司）。

1.2 复合茶饮料提取方法

茯苓粉与灵芝粉过10 目筛后，与茯砖茶、龙眼干混合，按1 ∶40 料液比加水100℃提取40 min，在茶叶审评碗中进行感官审评。

1.3 感官模糊综合评定

1.3.1 因素集、评语集、权重集的确定

本试验感官评价因素集为色泽U1、香气U2、口感U3 为评价指标，即U={ U1,U2,U3}。

本试验选择茶饮料的评语集为优V1、良V2、中V3、差V4。得到评语集V={V1,V2,V3, V4}，并且将评价等级进行分值量化，即V={10分,8 分,6 分,4 分}。

本试验采用频数统计法[23]确定各因素的权重分别为：汤色20%，香气30%，综合口感50%，即评价指标模糊权重集 a=(0.20,0.30,0.50)。

表1 复方茶饮料感官评价参照表Table 1 Reference table for sensory evaluation of compound tea beverage

表2 感官评价结果Table 2 Results of sensory evaluation

1.3.2 茶饮料感官指标评价

随机挑选出 20 名具有《评茶员》资格证书的人员组成感官评定小组，对20 组茶饮料的配方进行感官评定，并将感官评价的结果进行归一化，即得到模糊矩阵 R。评定标准见表1。

1.3.3 模糊矩阵的确立及配方优选

由20 名评价人员按标准对样品进行感官评价，得到的票数按表2 方法统计。再将各级的票数除以20 得到模糊矩阵，将设定的权重集与模糊矩阵相乘得到模糊关系评价集Y，并且用 A值作为试验配方的感官得分值，用Design Expert（V.10.0.4）进行回归分析并优选出茶饮料的最佳配方。

1.4 最优混料试验设计

1.4.1 单因素试验

茯砖茶比例对感官得分的影响：按照复合茶饮料提取方法，感官审评参照表1；固定龙眼干3.8 g、灵芝1.2 g、茯苓0.8 g，分别考察茯砖茶添加占比为22%、32%、42%、52%与62%对复合茶饮料感官得分的影响。

龙眼干比例对感官得分的影响：按照复合茶饮料提取方法，感官审评参照表1；固定茯砖茶4.2 g、灵芝1.2 g、茯苓0.8 g，分别考察龙眼干添加占比为18%、28%、38%、48%与58%对复合茶饮料感官得分的影响。

灵芝比例对感官得分的影响：按照复合茶饮料提取方法，感官审评参照表1；固定茯砖茶4.2 g、龙眼干3.8 g、茯苓0.8 g，分别考察灵芝添加占比为12%、18%、24%、30%与36%对复合茶饮料感官得分的影响。

茯苓比例对感官得分的影响：按照复合茶饮料提取方法，感官审评参照表1；固定茯砖茶4.2 g，龙眼干3.8 g，灵芝1.2 g，分别考察茯苓添加占比为8%，10%，12%，14%，16%复合茶饮料感官得分的影响。

1.4.2 D-最优混料设计优化茶饮料配方

依据单因素实验的结果，采用软件Design Expert（V.10.0.4）中的D-最优混料设计试验，以四种原料的添加量为变量，以茶饮料的感官评分为响应值，建立各因子比例与感官评分之间的回归方程。

1.5 茶饮料中挥发性成分测定

1.5.1 样品萃取

固相微萃取头经240℃老化50 min 后备用。量取茶汤样品8 mL 放入20 mL 的萃取瓶中，以四氟乙烯密封瓶口，然后将其置于80℃的恒温水浴锅内平衡40 min，将老化好的固相微萃取装置的针头穿透四氟乙烯插入萃取瓶内茶汤上方，固定好萃取装置推出萃取的针头然后开始计时，计时40 min，取出萃取装置，插入GC/MS 联用仪的进样口，在240℃下热脱附5 min。进行GC/MS 分析。

1.5.2 GC 条件

CD-WAX 弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度为240℃；流速为0.98 mL/min；升温程序：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；进样方式：不分流进样；载气：He。

1.5.3 MS 条件

EI 源，电子能量70 eV；离子源温度为200℃，界面温度为220℃，核质比扫描范围45 ～ 500 m/z。

1.5.4 定性分析

根据GC/MS 分析得到的挥发性成分的总离子色谱图，通过化源网序列号搜索，参考标准谱图，并结合茶叶香气文献资料，取相似度80%以上的挥发性成分进行定性分析。

1.6 数据处理

数据采用Microsoft excel 2010 和Design Expert（V.10.0.4）进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

根据前期大量预实验初试，将茯砖茶、龙眼干、灵芝与茯苓粉的添加范围缩小至22% ～ 62%、18% ～ 48%、12% ～ 36%、8% ～ 16%，单因素试验按照此结果进行研究。

