基于模糊數(shù)學感官評定黃芪乳清酒發(fā)酵工藝的研究

馬云嘯，周文喜，孟晶晶，李 華，王 華

（1.內(nèi)蒙古民族大學，內(nèi)蒙古通遼 028043；2.通遼市農(nóng)牧科學研究所，內(nèi)蒙古通遼 028000）

黃芪是內(nèi)蒙古自治區(qū)地道藥材和常用的中藥之一，黃芪的名稱來源于《神農(nóng)本草經(jīng)》[1]中，是一種非常著名的中藥材，在防治糖尿病、保護心肌、調(diào)節(jié)血壓及提高人體免疫力等方面具有良好的療效[2]。乳清通常是指在奶酪牛奶生產(chǎn)過程中獲得的一種天然副產(chǎn)品。乳清蛋白中的氨基酸含量較多，容易被人體所消化吸收，有蛋白質(zhì)之王的美稱[3]。利用乳清的酒精飲品生產(chǎn)工藝簡單，設備要求低，附加值高[4]。目前，對于黃芪的研究僅限于中藥和保健食品中，或一些簡單的復合飲料。以黃芪作為原料的發(fā)酵乳清酒還沒有問世，采用單因素試驗和正交試驗，并結(jié)合模糊數(shù)學感官評估方法，采用乳清粉和黃芪作為原料，對乳清酒的發(fā)酵原料進行配比和工藝優(yōu)化，使其成為乳清酒的主要原因。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黃芪，福建安溪祥有味茶葉有限公司提供；乳清粉，河南萬邦實業(yè)有限公司提供；啤酒酵母，安琪酵母股份有限公司提供；麥芽糖，應杰堂公司提供。

1.2 儀器與設備

H-H26S 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，蘇州威爾公司產(chǎn)品；DH250A 型電熱恒溫培養(yǎng)箱，北京科偉公司產(chǎn)品；電磁爐，美的公司產(chǎn)品；酒精比重計，威爾儀表公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

乳清粉→復水→巴氏殺菌→加乳糖酶→黃芪粉碾碎至40 目，按1∶5 比例配成汁液加入[5]→調(diào)整成分→接種→發(fā)酵（適量補充酵母、蔗糖） →過濾→巴氏殺菌→發(fā)酵液離心（以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心15 min） →成品。

1.3.2 操作要點

（1） 乳清汁的制備。按照1∶20（g∶mL） 用水溶解乳清粉，濾去雜質(zhì)，制成乳清汁，體積分數(shù)為20%，增加乳糖酶0.6%，均勻攪拌后在38 ℃條件下酶解3.5 h[6]。

（2） 菌株活化過程。使啤酒酵母與酒酵母按料液比1∶20（g∶mL） 配制，并且添加2.6%蔗糖，放于水浴鍋中，于37 ℃條件下活化40 min 直至大量起泡，使酵母活化完成[7-9]。

（3） 發(fā)酵。酵母活化完成后，將活化后的酵母種子液加入混合溶液中，攪拌均勻后置于培養(yǎng)箱中，于30 ℃條件下恒溫發(fā)酵。在發(fā)酵的過程中，蔗糖被酵母轉(zhuǎn)化為酒精時，增加的CO2能夠使黃芪乳清酒在口腔中被賦予一種強烈而濃郁的刺激感。同時，為確保酒精度達到較高值[10-11]，在發(fā)酵過程中適量補充酵母、蔗糖。

1.3.3 單因素試驗設計

黃芪汁∶乳清汁按照體積比1 ∶5，接種量1.2%，于30 ℃條件下發(fā)酵124 h 后。分別按照黃芪汁∶乳清汁體積比（1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7）、接種量（0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%）、發(fā)酵時間（94，109，124，139，154 h），確定最佳原料體積比、最佳的接種量及最佳的發(fā)酵時間。

1.3.4 正交試驗設計

在進行單因素試驗后，以此為基礎(chǔ)設計三因素三水平正交試驗，分析原料體積比（A）、樣品接種量（B） 和發(fā)酵時間（C） 這3 個因素對黃芪乳清酒感官品質(zhì)的影響。

優(yōu)化黃芪乳清酒的正交試驗因素與水平設計見表1[10-11]。

1.3.5 感官評定方法

傅志豐等人[12]的模糊數(shù)學感官評價法優(yōu)化獼猴桃果糕制作配方中的模糊數(shù)學感官評價法，設定黃芪乳清酒感官評價標準，細分為4 個感官品質(zhì)指標（外觀、色澤、香氣、滋味），每個指標分為優(yōu)（P1）、中（P2）、劣（P3） 3 個等級。

