張春玉,徐曉升,王 然,3*
(1.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物技術(shù)分院,吉林 長春 130033;2.東北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,吉林 長春 130024;3.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,吉林 長春 130022)
番石榴為桃金娘科植物番石榴(Psidium guajava L.)的果實(shí),產(chǎn)于熱帶或亞熱帶地區(qū),我國廣東、廣西、福建等地多有種植[1]。番石榴具有極高的食用和藥用價(jià)值,其果實(shí)、葉、根等不同部位均可以入藥[2-6];番石榴果實(shí)多汁,味道酸甜,風(fēng)味特異,富含維生素C、多酚和黃酮類等多種生物活性物質(zhì)[7-10],具有收斂止泄、調(diào)節(jié)消化功能、廣譜抗菌、抗氧化等功效。
番石榴果實(shí)皮嫩,易破損,采后易失水,不耐貯存,因此,亟需開發(fā)番石榴深加工產(chǎn)品,以期提高番石榴的利用效率[11-12]。目前,國內(nèi)番石榴加工產(chǎn)品稀缺,市面上僅有番石榴飲料產(chǎn)品頗為常見,然而其番石榴果肉含量低,產(chǎn)品單一,不能滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品營養(yǎng)、口味和功能等多方面的需求。近年來,酸乳因其營養(yǎng)豐富、整腸功效明顯,已經(jīng)成為消費(fèi)者餐桌必不可少的乳制品,研究證實(shí)長期食用酸乳具有維持腸道菌群平衡、提高免疫力等功效[13-16]。MALDONADO RR等[17]對(duì)比4種熱帶水果對(duì)乳酸菌發(fā)酵的影響,研究發(fā)現(xiàn)番石榴果漿和芒果漿均能促進(jìn)乳酸菌的生長和繁殖,并且其制成的發(fā)酵飲料具有較好的色、香、味;李曉樂等[18]研究巴氏殺菌、乳酸菌發(fā)酵等工藝對(duì)番石榴果漿中多酚類物質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)巴氏殺菌后番石榴果漿中新產(chǎn)生五種酚類物質(zhì),經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后番石榴果漿中新產(chǎn)生二種酚類物質(zhì)和另外兩種生物活性物質(zhì),其研究為番石榴果漿在酸乳中的應(yīng)用提供了理論支持。
本研究將番石榴果漿與牛乳進(jìn)行混合發(fā)酵制備番石榴酸乳,采用響應(yīng)面優(yōu)化法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法優(yōu)化番石榴酸乳的制作工藝,并利用回歸模型、矩陣模型、感官評(píng)價(jià)、產(chǎn)品檢測等多種分析方式研究番石榴酸乳的感官品質(zhì),為番石榴的加工應(yīng)用提供新思路,也為功能性酸乳的開發(fā)提供新研究依據(jù)。
紅心番石榴:購自廣西玉林;鮮牛乳:上海廣澤食品科技股份有限公司;精幼砂糖、酸奶發(fā)酵劑:安琪酵母股份有限公司;瓊脂粉:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司;牛肉粉、蛋白胨:北京奧博星生物技術(shù)有限公司。
CRS300實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī):上海馳翔新能源設(shè)備科技有限公司;JJ2B組織搗碎勻漿機(jī):常州榮華儀器制造有限公司;GNP9080恒溫培養(yǎng)箱:常州菲普實(shí)驗(yàn)儀器廠;HH-W 600電熱恒溫水浴箱:金壇市醫(yī)療儀器廠;SW-CJ-1D超凈工作臺(tái):蘇州凈化設(shè)備有限公司。
1.3.1 工藝流程
1.3.2 操作要點(diǎn)
番石榴果漿的制備:挑選新鮮、外表為綠色的番石榴,清洗干凈,去皮去籽,保留紅色果肉,使用組織搗碎勻漿機(jī)8 000 r/min處理10min,制成可溶性固形物含量為8.73%的番石榴果肉原漿[19]。
調(diào)配:在鮮牛乳中添加番石榴果漿15%~25%,再向其中加入砂糖8%,攪拌至砂糖溶解。
乳化和殺菌:使用高速乳化機(jī)1 200 r/min處理乳液20m in,然后將乳液加熱至85℃,保溫殺菌6m in。
接種和發(fā)酵:殺菌處理后,乳液立即冷卻至42℃。將酸奶發(fā)酵劑從冷凍條件下置于室溫20min后加入乳液中,酸奶發(fā)酵劑(保加利亞乳桿菌∶嗜熱鏈球菌=2∶1)添加量為0.1%,攪拌均勻,將乳液置于恒溫培養(yǎng)箱中,在42℃條件下,發(fā)酵8~12 h[20]。
后熟和成品:待乳液由流動(dòng)的液態(tài)變?yōu)槟虘B(tài)后,將其置于冷藏4℃條件下,進(jìn)行后熟12~24h,即制成番石榴酸奶。
1.3.3 番石榴酸乳制作工藝條件的確定
在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以乳清析出率和感官評(píng)價(jià)為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法研究番石榴果漿添加量(A)、發(fā)酵時(shí)間(B)和后熟時(shí)間(C)3個(gè)因素對(duì)番石榴酸乳感官品質(zhì)的影響,進(jìn)而確定番石榴酸乳制作工藝條件。利用響應(yīng)面應(yīng)用軟件Design Expert對(duì)番石榴酸乳的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具體因素與水平見表1[21-22]。
