混料設計優(yōu)化復合果蔬酒原料配比 及其模糊數(shù)學評價

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(西南科技大學生命科學與工程學院,四川綿陽 621010)

蘋果含有多種維生素、碳水化合物以及礦物質[1-2],是良好的膳食纖維源,并且具有一定的保健功能[3]。番茄(Tomato)含有多種營養(yǎng)成分[4],尤其是它所含的番茄紅素,是一種天然的抗氧化劑,可以抵抗衰老、增強免疫力[5]。獼猴桃富含多種維生素,其中VC含量最高,具有降血壓、降血脂、治療燒傷等作用[6-7]。胡蘿卜不僅富含胡蘿卜素、維生素B2和礦物質,還含有一種能分解VC的酶,具有增強免疫功能、降糖降脂等作用[8-9]。

復合果蔬酒富含多種營養(yǎng)物質、有機酸[10]及抗氧化物質,其具有調節(jié)人體自身的新陳代謝、控制體內膽固醇水平、延緩衰老等作用[11]。單一果酒和蔬菜酒在色澤、香氣、風味上欠佳,也存在營養(yǎng)成分不足的缺陷。復合果蔬酒則是通過結合各種果蔬汁的特點,釀造出營養(yǎng)豐富風格獨特的果酒[12],其在香味、色澤、滋味以及營養(yǎng)成分等方面可形成一定的互補,例如王曉麗等[13]釀造的胡蘿卜蘋果復合酒,成品酒顏色呈喜人的淡橘黃色,并且酒質醇厚、口味純正[14-16]。

本實驗通過對蘋果汁、胡蘿卜汁、獼猴桃汁和番茄汁混合配比,利用混料設計研制一種風味獨特的新型復合果蔬酒，不僅具有較好的感官風味和營養(yǎng)保健功能,同時克服單種果酒風味欠佳、營養(yǎng)成分不足的缺點。這在新型果酒的開發(fā)、釀造中,具有普遍指導作用[17-18]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果、獼猴桃、胡蘿卜、番茄 綿陽市涪城區(qū)家多樂購物中心;釀酒酵母 安琪酵母股份有限公司;果膠酶(5萬U/g)、纖維素酶(10萬U/g) 深圳恒生生物科技有限公司;偏重亞硫酸鈉 深圳恒生生物科技有限公司。

HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋 浙江金壇市正基儀器有限公司;DNP-9082恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學儀器有限公司;LYT-330手持折光儀 上海淋譽公司;BS223S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;0-100%uoe酒精計 上海一展實驗設備有限公司;MJ-L500榨汁機 松下電器。

1.2 實驗方法

1.2.1 果蔬汁的制備及發(fā)酵 蘋果汁:選取成熟的、適宜、無蟲害的紅富士蘋果,用清水洗凈,去皮切小塊,浸泡在復合護色液[19](亞硫酸添加量為0.004%,抗壞血酸添加量為0.20%,L-半胱氨酸添加量為0.07%)中15 min后用榨汁機壓榨過濾取清汁,加入60 mg/L的纖維素酶、50 mg/L果膠酶,在50 ℃時酶解1 h。

獼猴桃汁:將成熟的獼猴桃清洗干凈,去皮打漿過濾,然后加入0.02%的果膠酶,在40 ℃水浴中酶解2 h[20]。

番茄汁:選取完整無腐爛的番茄清洗、榨汁過濾,加0.02%果膠酶,35 ℃水浴3 h[21]。

胡蘿卜汁:將清洗整理后的完整無腐壞胡蘿卜去皮,切成小塊[22],榨汁過濾,在50 ℃進行攪拌,然后加入纖維素酶和果膠酶進行生物酶解,纖維素酶的用量為1 g/L,果膠酶的用量為0.035 g/L。

主發(fā)酵:將四種原料汁按試驗設計的比例混合,加入0.03%果酒酵母。在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵4 d。

