基于模糊數(shù)學(xué)評價的植物基復(fù)合谷物酸奶的發(fā)酵工藝研究

周志橋，鄭驍陽，劉金洋，晏永球，王 俊，于有強，王文鑫，劉士偉，苑 鵬，柳 嘉，馬喜山，丁振江，*段盛林

（1.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司，北京 100015；2.功能主食創(chuàng)新與慢病營養(yǎng)干預(yù)北京市重點實驗室，浙江 寧波 315000；3.寧波御坊堂生物科技有限公司，浙江 寧波 315000）

近年來，保護環(huán)境和堅持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全人類的重大共識[1]，發(fā)展植物蛋白食品可以顯著減少資源的消耗與氣體的排放[2]。越來越多的科學(xué)研究表明，如果在飲食中攝入更多的植物蛋白類食品，如大豆、豌豆等，與飲食相關(guān)的死亡率最高可降低5%～7%[3]。有關(guān)研究指出，植物基蛋白能顯著降低血脂和LDL（Low density ipoprotein，低密度脂蛋白） 水平[4]。植物性原料中的可溶性膳食纖維可輔助調(diào)節(jié)人體血糖和脂質(zhì)代謝，維護腸道菌群平衡[5]。植物性食品原料中含有的異黃酮具有降血糖和保護心血管作用[6]，且異黃酮對乳腺癌、結(jié)腸癌等常見癌癥也有較好的抗癌作用；生物活性物質(zhì)皂苷具有明顯的降壓作用；亞精胺則能保護由年齡增長引起的記憶損害，具有預(yù)防老年癡呆的重要作用[7]。因此，隨著現(xiàn)如今人們對健康生活關(guān)注度日益增長的社會風(fēng)向逐漸盛行，越來越多民眾開始主動選擇更多的植物基食物來構(gòu)建一日食譜。

酸奶作為一種被廣大消費者接受且老少皆宜的產(chǎn)品，市場占有率居高不下[8]。常規(guī)酸奶均是以牛奶等動物奶源進行發(fā)酵制得，市場上僅存在一些小眾的冷鏈植物基酸奶[9]，成本不僅遠(yuǎn)高于動物酸奶[10]，口感也較差。因此，純植物基發(fā)酵且口感可被廣大消費者接受的常溫酸奶的研究成為一大熱點，也是各大企業(yè)角逐的產(chǎn)品方向[11]。

以含有大豆[12]、大米、紫蘇籽仁和火麻仁等組成的復(fù)合谷物蛋白粉為發(fā)酵底物[13]，植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌[14]組成的復(fù)合菌為發(fā)酵劑進行發(fā)酵[15]。以產(chǎn)品外觀、適口性和滋味作為評價指標(biāo)建立模糊數(shù)學(xué)模型[16]，通過正交試驗設(shè)計[17]優(yōu)化產(chǎn)品發(fā)酵時的料液比、發(fā)酵劑用量和發(fā)酵時間的最佳工藝參數(shù)[18]。制得的發(fā)酵液通過后續(xù)調(diào)配和加工工藝處理制備出風(fēng)味較好、產(chǎn)品穩(wěn)定的常溫植物基酸奶產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

大豆、稻米，市售；紫蘇籽仁，文登金剛食品有限公司提供；火麻仁，遼寧俏牌生物科技有限公司提供；發(fā)酵劑（嗜酸乳桿菌與植物乳桿菌配比為1∶1），潤盈生物工程（上海） 有限公司提供；氫氧化鈉（分析純），現(xiàn)代東方（北京） 科技發(fā)展有限公司提供。

1.1.2 儀器設(shè)備

膠體磨，沈陽航天新光超微粉碎機械有限公司產(chǎn)品；HOMOLAB-2 型高壓均質(zhì)機，意大利FBF 公司產(chǎn)品；PL203 型分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；FE20 型pH 計，梅特勒儀器上海有限公司產(chǎn)品；DL-CJ2NDI 型超凈工作臺，北京松聯(lián)哈爾儀器制造有限公司產(chǎn)品；SPX-150B 型生化培養(yǎng)箱，天津泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；FT74 型超高溫瞬時殺菌機，上海雅程儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物基復(fù)合谷物酸奶的制備工藝

