模糊数学评价结合响应面法优化黄芪党参保健米酒发酵工艺及抗氧化性

朱 玲，游新侠，胡航伟

（郑州科技学院 食品科学与工程学院，河南 郑州 450064）

米酒又称酒酿、甜酒，旧时叫“醴”，我国米酒酿造历史至少长达5 000年[1]。米酒含有多种氨基酸、生物活性肽、有机酸、功能性低聚糖、微量元素等，具有较高的营养价值以及活血通脉、防病御寒、滋补益气、健脾开胃等保健功效[2]。传统米酒使用原料及口感单一，难以满足消费者对米酒多种口味和营养保健作用的需求[3]。为了丰富米酒营养和保健价值，近些年研究者开发了多款新型米酒，如花卉米酒[4]、苹果黑枸杞复合米酒[5]、猕猴桃米酒[6]、金蟾花米酒[7]、银杏米酒[8]等。功能性米酒不仅具有更丰富的口感，也更益于人类健康，其已逐渐成为如今米酒的发展趋势，具有广泛发展潜力与市场前景。

米酒主要原料为糯米，糯米含有钙、磷、铁、脂肪、维生素B1、维生素B2及烟酸等丰富的营养物质[9]。黄芪（Astragalus memeranaceusFisch.）属药食同源物质，含有丰富的黄芪多糖、皂苷、黄酮等有效成分，此外，还含有多种氨基酸、维生素、叶酸、核黄素等[10-11]，具有补气升阳、抗血栓、降血糖、抗肿瘤、抗氧化、提高免疫力等功效[12-15]。杨小敏等[16-17]研究发现，黄芪皂苷可增强巨噬细胞的免疫作用，对预防糖尿病、肾病具有一定的保护作用；齐彦爽等[18]研究发现，黄芪中总黄酮具有抑制肿瘤的作用。党参（Codonopsis pilosula）也为药食同源类物质，其主要含有党参苷、党参多糖、黄酮类、植物甾醇、黄芪皂苷、生物碱及其他微量元素等[19]，具有增强免疫力、抗癌、增强机体造血功能、降低血糖、调节肠道菌群、抗氧化等作用[20-23]。因此，在传统米酒酿造基础上添加黄芪和党参提取液，既能改善米酒的口感，又能提升米酒的营养价值和保健功能以及产品竞争力。

本研究以糯米为主要原料，添加黄芪和党参提取液，以甜酒曲为发酵剂，开发一款保健型米酒，通过单因素试验、模糊数学评价结合响应面法优化黄芪党参保健米酒发酵工艺，并对其抗氧化活性进行研究，以期为糯米和药食同源食材的深加工及丰富米酒市场开辟新的途径。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

糯米、甜酒曲、黄芪、党参：市售；酚酞、氢氧化钠、盐酸、硫酸铜、亚甲蓝、酒石酸钾钠、乙酸锌、冰乙酸、亚铁氰化钾、过硫酸钾（均为分析纯）、没食子酸标准品、芦丁标准品（纯度均＞98%）：国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1- diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）（纯度＞97%）、2,2'-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（2,2'-azinobis-（3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate），ABTS）（纯度≥98%）：合肥巴斯夫生物科技有限公司；MRS培养基、MC培养基：青岛高科技工业园海博生物技术有限公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

NJR-N5打浆机：南极人厨房家电厂；WFF-26A食品发酵箱：广州市泓锋食品机械有限公司；pH-3C型pH计：上海仪电科学仪器股份有限公司；LAL1T酒精计：青岛拓科仪器有限公司；TDL-50B台式离心机：上海安亭科学仪器厂；UV-4800H型紫外可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黄芪党参保健米酒发酵工艺流程及操作要点[24]

洗米→浸米→蒸米→摊晾→拌曲搭窝→发酵→脱醇→灌装→杀菌→冷却→成品

操作要点：

原料预处理：挑选优质糯米（要求颗粒饱满、无异物）淘洗2～3次，再将糯米浸泡于清水至用手容易捏碎为止；选取优质黄芪、党参，去除其中杂质，分别按照文献[25-26]制备黄芪、党参提取液，冷藏备用。

