基于模糊數(shù)學(xué)感官評價法和混料設(shè)計優(yōu)化紫薯莜麥酒配方

吳芳彤，曹倩榮，吳廣楓，鄭翔，秦艷梅，馬清河

1(河北省微生物研究所，河北 保定，071000)2(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京，100083)

莜麥，又稱裸燕麥，主要分布于我國西北、西南、華北和湖北等省區(qū)，其營養(yǎng)價值居谷類糧食之首，含有豐富的蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素，具有人體必需的18種氨基酸，以及Fe、Zn等微量元素，且脂肪含量低[1-3]；莜麥中還含有豐富的膳食纖維，其中β-葡聚糖被譽為膳食纖維中的貴族，具有提高免疫力、降血脂、降膽固醇、激發(fā)皮膚免受紫外線傷害、促進皮膚重組等功效[4-6]，莜麥中的β-葡聚糖為可溶性膳食纖維，且含量遠高于大米、小麥等其他谷物。

紫薯與甘薯屬于旋花科的不同屬，它除含有普通甘薯的營養(yǎng)成分外，還含有豐富的花色苷(30～120 mg/100 g)[7]和硒元素。花色苷是一類黃酮類天然色素，具有清除自由基、抗氧化、預(yù)防和治療心血管疾病等多種生理功能[8-11]。紫薯還富含硒，硒是人體必需微量元素，是人體內(nèi)必需氨基酸的組成部分，硒水平的高低與癌癥的發(fā)病率有密切關(guān)系[12-13]。

混料設(shè)計已被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、藥物和食品工業(yè)等方面的配方設(shè)計。傳統(tǒng)混料設(shè)計配方優(yōu)化以感官評價作為響應(yīng)值，本研究的紫薯莜麥酒隸屬于發(fā)酵酒、露酒范疇，可按照我國現(xiàn)已頒發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 27588—2011 露酒》中感官分析為評價依據(jù)進行評定。但在實際應(yīng)用中，感官評價屬性界限有一定的模糊性，難以量化評價，易受到感官評價者主觀因素的干擾[14-15]。采用模糊數(shù)學(xué)的方法來處理感官評價的結(jié)果，可以對感官特性進行數(shù)學(xué)化和定量化的描述和處理，把定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的紫薯莜麥酒感官特性做出一個總體的評價[16-17]。

前期研究發(fā)現(xiàn)，僅以紫薯和莜麥為原料釀造紫薯莜麥酒，雖然顏色瑰麗，營養(yǎng)價值豐富，但是口感協(xié)調(diào)性差，苦澀味明顯[18]。常用的釀酒原料中高粱香、玉米甜、大米凈、小麥躁、糯米綿、大麥沖[19]，因此本文基于混料設(shè)計原理，設(shè)計了以紫薯和莜麥為主料，玉米和糯米為輔料的紫薯莜麥酒的18種配方，并依據(jù)配方制備了18種紫薯莜麥酒，通過模糊數(shù)學(xué)感官評價逐一進行了感官評判，擬建立原料配方與感官品質(zhì)之間的回歸模型，以獲得高品質(zhì)紫薯莜麥酒。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

紫薯、莜麥、玉米、糯米，市售；蔗糖、檸檬酸、Na2CO3，市售，食品級；葡萄酒和果酒專用酵母、甜酒曲、固體糖化酶(100 000 U/g),安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶(10 000 U/g)，邢臺萬達生物工程有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DZKW-4電熱恒溫水浴鍋,北京中興偉業(yè)儀器有限公司；ZXRD-A7230恒溫鼓風(fēng)干燥箱、ZXSD-R1160生化培養(yǎng)箱，上海智城分析儀器制造有限公司；PHS-25 pH計,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；TD10002G電子天平、JA2003A電子精密天平,天津天馬衡基儀器有限公司；YXQ-LS-50SⅡ高壓蒸汽滅菌鍋,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司；JYL-C91T打漿機,九陽股份有限公司；GL-22離心機,湖南滬康離心機有限公司；SHD-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵,保定市陽光儀器廠；RY-BS-10L巴氏殺菌機,上海銳元機械設(shè)備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紫薯莜麥酒發(fā)酵工藝流程

紫薯、莜麥粉、糯米粉和玉米粉按一定比例混合→蒸煮糊化→工業(yè)酶液化、糖化→滅菌→接種酵母→發(fā)酵→澄清→陳釀6個月→巴氏滅菌

1.3.2 操作要點

紫薯、莜麥粉、糯米粉和玉米粉的處理：紫薯去皮洗凈，隔水蒸煮。按照m(水)∶m(紫薯)=1∶1.5打漿。莜麥、玉米粉和糯米粉按照一定比例混合，隔水蒸40 min，滅菌水與混合粉按照1∶1.5(m∶m)混合。

