高 濤,陳虹旭,唐華麗
(重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,重慶 404100)
枸杞果實(shí)富含蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)成分以及活性多糖、生物堿和黃酮類化合物等藥用成分[1]?,F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,枸杞多糖具有調(diào)節(jié)人體免疫力、降血糖、抗疲勞、抗衰老等作用[2-4]。山楂又名山里紅,果實(shí)富含黃酮、多酚和原花青素等150余類物質(zhì)[5]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,山楂具有很好的降糖降脂、抗氧化、輔助治療心血管疾病等功能[6-9]。紅棗富含糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、鈣以及各種維生素等營養(yǎng)成分,具有很高的使用價值和保健食療功能[10-11]。
果汁固體飲料是以水果或其汁液、水果粉為主要原料經(jīng)加工制成的固體飲料。具有體積小、運(yùn)輸貯存及攜帶方便、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。枸杞、山楂、紅棗營養(yǎng)價值高,保健功效好,是加工天然保健復(fù)合飲料的理想原料。以三者為原料制成的復(fù)合固體飲料有一定的食用價值,值得推廣。但傳統(tǒng)的食品感官評價由于其方法落后,易受評價人員主觀因素的干預(yù),導(dǎo)致其評價結(jié)果誤差較大,不宜對產(chǎn)品進(jìn)行評價[14-16]。采用模糊數(shù)學(xué)法對產(chǎn)品的感官評價進(jìn)行更加細(xì)致的處理,讓產(chǎn)品的感官指標(biāo)數(shù)字化,讓感官評價的結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、可靠[17-18]。但應(yīng)用此方法的前提是產(chǎn)品的每個感官評價的標(biāo)準(zhǔn)闡述一定要清楚,參與感官評價的人數(shù)一定要多,才能讓產(chǎn)品的感官評價結(jié)果更加接近真實(shí)值。同時在利用主成分分析(PCA)進(jìn)行模型建立的時候也需要足夠的數(shù)據(jù)量,這樣才能更加清楚地找出各個指標(biāo)所處在的關(guān)系,以及讓模型更加精準(zhǔn)[19]。模糊數(shù)學(xué)法與感官評價結(jié)合,利用模糊數(shù)學(xué)法讓產(chǎn)品感官中的模糊概念數(shù)字化,讓評價結(jié)果更加科學(xué)合理[20-21]。由于食品品質(zhì)的影響因素較多,但每個因素的權(quán)重未知,通過主成分分析(PCA)技術(shù)對各因素進(jìn)行綜合分析,建立數(shù)學(xué)模型,得到產(chǎn)品的綜合評價,讓產(chǎn)品的評價結(jié)果更加準(zhǔn)確[22-25]。
本次實(shí)驗(yàn)采用模糊數(shù)學(xué)法對產(chǎn)品的感官評價進(jìn)行更加細(xì)致的處理,讓產(chǎn)品的感官指標(biāo)數(shù)字化,讓感官評價的結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、可靠。同時,對產(chǎn)品的模糊感官評分、可溶性固形物含量、總酸含量、澄清度、溶解時間等指標(biāo)利用主成分分析(PCA)進(jìn)行整合并建立綜合評價模型。依據(jù)此模型來對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價并得到最優(yōu)配方。
寧夏紅果枸杞、散裝山楂干、新疆紅棗 永輝超市;麥芽糊精、白砂糖、檸檬酸、卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素鈉 食品級,本地食化超市。
FA1004分析天平 上海舜平恒宇科學(xué)儀器有限公司;SRH60-70高壓均質(zhì)機(jī) 上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司;YC-015噴霧干燥機(jī) 上海雅程儀器設(shè)備有限公司;JYC-21HEC05九陽電磁爐 九陽股份有限公司;DE12F51美的豆?jié){機(jī) 廣東美的生活電器制造有限公司;PAL-1糖度計(jì) 日本愛拓公司;SP-756可見光分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司。
1.2.1 基礎(chǔ)配方 以500 mL飲用水為標(biāo)準(zhǔn),按其百分比質(zhì)量稱取枸杞汁40%、紅棗汁20%、山楂汁20%、復(fù)合穩(wěn)定劑0.20%、白砂糖4%、檸檬酸0.02%、麥芽糊精10%。
1.2.2 三種干果復(fù)合固體飲料的工藝流程 枸杞、山楂、紅棗→挑選→清洗→漂燙→打漿→粗濾→濃縮→過濾→三種干果混合原汁→混勻→調(diào)配→均質(zhì)→噴霧干燥→成品
1.2.3 操作要點(diǎn)
1.2.3.1 三種干果混合原汁制備 分別選取優(yōu)質(zhì)枸杞、山楂、紅棗干果為原料,冷水沖洗,熱水漂燙30 s后量取枸杞干重的6倍水,山楂濕重的15倍水,紅棗干重的6倍水分別進(jìn)行打漿,4層紗布過濾,再加熱濃縮至可溶性固形物含量達(dá)到14%左右時停止,4層紗布過濾后即可分別得到各原汁,按比例稱取枸杞、山楂、紅棗原汁混合,即得三種干果混合原汁。
