正交试验设计结合CRITIC、熵权-TOPSIS法研究复配精油对泡菜发酵过程中品质的影响

摘要：泡菜在发酵过程中易受微生物污染，柠檬精油、香茅精油和肉豆蔻精油的复配精油有良好的抑菌效果，但精油的配比对其有很大的影响。因此，该研究以正交试验设计考察不同配比的复配精油对泡菜发酵过程中品质的影响，采用CRITIC客观赋权法确定各评价指标的权重系数，结合熵权-TOPSIS综合评价，筛选出最适宜在泡菜中使用的复配精油组合。研究结果表明，复配精油的最佳配比为柠檬精油0.05 g/kg、香茅精油0.15 g/kg、肉豆蔻精油0.15 g/kg。该研究可为泡菜的绿色加工提供参考。

关键词：泡菜；发酵过程；复配精油；正交试验设计；CRITIC；熵权-TOPSIS

中图分类号：TS255.54

文献标志码：A

文章编号：1000-9973（2025）01-0120-07

Study on Effect of Compound Essential Oils on Quality of Pickles in Fermentation Process Based on Orthogonal Test Design Combined with CRITIC and Entropy Weight-TOPSIS Methods

WU Xin-yi¹， ZHU Zhi-yan¹， TIAN Hao¹， LI Xue-rui¹， NIU Zhi-rui²， WANG Han-mo¹， LIU Xiu-wei^1*

（1.Institute of Agro-products Processing， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kunming 650221， China; 2.Yunnan Institute of Product Quality Supervision and Inspection， Kunming 650223， China）

Abstract： Pickles are susceptible to microbial contamination in fermentation process， and the compound essential oils of lemon essential oil， citronella essential oil and nutmeg essential oil have good antibacterial effects， but the ratios of the essential oils have a significant effect on their antibacterial activity. Therefore， in this study， the effects of different ratios of compound essential oils on the quality of pickles in fermentation process are investigated by orthogonal test design.The weight coefficient of each evaluation index is determined by CRITIC objective weighting method， and the most suitable combination of compound essential oils used in pickles is selected by combining entropy weight-TOPSIS comprehensive evaluation. The results show that the optimal ratio of compound essential oils is 0.05 g/kg lemon essential oil， 0.15 g/kg citronella essential oil and 0.15 g/kg nutmeg essential oil. This study can provide references for the green processing of pickles.

Key words： pickles; fermentation process; compound essential oils; orthogonal test design; CRITIC; entropy weight-TOPSIS

收稿日期：2024-07-10

基金项目：云南省科技厅重大科技专项（202202AE090017）

作者简介：吴昕怡（1992—），女，助理研究员，硕士，研究方向：农产品精深加工。

*通信作者：刘秀嶶（1982—），女，副研究员，博士，研究方向：生物资源挖掘与利用。

泡菜起源于3 000多年前的中国商周时期^[1]，作为一种传统的发酵蔬菜制品，在中国很受消费者欢迎，泡菜的制作方法主要是将作为原料的蔬菜浸泡在盐水中，在室温下发酵一段时间后获得^[2]。芥菜（Brassica juncea）是十字花科芸薹属一年生草本植物，是中国的特色蔬菜，富含多种营养成分和矿物质，营养价值高^[3]。芥菜可以鲜食，也可以制成发酵食品，其中叶子、叶柄和茎是最常被食用的部分^[4-5]。

发酵是一种传统加工技术^[6]，影响发酵质量的因素有很多，包括原料、微生物群和加工方法^[7]，在发酵过程中腐败细菌的滋生是影响泡菜行业发展和消费者健康的常见问题之一^[8]，因此，以芥菜为原料制作泡菜时，通常会在发酵过程中添加山梨酸钾、焦亚硫酸钠等食品添加剂或其他合成防腐剂来抑制微生物的生长繁殖^[9]。然而，随着消费者对天然食品添加剂偏好的增加，以及对合成防腐剂安全性担忧的增大，食品行业对天然替代品的关注日益增大^[10]。

植物精油具有广泛的抗菌活性，作为食品防腐剂具有良好的应用前景^[11]。研究表明，由肉桂精油和丁香精油组成的复配精油具有协同抗菌作用，并被推荐为食品和制药行业中安全、天然的抗真菌混合物^[12]；丁香精油和柠檬草精油以及肉桂皮精油和柠檬草精油的组合均显示出协同抑菌作用^[13]。本课题组在前期的研究中发现，柠檬精油、香茅精油和肉豆蔻精油的复配组合应用在发酵芥菜中，在不影响芥菜正常发酵的基础上，可以显著抑制杂菌的生长^[14]。尽管复配精油具有很好的抑菌效果，但精油的配比对抑菌效果有较大影响。Liu等^[15]研究了7个不同比例的肉桂精油和山苍子精油复配组合的抑菌效果，当两种精油的体积比为3∶5、4∶4、5∶3时抑菌效果良好。Xiang等^[16]发现肉桂精油、牛至精油和柠檬草精油具有协同作用，当以1∶5∶48的体积比组合时表现出显著的抑菌活性。