工藝流程：原料磨漿→一次均質(zhì)→一次殺菌→接菌發(fā)酵→終止發(fā)酵→二次均質(zhì)→二次殺菌→無菌灌裝→成品。

操作要點：將大豆、大米、紫蘇籽仁和火麻仁等原料磨漿，于20～30 MPa 條件下，均質(zhì)1 遍，然后于溫度95 ℃，時間10 min 條件進行殺菌，將料液冷卻至發(fā)酵溫度，再進行接菌發(fā)酵。發(fā)酵時間結(jié)束后終止發(fā)酵，在破乳后進行二次均質(zhì)工藝（20～30 MPa 均質(zhì)2 遍）。均質(zhì)后料液進行UHT 超高溫瞬時殺菌[24]，殺菌條件為溫度110 ℃，時間15 s，無菌灌裝后得成品。

1.2.2 植物基復(fù)合谷物酸奶的酸度的測定

酸度測試：根據(jù)GB 5009.239—2016《食品酸度的測定》中的酚酞指示劑法。

1.2.3 模糊數(shù)學(xué)感官評價方法建立

（1） 評價指標(biāo)集的確定。參考《GB 19302—2010 發(fā)酵乳》中發(fā)酵乳的感官要求內(nèi)容，以復(fù)合谷物酸奶的外觀（包括色澤和組織狀態(tài)） 和適口性（包括酸度、滋味和氣味） 作為評價指標(biāo)[20]。

A1=外觀：色澤A11，組織狀態(tài)A12；

A2=適口性：酸度A21，黏稠度A22；

A3=滋味：香氣A31，有無異味A32。

（2） 評價指標(biāo)集權(quán)重系數(shù)的計算。采用問卷調(diào)查方法完成權(quán)重系數(shù)計算[21]。主要是依據(jù)上文確定的評價指標(biāo)集，對調(diào)查結(jié)果按照重要程度進行排序。將各指標(biāo)給予相同重要程度的人數(shù)除以全部人數(shù)，即可得到某一指標(biāo)的權(quán)重Xi。各項權(quán)重計算公式如下。

式中：Xi——為第i 個指標(biāo)的權(quán)重；

aj——為指標(biāo)賦值；

nij——為選擇第i 個指標(biāo)的重要程度為j 的人數(shù)；

N——為參加的總?cè)藬?shù)。

（3） 評價對象集的確定。將需要進行評價的產(chǎn)品集合定義為Y，Yi即為評價對象集，則通過正交試驗設(shè)計（或響應(yīng)面試驗設(shè)計，響應(yīng)面試驗設(shè)計數(shù)據(jù)量會比較大，預(yù)計27 個） 產(chǎn)生的測評產(chǎn)品Yi={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}。Yj代表對9 種樣品的綜合評價，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

（4） 評語集的確定。設(shè)定一個特定分值區(qū)域，并與評價集相對應(yīng)，可將最終結(jié)果量化為具體評分[22]。首先設(shè)定評語集為：V={V1，V2，V3，V4}；V1=很好，V2=良好，V3=一般，V4=較差。根據(jù)清晰質(zhì)量等級邊界模糊化法將分值區(qū)域清晰化，即取區(qū)域的中心值得到對應(yīng)的分值。

評語集與分值區(qū)域?qū)?yīng)表見表1。

表1 評語集與分值區(qū)域?qū)?yīng)表/分

（5） 模糊矩陣的形成。評價人員分別對由正交設(shè)計試驗所制得的樣品，依照上述評價指標(biāo)集內(nèi)容的各個角度進行品評。將結(jié)果匯總于酸奶品質(zhì)評價統(tǒng)計表中，相同評語的人數(shù)除以總?cè)藬?shù)得到隸屬度，形成評價矩陣Rij。

要求評價人員必須于品評前1 h 斷食，只可喝水，不得吸煙，確保品評期間具有正常的生理狀態(tài)。在進行感官品評前，評價人員不可使用化妝品或其他有明顯氣味的用品。每次品評包括4 份樣品（包含1 份參照樣品和3 份待品評樣品）。每位評價人員每天最多品嘗2 次，且時間需安排在飯前1 h 或飯后2 h 內(nèi)進行。其中，參照樣品為事先選出3 份試驗樣品，經(jīng)過一系列加工制備后，由評價人員進行3 次品評，選出各項評價指標(biāo)正常，綜合評分在80 分左右的樣品1 份，作為每次品嘗的參照樣品。

（6） 模糊評判方法。依據(jù)模糊變換原理：Y=X○R 其中，Y 為上述的評價對象集，是對樣品的綜合評價集；X 為權(quán)重集；R 為評價矩陣；○為廣域模糊算子。