1.2.3.2 復(fù)合穩(wěn)定劑的制備 等比例稱取卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素鈉并混合均勻作為復(fù)合穩(wěn)定劑。
1.2.3.3 調(diào)配 將白砂糖、檸檬酸、麥芽糊精和復(fù)合穩(wěn)定劑溶液先后加入三種干果混合原汁中,攪拌均勻。
1.2.3.4 均質(zhì) 將料液置于高壓均質(zhì)機(jī)中于25 MPa,70 ℃條件下均質(zhì)處理15 min[26]。
1.2.3.5 噴霧干燥 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定干燥條件為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,出風(fēng)溫度90 ℃,進(jìn)料速度55 mL/min,進(jìn)行噴霧干燥。
1.2.4 模糊感官評價
1.2.4.1 建立評價因素集合 設(shè)產(chǎn)品的評價因素集合為U=(u1,u2,u3,u4),u1,u2,u3,u4分別代表產(chǎn)品的色澤、香味、組織狀態(tài)、口感。
1.2.4.2 建立評價評語集合 設(shè)產(chǎn)品的評價評語集合為V=(v1,v2,v3,v4)=(90,80,70,60),v1,v2,v3,v4分別代表優(yōu)、良、中、差四個等級,每個等級分別對應(yīng)90、80、70、60分。
1.2.4.3 建立評價因素權(quán)重集合 權(quán)重集合表示各評價因素的重要程度,通過采用強(qiáng)制對比法[27]確定了產(chǎn)品的權(quán)重集合W=(w1,w2,w3,w4)=(0.22,0.18,0.29,0.31),即色澤,香味,組織狀態(tài),口感分別占比0.22、0.18、0.29、0.31。
1.2.4.4 建立模糊感官評價矩陣 由10名評價人員按表1標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品進(jìn)行感官評價評價,假設(shè)產(chǎn)品得分情況如表2所示。
表1 感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria
表2 產(chǎn)品感官評價得分情況匯總表Table 2 Summary of sensory evaluation scores of products
1.2.4.5 矩陣變換及模糊感官綜合評價 通過將表中數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化即可得到產(chǎn)品的模糊感官評價得分矩陣R。
令綜合評分集合為Y,依據(jù)模糊變換原理:Y=W×R,即矩陣變化如下所示:
Y=W×R=(0.18,0.22,0.29,0.31)
產(chǎn)品的模糊感官評分為綜合評分集合Y與評語集合V的乘積,即模糊感官評分T=Y×V。
1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn) 在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上選取枸杞汁添加量、紅棗汁添加量、山楂汁添加量,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),分別考察各因素水平對產(chǎn)品感官評分的影響。
1.2.5.1 枸杞汁添加量對產(chǎn)品感官評分的影響 在基礎(chǔ)配方不變的情況下,固定紅棗汁添加量20%,山楂汁添加量20%,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量0.20%,考察枸杞汁添加量(24%、32%、40%、48%、56%)對產(chǎn)品模糊感官評分的影響。
1.2.5.2 紅棗汁添加量對產(chǎn)品感官評分的影響 在基礎(chǔ)配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,山楂汁添加量20%,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量0.20%,考察紅棗汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)對產(chǎn)品模糊感官評分的影響。
1.2.5.3 山楂汁添加量對產(chǎn)品感官評分的影響 在基礎(chǔ)配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,紅棗汁添加量20%,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量0.20%,考察山楂汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)對產(chǎn)品模糊感官評分的影響。
1.2.5.4 復(fù)合穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品感官評分的影響 在基礎(chǔ)配方不變的情況下,固定枸杞汁添加量40%,紅棗汁添加量20%,山楂汁添加量20%,考察復(fù)合穩(wěn)定劑添加量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)對產(chǎn)品模糊感官評分的影響。
1.2.6 正交實(shí)驗(yàn) 采用10人小組評分法,以產(chǎn)品的模糊感官評分為指標(biāo),通過對產(chǎn)品的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,確定了各因素正交實(shí)驗(yàn)水平(表3)。