食品的质量特征复杂而全面，凭借单一类型的指标无法直观、准确地评价食品的质量。因此，运用数学方法建立评价模型在食品综合质量分析中起着至关重要的作用^[17]。CRITIC是根据指标所含信息量计算各指标权重，能够充分考虑数据间的对比强度和冲突性，是一种常用的客观赋权法^[18]；熵权-TOPSIS是将改进的熵权法与TOPSIS法相结合，用于研究与理想方案相似的顺序选优技术的评价方法^[19]。目前，基于CRITIC、熵权和TOPSIS的综合质量评价模型已应用于葡萄汁^[20]、豆腐^[21]、蛋糕^[22]和榛子奶^[23]等食品中，为食品加工方法优化作出了重要贡献。

为筛选出抑菌活性最强且对泡菜发酵过程影响较小的复配精油，本研究在前期研究的基础上，采用正交试验设计考察不同配比的柠檬精油、香茅精油和肉豆蔻精油复配对泡菜发酵过程中微生物指标（乳酸菌数、菌落总数、酵母菌数）和理化指标（pH值、总酸含量、还原糖含量、有机酸含量）的影响，采用CRITIC客观赋权法确定各评价指标的权重系数，结合熵权-TOPSIS综合评价，筛选出最适宜在泡菜中使用的复配精油组合，为提升泡菜产品的品质、实现绿色添加可替代技术及产业的绿色升级提供了数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜芥菜、食盐、白糖：市售；柠檬精油、香茅精油、肉豆蔻精油：法国Florihana公司；磷酸二氢钾、氯化钠、氢氧化钠、四水合酒石酸钾钠、无水亚硫酸钠、硼砂、磷酸二氢钾、苯酚：广东光华科技股份有限公司；对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、3，5-二硝基水杨酸：阿拉丁生化科技股份有限公司；葡萄糖、氢氧化钠标准溶液（0.100 0 mol/L）、乳酸标准品、乙酸标准品：上海源叶生物科技有限公司；平板计数琼脂（PCA）、MRS琼脂、马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）：青岛海博生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

AUY220型分析天平、Shim-pack VP-ODS C₁₈色谱柱（250 mm×4.6 mm，5μm） 日本岛津公司；Waters 1525型液相色谱仪 美国Waters公司；KQ5200E型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；XMT-DA型电热恒温水浴锅 余姚市亚星仪器仪表有限公司；1510型酶标仪 美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 试验方法

1.3.1 泡菜制作

对照组泡菜：将新鲜芥菜洗净，放入泡菜坛中，将水煮沸放凉，加入食盐、白糖，配制成含盐量4%、含糖量7%的料水，料水与芥菜的质量比为2∶1，在室温下自然发酵28 d。

处理组芥菜：在对照组芥菜腌制方法的基础上，采用正交试验设计，在前期试验的基础上^[14]，选取柠檬精油（A）、香茅精油（B）、肉豆蔻精油（C）为考察因素，每个因素设置3个水平，见表1。精油的添加量以盐水质量计。

1.3.2 泡菜发酵过程中指标的测定

每隔7 d取样，测定还原糖含量、pH值、乳酸菌数等8项相关指标，具体指标测定方法如下：

还原糖含量：按照GB/T 5009.7—2008《食品中还原糖的测定》中的3，5-二硝基水杨酸法测定；pH值：采用pH计直接测定；总酸含量：按照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中的酸碱指示剂滴定法测定；有机酸（乳酸和乙酸）含量：参考王芮东等^[24]的方法测定。

乳酸菌数的测定：按照GB 4789.35—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 乳酸菌检验》；酵母菌数的测定：按照GB 4789.15—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》；菌落总数的测定：按照GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》。

1.4 CRITIC法确定权重系数

为了评价正交试验设计对泡菜品质指标的影响，采用CRITIC法计算各指标的权重系数；使用SPSS 21对数据进行无量纲化处理后，得到相关系数矩阵，根据公式（1）、公式（2）计算各指标的权重系数W_j。