2.1.1 茯砖茶添加比例对复合茶饮料感官得分的影响

结果见图1。当茯砖茶添加量小于42%时，随着比例的增大，茯砖茶的香气、口感逐渐优化，达到适中的水平，感官得分随之增大，而之后随着茯砖茶比例的增加，茶饮料中的茯砖茶口感掩盖了其他物质的风味，感官得分下降，因此，本试验选择茯砖茶的添加量为32% ～ 52%。

2.1.2 龙眼干添加比例对复合茶饮料感官得分的影响

结果见图2。当龙眼干比例逐渐增大时，感官得分随之增大，口感甜度达到适中的程度，而超过48%时，甜度过重，影响整体的口感，感官得分下降，因此，本试验选择龙眼干的添加量为28% ～ 48%。

图1 茯砖茶添加比例对复方茶饮料感官得分的影响Figure 1 Effect of proportion of Fuzhuan brick tea on sensory score of compound tea beverage

图2 龙眼干添加比例对复方茶饮料感官得分的影响Figure 2 Effect of proportion of longan on sensory score of compound tea beverage

2.1.3 灵芝添加比例对复合茶饮料感官得分的影响

结果见图3。灵芝呈苦涩味，当添加量在12% ～ 24%时，口感比较适中，无明显苦涩味，感官得分可以取到最大值，而之后随着比例的增大，苦涩味明显，感官得分下降，因此，本试验选择灵芝添加量为12% ～ 24%。

图3 灵芝添加比例对复方茶饮料感官得分的影响Figure 3 Effect of proportion of ganoderma lucidum on sensory score of compound tea beverage

2.1.4 茯苓添加比例对复合茶饮料感官得分的影响

结果见图4。茯苓的感官呈现不明显，无明显香气和口感，在比例增大后，会导致感官得分下降，因此，茯苓添加量选择在8% ～ 12%为佳。

图4 茯苓添加比例对复合茶饮料感官得分的影响Figure 4 Effect of proportion of poria cocos on sensory score of compound tea beverage

根据单因素试验结果，可以确定四种原料的最优添加范围分别为：茯砖茶32%≤A ≤52%、龙眼干28%≤B ≤48%、灵芝粉12% ≤C ≤24%、茯苓粉8%≤C ≤12%，并且保证A+B+C+D=1。

2.2 茶饮料感官评价

以软件给出的第一组配方为例，茯砖茶3.8 g、龙眼干3.4 g、灵芝粉1.8 g、茯苓粉1 g，将评价人员给出的票数进行统计得到表3，将各级票数除以20 可以得到模糊矩阵R1，同理可得其余19 组的模糊矩阵。

表3 感官评价结果Table 3 Results of sensory evaluation

根据公式

归一化得到Y1={0.454, 0.306, 0.214, 0.026}，同理得到其余19 组的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-最优混料设计优化复方茶饮料配方结果

2.3.1 混料试验设计

以四种原料的添加量为自变量，感官得分为响应值，采用D-最优混料试验设计优化配方，结果见表4。

利用 Design Expert（V.10.0.4） 软件，试验模型采用 Scheffe 不完全三次多项式对感官评分值进行回归拟合，建立回归模型：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。

对回归模型进行方差分析见表5。结果表明模型具有显著差异性（p ＜ 0.01），说明在不同配方的情况下感官评分也存在显著性差异。决定系数R2 = 0.9901，说明感官评分的变异99%是由于变量（A,B,C,D）引起的，其中AB、AC、BC、CD、ABD、ACD 与BCD 对感官评分影响极显著（p ＜ 0.01），ABC 对感官评分影响显著（p ＜ 0.05），校正后的判定系数R2adj= 0.9687 说明模型方程很好的拟合了四个因素与感官评分之间的关系。失拟项为0.2572 不显著（p ＞ 0.05），该模型拟合程度较好，误差较小，因此可以用该模型来确定黑茶、龙眼干、灵芝和茯苓与感官评分之间的关系。

表4 最优混料试验方案与结果Table 4 The experimental scheme and results of Mixture-DOptimal

2.3.2 交互因子的响应面图

混料设计可以通过各组分的三元等高线图更直观地观察四种原料对感官评分的影响，由于茯苓的添加占比较少，因此固定茯苓的添加量，观察其他三种原料对符合茶饮料感官评分的影响，如图5 所示。响应图为曲面，说明随着三种原料的增加感官评分随之升高，当增加到一定比例时，感官评分达到最大，而当添加量超过一定比例时，感官评分反而降低，可能是因为比例不协调，导致其中的风味口感不佳，评分下降；观察等高线图呈椭圆形，可以判定三种原料对感官评分具有显著性影响。