表1 番石榴酸乳工藝條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for process conditions optim ization of guava yogurt
1.3.4 番石榴酸乳感官品質(zhì)評(píng)價(jià)方法
番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)方法參考GB 19302—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵乳》,挑選食品類專業(yè)從業(yè)人員10人(男女各5人)組成感官評(píng)價(jià)小組,分別對(duì)番石榴酸乳從色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味三個(gè)方面進(jìn)行感官品質(zhì)綜合評(píng)分;每個(gè)酸乳樣品的感官綜合評(píng)分結(jié)果為去掉一個(gè)最高分和去掉一個(gè)最低分后所有分?jǐn)?shù)求和的平均值,具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2[23-24]。
表2 番石榴酸乳感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standard of guava yogurt
1.3.5 番石榴酸乳模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法
本研究選擇番石榴酸乳的色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味為因素集,確定評(píng)語集為優(yōu)、中、差,根據(jù)番石榴酸乳各樣品感官評(píng)價(jià)結(jié)果,建立3個(gè)單因素矩陣模型,利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法對(duì)矩陣模型進(jìn)行分析[25-27]。
因素集U={色澤u1,組織狀態(tài)u2,口感和風(fēng)味u3};評(píng)語集V={優(yōu)v1,中v2,差v3}。因素集{u1,u2,u3}中三個(gè)評(píng)價(jià)因素(色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味)的權(quán)重系數(shù)集K={k1,k2,k3}根據(jù)番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定。
模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型Y=K×X,其中Y評(píng)價(jià)集,K為權(quán)重系數(shù),X為模糊矩陣。采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)制成的17個(gè)番石榴酸乳樣品,根據(jù)表2中三項(xiàng)感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),由感官評(píng)價(jià)小組對(duì)番石榴酸乳樣品進(jìn)行評(píng)分,并確定樣品每項(xiàng)得分所隸屬的等級(jí),然后將所有樣品的得分結(jié)果采用歸一化處理,得到17個(gè)三階模糊矩陣Xi(其中i為樣品編號(hào))。
1.3.6 乳清析出率的測定
乳清析出是酸乳加工常見的質(zhì)量問題,是乳液體系不穩(wěn)定的表現(xiàn)之一。采用直接稱量法測定番石榴酸乳樣品的乳清析出率[28],計(jì)算公式如下:
式中:m1為番石榴酸乳樣品中的乳清質(zhì)量,g;m2為番石榴酸乳樣品的質(zhì)量,g。
1.3.7 番石榴酸乳理化性質(zhì)及微生物檢測
番石榴酸乳蛋白質(zhì)含量的檢測方法參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》中凱氏定氮法;脂肪含量的檢測方法參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測定》中堿水解法,酸度值的檢測方法參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品酸度的測定》中電位滴定法;番石榴酸乳微生物限量檢測分別參照GB 4789.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)大腸菌群計(jì)數(shù)》中平板計(jì)數(shù)法、GB 4789.10—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)》中定性檢驗(yàn)、GB 4789.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)沙門氏菌檢驗(yàn)》,即對(duì)酸乳樣品中大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等致病菌進(jìn)行檢測;番石榴酸乳中乳酸菌活菌數(shù)檢測參照GB 4789.35—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)乳酸菌檢驗(yàn)》。