工業(yè)酶液化、糖化法：將4種原料的漿液混勻，于85 ℃，起始pH 6.8、α-淀粉酶添加量為0.25%(質(zhì)量分數(shù))、液化75 min；pH 4.5、溫度60 ℃、糖化酶添加量0.1%(質(zhì)量分數(shù))、糖化90 min。

滅菌：115 ℃滅菌20 min。

發(fā)酵：將滅菌后的酒料放至室溫，按質(zhì)量分數(shù)0.02%的接種量接種安琪酵母，18 ℃發(fā)酵10 d。

澄清：6 000 r/min離心20 min，硅藻土抽濾。

1.3.3 感官評價方法

紫薯莜麥酒呈瑰麗的紫紅色，以紫薯莜麥酒的色澤、香氣、滋味風(fēng)味和回味作為感官評價的指標(biāo)。參加評定人員為10名(5男、5女)食品專業(yè)科技人員，且身體健康，無任何感官方面的缺陷，在檢測前1 h內(nèi)不抽煙喝酒不吃東西，不使用任何有氣味的化妝品，評價過程中禁止互相討論，每次評價間隔10 min，評價完每一個樣品后以清水漱口[20]。參加評定人員按照表1的4個指標(biāo)從優(yōu)、好、良、差4個等級，按照10分制進行評分。

表1 紫薯莜麥酒感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The standards of purple sweet potato and naked oats wine sensory evaluation

1.3.4 模糊數(shù)學(xué)感官綜合評價法的建立

因素集的確定：以紫薯莜麥酒色澤(U1)、香氣(U2)、滋味風(fēng)味(U3)和回味(U4)作為評價指標(biāo)，從而得出評價指標(biāo)的因素集U={U1，U2，U3，U4}[21-23]。

由評價小組評價得出紫薯莜麥酒的4個評價等級：優(yōu)(V1)、好(V2)、良(V3)和差(V4)，從而得出紫薯莜麥酒的評語集V={V1，V2，V3，V4}。試驗中優(yōu)、好、良和差4個等級分別對應(yīng)其中間值為9、7、4、1，因此評價等級集K={K1，K2，K3，K4}={9，7，4，1}。

權(quán)重集的確定：采用用戶調(diào)查法[24]。征集20名消費者，有飲酒喜好，其中男女各10名，年齡在23～65歲，且身體健康，無任何感官方面的缺陷。每人發(fā)放打分表及紫薯莜麥酒樣品一瓶，對紫薯莜麥酒的色澤、香氣、滋味風(fēng)味和回味各因素按所占重要性程度的比率進行分析評價，結(jié)果見表2，得出紫薯莜麥酒的權(quán)重集為W={0.22，0.24，0.35，0.19}。

評價體系的建立：將經(jīng)混料設(shè)計的18種紫薯莜麥酒建立評價體系Tg={T1，T2，T3，…，T18}。

表2 紫薯莜麥酒權(quán)重的分析Table 2 The statistical weight analysis of purple sweet potato and naked oats wine

1.3.5 混料設(shè)計試驗

紫薯莜麥酒以紫薯和莜麥為主要原料，輔助添加玉米和糯米2種原料，根據(jù)前期預(yù)實驗和混料設(shè)計要求，對輔料的添加量進行搭配設(shè)計，結(jié)果見表3。試驗設(shè)計采用Design-Expert 8.05B設(shè)計軟件中的D-optimal mixture design，以模糊數(shù)學(xué)感官評價為響應(yīng)值，進行回歸分析。

表3 影響因素與水平Table 3 Factors and levels

1.3.6 有機酸及氨基酸含量測定

均委托青島科創(chuàng)質(zhì)量檢測有限公司進行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫薯莜麥酒模糊數(shù)學(xué)感官綜合評價結(jié)果

由10名評價員對18種紫薯莜麥酒樣品的4項指標(biāo)進行逐一評價，將評價結(jié)果收集匯總后進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

模糊評定矩陣根據(jù)感官評價結(jié)果除以總?cè)藬?shù)，即得到18個Tg的模糊矩陣：

表4 紫薯莜麥酒感官評價指標(biāo)數(shù)統(tǒng)計Table 4 Sensory evaluation tall of different purple sweet potato and naked oats wine

標(biāo)準(zhǔn)模糊綜合評判數(shù)學(xué)模型，采用取大取小的算法，會給評定結(jié)果帶來誤差[26]。因此，本文采用矩陣乘法代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法，并按照公式計算綜合評分避免誤差的產(chǎn)生。已知紫薯莜麥酒4個權(quán)重集為W={0.22，0.24，0.35，0.19}，按照Y=X×R得到紫薯莜麥酒各樣品評價結(jié)果：