1.2.2 試驗設計 采用混料設計(Mixture design)的方法,以獼猴桃汁(A)、胡蘿卜汁(B)、番茄汁(C)、蘋果汁(D)為自變量,以酒精度和感官值為響應值。使原料的限定配比范圍均為10.0%～70.0%,且各因子的體積百分比總和為100%。對所得試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,得出最佳配比條件,并做驗證試驗,重復3次得平均值。

1.2.3 酒精度的測定 采用酒精計法[23]測定產品的酒精度。

1.2.4 感官評價 根據(jù)國標方法[23]。由20名進行過感官評價學習的食品專業(yè)研究生組成感官分析小組。參照陳卉等[24]的研究并進行相應的調整,制定評價標準,見表1。根據(jù)此標準進行評判,滿分100,結果取平均值。

表1 感官評價標準Table 1 Standard of sense evaluation

1.2.5 應用模糊數(shù)學原理建立復合果蔬酒感官評價系統(tǒng) 根據(jù)食品感官指標內容,本試驗設定兩個評定論域[25-26]:因素集,即感官質量指標集U={外觀(U1),香氣(U2),口味(U3),典型性(U4)};評語集,即感官質量評語集V={優(yōu)秀V1,良好V2,一般V3,較差V4};由各指標權重值得出權重域矩陣A=(a1,a2,…,an),其中a1,a2,…,an[ai∈(0,1)]是各評價指標相應的隸屬度,且滿足條件a1+a2+…+an=1。其中A的因素是U 中的一個模糊子集,A與U是相互對應的,模糊評判矩陣即參加模糊綜合評判各因素根據(jù)相應隸屬度所組成的評判結果矩陣R。在評價集中引入模糊子集Y。根據(jù)權重域矩陣A與模糊評判矩陣R通過模糊變換可得到,表示為Y=A×R={b1,b2,…,bm}。過程如下:

Y= A×R=(a1,a2,…,an)

根據(jù)表2各項指標的權重值得到復合果蔬酒的權重因素:A={0.20,0.30,0.40,0.10}。

表2 混料設計與結果Table 2 Mixture design and the results

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)處理及做圖均采用Design Expert(Version 8.0.6)軟件進行。

2 結果與分析

2.1 混料實驗設計及結果

實驗采用D-Optimal混料設計,考察感官評價、酒精度兩個指標,實驗設計與結果如表2所示。

2.1.1 不同原料配比對酒精度的影響 應用Design Expert 8.0.6.1軟件對實驗結果進行回歸擬合分析,結果如表3所示,回歸方程模型的p值小于0.0001,表明該模型極顯著,失擬項p值0.0915>0.05,表明失擬項不顯著。說明方程對實驗的擬合度較好,實驗誤差小,因此該模型可以真實地擬合和推測實際情況;從數(shù)據(jù)中可以看出AB、AC、BD交互作用都是極顯著水平(p<0.01),而AD、BC、CD交互作用不顯著(p>0.05)。

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由此可得出數(shù)學模型,見下式:

酒精度=2.04A+2.79B+2.82C+4.93D+3.69AB+2.19AC-1.26AD-0.61BC-2.66 BD+0.14CD

模型的決定系數(shù)R2=0.9622,說明模型96.22%的實驗數(shù)據(jù)的可變性可用此模型解釋,僅有總變異的3.78%不能用此模型解釋;且回歸模型的擬合程度良好,表明該模型是合適的。

由圖1分析可知,響應面呈曲面趨勢,說明各組分之間存在交互影響。從數(shù)學模型和圖1可以看出,獼猴桃汁對酒精度影響最小,蘋果汁對酒精度影響最大。是因為蘋果汁自身所含糖分較高,所以其轉化出的酒精度就高;而獼猴桃汁由于酸含量較高,在一定的程度上會抑制酒精度的產生。

