基于模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)的雜糧饅頭配方優(yōu)化及低GI驗(yàn)證

劉士偉，王成祥 ，段盛林, ，張美娜，王 璽，馬芙俊，趙鑫燕，李海枝

（1.中國(guó)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)制與慢病營(yíng)養(yǎng)干預(yù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015；

3.河北同福健康產(chǎn)業(yè)有限公司，河北石家莊 051430）

隨著人口老齡化進(jìn)程加快，國(guó)家針對(duì)糖尿病高發(fā)的醫(yī)療負(fù)擔(dān)逐漸增加。近幾年，國(guó)家及衛(wèi)生醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展了一系列針對(duì)糖尿病的防控工作，并頒布了《中國(guó)糖尿病膳食指南2017》。同時(shí)，為了有效控制血糖，食物血糖生成指數(shù)（glycemic index，GI）的概念開始推廣應(yīng)運(yùn)，低GI食品的研發(fā)逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

饅頭是我國(guó)人民喜愛(ài)的傳統(tǒng)主食之一，起源于三國(guó)時(shí)期。饅頭根據(jù)南北方的差異，制作工藝有所不同，但其主要還是由小麥粉加水發(fā)酵蒸制而成。由于現(xiàn)今人們生活水平的普遍提高，主食饅頭的成分及營(yíng)養(yǎng)的單一化已無(wú)法滿足人們的需求。研究發(fā)現(xiàn)苦蕎中的淀粉是以支鏈淀粉為主，富含膳食纖維，適量補(bǔ)充膳食纖維可有效預(yù)防由營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)不平衡引起的肥胖和糖尿病等相關(guān)疾病。青稞中的主要成分是淀粉等碳水化合物，蛋白質(zhì)含量較高，氨基酸、礦物質(zhì)種類齊全，因此，苦蕎、青稞等原料被廣泛應(yīng)用到饅頭制作中。2009年路長(zhǎng)喜等就通過(guò)在主食饅頭中添加不同比例的苦蕎麥粉，最后研發(fā)了一款品質(zhì)優(yōu)良，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且具備小麥和苦蕎獨(dú)具的天然清香的苦蕎麥饅頭。潘冬梅等采用單因素和正交試驗(yàn)研究了添加黑米粉、綠豆粉、玉米粉、紅豆粉的粗糧玫瑰饅頭的配方工藝，最后研發(fā)出一款具有玫瑰造型的保健雜糧饅頭。因此，研發(fā)一款營(yíng)養(yǎng)豐富且具有保健功能的雜糧饅頭已成為現(xiàn)今主食研究熱點(diǎn)之一。

本文以高筋小麥粉為主要原料，復(fù)配馬鈴薯粉、苦蕎粉、青稞粉、黃豆粉、鷹嘴豆粉等原料，通過(guò)建立模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)配方進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行GI人體驗(yàn)證，以期研發(fā)出一款GI值較低，口感較好的雜糧饅頭。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高筋小麥粉 古船食品工業(yè)有限公司；馬鈴薯粉 希森馬鈴薯產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司；苦蕎粉 昆明五谷王食品有限公司；青稞粉 西藏金谷農(nóng)業(yè)高科有限公司；黃豆粉 黑龍江北純農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)有限公司；鷹嘴豆粉 新疆天山奇豆生物科技有限責(zé)任公司；水蘇糖 中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司；桑葉提取物 博仲盛景醫(yī)藥技術(shù)（北京）有限公司；高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司。

HM740和面機(jī) 青島漢尚電器有限公司；SEG-1Y-S醒發(fā)箱 江蘇三麥?zhǔn)称窓C(jī)械有限公司；PL203型電子精密天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；；AU480全自動(dòng)生化分析儀 貝克曼庫(kù)爾特實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（蘇州）有限公司；普通蒸鍋 美的集團(tuán)股份有限公司；KDY-9820自動(dòng)凱氏定氮儀 南京威美特科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低GI雜糧饅頭制備工藝 雜糧饅頭的具體工藝流程如下：