同理得Y2={0.638，0.176，0.186，0}，Y3={0.703，0.100，0.197，0}，Y4={0.698，0.124，0.178，0}，Y5={0.659，0.124，0.217，0}，Y6={0.700，0.168，0.132，0}，Y7={0.666，0.135，0.199，0}，Y8={0.681，0.117，0.202，0}，Y9={0.557，0.224，0.219，0}，Y10={0.759，0.143，0.098，0}，Y11={0.724，0.200，0.076，0}，Y12={0.587，0.100，0.313，0}，Y13={0.638，0.173，0.189，0}，Y14={0.536，0.280，0.184，0}，Y15={0.681，0.119，0.200，0}，Y16={0.625，0.160，0.215，0}，Y17={0.603，0.141，0.256，0}，Y18={0.536，0.197，0.219，0.048}。

模糊綜合評價總分T=Y×K，評價等級集K={9，7，4，1}，Y1={0.681，0.100，0.219，0}，因此，第1個紫薯莜麥酒樣品的模糊綜合評價總分：

同理可得，T2=7.718，T3=7.815，T4=7.862，T5=7.667，T6=8.004，T7=7.735，T8=7.756，T9=7.457，T10=8.224，T11=8.220，T12=7.235，T13=7.709，T14=7.520，T15=7.762，T16=7.605，T17=7.438，T18=7.127。

2.2 D-optimal mixture design優(yōu)化試驗

2.2.1 試驗設(shè)計及結(jié)果

采用Design-expert 8.05B中Mixture的D-optimal設(shè)計紫薯莜麥酒混料設(shè)計方案(表5)，以模糊數(shù)學(xué)感官評價總分(Ti)為響應(yīng)值，以模糊數(shù)學(xué)感官評價總分最高為優(yōu)化目標(biāo)進行實驗。根據(jù)實驗結(jié)果，進行二次多項回歸擬合分析，剔除不顯著因素，得到回歸方程：

y=49.42A+45.24B+97.59C+147.98D-160.80AB-270.09AC-371.38AD-254.15BC-359.07BD-444.40CD+54 5.53ABC+758.87ABD+604.08ACD+597.66BCD

表5 紫薯莜麥酒配方的混料設(shè)計組合Table 5 Mixture design matrix for purple sweet potato and naked oats wine

2.2.2 方差分析

表6 二次逐步回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of the stepwise regression quadratic model

注：**表示極顯著(P<0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

2.2.3 交互因子的響應(yīng)面分析

利用軟件根據(jù)擬合后的二次混合模型方程，取其中3個因素為變量，其他1個因素則為固定值[27]，繪制出紫薯(A)、莜麥(B)和玉米(C)3個影響因素對模糊數(shù)學(xué)感官評價總分影響的等高線和響應(yīng)面圖(圖1)。三角響應(yīng)曲面是以中心點為最高點的曲面圖，說明各因素之間交互作用顯著。在糯米固定為25%的情況下，隨著紫薯(A)和莜麥(B)添加量的增加，模糊數(shù)學(xué)感官評價總分達到最大值，但達到一定值后，隨著其他3種原料添加量的增加，模糊數(shù)學(xué)感官評價總分分值呈下降趨勢。其可能的原因是在糯米固定配比為25%的情況下，隨著紫薯和莜麥添加量的增加，酒中紫薯和莜麥的風(fēng)味逐漸濃郁，但莜麥淀粉含量較低[28]，紫薯釀酒帶有薯類酒特有的苦澀味，因此過多添加紫薯和莜麥，會使酒入口寡淡，苦澀味明顯，模糊數(shù)學(xué)感官評價總分隨之降低；原料中適當(dāng)添加玉米可增加酒的甜香味，但過多添加玉米又會掩蓋紫薯和莜麥本身的清香味。因此，紫薯莜麥酒最優(yōu)配方為紫薯32.8%、莜麥32.6%、玉米9.6%和糯米25%。

按照優(yōu)化后的配方制成紫薯莜麥酒，模糊數(shù)學(xué)感官評價總分為8.59±0.02，與預(yù)測值8.60相一致。

圖1 響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.1 The response surface plot and contour plot

2.3 新舊配方對有紫薯莜麥酒中氨基酸的影響

氨基酸是紫薯莜麥酒風(fēng)味的重要組成部分，很多氨基酸本身具有愉悅的氣味和口感，并且氨基酸的代謝產(chǎn)物——醇類物質(zhì)，對紫薯莜麥酒的風(fēng)味和口感也有影響。因此，為進一步驗證該配方，對新舊2個配方獲得的紫薯莜麥酒進行了氨基酸的檢測。如圖2所示，經(jīng)分析新舊配方獲得的紫薯莜麥酒均富含17種氨基酸，定量分析見表7。

a-舊配方;b-新配方圖2 紫薯莜麥酒新舊配方氨基酸色譜圖Fig.2 The amino acid chromatogram of old and new formulations for purple sweet potato and naked oats wine

