基于模糊数学感官评价的杂粮馒头配方优化及低GI验证

刘士伟，王成祥 ，段盛林, ，张美娜，王 玺，马芙俊，赵鑫燕，李海枝

（1.中国食品发酵工业研究院有限公司，北京 100015；

2.功能主食创制与慢病营养干预北京市重点实验室，北京 100015；

3.河北同福健康产业有限公司，河北石家庄 051430）

随着人口老龄化进程加快，国家针对糖尿病高发的医疗负担逐渐增加。近几年，国家及卫生医疗机构开展了一系列针对糖尿病的防控工作，并颁布了《中国糖尿病膳食指南2017》。同时，为了有效控制血糖，食物血糖生成指数（glycemic index，GI）的概念开始推广应运，低GI食品的研发逐渐成为当前的研究热点。

馒头是我国人民喜爱的传统主食之一，起源于三国时期。馒头根据南北方的差异，制作工艺有所不同，但其主要还是由小麦粉加水发酵蒸制而成。由于现今人们生活水平的普遍提高，主食馒头的成分及营养的单一化已无法满足人们的需求。研究发现苦荞中的淀粉是以支链淀粉为主，富含膳食纤维，适量补充膳食纤维可有效预防由营养结构不平衡引起的肥胖和糖尿病等相关疾病。青稞中的主要成分是淀粉等碳水化合物，蛋白质含量较高，氨基酸、矿物质种类齐全，因此，苦荞、青稞等原料被广泛应用到馒头制作中。2009年路长喜等就通过在主食馒头中添加不同比例的苦荞麦粉，最后研发了一款品质优良，营养价值高且具备小麦和苦荞独具的天然清香的苦荞麦馒头。潘冬梅等采用单因素和正交试验研究了添加黑米粉、绿豆粉、玉米粉、红豆粉的粗粮玫瑰馒头的配方工艺，最后研发出一款具有玫瑰造型的保健杂粮馒头。因此，研发一款营养丰富且具有保健功能的杂粮馒头已成为现今主食研究热点之一。

本文以高筋小麦粉为主要原料，复配马铃薯粉、苦荞粉、青稞粉、黄豆粉、鹰嘴豆粉等原料，通过建立模糊数学模型，对配方进行感官评价，并对其进行GI人体验证，以期研发出一款GI值较低，口感较好的杂粮馒头。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高筋小麦粉 古船食品工业有限公司；马铃薯粉 希森马铃薯产业集团有限公司；苦荞粉 昆明五谷王食品有限公司；青稞粉 西藏金谷农业高科有限公司；黄豆粉 黑龙江北纯农产品开发有限公司；鹰嘴豆粉 新疆天山奇豆生物科技有限责任公司；水苏糖 中国食品发酵工业研究院有限公司；桑叶提取物 博仲盛景医药技术（北京）有限公司；高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司。

HM740和面机 青岛汉尚电器有限公司；SEG-1Y-S醒发箱 江苏三麦食品机械有限公司；PL203型电子精密天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；；AU480全自动生化分析仪 贝克曼库尔特实验系统（苏州）有限公司；普通蒸锅 美的集团股份有限公司；KDY-9820自动凯氏定氮仪 南京威美特科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 低GI杂粮馒头制备工艺 杂粮馒头的具体工艺流程如下：

干粉混合→和面→一次醒发→整形→二次醒发→蒸制→冷却→杂粮馒头

通过预实验以及文献调研确定马铃薯粉、苦荞粉、桑叶提取物以及水苏糖的添加量分别为：2%、3%、1.5%和0.8%；将其与高筋小麦粉、青稞粉，黄豆粉、鹰嘴豆粉干混，之后在混合原料的基础上添加酵母粉（约占干粉质量0.7%）；用和面机以50 r/min低速搅拌干粉，边搅拌边加入温水（约占干粉质量50%），再以112 r/min高速搅拌约10 min，使之形成光滑均匀的面团；将该面团置于35 ℃、湿度75%～80%的醒发箱，发酵1 h，使其内部充满气孔；将一次发酵好的面团分割成120 g左右面团，搓圆；整形好的面团再次置于醒发箱发酵15 min；二次醒发好的面团放进蒸锅，上汽后蒸20 min；蒸制完成后，在锅中降温5 min后取出使之自然冷却。

1.2.2 杂粮馒头蛋白、脂肪、碳水化合物含量测定杂粮馒头碳水化合物含量（g/100 g）=100-（脂肪+蛋白质+水分+灰分+粗纤维）；蛋白、脂肪、水分、灰分、纤维测定分别参照国标 GB/T 23530-2009、GB 5009.6-2016、GB 5009.3-2016、GB 5009.4-2010和GB/T 5009.10-2003方法测定。