干粉混合→和面→一次醒發(fā)→整形→二次醒發(fā)→蒸制→冷卻→雜糧饅頭

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)以及文獻(xiàn)調(diào)研確定馬鈴薯粉、苦蕎粉、桑葉提取物以及水蘇糖的添加量分別為：2%、3%、1.5%和0.8%；將其與高筋小麥粉、青稞粉，黃豆粉、鷹嘴豆粉干混，之后在混合原料的基礎(chǔ)上添加酵母粉（約占干粉質(zhì)量0.7%）；用和面機(jī)以50 r/min低速攪拌干粉，邊攪拌邊加入溫水（約占干粉質(zhì)量50%），再以112 r/min高速攪拌約10 min，使之形成光滑均勻的面團(tuán)；將該面團(tuán)置于35 ℃、濕度75%～80%的醒發(fā)箱，發(fā)酵1 h，使其內(nèi)部充滿氣孔；將一次發(fā)酵好的面團(tuán)分割成120 g左右面團(tuán)，搓圓；整形好的面團(tuán)再次置于醒發(fā)箱發(fā)酵15 min；二次醒發(fā)好的面團(tuán)放進(jìn)蒸鍋，上汽后蒸20 min；蒸制完成后，在鍋中降溫5 min后取出使之自然冷卻。

1.2.2 雜糧饅頭蛋白、脂肪、碳水化合物含量測(cè)定雜糧饅頭碳水化合物含量（g/100 g）=100-（脂肪+蛋白質(zhì)+水分+灰分+粗纖維）；蛋白、脂肪、水分、灰分、纖維測(cè)定分別參照國(guó)標(biāo) GB/T 23530-2009、GB 5009.6-2016、GB 5009.3-2016、GB 5009.4-2010和GB/T 5009.10-2003方法測(cè)定。

1.2.3 模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)方法建立

1.2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)集的確定 以低GI雜糧饅頭外觀形態(tài)、質(zhì)地、適口性和滋味為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)集權(quán)重系數(shù)的計(jì)算 本研究采用問(wèn)卷調(diào)查方法進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的計(jì)算。主要是針對(duì)上文確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)集，對(duì)調(diào)查結(jié)果按照重要程度進(jìn)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(xiàng)權(quán)重的計(jì)算公式如下。

式中：X—為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；a—為指標(biāo)賦值；n—為選擇第i個(gè)指標(biāo)的重要程度為j的人數(shù)；N—為參加的總?cè)藬?shù)。

1.2.3.3 評(píng)價(jià)對(duì)象集的確定 將需要進(jìn)行評(píng)價(jià)的產(chǎn)品集合定義為Y，Y即為評(píng)價(jià)對(duì)象集，則通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的測(cè)評(píng)產(chǎn)品 Y={Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y}。Y代表對(duì) 9 種樣品的綜合評(píng)價(jià)，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.2.3.4 評(píng)語(yǔ)集的確定 設(shè)定特定分值區(qū)域，并與評(píng)價(jià)集相對(duì)應(yīng)，可將最終結(jié)果量化為具體評(píng)分。首先設(shè)定評(píng)語(yǔ)集為：V={V，V，V，V}；V=很好，V=良好，V=一般，V=較差。根據(jù)清晰質(zhì)量等級(jí)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(duì)應(yīng)的分值，見(jiàn)表1。

表1 評(píng)語(yǔ)集與分值區(qū)域?qū)?yīng)表Table 1 The corresponding table of evaluation sets and score areas

1.2.3.5 模糊矩陣的形成 評(píng)價(jià)人員分別對(duì)正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所得的產(chǎn)品從上述的產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)集內(nèi)容的各個(gè)角度進(jìn)行品評(píng)。將結(jié)果匯總于饅頭品質(zhì)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表中，然后將相同評(píng)語(yǔ)的人數(shù)除以總?cè)藬?shù)得到隸屬度，形成評(píng)價(jià)矩陣R。

評(píng)價(jià)人員在品評(píng)前1 h不吸煙、不吃東西、但可以喝水，品評(píng)期間具有正常的生理狀態(tài)，不使用化妝品或其他有明顯氣味的用品。每次品評(píng)包括4份樣品（包含1份參照樣品和3份待品評(píng)樣品）。每位評(píng)價(jià)人員每天最多做2次品嘗，且時(shí)間安排在飯前1 h或飯后2 h進(jìn)行。其中，參照樣品為事先選出3份實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)過(guò)饅頭制作，由評(píng)價(jià)人員進(jìn)行3次品評(píng)，選出色、香、味正常，綜合評(píng)分在80左右的樣品1份，作為每次品嘗的參照樣品。

1.2.3.6 模糊評(píng)判方法 依據(jù)模糊變換原理：Y=X○R其中，Y為上述的評(píng)價(jià)對(duì)象集，是對(duì)樣品的綜合評(píng)價(jià)集；X為權(quán)重集；R為評(píng)價(jià)矩陣；○為廣域模糊算子。