黃芪乳清酒的感官評分標準見表2。

表2 黃芪乳清酒的感官評分標準

1.3.6 模糊數(shù)學建模

評價對象集是指評定的黃芪乳清酒樣品的集合，X={X1，X2，X3，…，X9}，X1～X9分別代表正交試驗中的9 組樣品。Xj代表，第j 組黃芪乳清酒的綜合評價結(jié)果，其中j=1，2，3，…，9。評價因素集是指黃芪乳清酒品質(zhì)影響因素的集合，F(xiàn)={F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4}，其中F1、F2、F3、F4分別代表黃芪乳清酒的外觀、色澤、香氣、滋味。通過將黃芪乳清酒分為3 個等 級。P={P1，P2，P3}，其 中P1、P2、P3分 別 代 表優(yōu)、中、劣。其中評價等級集是對各因素評價分級的集合。

1.3.7 評價權(quán)重

權(quán)重反映各因素在感官評定中所處重要性的強弱。按照傅志豐等人[12]的模糊數(shù)學感官評價法優(yōu)化獼猴桃果糕制作配方中采用的“0～4 評判法”，通過運用“0～4 評判法”確定權(quán)重的數(shù)值。總共有5 名不同年齡段、不同性別的感官評分人員（a、b、c、d、e）被邀請進行評分對試驗中的4 項感官因素，將總得分與得分進行比較，再計算出權(quán)重系數(shù)，表示為W=

1.3.8 矩陣分析感官評分

感官評分人員通過評價標準對9 組樣品進行評估，再將結(jié)果中優(yōu)、中、劣的次數(shù)除以感官評分人員人數(shù)，評價因素這樣就可以得到了，隨后通過聚集優(yōu)、中、劣所占比例，建立每個樣本的糊矩陣R，再通過公式X=WR 計算得出每個樣本的模糊矩陣R，再利用公式X=WR 計算黃芪乳清酒每個樣本的綜合評價結(jié)果。為了更好地評價每個樣本的感官品質(zhì)，分為3 個等級：劣、中、優(yōu)3 個等級分數(shù)（65，80，95 分）[12]，將相應的等級分數(shù)乘以綜合評價結(jié)果的各數(shù)值，可通過添加結(jié)果獲得每個樣本的最終模糊感官評分。

1.4 營養(yǎng)組成成分分析

根據(jù)國家標準《GB/T 5009.49—2008》[13]中的要求，發(fā)酵酒的酒精度數(shù)不得高于18°。使用酒精比重計對樣品的酒精度數(shù)進行檢測。參考國標《GB/T 35818—2018》[14]林業(yè)生物質(zhì)原料分析方法——多糖及木質(zhì)素含量的測定中的苯酚- 硫酸法，對黃芪乳清酒進行多糖的檢測。參考徐琳等人[15]在黃芪枸杞復合飲料對總酸采用的酸堿中和滴定法來分析總酸的含量。參考國標《GB/T 20574—2006》[16]中的分光光度比色法對黃芪乳清酒中黃酮含量進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 確定黃芪汁與乳清汁的最佳體積比

根據(jù)固定接種量1.2%，發(fā)酵溫度30 ℃，發(fā)酵時間124 h 的基礎(chǔ)上，選擇黃芪汁與乳清體積比分別為1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7 進行試驗。

影響感官評分和酒精度數(shù)的黃芪汁與乳清汁的體積比見圖1。

圖1 影響感官評分和酒精度數(shù)的黃芪汁與乳清汁的體積比

由圖1 可知，隨著黃芪汁與乳清汁體積比的減小，黃芪乳清酒的感官評分先升高后降低。在黃芪汁與乳清汁的體積比為1∶5 時，根據(jù)感官評分標準達到最大值86.5 分，此后隨著料液比的升高，酒精度也隨之升高，1∶5 之后趨于緩和，濃香蜜口，香味協(xié)調(diào)。因此，確定黃芪汁與乳清汁體積比為1∶4，1∶5，1∶6 這3 個水平進行正交水平試驗。

2.1.2 確定黃芪乳清酒的最佳接種量

在固定原料（黃芪汁∶乳清汁） 的初始體積比為1∶5，發(fā)酵溫度30 ℃，發(fā)酵時間124 h 的基礎(chǔ)上，將啤酒酵母按照接種量0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%加入分別進行發(fā)酵。

影響感官評分與酒精度的接種量見圖2。

圖2 影響感官評分與酒精度的接種量

由圖2 可知，在原料配比一定的情況下，隨著接種量的增加，黃芪乳清酒的感官評分在到接種量為1.0%時，感官評分達到最高為87.1 分；隨著劑量的增加，感官評分隨之緩慢降低，酒精含量緩慢增加，此時黃芪乳清酒的香味醇厚、芬香淑郁。因此，確定0.8%，1.0%，1.2%為接種量的3 個水平進行正交水平試驗。

2.1.3 確定黃芪乳清酒的最佳發(fā)酵時間

在固定原料（黃芪汁∶乳清汁） 的初始體積比為1∶5，接種量1.2%，發(fā)酵溫度30 ℃的基礎(chǔ)上，發(fā)酵時間分別按94，109，124，139，154 h 進行發(fā)酵。