表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels table of orthogonal experiment
1.2.7 產(chǎn)品質(zhì)量評價 溶解時間的測定:按照QB/T 3623-1999方法進(jìn)行測定;可溶性固形物檢測:按照GB/T 12143-2008方法進(jìn)行測定;總酸含量的測定:按照GB 5009.239-2016方法進(jìn)行測定;澄清度的測定:以蒸餾水為對照,測定飲料樣液在700 nm處的透光率(%),以此表示飲料的澄清度。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0、Design Expert 10和origin 2018進(jìn)行分析處理。
單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1A~D所示,圖1A表示枸杞汁添加量對產(chǎn)品模糊感官評分的影響,隨著枸杞汁添加量的增大,產(chǎn)品的模糊感官評分顯現(xiàn)先增大后降低的趨勢,并在枸杞汁添加量為48%時達(dá)到最大。在枸杞汁添加量低于48%時,枸杞汁添加量的增加能改善產(chǎn)品的口感和色澤方面。同時,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,隨著枸杞汁添加量的增大,產(chǎn)品中的枸杞絮狀物越來越多,在枸杞汁添加量超過48%時,枸杞絮狀物產(chǎn)生沉淀的現(xiàn)象更為明顯,使得產(chǎn)品的感官評分下降。因此,枸杞汁適宜的添加量為48%。
如圖1B所示,由于濃縮后的紅棗汁清澈透亮,對產(chǎn)品的色澤和組織狀態(tài)方面存在積極影響,但高濃度的紅棗汁其甜度較高,過量添加會導(dǎo)致產(chǎn)品的口感出現(xiàn)酸甜失調(diào)。因此,產(chǎn)品的感官評分隨著紅棗汁添加量的增大而呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。并在紅棗汁添加量為16%時,產(chǎn)品感官評分達(dá)到最大。因此,紅棗汁適宜的添加量為16%。
如圖1C所示,產(chǎn)品的感官評分隨山楂汁添加量的增大呈先增大后降低的趨勢,當(dāng)山楂汁添加量為16%時,產(chǎn)品的感官評分達(dá)到最大。在此實(shí)驗(yàn)中,濃縮后的山楂汁澄清透亮,對產(chǎn)品色澤與組織狀態(tài)有積極影響,但濃縮后的山楂汁其酸味顯著增加,過量的添加會導(dǎo)致產(chǎn)品的酸甜失調(diào)。在山楂汁添加量低于16%范圍內(nèi)時,山楂汁添加量對色澤和組織狀態(tài)的改善作用大于其對口感的作用,但當(dāng)添加量超過16%后,其對口感的破壞高于其對色澤與組織狀態(tài)的改善作用。即當(dāng)山楂汁添加量超過16%時,其產(chǎn)品感官評分急劇下降。因此,適宜的山楂汁添加量為16%。
如圖1D所示,產(chǎn)品的感官評分隨著復(fù)合穩(wěn)定劑添加量的增加顯現(xiàn)先增大后降低的趨勢。在復(fù)合穩(wěn)定劑添加量低于0.2%時,隨著復(fù)合穩(wěn)定劑添加量的增加,產(chǎn)品的穩(wěn)定性越好,枸杞絮狀物不易沉淀,對產(chǎn)品的組織狀態(tài)有積極影響。但當(dāng)復(fù)合穩(wěn)定劑添加量大于0.2%時,會使得物料變得粘稠,從而降低產(chǎn)品在組織狀態(tài)上的得分。所以,適宜的復(fù)合穩(wěn)定劑添加量為0.20%。
圖1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of single factor experiments
由表4可知,極差分析結(jié)果RD>RC>RA>RB,表明各因素對三種干果復(fù)合固體飲料的模糊感官評價的影響程度為:復(fù)合穩(wěn)定劑添加量>山楂汁添加量>枸杞汁添加量>紅棗汁添加量。與表5方差分析結(jié)果一致。原因可能是復(fù)合穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品的色澤、澄清度以及口感影響都較為劇烈。雖然山楂汁在濃縮過程會引起酸味增重,但山楂汁在色澤與組織狀態(tài)方面的影響較弱,而枸杞汁中所存在的絮狀物,其只對產(chǎn)品的組織狀態(tài)的影響較大,但組織狀態(tài)所占的權(quán)重小于口感,所以山楂汁添加量對產(chǎn)品的模糊感官評價的影響大于枸杞汁的添加量。
表4 正交試驗(yàn)樣品模糊感官評分Table 4 Fuzzy sensory scores oforthogonal experiment samples
表5 模糊感官評分方差分析表Table 5 Cumulative variance contribution rateof fuzzy sensory scores
通過SPSS 23.0對產(chǎn)品的模糊感官評價、總酸含量、可溶性固形物含量、澄清度、溶解時間五組指標(biāo)的29組數(shù)據(jù)(表6)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,再進(jìn)行主成分分析。在KMO和Bartleet檢驗(yàn)中,得到模型的KMO>0.5,以及P<0.05,表明數(shù)據(jù)適合做因子分析。