C_j= σ_j∑n/i=0（1－r_ij）。（1）

W_j=C_j/∑m/j=1C_j。（2）

式中：C_j表示第j个（j=1，2，3，…）指标所包含的信息量；σ_j表示无量纲化处理后列向量的标准差；r_ij表示指标i（i=1，2，3，…）和指标j之间的相关系数；W_j表示第j个指标的权重系数^[25]。

1.5 熵权-TOPSIS法建立数学模型

为了进一步综合评价不同配比的复配精油对泡菜品质的影响，采用熵权-TOPSIS法对检测指标进行综合评价，评价最适宜的复配精油组合，模型计算公式参考课题组前期研究^[26]。

1.5.1 建立原始矩阵

设m个评价对象，n个评价指标，x_ij为第j个指标下第i个项目的值（m=9；n=8），形成的多目标决策矩阵见公式（3）：

X=（x_ij）_m×n。（3）

1.5.2 数据标准化

为消除8个检测指标原始数据的量纲差异影响，对数据做归一化处理。8个指标中，pH值、酵母菌数、菌落总数属于负向指标，越小越优，按公式（4）进行计算；其余5个指标属于正向指标，越大越优，按公式（5）进行计算：

r_ij=x_ij－min（x_j）/max（x_j）－min（x_j）。（4）

r_ij=max（x_j）－x_ij/max（x_j）－min（x_j）。（5）

式中：i表示处理组编号（1，2，3，…，9）；j表示评价指标（1，2，3，…，8）；r_ij表示第i个品种第j个指标标准化后的值。

1.5.3 熵权计算

计算各处理组的指标值占全部处理组指标值之和的比重P_ij，按公式（6）进行计算：

P_ij=r_ij/∑n/i=1r_ij。（6）

计算各项指标的信息熵e_j，按公式（7）进行计算：

e_j=－1/lnm∑m/j=1P_ijlnP_ij。（7）

计算各项指标的熵权W_j，按公式（8）进行计算：

W_j=1－e_j/∑m/j=1e_j。（8）

1.5.4 建立加权决策矩阵

将标准化后的数据乘以对应的熵权系数，得到加权决策矩阵，按公式（9）进行计算：

R_ij=（W_j×r_ij）_m×n。（9）

1.5.5 计算正负理想解和欧氏距离

根据公式（10）和公式（11）计算得到各指标的正理想解和负理想解序列：

R⁺=max（R_ij）。（10）

R^－=min（R_ij）。（11）

根据公式（12）和公式（13）计算各处理组各指标与最佳指标的距离D⁺_i及与最差指标间的距离D^-_i，并根据公式（14）计算相对接近度C_i：

D⁺_i= /∑n/j=1（R⁺_j－R_ij）²。（12）

D^－_i= /∑n/j=1（R^－_j－R_ij）²。（13）

C_i=D^－_i/D⁺_i+D^－_i。（14）

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2016、SPSS 21对数据进行统计，采用Prism 5、OrignPro 2021对数据进行分析并作图。

2 结果与分析

2.1 精油对泡菜发酵过程中微生物指标的影响

泡菜发酵过程中，微生物在提高原料的营养价值、感官品质、生物功能和安全性方面发挥着关键作用^[27]。复配精油处理后微生物变化趋势见图1。

由图1中A可知，发酵至第7天时乳酸菌数达到峰值，其中CK为6.341 4 lg CFU/mL，而精油处理组的乳酸菌数在6.131 8～6.501 3 lg CFU/mL之间，除数量最大的第7组外，其余处理组乳酸菌数均低于CK，但差异不显著（Pgt;0.05）；之后随着发酵时间的延长，乳酸菌数逐渐减少并趋于稳定。Saithong等^[28]也有类似发现，乳酸菌数在发酵初期迅速增加，直到大约8 d后达到峰值，然后减少并逐渐稳定。第28天发酵结束时，CK的乳酸菌数为4.812 1 lg CFU/mL，而精油处理组的乳酸菌数在4.612 3～5.438 3 lg CFU/mL之间，其中第8组、第9组小于CK，但第8组、第9组与CK差异不显著（Pgt;0.05），其余处理组均大于CK，表明配比适宜的复配精油处理对乳酸菌生长的影响有限，不会影响泡菜的正常发酵。Moritz等^[29]在研究中也发现，在酸奶中添加精油不会影响酸奶制备过程中的正常发酵，能够在不干扰乳酸菌的情况下抑制不需要的杂菌。