蒸制：将浸泡好的糯米置于蒸锅中，蒸制30 min，至米粒饱满膨胀、颗粒松散、质地柔软即可。

摊晾：倒出熟糯米置于已消毒的盆中，冷却至30 ℃左右。

拌曲搭窝：取一定质量的糯米，并以糯米质量为基准加入2%黄芪提取液、5%党参提取液及0.4%甜酒曲[27]，之后加入纯净水80%[28]，最后将料液搅拌均匀置于发酵容器中。

发酵：将发酵容器置于恒温发酵箱中，30 ℃恒温发酵48 h[29]。

脱醇：将发酵好的米酒置于旋转蒸发仪中，控制蒸发温度为80 ℃，蒸发至接收瓶内不再有液体流出为止。

灌装、杀菌、冷却：参考艾晓莉等[29]灭菌方法，将米酒灌装于玻璃罐中，密封，于75 ℃温度下杀菌30 min，冷却，得到黄芪党参保健米酒成品。

1.3.2 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化单因素试验

以不溶性固形物、总酸、还原糖、酒精度、感官评分为评价指标，采用单因素轮换法分别考察发酵时间（40 h、44 h、48 h、52 h、56 h）、酒曲添加量（0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%）、黄芪提取液添加量（0、2%、4%、6%、8%）、党参提取液添加量（0、5%、10%、15%、20%）对黄芪党参保健米酒品质的影响。

1.3.3 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化响应面试验

以单因素试验结果为依据，选取对结果影响较大的发酵时间（A）、酒曲添加量（B）、党参提取液加量（C）为自变量，选用模糊数学评分为响应值（Y），采用Design-Expert 8.0.6.1设计3因素3水平的响应面试验，Box-Behnken试验因素与水平见表1。

表1 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for fermentation process optimization of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

1.3.4 黄芪党参保健米酒的感官评价

选取10人组成感官评定小组，对所得黄芪党参保健米酒的色泽、气味、滋味、组织状态四方面进行评价，总分100分，具体感官评价标准见表2[30]。

表2 黄芪党参保健米酒感官评价标准Table 2 Sensory evaluation criteria of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

1.3.5 模糊数学评价法

（1）因素集及评语集的建立

参考贾庆超等[31]模糊数学评价模型建立方法，以滋味（M1）、气味（M2）、色泽（M3）和组织状态（M4）4个感官评价指标组成黄芪党参保健米酒的评价因素集，即M=（M1，M2，M3，M4）。以优（N1）、良（N2）、中（N3）、差（N4）组成对黄芪党参保健米酒每个因素的评语集，即N=（N1，N2，N3，N4）。

（2）权重集的确定

对影响黄芪党参保健米酒的因素项目重要性进行打分，重要因素得1分，不重要的因素得0分，统计结果除以100即为权重，权重分布见表3。

表3 各评价因素的权重分布Tab 3 Weight distribution of evaluation factors

根据表3确定权重集为P=（P1，P2，P3，P4）=（0.35，0.30，0.25，0.10），其中P1、P2、P3、P4分别为黄芪党参保健米酒滋味、气味、色泽、组织状态的权重。

（3）模糊矩阵的建立及评价结果的确定

按照黄芪党参保健米酒的滋味、气味、色泽、组织状态这4个因素进行感官评价，统计各因素在各等级中的票数，然后根据所得票数得出感官评价模糊关系矩阵。

其中，k=1，2，3，4，5，…n为样品编号，每一行代表每一个指标的评价数据结果。根据黄芪党参保健米酒的模糊数学评价模型Qk=P×Mk得到第k号样品的感官评价集，将评价集Qk与等级分数优（95）、良（85）、中（75）、差（65）相乘后求和得模糊数学评分Y。

1.3.6 抗氧化活性成分含量及抗氧化活性的测定

总黄酮及多酚含量测定：参考胡佳慧等[32]的方法；DPPH自由基清除能力的测定：参考汪涛等[33]的方法；ABTS自由基清除能力的测定：参考闫世芳等[34]的方法。