2.1.1 回歸模型的建立和顯著性驗(yàn)證
以番石榴果漿添加量(A)、發(fā)酵時(shí)間(B)和后熟時(shí)間(C)為研究因素,以乳清析出率(R1)和感官評(píng)價(jià)(R2)為響應(yīng)值,進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),試驗(yàn)結(jié)果取3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值,響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見表3。
當(dāng)今時(shí)代,計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的主流趨勢就是智能化,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件的智能化有助于對(duì)計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用和開發(fā)。人工智能技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟,也越來越廣泛,對(duì)于相關(guān)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的需求也越來越智能化,這就使得計(jì)算機(jī)軟件相關(guān)開發(fā)過程在未來也會(huì)朝著智能化的方向發(fā)展,這也是未來軟件開發(fā)相關(guān)人員的工作重點(diǎn)和課題攻關(guān)的方向。
表3 番石榴酸乳工藝條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of response surface experiments for process conditions optim ization of guava yogurt
利用Design Expert對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到三元二次回歸方程:
對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。
表4 番石榴酸乳工藝條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table 4 Variance analysis of response surface experiments for process conditions optim ization of guava yogurt
由表4可知,方程一次項(xiàng)A(番石榴果漿添加量)、B(發(fā)酵時(shí)間)和C(后熟時(shí)間)對(duì)響應(yīng)值R1(乳清析出率)、R2(感官評(píng)價(jià))的影響均為極顯著,各因素對(duì)番石榴酸乳乳清析出率影響程度的主次順序?yàn)锽>C>A,其中發(fā)酵時(shí)間對(duì)番石榴酸乳樣品的乳清析出率影響最大;同時(shí),各因素對(duì)番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)影響程度的主次順序?yàn)锽>A>C,同樣是發(fā)酵時(shí)間對(duì)番石榴酸乳樣品的感官質(zhì)量影響最大?;貧w方程二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)響應(yīng)值R1、R2的影響均為極顯著;交互項(xiàng)AB、AC、BC對(duì)R1的影響均為顯著(P<0.05),交互項(xiàng)AC、BC對(duì)R2的影響為極顯著(P<0.01),而交互項(xiàng)AB對(duì)R2的影響不顯著(P>0.05)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出,3因素A、B、C與響應(yīng)值R1、R2不是單純的線性關(guān)系,模型中三元二次回歸關(guān)系為極顯著(P<0.01),兩個(gè)回歸方程模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.987 7和0.991 6,變異系數(shù)分別為7.85和1.06,失擬項(xiàng)P值均大于0.05,即失擬不顯著,表明回歸方程模型能夠較好的反應(yīng)各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系,利用回歸方程可以得到優(yōu)化番石榴酸乳品質(zhì)的最優(yōu)工藝條件。
2.1.2 各因素交互作用及預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證
根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)得到多元回歸方程,分別建立各試驗(yàn)因素與番石榴酸乳乳清析出率和感官評(píng)價(jià)的三維曲面圖,確定最低乳清析出率和最高感官評(píng)價(jià)的番石榴酸乳制作工藝,如圖1和圖2所示。