表6 產(chǎn)品感官感官指標(biāo)和理化指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experiment results of sensory indexesand physicochemical indexes of products
根據(jù)特征值大于1的原理對29組數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取,得到2個主成分,結(jié)果見表7。PC1方差貢獻(xiàn)率為62.473%,PC2方差貢獻(xiàn)率28.065%,PC1和PC2的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為90.539%,表明所提取的2個主成分可解釋5個指標(biāo)中的90.539%的變量信息。
表7 累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 7 Cumulative variance contribution rate
以PC1為橫坐標(biāo),PC2為縱坐標(biāo)對主成分因子載荷系數(shù)矩陣進(jìn)行分析作圖得到主成分因子載荷圖(圖2)。由于載荷系數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義為原始變量與公共因子間的相關(guān)系數(shù)[28],同時根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小,可對相關(guān)程度進(jìn)行劃分[29]。所以,由圖2可知,澄清度與PC1顯高度正相關(guān)(載荷系數(shù)>0.85),溶解時間與PC1顯高度負(fù)相關(guān)(載荷系數(shù)<-0.85),總酸含量、可溶性固形物與PC1存在顯著正相關(guān)(0. 7<載荷系數(shù)<0.85),模糊感官評分與PC1顯正相關(guān)(0.5<載荷系數(shù)<0.7)??扇苄怨绦挝?、總酸含量與PC2顯正相關(guān)(0.5<載荷系數(shù)<0.7),模糊感官評分與PC2具有顯著負(fù)相關(guān)(載荷系數(shù)<-0.5)。當(dāng)載荷系數(shù)在-0.5~0.5之間時,相關(guān)性不強(qiáng)[30]。
圖2 主成分因子載荷圖Fig.2 Principal component factor load diagram
根據(jù)因子載荷系數(shù),按式(1)、(2)、(3)、(4)依次計(jì)算即可得到產(chǎn)品的PCA綜合得分。
式(1)
F1=0.32X1+0.42X2+0.41X3+0.52X4-0.53X5
式(2)
F2=-0.62X1+0.51X2+0.51X3-0.2X4+0.23X5
式(3)
F3=(62.473% F1+28.065% F2)/90.539%
式(4)
式中:X1表示模糊感官評價的特征向量系數(shù);X2表示總酸含量的特征向量系數(shù);X3表示可溶性固形物含量的特征向量系數(shù);X4表示澄清度的特征向量系數(shù);X5表示溶解時間的特征向量系數(shù);F1表示PC1的得分;F2表示PC2的得分;F表示主成分綜合得分。
由表8可知,極差分析結(jié)果RD>RA>RC>RB,結(jié)果表明各因素對產(chǎn)品的PCA綜合得分的影響程度為:復(fù)合穩(wěn)定劑添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>紅棗汁添加量。原因在于各指標(biāo)與PC1和PC2的相關(guān)性不同以及PC1和PC2的方差貢獻(xiàn)率不同。所以,可得到產(chǎn)品的最優(yōu)配方為A2B1C3D2,即枸杞汁添加量48%,紅棗汁添加量14%,山楂汁添加量18%,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量0.20%。對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(表9)得到枸杞汁添加量、紅棗汁添加量、復(fù)合穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品的PCA綜合得分的影響極顯著(P<0.05)。由于產(chǎn)品最優(yōu)配方不在正交實(shí)驗(yàn)組合中,即進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到產(chǎn)品的PCA綜合得分為0.53,表明以A2B1C3D2組合制作三種干果復(fù)合固體飲料的品質(zhì)最好。
表8 PCA正交實(shí)驗(yàn)綜合得分Table 8 Comprehensive score of PCA orthogonal experiment
表9 方差分析表Table 9 Table of variance analysis
通過模糊數(shù)學(xué)法與主成分分析,得到噴霧干燥法制備三種干果固體飲料的各因素的影響程度,以及其最優(yōu)配方。以PCA綜合得分為依據(jù)確定了噴霧干燥法制備三種干果固體飲料的四個實(shí)驗(yàn)因素的影響程度為:D>A>C>B,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>紅棗汁添加量。產(chǎn)品最優(yōu)配方為枸杞汁添加量48%,紅棗汁添加量14%,山楂汁添加量18%,復(fù)合穩(wěn)定劑添加量0.20%。在此條件下得到的產(chǎn)品其色澤為橙黃色,色澤透亮,口感細(xì)膩,酸甜適中。組織狀態(tài)上澄清,無雜質(zhì)。具有枸杞,山楂,紅棗的復(fù)合香味。