1.2.3 模糊数学感官评价方法建立

1.2.3.1 评价指标集的确定 以低GI杂粮馒头外观形态、质地、适口性和滋味为评价指标。

1.2.3.2 评价指标集权重系数的计算 本研究采用问卷调查方法进行权重系数的计算。主要是针对上文确定的评价指标集，对调查结果按照重要程度进行排序。将各指标给予相同重要程度的人数除以全部人数，即可得到某一指标的权重Xi。各项权重的计算公式如下。

式中：X—为第i个指标的权重；a—为指标赋值；n—为选择第i个指标的重要程度为j的人数；N—为参加的总人数。

1.2.3.3 评价对象集的确定 将需要进行评价的产品集合定义为Y，Y即为评价对象集，则通过正交实验设计产生的测评产品 Y={Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y}。Y代表对 9 种样品的综合评价，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.2.3.4 评语集的确定 设定特定分值区域，并与评价集相对应，可将最终结果量化为具体评分。首先设定评语集为：V={V，V，V，V}；V=很好，V=良好，V=一般，V=较差。根据清晰质量等级边界模糊化法将分值区域清晰化，即取区域的中心值得到对应的分值，见表1。

表1 评语集与分值区域对应表Table 1 The corresponding table of evaluation sets and score areas

1.2.3.5 模糊矩阵的形成 评价人员分别对正交设计实验所得的产品从上述的产品评价指标集内容的各个角度进行品评。将结果汇总于馒头品质评价统计表中，然后将相同评语的人数除以总人数得到隶属度，形成评价矩阵R。

评价人员在品评前1 h不吸烟、不吃东西、但可以喝水，品评期间具有正常的生理状态，不使用化妆品或其他有明显气味的用品。每次品评包括4份样品（包含1份参照样品和3份待品评样品）。每位评价人员每天最多做2次品尝，且时间安排在饭前1 h或饭后2 h进行。其中，参照样品为事先选出3份实验样品，经过馒头制作，由评价人员进行3次品评，选出色、香、味正常，综合评分在80左右的样品1份，作为每次品尝的参照样品。

1.2.3.6 模糊评判方法 依据模糊变换原理：Y=X○R其中，Y为上述的评价对象集，是对样品的综合评价集；X为权重集；R为评价矩阵；○为广域模糊算子。

式中： Y=(X×r)∨或∧(X×r)···(X×r)。这里“∨”表示两者相比较后取较大者，“∧”表示两者相比较较小值，根据低GI杂粮馒头感官评价的各指标之间的关系，二级和三级因素的模糊变换根据最大运算法则选取“∨”，而最外层蒸煮前、后一级因素之间的模糊变换根据最小运算法则选取“∧”。最后根据评语集与分值区域相对应表中的分值，将综合品评结果转换为相应的分值，作为结果带入正交试验。

1.2.4 正交试验 实验室前期对影响杂粮馒头品质的主要因素进行试验，发现青稞粉、黄豆粉以及鹰嘴豆粉会影响馒头的质构特性和比容。当青稞粉添加量达到10%以上时，杂粮馒头风味品质变差，并且杂粮馒头较硬；黄豆粉中富含大豆蛋白与脂肪，适当增加黄豆粉能改善硬度与弹性，且当添加量为10%时，可使馒头富有黄豆的香气；鹰嘴豆粉当其添加量达到8%时，杂粮馒头的感官评分在81.2～87.8之间，是制作杂粮馒头的一种优质配料。

因此，本试验选取制备杂粮馒头的条件为：5%青稞粉、10%黄豆粉和8%鹰嘴豆粉，之后选取青稞粉、黄豆粉、鹰嘴豆粉做三因素三水平的正交试验，确定优化配方。正交试验因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平设计Table 2 Factor level table of orthogonal test

1.2.5 低GI杂粮馒头GI人体测试 低GI杂粮馒头GI人体测试方法依据参考ISO26642:2010《Food products-Determination of the glycaemic index（GI）and recommendation for food classification》和 WS/T 652-2019《食物血糖生成指数测定方法》。

测试对象及方法：本次测试随机选取受试者12人，人均身体质量指数（body mass index, BMI）在18.5～24范围以内，身体健康，无代谢疾病以及近3个月内未患病以及未服用影响糖代谢等药物，并且在测试前一晚禁止食用影响血糖的食物。所有受试者均采用指尖采血方法于15、30、45、60、90、120 min不同时间点分别收集血样，利用全自动生化仪及时测定血糖浓度。受试者在实验前均签署知情同意书（伦理审查编号为HS-1763）。