2.4 复方茶饮料的配方优化

利用软件的最优化功能对复方茶饮料配方进行寻优，给出的5 组配方和预测值，按照本文中的模糊数学感官评定打分并且进行验证实验，得到的实际值见表6 所示。结果表明，由软件给出的最佳复方茶饮料配方即感官评分可以达到9.21，与软件预测值9.36 接近。

2.5 茶饮料挥发性成分

利用GC-MS 分析固相微萃取法检测茶饮料中的挥发性成分，通过化源网序列号搜索，参考标准谱图，并结合茶叶香气文献资料，取相似度80%以上的挥发性成分进行定性分析，结果见表7。

表5 方差分析与显著性检测Table 5 Analysis of variance and significance test

表7 说明，自制茶饮料中的主要挥发性成分一共检测出47 种成分，其中主要香气成分有正己醛（2.17%）、罗勒烯（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%）、水杨酸甲酯（1.72%）、香叶基丙酮（3.46%）、反,反-2,4-癸二烯醛（1.92%）、α-紫罗兰酮（2.26%）、β-紫罗兰酮（3.16%）、邻苯二甲酸二异丁酯（2.33%）等。烷烃类化合物有10 种、烯烃类化合物有2 种、醛类化合物有11 种、酯类化合物有8 种、酮类化合物有8 种、醇类化合物有6 种及酚类化合物有2 种，以花香果香等愉悦香气为主的香气成分相对含量达43.41%

图5 茯砖茶(A)、龙眼干(B)、灵芝粉(C) 与感官评分的三维曲面（左）和等高线（右）图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 回归模型优化的组合Table 6 Optimium groups of compound from regression equation

3 结论与讨论

随着经济社会的发展与物质生活水平的提高，使得人们对饮品的需求发生了深刻的变化，由单纯的解渴型转变为营养功能保健型，并且趋向于无糖、低钠、无咖啡因、无化学添加剂、无合成色素的天然型饮料，尤其是与药食同源型植物复配的功能型茶饮料深受消费者们的青睐[24-25]。目前对黑茶饮料的研究主要在果茶饮料的开发和纯茶饮料的开发，李摇摇等人以青砖茶、新鲜苹果汁、西瓜汁和菠萝汁研究的黑茶饮料色泽清透，且香气较佳[26]；甄润英等人研究的黑茶饮料配方为80 mL/100 mL 黑茶汁、8 g/100 mL 白砂糖与0.07 g/100 mL 蜂蜜，此条件下的黑茶饮料口感细腻柔和，清爽顺滑，香气浓郁，色泽清亮[27]；康乐宁在茯砖茶中添加0.03%柠檬酸、0.04%脱苦甜菊糖与0.03%VC，调配后的饮料保持了茯茶特有的菌香和独特风味[28]。本文通过模糊数学感官审评结合D-最优混料设计方法优化后的配方：茯砖茶40.2%、龙眼干36.2%、灵芝粉15.6%、茯苓粉8%，茶饮料色泽红浓明亮，不仅有茯砖茶独特的“菌花香”，还带有花果香和龙眼的甜香，香气浓郁

持久，滋味醇厚，甜度适当，无苦涩味，口感丰富。

表7 茶饮料中的挥发性香气成分Table 7 Volatile aroma components in tea beverage

利用固相微萃取法GC-MS 分析得到茶饮料中的挥发性成分有47 种，主要由烯烃类、烷烃类、酚类、醛类、酯类、酮类与醇类化合物组成，其中醛类为主要的呈香化合物，含量较高的呈香物质有正己醛、壬醛、芳樟醇、葵醛、3-壬烯-2-酮、水杨酸甲酯、香叶基丙酮、反,反-2,4-癸二烯醛、α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮等，这些化合物大都带有较浓的花果香。与沈程文等研究黑茶“菌花香”的主要物质是水杨酸甲酯、己醛、芳樟醇及其氧化物、棕榈酸乙酯、反,反-2,4-癸二烯醛、紫罗酮、香叶基丙酮等物质可能在形成茯砖茶品质特征起主要作用[29]的研究结果一致；而其他含量较高的呈香物质如罗勒烯、辛醛、庚醛等物质可能是呈龙眼香气的主要化合物，与胡文舜等人在龙眼果实种检测到的香气成分基本一致[30]。此外，呈香物质如藏红花醛、反-2-辛烯醛、3-壬烯-2-酮、松油醇、金合欢醇、亚油酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯等存在，使得自制茶饮料中具有独特的花果香和甜香。

综上说明通过模糊数学结合D-最优混料设计方法优化的复合茶饮料配方稳定可行，可为其他茶饮料或食品的配方优化或开发提供技术支撑。