由图1中B可知，菌落总数与乳酸菌数的变化趋势基本一致，发酵第7天时，菌落总数达到最高，其中CK的菌落总数达到6.544 6 lg CFU/mL，精油处理组的菌落总数在6.226 8～6.675 2 lg CFU/mL之间，之后随着发酵时间的延长，菌落总数显著减少，第28天时，CK的菌落总数为5.236 7 lg CFU/mL，精油处理组的菌落总数在4.554 8～5.524 3 lg CFU/mL，其中第2，4，6组菌落总数大于CK，但除最大的第2组外，第4组与第6组差异不显著（Pgt;0.05），第1，3，5，7，8，9组菌落总数均小于CK，其中第8组与第9组差异显著（Plt;0.05），原因可能是一方面随着发酵的进行，乳酸菌分泌的抗菌物质逐渐增加，抑制了其他细菌的生长^[30]；另一方面精油具有良好的抑菌活性，在适宜浓度的复配精油协同处理下抑制了杂菌的生长^[31]。随着酵母菌数的增加，尤其是在泡菜发酵后期，会对泡菜的质量产生负面影响^[32]。

由图1中C可知，随着发酵时间的延长，酵母菌数呈先上升后下降的趋势，发酵第21天时，酵母菌数达到峰值，其中CK的酵母菌数最大，达到6.444 0 lg CFU/mL，而精油处理组的酵母菌数在5.946 7～6.432 9 lg CFU/mL之间；第28天发酵结束时，CK的酵母菌数为4.894 9 lg CFU/mL，精油处理组的酵母菌数在0～5.010 4 lg CFU/mL之间，其中第7组酵母菌数最大，且略大于CK，但第7组与CK差异不显著（Pgt;0.05），而第2组和第3组均未检出酵母菌，第4，6，8，9组酵母菌数显著少于CK且差异显著（Plt;0.05）。上述研究结果表明，复配精油处理可以有效抑制酵母菌的生长，但复配精油的抑菌能力并不具有浓度依赖性，可能是3种精油在配比适宜的情况下产生协同作用。Tadtong等^[33]在对病原微生物的抑菌试验研究中也发现高良姜精油与柠檬草精油复配，仅在体积比为3∶7时增效作用最显著，表明复配精油抑菌协同作用与配比密切相关。

2.2 精油对泡菜发酵过程中理化指标的影响

2.2.1 还原糖含量

还原糖含量可作为泡菜成熟、微生物生长和风味变化的重要指标^[34]。泡菜发酵过程中还原糖含量的变化趋势见图2。

由图2可知，在整个发酵过程中，精油处理组与CK相比，变化趋势基本一致，随着发酵时间的延长，还原糖含量呈下降趋势，但添加精油的处理组中，还原糖含量均高于CK，发酵第28天时，CK的还原糖含量仅为10.026 4 mg/g，精油处理组的还原糖含量在10.572 8～12.651 9 mg/g之间，均高于CK；差异统计分析结果表明，精油处理组中第3，4，7组的还原糖含量均显著高于CK且差异显著（Plt;0.05），其中含量最高的是第3组。Choi等^[35]研究发现，由于微生物对糖的利用能力不同，因此微生物群落会影响泡菜发酵过程中还原糖的含量。本研究中发现，配比适宜的复配精油可能抑制了泡菜发酵过程中杂菌的生长，减少了对还原糖的消耗，因此有助于泡菜发酵过程中还原糖的保留。

2.2.2 pH值和总酸含量

通常，在泡菜发酵初期，pH值和总酸含量的变化较大，这些参数可以作为判断泡菜质量的指标，同时也可以影响泡菜的风味^[36]。pH值和总酸含量的变化趋势见图3。

由图3可知，发酵第7天时，CK的pH值为3.47；精油处理组的pH值在3.4～3.5之间，略高于CK，但除第4组和第5组外，其余处理组与CK相比差异均不显著（Pgt;0.05）；CK的总酸含量为0.727 8 g/kg，精油处理组的总酸含量在0.697 4～0.834 6 g/kg之间，除第4组外，其余处理组与CK相比差异均不显著（Pgt;0.05）。之后，随着发酵的进行，pH值降低，总酸含量增加。发酵结束时，CK的pH值为3.2；精油处理组的pH值在3.15～3.18之间，均低于CK，且除第1组外，其余处理组与CK相比差异均显著（Plt;0.05）；CK的总酸含量为1.454 4 g/kg，精油处理组的总酸含量在1.443 6～1.547 0 g/kg之间，除第8组和第9组总酸含量低于CK外，其余处理组的总酸含量均高于CK。整个发酵过程中，pH值和总酸含量的变化趋势与CK一致，且与前人研究中泡菜的典型发酵结果相似^[37]，表明配比适宜的复配精油不会影响泡菜的正常发酵，且有助于泡菜pH值的降低与总酸的积累，对泡菜的发酵有一定正向作用。