式中： Y=(X×r)∨或∧(X×r)···(X×r)。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)低GI雜糧饅頭感官評(píng)價(jià)的各指標(biāo)之間的關(guān)系，二級(jí)和三級(jí)因素的模糊變換根據(jù)最大運(yùn)算法則選取“∨”，而最外層蒸煮前、后一級(jí)因素之間的模糊變換根據(jù)最小運(yùn)算法則選取“∧”。最后根據(jù)評(píng)語(yǔ)集與分值區(qū)域相對(duì)應(yīng)表中的分值，將綜合品評(píng)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分值，作為結(jié)果帶入正交試驗(yàn)。

1.2.4 正交試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)影響雜糧饅頭品質(zhì)的主要因素進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)青稞粉、黃豆粉以及鷹嘴豆粉會(huì)影響?zhàn)z頭的質(zhì)構(gòu)特性和比容。當(dāng)青稞粉添加量達(dá)到10%以上時(shí)，雜糧饅頭風(fēng)味品質(zhì)變差，并且雜糧饅頭較硬；黃豆粉中富含大豆蛋白與脂肪，適當(dāng)增加黃豆粉能改善硬度與彈性，且當(dāng)添加量為10%時(shí)，可使饅頭富有黃豆的香氣；鷹嘴豆粉當(dāng)其添加量達(dá)到8%時(shí)，雜糧饅頭的感官評(píng)分在81.2～87.8之間，是制作雜糧饅頭的一種優(yōu)質(zhì)配料。

因此，本試驗(yàn)選取制備雜糧饅頭的條件為：5%青稞粉、10%黃豆粉和8%鷹嘴豆粉，之后選取青稞粉、黃豆粉、鷹嘴豆粉做三因素三水平的正交試驗(yàn)，確定優(yōu)化配方。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 2 Factor level table of orthogonal test

1.2.5 低GI雜糧饅頭GI人體測(cè)試 低GI雜糧饅頭GI人體測(cè)試方法依據(jù)參考ISO26642:2010《Food products-Determination of the glycaemic index（GI）and recommendation for food classification》和 WS/T 652-2019《食物血糖生成指數(shù)測(cè)定方法》。

測(cè)試對(duì)象及方法：本次測(cè)試隨機(jī)選取受試者12人，人均身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index, BMI）在18.5～24范圍以內(nèi)，身體健康，無(wú)代謝疾病以及近3個(gè)月內(nèi)未患病以及未服用影響糖代謝等藥物，并且在測(cè)試前一晚禁止食用影響血糖的食物。所有受試者均采用指尖采血方法于15、30、45、60、90、120 min不同時(shí)間點(diǎn)分別收集血樣，利用全自動(dòng)生化儀及時(shí)測(cè)定血糖濃度。受試者在實(shí)驗(yàn)前均簽署知情同意書（倫理審查編號(hào)為HS-1763）。

根據(jù)GI的分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)血糖指數(shù)在55以下時(shí)，可認(rèn)為該食物是低GI食物；血糖指數(shù)在55～70之間時(shí)，為中等GI食物；血糖指數(shù)在70以上時(shí)，為高GI食物。GI值計(jì)算時(shí)，需以時(shí)間為橫坐標(biāo)，各時(shí)點(diǎn)血糖值為縱坐標(biāo)，制作血糖應(yīng)答曲線，計(jì)算血糖曲線下面積。具體公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SSPS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，結(jié)果用于表示并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，＜0.05為差異性顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜糧饅頭基本營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定

根據(jù)國(guó)標(biāo)法檢測(cè)得到雜糧饅頭的蛋白、脂肪含量分別為12.2、2.6 g/100 g，碳水化合物含量為69.3 g/100 g。

2.2 低GI雜糧饅頭模糊感官評(píng)價(jià)方法制定

2.2.1 低GI雜糧饅頭感官評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因素及各項(xiàng)權(quán)重 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析調(diào)查的數(shù)據(jù)，確定出低GI雜糧饅頭感官評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因素及各項(xiàng)權(quán)重，見(jiàn)下表3。