1.3.7 理化指标的检测

总酸含量的测定：参考GB 12456—2021《食品安全国家标准食品中总酸的测定》[35]第一法；还原糖含量的测定：参考GB 5009.7—2016《食品安全国家标准食品中还原糖的测定》[36]第一法；酒精度的测定：参考GB 5009.225—2016《食品安全国家标准酒中乙醇浓度测定》[37]第二法酒精计法；pH的测定：使用pH计；可溶性固形物含量的测定：参考GB/T 12143—2008《饮料通用分析方法》[38]。

1.3.8 微生物指标的测定

菌落总数的测定：参照GB 4789.2—2022《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》[39]；大肠菌群的测定：参照GB 4789.3—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》[40]。

1.3.9 数据分析及处理

每个试验重复3次，结果用“平均值±标准差”表示。利用SPSS 21.0软件和Origin 8.0对数据进行处理，利用Design-Expert 8.0.6.1对试验进行设计并进行数据建模处理。

2 结果与分析

2.1 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化单因素试验

2.1.1 发酵时间对黄芪党参保健米酒品质的影响

由图1可知，随着发酵时间在40～56 h内增加，酒精度、总酸及还原糖含量呈上升趋势，不溶性固形物含量呈缓慢下降趋势，感官评分呈先升高后下降的趋势。当发酵时间为48 h时，感官评分最高，为82分，此时酒精度为4.03%vol，不溶性固形物含量为40.2%，总酸含量为4.12 g/L，还原糖含量为25.0 g/100 g。分析原因可能是，米酒发酵时间过短，淀粉未能充分转化为糖类物质，葡萄糖也大多未转化为酒精，酒精度过低，未能体现米酒原有的发酵香味；发酵时间过长，较多的葡萄糖转化为乙醇，酒精度较高，导致米酒酒精味过重，影响酒液口感[40]。因此，确定最适发酵时间为48 h。

图1 发酵时间对黄芪党参保健米酒品质的影响Fig.1 Effect of fermentation time on quality of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

2.1.2 酒曲添加量对黄芪党参保健米酒品质品质的影响

由图2可知，随着酒曲添加量在0.2%～0.6%范围内增加，酒精度、总酸及还原糖含量整体呈上升趋势，不溶性固形物含量呈缓慢下降趋势，感官评分呈先升高后下降的趋势。当酒曲添加量为0.3%时，感官评分最高，为83分，此时酒精度为4.05%vol，不溶性固形物含量为40.5%，总酸含量为4.06 g/L，还原糖含量为24.5 g/100 g。分析原因可能是，酒曲添加量过低，米酒发酵香味较淡，不能使糯米充分发酵，糖度低，酸甜味不明显；酒曲添加量过高，糯米发酵反应过快，酒精度偏高，酒味浓重，感官评分降低[27，30]。因此，确定酒曲最适添加量为0.3%。

图2 酒曲添加量对黄芪党参保健米酒品质的影响Fig. 2 Effect of koji addition on quality of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

2.1.3 黄芪提取液添加量对黄芪党参保健米酒品质的影响

由图3可知，随着黄芪提取液添加量在0～8%范围内的增加，还原糖含量逐渐增加，酒精度、总酸及不溶性固形物含量无明显变化，感官评分呈先升高后降低的趋势。当黄芪提取液添加量为4%时，感官评分最高，为84分，此时酒精度为4.15%vol，不溶性固形物含量为38.0%，总酸含量为4.06 g/L，还原糖含量为25.3 g/100 g。分析原因可能是，黄芪提取液添加量过低，黄芪特有的风味不明显；但黄芪提取液添加量过大时，黄芪多糖的存在可能影响了米酒本身的品质与口感，导致米酒口感发涩，感官评分降低[27]。因此，确定黄芪提取液最适添加量为4%。

图3 黄芪提取液添加量对黄芪党参保健米酒品质的影响Fig. 3 Effect of Astragalus memeranaceus extract addition on quality of A. memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