表7 紫薯莜麥酒新舊配方中氨基酸含量的變化 單位：mg/kgTable 7 Changes of amino acid content of old and new formulations for purple sweet potato and naked oats wine

新舊2個配方獲得的紫薯莜麥酒氨基酸總量分別為3 231.47和2 694.21 mg/kg，新配方與舊配方相比氨基酸總量高出19.94%；9種必需氨基酸總量分別為1 011.9和803.59 mg/kg，非必需氨基酸總量分別為2 219.57和1 890.62 mg/kg，新配方與舊配方相比必需氨基酸總量和非必需氨基酸總量分別高出25.92%和17.40%。上述結(jié)果表明，新配方獲得的紫薯莜麥酒氨基酸含量明顯高于舊配方獲得紫薯莜麥酒，表明新配方的原料配比更合理。

將紫薯莜麥酒中檢測到的17種氨基酸按照其呈味特征分類，可以分為4類：甜味氨基酸包括絲氨酸、甘氨酸、組氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、脯氨酸；苦味氨基酸包括精氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸；鮮味氨基酸包括天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸；芳香族氨基酸包括胱氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸。從呈味特征方面對紫薯莜麥酒的4類呈味氨基酸進行分析，結(jié)果見圖3。在紫薯莜麥酒中甜味氨基酸含量最高，其次為鮮味氨基酸、芳香族氨基酸和苦味氨基酸。紫薯莜麥酒中主體氨基酸為脯氨酸，脯氨酸與糖共熱發(fā)生氨基酸-羰基反應(yīng)，可生成特殊的香味物質(zhì)。

圖3 紫薯莜麥酒氨基酸風(fēng)味分析Fig.3 Flavor amino acid analysis of purple sweet potato and naked oats wine

新配方與舊配方相比，除芳香族氨基酸略有下降，其他3種呈味氨基酸均顯著升高。這是由于芳香族氨基酸中的胱氨酸質(zhì)量分數(shù)新舊配方分別為125.92和275.11 mg/kg，在新配方中顯著降低。在新配方中甜味氨基酸共1 440.42 mg/kg，占總氨基酸的44.75%，與舊配方相比提高了31.8%，說明新配方釀造的紫薯莜麥酒具有淡淡的甘甜味，與舊配方相比，甘甜味更加明顯。鮮味即酒的醇香，是紫薯莜麥酒立足市場的一大賣點。新配方中鮮味氨基酸共1 051.08 mg/kg，占總氨基酸的32.53%，與舊配方30.54%相比略有升高，說明新配方獲得的紫薯莜麥酒醇香更加突出。新配方中苦味氨基酸與舊配方相比也略有升高，紫薯莜麥酒中的苦味與甜味、鮮味和芳香族氨基酸相結(jié)合，也能形成一種令人倍感舒適的獨特風(fēng)味。

3 結(jié)論與討論

本文采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對紫薯莜麥酒的感官品質(zhì)進行了綜合評定，評定結(jié)果結(jié)合混料設(shè)計建立了實驗指標(biāo)與各組分的回歸模型，考查配方中各組分的互作效應(yīng)，并通過模型優(yōu)化得到了以紫薯和莜麥為主要成分的紫薯莜麥酒的最優(yōu)配方，該方法降低了傳統(tǒng)感官評價中主觀因素的干擾，將模糊概念轉(zhuǎn)化為可客觀分析的數(shù)學(xué)化問題，大大提高了評價的可信度和準(zhǔn)確度[29]，并且本文采用的方法科學(xué)有效地降低了試驗次數(shù)，提高了試驗效率。通過該方法優(yōu)化得到以紫薯和莜麥為主要成分的紫薯莜麥酒的最優(yōu)配方為紫薯32.8%、莜麥32.6%、玉米9.6%和糯米25%。

本文通過高效液相色譜法，將本文獲得紫薯莜麥酒新配方與本實驗室之前采用的舊配方在氨基酸方面進行了對比研究，共檢測得到17種氨基酸。新配方與舊配方相比除胱氨酸、蛋氨酸含量顯著降低，其他15種氨基酸含量均顯著升高，氨基酸總量、必需氨基酸和非必需氨基酸分別增高了19.94%、25.92%和17.40%。胱氨酸和蛋氨酸均為含硫氨基酸，減少這類氨基酸有助于減少酒中臭味。按照呈味特征可將這17種氨基酸分為甜味氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸。紫薯莜麥酒中甜味氨基酸含量最高，新配方與舊配方相比提高了31.8%，這可能是由于在新配方中添加了糯米和玉米2種原料。綜上所述，新配方在口感和風(fēng)味方面優(yōu)于舊配方，采用基于混料設(shè)計結(jié)合模糊數(shù)學(xué)綜合評價法獲得的紫薯莜麥酒新配方具有可行性。