表3 品評(píng)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 3 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 模糊評(píng)判隸屬度的確定 通過(guò)對(duì)7名專業(yè)人員對(duì)9個(gè)正交實(shí)驗(yàn)樣品的評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，得出評(píng)語(yǔ)隸屬度。其中1號(hào)樣品的隸屬度結(jié)果如下表4。其余樣品依照同樣方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表4 1號(hào)樣品各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度Table 4 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算 對(duì)于指標(biāo)“外觀”A，按模糊變換法則，經(jīng)模糊變換得出其評(píng)價(jià)結(jié)果為：

歸一化得，

同理可以計(jì)算出，

進(jìn)而得到樣品1的評(píng)價(jià)隸屬度矩陣R：

根據(jù)最小計(jì)算法則，采用“∧”運(yùn)算獲得1號(hào)樣品的評(píng)價(jià)集：

歸一化得：

根據(jù)表4，得出 1號(hào)樣品得分=95×0.237+85×0.330+70×0.288+30×0.144=75.1（分）。同理，計(jì)算其他樣品得分。9個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品評(píng)價(jià)得分見(jiàn)表5。

表5 樣品得分表Table 5 Sample score table

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)極差分析（見(jiàn)表6）可以初步確定影響低GI饅頭品質(zhì)的3個(gè)因子的主次順序?yàn)锽（黃豆粉）＞A（青稞粉）＞C（鷹嘴豆粉）。結(jié)合方差分析即表7綜合研究，可以發(fā)現(xiàn)：青稞粉、黃豆粉和鷹嘴豆粉對(duì)感官評(píng)分都具有極顯著影響（＜0.01）。基于上述模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)青稞粉添加量5%，黃豆粉添加量10%，鷹嘴豆粉添加量8%的評(píng)分最高（82.30），即為最佳組合。后續(xù)則選擇此比例進(jìn)行GI測(cè)試。

表6 低GI雜糧饅頭L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Orthogonal experiment design and results of low-GI multigrain steamed bread L9 (34)

表7 低GI雜糧饅頭正交試驗(yàn)方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiment on multigrain steamed buns with low GI

2.4 雜糧饅頭的GI人體測(cè)試結(jié)果

雜糧饅頭餐后血糖濃度的變化與50 g葡萄糖進(jìn)行比較，如圖1所示。在0 min時(shí)，葡萄糖和雜糧饅頭的空腹血糖濃度均在正常值范圍之內(nèi)；在30 min時(shí)，葡萄糖和雜糧饅頭的血糖濃度升高至峰值，之后兩者都持續(xù)下降，且從15 min到60 min，雜糧饅頭的血糖濃度皆低于葡萄糖；相比50 g葡萄糖，雜糧饅頭餐后血糖濃度變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。

圖1 受試物的血糖應(yīng)答曲線Fig.1 Glucose response curve of subjects

碳水化合物食物水解后釋放的單糖消化吸收速度可以用GI值來(lái)表示。表8為受試者GI測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，GI平均值為50.48，標(biāo)準(zhǔn)差SD為15.93，因此，與普通饅頭GI值為80（數(shù)據(jù)來(lái)源于GI營(yíng)養(yǎng)工作室）相比，雜糧饅頭屬于低GI食品，食用后可以起到平穩(wěn)血糖的效果，適用于糖代謝異常人群。

表8 受試者測(cè)得雜糧饅頭的GITable 8 Subjects measured GI of multigrain steamed bread

3 結(jié)論

本研究中以高筋小麥粉、馬鈴薯粉、苦蕎粉、青稞粉、黃豆粉、鷹嘴豆粉等為原料，后添加桑葉提取物、水蘇糖兩種成分，選取外觀（色澤、顏色均勻度、光滑度），質(zhì)地（軟硬度、氣孔均勻度），適口性（粘性、彈性、咬勁），滋味（香氣、有無(wú)異味）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)方法，確定雜糧饅頭的最佳配方為：69.7%高筋小麥粉、2%馬鈴薯粉、3%苦蕎粉、5%青稞粉、10%黃豆粉、8%鷹嘴豆粉、1.5%桑葉提取物、0.8%水蘇糖。在此條件下配方的感官得分為82.3，GI值為50.48。感官評(píng)分和GI值表明，試驗(yàn)所研發(fā)的雜糧饅頭是一款顏色均勻，軟硬適中，GI值較低的雜糧饅頭。

本研究通過(guò)感官評(píng)價(jià)以及GI測(cè)試，研發(fā)了一款口感較好的低GI雜糧饅頭，彌補(bǔ)了市面上普通饅頭高碳水化合物的缺點(diǎn)，適合控糖人群食用。