2.2.3 有机酸含量

有机酸是构成酸味的主要物质，其中乳酸和乙酸是泡菜发酵过程中乳酸菌代谢产生的主要有机酸，可作为评价泡菜品质的重要指标^[38-39]。由图4可知，发酵过程中乳酸含量和乙酸含量的变化趋势基本一致，随着发酵时间的延长，乳酸和乙酸的积累量增加，发酵第28天时，CK的乳酸含量为3.916 3 mg/g，精油处理组的乳酸含量在2.785 6～3.955 4 mg/g之间，其中乳酸含量最高的是第3组，其余处理组的乳酸含量不同，但与CK相比差异均不显著（Pgt;0.05）；CK的乙酸含量为3.946 2 mg/g，精油处理组的乙酸含量在2.341 5～4.277 1 mg/g之间，与乳酸含量不同，乙酸含量除第3，8，9组外，其余处理组的乙酸含量均低于CK且差异显著（Plt;0.05）。上述研究结果表明，不同配比的复配精油对泡菜发酵过程中乳酸的积累作用有限，但会显著影响乙酸的积累，这可能是由于复配精油处理对泡菜中微生物产生了影响，而微生物可能通过自身酸代谢直接影响乙酸含量或通过改变菌群结构间接造成酸代谢差异^[40]。

2.3 正交试验结果及方差分析

基于正交试验表进行设计，研究精油处理泡菜的最佳配方。每个因素拟定3个水平（见表1），以菌落总数、乳酸菌数、酵母菌数、还原糖含量、pH值、总酸含量、乳酸含量和乙酸含量为指标，利用CRITIC客观赋权法确定各成分的权重，各指标按照权重相加得分即为综合得分。正交试验设计及结果见表2，方差分析结果见表3。

由表3可知，各因素对泡菜品质的影响大小为柠檬精油（A）gt;香茅精油（B）gt;肉豆蔻精油（C），其中柠檬精油（A）和香茅精油（B）对泡菜品质的影响显著（Plt;0.05）。

2.4 熵权-TOPSIS结果

为了进一步明确哪种复配精油组合下泡菜的品质最好，采用熵权-TOPSIS法对检测指标进行综合评价。目前在豆腐加工^[41]和葡萄汁灭菌^[20]中均已使用熵权-TOPSIS质量评价模型，确立了该模型评价产品综合质量的可行性，成为筛选优质加工方法的新途径。在本研究对泡菜的检测指标中，还原糖含量、总酸含量、乳酸含量、乙酸含量和乳酸菌数属于正向指标，越大越好；pH值、菌落总数和酵母菌数属于负向指标，越小越好，为了综合评价精油浓度对泡菜品质的影响，按1.5项下公式对数据进行处理，计算结果见表4。

由表4可知，得分最高的3号为最优组合，即复配精油配比为柠檬精油0.05 g/kg、香茅精油0.15 g/kg、肉豆蔻精油0.15 g/kg。

3 结论

本研究利用正交试验设计考察了不同配比的柠檬精油、香茅精油、肉豆蔻精油复配处理对泡菜品质的影响，使用CRITIC客观赋权法、熵权-TOPSIS法进行综合评价。结果表明，复配精油的不同配比组合对泡菜正常发酵有一定影响。发酵蔬菜的变质归因于不同酵母菌和细菌的代谢^[42]，而经复配精油组合处理后，在不影响乳酸菌正常生长的情况下，可以在一定程度上抑制泡菜发酵过程中杂菌和酵母菌的生长，发酵第28天时，组合2和组合3中无酵母菌检出；理化指标中，复配精油处理有助于pH值的降低、还原糖的保留和总酸的积累，效果最优的是第3组；但对有机酸的积累有一定影响，不会显著影响乳酸的积累，但在一定程度上会影响乙酸含量，其中对第3，8，9组没有显著作用。正交试验结果表明，各因素对泡菜品质的影响大小为柠檬精油（A）gt;香茅精油（B）gt;肉豆蔻精油（C），使用熵权-TOPSIS法进行综合评价后，得分最高的是第3组，结合各指标发酵过程中的变化趋势可确定效果最优的是第3组，即复配精油配比为柠檬精油0.05 g/kg、香茅精油0.15 g/kg、肉豆蔻精油0.15 g/kg，该配比组合可在泡菜发酵过程中使用，有效控制泡菜的劣变，提升泡菜的品质，进而实现泡菜的绿色加工，为实现泡菜产业的绿色升级提供理论依据。

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