根据GI的分类标准，当血糖指数在55以下时，可认为该食物是低GI食物；血糖指数在55～70之间时，为中等GI食物；血糖指数在70以上时，为高GI食物。GI值计算时，需以时间为横坐标，各时点血糖值为纵坐标，制作血糖应答曲线，计算血糖曲线下面积。具体公式如下：

1.3 数据处理

采用SSPS 24.0统计软件进行分析，结果用于表示并对实验结果进行配对t检验，＜0.05为差异性显著。

2 结果与分析

2.1 杂粮馒头基本营养成分测定

根据国标法检测得到杂粮馒头的蛋白、脂肪含量分别为12.2、2.6 g/100 g，碳水化合物含量为69.3 g/100 g。

2.2 低GI杂粮馒头模糊感官评价方法制定

2.2.1 低GI杂粮馒头感官评价的评价因素及各项权重 通过统计分析调查的数据，确定出低GI杂粮馒头感官评价的评价因素及各项权重，见下表3。

表3 品评标准及权重计算结果Table 3 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 模糊评判隶属度的确定 通过对7名专业人员对9个正交实验样品的评价结果的统计，得出评语隶属度。其中1号样品的隶属度结果如下表4。其余样品依照同样方式进行统计。

表4 1号样品各项指标的隶属度Table 4 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 评价结果计算 对于指标“外观”A，按模糊变换法则，经模糊变换得出其评价结果为：

归一化得，

同理可以计算出，

进而得到样品1的评价隶属度矩阵R：

根据最小计算法则，采用“∧”运算获得1号样品的评价集：

归一化得：

根据表4，得出 1号样品得分=95×0.237+85×0.330+70×0.288+30×0.144=75.1（分）。同理，计算其他样品得分。9个实验样品评价得分见表5。

表5 样品得分表Table 5 Sample score table

2.3 正交试验结果

根据极差分析（见表6）可以初步确定影响低GI馒头品质的3个因子的主次顺序为B（黄豆粉）＞A（青稞粉）＞C（鹰嘴豆粉）。结合方差分析即表7综合研究，可以发现：青稞粉、黄豆粉和鹰嘴豆粉对感官评分都具有极显著影响（＜0.01）。基于上述模糊数学感官评价，发现当青稞粉添加量5%，黄豆粉添加量10%，鹰嘴豆粉添加量8%的评分最高（82.30），即为最佳组合。后续则选择此比例进行GI测试。

表6 低GI杂粮馒头L9（34）正交试验设计及结果Table 6 Orthogonal experiment design and results of low-GI multigrain steamed bread L9 (34)

表7 低GI杂粮馒头正交试验方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiment on multigrain steamed buns with low GI

2.4 杂粮馒头的GI人体测试结果

杂粮馒头餐后血糖浓度的变化与50 g葡萄糖进行比较，如图1所示。在0 min时，葡萄糖和杂粮馒头的空腹血糖浓度均在正常值范围之内；在30 min时，葡萄糖和杂粮馒头的血糖浓度升高至峰值，之后两者都持续下降，且从15 min到60 min，杂粮馒头的血糖浓度皆低于葡萄糖；相比50 g葡萄糖，杂粮馒头餐后血糖浓度变化趋势较为稳定。

图1 受试物的血糖应答曲线Fig.1 Glucose response curve of subjects

碳水化合物食物水解后释放的单糖消化吸收速度可以用GI值来表示。表8为受试者GI测试结果。经过统计计算，GI平均值为50.48，标准差SD为15.93，因此，与普通馒头GI值为80（数据来源于GI营养工作室）相比，杂粮馒头属于低GI食品，食用后可以起到平稳血糖的效果，适用于糖代谢异常人群。

表8 受试者测得杂粮馒头的GITable 8 Subjects measured GI of multigrain steamed bread

3 结论

本研究中以高筋小麦粉、马铃薯粉、苦荞粉、青稞粉、黄豆粉、鹰嘴豆粉等为原料，后添加桑叶提取物、水苏糖两种成分，选取外观（色泽、颜色均匀度、光滑度），质地（软硬度、气孔均匀度），适口性（粘性、弹性、咬劲），滋味（香气、有无异味）为评价指标，建立了模糊数学感官评价方法，确定杂粮馒头的最佳配方为：69.7%高筋小麦粉、2%马铃薯粉、3%苦荞粉、5%青稞粉、10%黄豆粉、8%鹰嘴豆粉、1.5%桑叶提取物、0.8%水苏糖。在此条件下配方的感官得分为82.3，GI值为50.48。感官评分和GI值表明，试验所研发的杂粮馒头是一款颜色均匀，软硬适中，GI值较低的杂粮馒头。

本研究通过感官评价以及GI测试，研发了一款口感较好的低GI杂粮馒头，弥补了市面上普通馒头高碳水化合物的缺点，适合控糖人群食用。