式中：Yi=(X1×r1i)∨或∧(X2×r2i)?(Xn×rni)。這里“∨”表示兩者相比較后取較大者，“∧”表示兩者相比較較小值，根據(jù)酸奶感官評價的各指標(biāo)之間的關(guān)系，一級和二級因素的模糊變換根據(jù)最大運算法則選取“∨”。最后，根據(jù)評語集與分值區(qū)域相對應(yīng)表中的分值，將綜合品評結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分值，作為結(jié)果帶入正交試驗[23]。

1.2.4 單因素試驗

將每個感官指標(biāo)評分均按照表1 中的分值區(qū)域進行打分，以感官評分作為因變量，酸度變化作為輔助參考因素，分別考查不同料液比（1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7），發(fā)酵劑不同添加量（0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.09%，0.11%）、不同發(fā)酵時間（4，5，6，7，8，9 h） 和不同發(fā)酵溫度（36，38，40，42，44，46 ℃）。

1.2.5 正交試驗設(shè)計

通過單因素試驗結(jié)果，考慮發(fā)酵溫度的控制在實際生產(chǎn)中也有所浮動和產(chǎn)品落地加工的經(jīng)濟性，選取料液比、發(fā)酵劑添加量和發(fā)酵時間做自變量，以感官評分為因變量，進一步做三因素三水平的正交試驗設(shè)計，對酸奶發(fā)酵工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

正交試驗因素與水平設(shè)計見表2。

表2 正交試驗因素與水平設(shè)計

1.2.6 數(shù)據(jù)分析方法

試驗樣品均需重復(fù)3 次，結(jié)果以（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差） 形式表示。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0 和Origin 8.6 進行統(tǒng)計分析、作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊感官評價方法制定

2.1.1 感官評價的評價因素及各項權(quán)重

通過統(tǒng)計分析調(diào)查的數(shù)據(jù)，確定植物基復(fù)合谷物酸奶感官評價的評價因素及各項權(quán)重。

品評標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計算結(jié)果見表3。

表3 品評標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計算結(jié)果

2.1.2 模糊評判隸屬度的確定

通過統(tǒng)計9 名專業(yè)評價人員對9 個正交試驗樣品的評價結(jié)果，得出評語隸屬度，其中1 號樣品隸屬度結(jié)果如下（表4）。其余8 個樣品依照同樣方式進行統(tǒng)計。

表4 1 號樣品各項指標(biāo)的隸屬度

1 號樣品各項指標(biāo)的隸屬度見表4。

2.1.3 評價結(jié)果計算

對于指標(biāo)“外觀”A11，按模糊變換法則，通過模糊變換得出其評價結(jié)果為：

歸一化的，

同理可以計算出，

進而得到樣品1 的評價隸屬度矩陣RA：

根據(jù)最小計算法則，采用“∧”運算獲得1 號樣品的評價集：

歸一化的：

根據(jù)表4，得出1 號樣品得分=95×0.219+85×0.555+70×0.227+30×0.000=83.79（分）。同理，計算其他8 個樣品得分。

9 個試驗樣品評分匯總見表5。

表5 9 個試驗樣品評分匯總

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 不同料液比對酸奶感官和酸度的影響

不同料液比對酸奶感官和酸度的影響見圖1。

圖1 不同料液比對酸奶感官和酸度的影響

由圖1 可知，隨著原料調(diào)配時料液比的增加，感官評分先增加后降低，前段增加速度明顯快于后段下降速度。分析可能是料液比太低時，發(fā)酵菌增長較慢的原因，而料液比過高時營養(yǎng)密度變低，發(fā)酵菌的增長同樣受限[24]。通過酸度變化曲線可以看出，在料液比為1∶4，酸度為86.47 °T，說明乳酸菌增長最快，產(chǎn)酸也最豐富，產(chǎn)品更加符合消費者的風(fēng)味嗜好。因此，在單因素試驗中得出1∶4 的料液比為酸奶的最佳條件，平均得分達(dá)到89.33 分。