圖1 各試驗(yàn)因素交互作用對(duì)番石榴酸乳乳清析出率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.1 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on whey separation rate
圖2 各試驗(yàn)因素交互作用對(duì)番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)影響的響應(yīng)面及等高線Fig.2 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on sensory evaluation
由圖1可知,番石榴果漿添加量、發(fā)酵時(shí)間和后熟時(shí)間三者之間的交互作用對(duì)番石榴酸乳乳清析出率的影響為顯著(P<0.05),圖中曲面較為陡峭。由圖2可知,番石榴果漿添加量和后熟時(shí)間以及發(fā)酵時(shí)間和后熟時(shí)間的交互作用對(duì)番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)的影響為極顯著(P<0.01),圖中曲面陡峭,而番石榴果漿添加量與發(fā)酵時(shí)間的交互作用對(duì)番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)的影響不顯著(P>0.05),圖中曲面平緩,這與表4方差分析結(jié)果一致。
通過回歸模型分析,以乳清析出率為響應(yīng)值的最佳發(fā)酵工藝條件組合的預(yù)測回歸模型為番石榴果漿添加量17.70%,發(fā)酵時(shí)間9.18 h,后熟時(shí)間20.22 h,在此工藝條件下,模型預(yù)測酸乳樣品的乳清析出率為0.78%。以感官評(píng)價(jià)為響應(yīng)值的最佳發(fā)酵工藝條件組合的預(yù)測回歸模型為番石榴果漿添加量24.15%,發(fā)酵時(shí)間9.00h,后熟時(shí)間20.22 h,在此工藝條件下,模型預(yù)測酸乳樣品的感官評(píng)價(jià)為92.87分。綜合考慮上述優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合實(shí)際操作條件,選擇番石榴酸乳制作工藝條件為番石榴果漿添加量20%,發(fā)酵時(shí)間9 h,后熟時(shí)間20 h,在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),得到番石榴酸乳的乳清析出率為0.67%,感官評(píng)分為92.53分。
表5 番石榴酸乳感官評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Sensory evaluation results of guava yogurt
在番石榴酸乳樣品的感官評(píng)價(jià)投票結(jié)果中,以樣品1色澤為例,4人選擇優(yōu),5人選擇中,1人選擇差,因此得到x色澤=(0.4,0.5,0.1);同理得到x組織狀態(tài)=(0.3,0.3,0.4)、x口感和風(fēng)味=(0.3,0.4,0.3),所以樣品1的評(píng)價(jià)模糊矩陣為X1=,同理可以得到樣品2~17的評(píng)價(jià)模糊矩陣:
根據(jù)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型Y=K×X,其中權(quán)重系數(shù)K根據(jù)表2番石榴酸乳感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)確定[29-30],感官評(píng)價(jià)項(xiàng)目色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味的總分值分配分別為30分、40分、30分,因此,色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味的權(quán)重系數(shù)相應(yīng)為0.3、0.4、0.3,總和為1,即番石榴酸乳模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型的權(quán)重系數(shù)K=(0.3,0.4,0.3)。
同理得到:Y2=(0.48,0.42,0.10),Y3=(0.32,0.37,0.31),Y4=(0.65,0.29,0.06),Y5=(0.67,0.33,0),Y6=(0.57,0.33,0.10),Y7=(0.68,0.29,0.03),Y8=(0.61,0.32,0.07);Y9=(0.72,0.25,0.03);Y10=(0.82,0.23,0.03);Y11=(0.77,0.19,0.04);Y12=(0.84,0.16,0);Y13=(0.32,0.30,0.38);Y14=(0.29,0.41,0.30);Y15=(0.67,0.27,0.06);Y16=(0.51,0.42,0.07);Y17=(0.68,0.22,0.10)。