2.1.4 党参提取液添加量对黄芪党参保健米酒品质的影响

由图4可知，随着党参提取液添加量在0～20%范围内增加，还原糖含量逐渐增加，酒精度、总酸及不溶性固形物含量无明显变化，感官评分呈先升高后降低的趋势；当党参提取液添加量为15%时，感官评分最高，为87分，此时，酒精度为4.12%vol，不溶性固形物含量为38.8%，总酸含量为4.13 g/L，还原糖含量为25.9 g/100 g。分析原因可能是，党参提取液添加量过低时，党参香味和滋味不足，感官评分较低；但党参提取液添加量过高时，因为低聚糖、多糖是党参中主要成分之一，米酒甜味增加，同时党参的草药味较明显，米酒口感不协调[41]。因此，确定党参提取液最适添加量为15%。

图4 党参提取液添加量对黄芪党参保健米酒品质的影响Fig. 4 Effect of Codonopsis pilosula extract addition on quality of Astragalus memeranaceus and C. pilosula health rice wine

2.2 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化响应面试验

2.2.1 模糊数学评价

根据单因素试验结果，选取发酵时间（A）、酒曲添加量（B）、党参提取液添加量（C）对感官评分影响较大的因素为自变量，以模糊数学评分（Y）为响应值，采用软件Design-Expert 8.0.6.1设计3因素3水平的响应面试验，共17组试验，试验组各指标的投票结果见表4。

表4 黄芪党参保健米酒感官评价票数分布Table 4 Distribution of sensory evaluation votes of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

依据表4中的数据建立模糊评价矩阵，取每个因素得票数除以参与感官评价的总人数10，即可得到各个模糊矩阵M1～M17。如：1号试验产品滋味评价为“优”的人数为2，评价为“良”的人数为2，评价为“中”的人数为1，评价为“差”的人数为5，因此M滋味=（0.2，0.2，0.1，0.5），同理可得M气味=（0.1，0.1，0.1，0.7），M色泽=（0.1，0.1，0.1，0.7），M组织状态=（0.1，0.1，0.1，0.7），通过此方法可得矩阵M1；

同理可得M2～M17。

权重集P=（0.35，0.30，0.25，0.10），依据矩阵相乘原理，得1号试验的模糊关系评价集Q1=P×M1=（0.135，0.135，0.10，0.63），将与赋予评价集Q1与等级分数优（95）、良（85）、中（75）、差（65）相乘后求和，即为1号试验的感官评分Y1=0.135×95+0.135×85+0.1×75+0.63×65=72.75，同理可得出2～17号试验号感官得分Y2～Y17。

2.2.2 响应面试验结果

响应面试验设计及结果见表5，方差分析见表6。

表5 黄芪党参保健米酒发酵工艺优化响应面试验设计及结果Table 5 Design and results of response surface tests of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

表6 回归模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

采用Design-Expert 8.0.6.1对表5结果进行多元回归拟合分析，得到二次多项回归方程：Y=90.92+1.42A+0.87B+0.47C+0.36AB+1.35AC-0.94BC-10.10A2-6.06B2-3.0C2

由表6可知，模型的F值为63.43，P值＜0.000 1，极显著；失拟项P值=0.444 7＞0.05，不显著，说明试验模型与试验结果拟合度高。决定系数R2=0.987 9，校正决定系数R2adj=0.972 3，说明此回归模型与试验数据拟合程度高度重合，可以很好地反映试验真实值，因此，可用于黄芪党参保健米酒的工艺优化预测及分析。由P值可知，交互项AC对黄芪党参保健米酒模糊数学评分影响显著（P＜0.05），一次项A、二次项A2、B2、C2对黄芪党参保健米酒模糊数学评分影响极显著（P＜0.01），其他项对结果影响不显著（P＞0.05）。由F值可知，三个影响因素对黄芪党参保健米酒模糊数学评分的影响程度大小为：发酵时间（A）＞酒曲添加量（B）＞党参提取液添加量（C）。

2.2.3 响应面试验交互作用分析

发酵时间与党参提取液添加量间交互作用对黄芪党参保健米酒模糊数学评分影响的响应曲面及等高线见图5。

图5 发酵时间与党参提取液添加量间交互作用对黄芪党参保健米酒模糊数学评分影响的响应面及等高线图Fig. 5 Response surface plots and contour line of the effects of interaction between fermentation time and Codonopsis pilosula extract on fuzzy mathematical score of Astragalus memeranaceus and C. pilosula health rice wine