2.2.2 發(fā)酵劑不同添加量對酸奶感官、酸度的影響

發(fā)酵劑不同添加量對酸奶感官、酸度的影響見圖2。

圖2 發(fā)酵劑不同添加量對酸奶感官、酸度的影響

由圖2 可知，酸奶的感官評分呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，前段上升趨勢較為緩慢，后段下降趨勢較快。分析可能是隨著發(fā)酵劑添加量增加發(fā)酵效果越好，如果添加過高的發(fā)酵劑，會導(dǎo)致前期快速產(chǎn)酸，使得中后期菌種之間產(chǎn)生拮抗作用，影響發(fā)酵效果。結(jié)合酸度變化曲線可以判斷出發(fā)酵劑添加量過高酸度會變高，進而影響口感[25]。一定范圍內(nèi)，隨著發(fā)酵劑添加量增加會增加發(fā)酵效率，但是綜合考慮產(chǎn)業(yè)化成本和發(fā)酵過程的易控制程度，確定發(fā)酵劑添加量為0.05%時，平均評分最高為89.33 分，酸度為87.08 °T。

2.2.3 不同發(fā)酵時間對酸奶感官、酸度的影響

不同發(fā)酵時間對酸奶感官、酸度的影響見圖3。

圖3 不同發(fā)酵時間對酸奶感官、酸度的影響

由圖3 可知，隨著發(fā)酵時間的延長，酸奶的感官評分先增加后下降，酸度變化一直處于上升趨勢。初步判斷是隨著發(fā)酵時間的增加，有機酸產(chǎn)生的量不斷得到積累，后段得分不斷下降，由酸度曲線可以看出酸度水平較高，影響到了消費者的適口性。綜合考慮，確定最佳發(fā)酵時間為6 h，這時平均得分為89.67 分，酸度為86.49 °T。

2.2.4 不同發(fā)酵溫度對酸奶感官、酸度的影響

不同發(fā)酵溫度對酸奶感官、酸度的影響見圖4。

圖4 不同發(fā)酵溫度對酸奶感官、酸度的影響

由圖4 可知，隨著發(fā)酵溫度的增加，感官評分越來越高，增加到42 ℃后評分呈現(xiàn)下降趨勢，但是酸度變化一直不大，需要進一步進行有機酸組成分析。初步判斷原因是隨著發(fā)酵溫度的增加，發(fā)酵劑的活力不斷得到釋放，發(fā)酵效率不斷增加，但是過高的溫度又會抑制發(fā)酵劑的活力，影響發(fā)酵效率。因此，確定酸奶的最佳發(fā)酵溫度為42 ℃，此時平均得分為89.00 分，酸度為87.29 °T。

2.3 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果見表6，正交試驗方差分析見表7。

表6 正交試驗結(jié)果

通過計算R 值，可知將感官評分作為正交試驗的考查指標(biāo)時，復(fù)合發(fā)酵劑添加量為0.06%的試驗組感官評分較高，由表6 可知，各因素對植物基復(fù)合谷物酸奶感官評分的影響順序為RB＞RA＞RC，即發(fā)酵劑添加量＞料液比＞發(fā)酵時間。結(jié)合方差分析綜合研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵劑添加量具有顯著影響（p＜0.05），最佳發(fā)酵工藝方案為料液比1∶4，發(fā)酵劑添加量0.06%，于42 ℃條件下發(fā)酵6.5 h。

3 結(jié)論

通過構(gòu)建模糊數(shù)學(xué)評價模型，利用單因素試驗和正交設(shè)計試驗得出植物基復(fù)合谷物酸奶的制作時的料液比、發(fā)酵劑用量和發(fā)酵時間的最佳工藝參數(shù)分別是料液比1∶4，發(fā)酵劑添加量0.06%，于42 ℃條件下發(fā)酵6.5 h 時，根據(jù)該評價模型得到的最終評分達(dá)91.02 分。

該研究僅從實驗室樣品進行的相關(guān)感官評價，未考查酸奶保質(zhì)期和保質(zhì)期內(nèi)的酸奶感官變化。研究涉及的植物基復(fù)合谷物酸奶中的發(fā)酵底物是由大豆、大米、紫蘇籽仁和火麻仁等組成。植物蛋白在酸性條件下不易形成穩(wěn)定體系，尤其是火麻仁蛋白更是在殺菌受熱過程中極易不穩(wěn)定，后續(xù)在常溫植物基酸奶的穩(wěn)定體系構(gòu)建上還需要開展系列研究。以期通過后續(xù)調(diào)配和加工工藝處理制備出風(fēng)味較好、產(chǎn)品穩(wěn)定的常溫植物基酸奶產(chǎn)品。