圖1 酒精度等高線圖和3D圖Fig.1 The contour plot and the 3D surface plot of liquor yield

2.1.2 不同原料配比對感官評價的影響 采用Design Expert 8.0.6.1軟件對數(shù)據(jù)結果進行回歸擬合分析,不同原料配比對感官評價影響如表4,p值為0.0001<0.01,表明此模型極顯著,失擬項p值為0.0812>0.05,表明失擬項相對于誤差不顯著,說明方程對實驗的擬合度較好,實驗誤差小,因此該模型可以真實地擬合和推測實際情況。從數(shù)據(jù)中可以看出AC、BD交互作用顯著(p<0.05)。

表4 回歸方程的方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

各原料配比對感官評價影響的數(shù)學模型如下:

感官=77.73A+70.73B+73.05C+83.80D+7.17AB+8.77AC-7.68AD-4.49BC+8.32BD+6.72CD

模型的決定系數(shù)R2=0.9606,說明模型96.06%的實驗數(shù)據(jù)的可變性可用此模型解釋,僅有總變異的3.94%不能用此模型解釋;回歸模型的擬合程度良好,表明模型是合適的。

從數(shù)學模型和圖2可以看出,響應面呈曲面趨勢,說明各組分之間存在交互影響。蘋果汁對感官評價影響最大,而胡蘿卜汁對感官評價影響最小。因為感官評價是產品的綜合評定,即對外觀、香味、色澤、口感等多個方面的綜合評價,所以評定者的主觀因素更為強烈。由于蘋果汁自身所含糖分較高,對口感影響較大,口感在感官評價中所占分數(shù)比例較高,所以蘋果汁比例對感官評價影響較大。而獼猴桃汁由于酸含量較高,所占比例較高時,會致使糖酸比不合適,從而影響口感。番茄汁和胡蘿卜汁自身所含糖酸較低,隨著其比例的變化,對酒精度影響較小;感官評定過程中酒體顏色通常以清淡者較優(yōu),所以其顏色較深會影響色澤評分。

圖2 感官評價等高線圖和3D圖Fig.2 The contour and the 3D surface plot of sensory evaluation

2.2 原料配比優(yōu)化及驗證

用響應面的優(yōu)化功能來設定各響應項的期望值及各成分變化范圍,如表5所示。響應面最終得出的原料配比方案及響應項的預測值,如表6所示。

表5 混料設計區(qū)間表Table 5 The constraits of mixture design experiment

表6 混料設計實驗優(yōu)化Table 6 Optimization of mixture design experiment

綜合酒精度和感官評價的實驗結果分析表明最佳原料配比為:獼猴桃汁10.0%,胡蘿卜汁10.0%,番茄汁10.0%,蘋果汁70.0%。

對最優(yōu)配比進行驗證實驗:得出發(fā)酵后酒精度為5.0%vol,感官評價為85.0,顏色澄清透明,果香和酒香均明顯且協(xié)調,無雜異味,具有典型性。與實驗預測值幾乎一致,所以可作為果蔬酒原料配比。

2.3 模糊數(shù)學綜合評判

隨機挑選10名20～25歲的本科生,按表7中4項指標進行打分評判,結果如表7。

表7 感官評定調查結果Table 7 Sensory evaluation survey results

由表7得模糊關系矩陣R:

根據(jù)模糊綜合評判數(shù)學模型原理:

Y=A×R=(0.20,0.30,0.40,0.10)

由Y可知,峰值在0.43,根據(jù)最大隸屬度原則,對應的評價為一般,可得出結論,該復合果蔬酒屬于能接受。

3 結論

利用Design Expert 8.0.6.1軟件對獼猴桃汁、番茄汁、胡蘿卜汁、蘋果汁四種原料的復配比例進行優(yōu)化,得到四種原料最優(yōu)配比為獼猴桃汁10.0%,胡蘿卜汁10.0%,番茄汁10.0%,蘋果汁70.0%。發(fā)現(xiàn)蘋果汁的比例對感官和酒精度的影響最大,說明蘋果汁比例在復合果蔬酒中起到了主導作用。經實驗驗證,優(yōu)化配比的復合果蔬酒的酒精度為5.0%vol,感官評價為85.0,與預測值相符,所以混料設計可以用于優(yōu)化復合果蔬酒比例。