由图5可知，发酵时间（A）与党参提取液添加量（C）间交互作用对黄芪党参保健米酒模糊数学评分影响的响应曲面呈凸形，等高线为椭圆形，说明交互作用明显[42]，与方差分析结果一致。

2.2.4 响应面试验分析结果

采用Design-Expert 8.0.6.1软件对二次多项回归方程求解，得出黄芪党参保健米酒的最佳发酵工艺为发酵时间48.2 h，酒曲添加量0.31%，党参提取液添加量15.4%。在此条件下，模糊数学评分理论值为91.3分。考虑到实际可操作性，将最优发酵工艺条件调整为发酵时间48 h、酒曲添加量0.3%、党参提取液添加量15%。在此条件下进行3次平行验证试验，其模糊数学评分平均实际值为90.8分，与预测值相差不大，表明采用响应面法优化得到的黄芪党参保健米酒工艺条件可行。

2.3 黄芪党参保健米酒产品品质分析

2.3.1 理化及微生物指标

对最佳工艺条件下制作的黄芪党参保健米酒进行理化指标和微生物指标检测，结果见表7。

表7 黄芪党参保健米酒的理化指标及微生物指标Table 7 Physicochemical indexes and microbial indexes of Astragalus memeranaceus and Codonopsis pilosula health rice wine

由表7可知，黄芪党参保健米酒的总酸、还原糖含量、酒精度、不溶性固形物含量、pH、可溶性固形物含量分别为0.212 g/100 g、26.21 g/100 g、0.39%vol、39.70 g/100 g、4.52、15.70 g/100 g，大肠菌群未检出，菌落总数为21 CFU/g，其理化指标及微生物指标均符合农业行业标准NY/T 1885—2017《绿色食品米酒》[43]标准规定。

2.3.2 抗氧化成分及抗氧化活性检测结果

通过测定黄芪党参保健米酒的总黄酮、多酚含量及其对DPPH自由基、ABTS自由基的清除能力评价其抗氧化活性，结果表明，黄芪党参保健米酒中的总黄酮、多酚的含量分别为217.2 mg/L、68.2 mg/L，与同类产品山药米酒比较[32]，黄芪党参保健米酒中总黄酮、多酚含量均处于较高水平。黄芪党参保健米酒对DPPH自由基、ABTS自由基的清除率分别为89.8%、83.7%，对DPPH自由基、ABTS自由基的半抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值分别为158.9 mg/L、170.5 mg/L，与同类产品蕨根米酒[44]相比，黄芪党参保健米酒对DPPH、ABTS自由基的清除率较高。

3 结论

本研究以糯米、黄芪、党参、酒曲为主要原料，开发一款具有保健作用的米酒，通过单因素和模糊数学结合响应面法优化确定黄芪党参保健米酒的最佳发酵工艺为：以糯米质量为基准，水添加量80%，发酵温度30 ℃、发酵时间48 h、酒曲添加量0.3%、黄芪提取液添加量为4%、党参提取液添加量为15%。在此优化工艺条件下，黄芪党参保健米酒的感官评分最高（90.8分），呈淡黄色，酸甜可口，入口含有米酒发酵香味，同时具有黄芪、党参淡淡的香气。经脱醇处理，该米酒的酒精度为0.39%vol，总酸含量为0.212 g/100 g，还原糖含量为26.21 g/100 g，pH为4.52，可溶性固形物含量为15.7 g/100 g，不溶性固形物含量为39.7 g/100 g，总黄酮含量为217.2 mg/L，多酚含量为68.2 mg/L，大肠菌群未检出，菌落总数为21 CFU/g，其理化及微生物指标符合相关标准要求。该米酒具有较好的抗氧化性，对DPPH、ABTS自由基的半抑制浓度（IC50）值分别为158.9 mg/L、170.5 mg/L。本研究为药食同源食材的开发利用提供了新的方向，为丰富米酒产品品种，提高其保健作用具有重要的指导意义。