為得到模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)的總分,劃分感官評(píng)價(jià)等級(jí)分值區(qū)間為:優(yōu)81~100分,中61~80分,差為41~60分,因此建立感官評(píng)價(jià)評(píng)語集V=(81,61,41),則番石榴酸乳模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)總分為Ti=Yi×V(i=1,2,3,…,17),因此,T1=Y1×V=(0.33,0.39,0.28)×(81,61,41)=62.0,同理,T2=68.6,T3=61.2,T4=72.8,T5=74.4,T6=70.4,T7=74.0,T8=71.8,T9=74.8,T10=81.68,T11=75.6,T12=77.8,T13=59.8,T14=60.8,T15=73.2,T16=69.8,T17=72.6。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),樣品號(hào)10的模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)總分81.68分,屬于等級(jí)優(yōu);樣品號(hào)13的模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)總分59.8分,屬于等級(jí)差;其他樣品總分值在61~81之間,均屬于等級(jí)中。17個(gè)番石榴酸乳樣品模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)優(yōu)劣排序?yàn)?0號(hào)>12號(hào)>11號(hào)>9號(hào)>5號(hào)>7號(hào)>15號(hào)>4號(hào)>17號(hào)>8號(hào)>6號(hào)>16號(hào)>2號(hào)>1號(hào)>3號(hào)>14號(hào)>13號(hào)。
采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法計(jì)算得到的最高分樣品(10號(hào)),其工藝條件與響應(yīng)面優(yōu)化法(以乳清析出率為考查指標(biāo))的試驗(yàn)結(jié)果相同;模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法計(jì)算得到的次高分樣品(12號(hào))其工藝條件與響應(yīng)面優(yōu)化法(以感官評(píng)價(jià)為考查指標(biāo))的試驗(yàn)結(jié)果一致。因此,利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法對(duì)影響番石榴酸乳品質(zhì)的工藝條件(番石榴果漿添加量、發(fā)酵時(shí)間、后熟時(shí)間)進(jìn)行計(jì)算和分析,能夠降低人為主觀因素影響,適合區(qū)分多樣品感官質(zhì)量評(píng)價(jià)差異。本研究發(fā)現(xiàn),模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法能夠體現(xiàn)番石榴酸乳樣品的客觀品質(zhì),兼具體現(xiàn)評(píng)價(jià)者的感官體驗(yàn),進(jìn)而從不同角度驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得到的番石榴酸乳制作工藝(番石榴果漿添加量20%,發(fā)酵時(shí)間9 h,后熟時(shí)間20 h)制成番石榴酸乳,其感官評(píng)分為92.53分,乳清析出率為0.67%。檢測發(fā)現(xiàn),番石榴酸乳蛋白質(zhì)含量2.46 g/100 g、脂肪含量2.58 g/100 g,酸度82.71 °T,乳酸菌數(shù)為1.90×106CFU/g,大腸菌群、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌等致病菌均未檢出。由于番石榴果肉脂肪含量低(0.41%),所以制成的番石榴酸乳是一種低脂發(fā)酵乳;番石榴酸乳的其他指標(biāo)均符合GB 19302—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵乳》和GB 4789.35—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)乳酸菌檢驗(yàn)》。
本研究采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法優(yōu)化番石榴酸乳工藝條件,利用感官評(píng)價(jià)、回歸模型分析、矩陣模型分析等多種方式研究優(yōu)化條件對(duì)番石榴酸乳品質(zhì)的影響,使試驗(yàn)結(jié)果更具可靠性。結(jié)果表明,利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)的最優(yōu)工藝條件制備的番石榴酸乳,其感官品質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)得到的最優(yōu)結(jié)果基本一致;研究確定番石榴酸乳最適宜工藝條件:番石榴果漿添加量20%,砂糖添加量8%,發(fā)酵溫度42℃,發(fā)酵時(shí)間9 h,后熟時(shí)間20 h,其成品感官評(píng)分92.53分,乳清析出率0.67%,蛋白質(zhì)含量2.46 g/100 g,脂肪含量2.58 g/100 g,酸度82.71 °T,乳酸菌數(shù)為1.90×106CFU/g,致病菌未檢出;酸乳呈均勻的淡紅色,酸甜可口并具有番石榴獨(dú)特風(fēng)味,是一種營養(yǎng)豐富、外觀誘人、風(fēng)味特異的新型發(fā)酵乳制品。