影響感官評分和酒精度的發(fā)酵時間見圖3。

圖3 影響感官評分和酒精度的發(fā)酵時間

由圖3 可知，在其他條件不變情況下，黃芪乳清酒感官評分受到發(fā)酵時間的影響，隨發(fā)酵時間的延長感官評分不斷升高。在發(fā)酵時間為139 h 時，根據(jù)感官評分標準達到最大值89.9 分，此時黃芪乳清酒光澤協(xié)調(diào)、酒體醇厚。當發(fā)酵時間超過139 h 后，隨著發(fā)酵時間延長，酒精度不斷升高，使黃芪乳清酒口感缺少柔和性，感官評分反而降低。因此，確定發(fā)酵時間為124，139，154 h 這3 個水平進行正交水平試驗。

2.2 感官評價與模糊數(shù)學模型分析

2.2.1 確定評價系數(shù)

參考運用傅志豐等人[12]的模糊數(shù)學感官評價法優(yōu)化獼猴桃果糕制作配方中運用的“0～4 評判法”確定不同感官品質(zhì)在黃芪乳清酒的感官評價中的系數(shù)。

黃芪乳清酒感官品質(zhì)評價因素權(quán)重評分見表3。

表3 黃芪乳清酒感官品質(zhì)評價因素權(quán)重評分

由表3 可知，在117 分的總分中，外觀、色澤、香氣、滋味得分分別為23，23，48，23 分，其中香氣得分最高，是關(guān)鍵評價指標，顏色、組織狀態(tài)和滋味的分數(shù)是相同的。經(jīng)計算得出外觀、色澤、香氣、滋味的評價權(quán)重系數(shù)分別為0.2，0.2，0.4，0.2。

2.2.2 構(gòu)建模糊矩陣

5 名感官品評價師對樣品的9 組正交試驗產(chǎn)品進行了評估。

黃芪乳清酒感官評價結(jié)果見表4。

表4 黃芪乳清酒感官評價結(jié)果/分

參考程文龍等人[17]的模糊數(shù)學感官評價法優(yōu)化蘆筍果糕加工工藝中的模糊矩陣R（4×3）。設計黃芪乳清酒9 組樣品的模糊矩陣R（4×3） 矩陣，4 個行向量（1×3） 分別代表感官品質(zhì)外觀、色澤、香氣、滋味4 個維度，以及行向量中的3 個列向量代表此感官品質(zhì)的優(yōu)、中、劣3 個評分維度。

以下結(jié)果為上述9 組黃芪乳清酒樣本的感官評價結(jié)果化為矩陣。

2.2.3 感官評價結(jié)果分析

X=W·R 為模糊矩陣計算公式，常向量為W=（0.2，0.2，0.4，0.2） 為常向量，由此可知X，以第1 組試驗結(jié)果為例，計算結(jié)果如下：（0.44，0.24，0.32），余下8 組計算結(jié)果如下：

黃芪乳清酒樣品綜合評價結(jié)果見表5。

表5 黃芪乳清酒樣品綜合評價結(jié)果

根據(jù)黃芪乳清酒的評估等級，劣、中、優(yōu)3 個等級分別為65，80，95 分，將綜合評估結(jié)果的值乘以相應的等級分數(shù)，每個樣本的最終模糊感官評分是通過將結(jié)果相加得到的。以樣本1 號為例，T1=根據(jù)相同的理論可得其余各樣品結(jié)果。

黃芪乳清酒工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果見表6，黃芪乳清酒正交試驗的方差分析結(jié)果見表7。

表6 黃芪乳清酒工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果

表7 黃芪乳清酒正交試驗的方差分析結(jié)果

由表6 可知，在正交試驗的1-9 組中，RA＞RC＞RB通過A、B、C 3 組R 值的比較，可以得出對黃芪乳清酒感官評分的影響因素大小為A＞C＞B。既黃芪汁與乳清汁的配比＞發(fā)酵時間＞接種量。其中，黃芪汁與乳清汁的配比對黃芪乳清酒的感官評分影響最大。根據(jù)表7 方差分析得知黃芪汁與乳清汁的配比和發(fā)酵時間差異顯著（0.01＜p＜0.05），都對黃芪乳清酒具有顯著影響，黃芪乳清酒的最佳試驗方案為A2B1C3，由于該試驗方案未出現(xiàn)在9 組樣品中，故對此方案進行試驗驗證，該方案下進行3 組平行試驗，其感官評分為94.20 分。該配方下的黃芪乳清酒，晶瑩剔透、醇厚綿甜、口感柔和協(xié)調(diào)。因此確定A2B1C3為最佳的試驗方案。即黃芪乳清酒的工藝優(yōu)化試驗中，最佳工藝配方為黃芪汁與乳清液體積比1∶5（V∶V），酵母接種量1.0%，發(fā)酵溫度30 ℃，發(fā)酵時間139 h，此時酒體醇厚，有淡淡的黃芪香味和乳清味，香氣協(xié)調(diào)，酒精度適中。

2.3 營養(yǎng)物質(zhì)的檢測結(jié)果

通過對最佳配方的樣品進行檢測，酒精度為16°，黃芪乳清酒屬于低度發(fā)酵酒參考國標《GB/T 5009.49—2008》，發(fā)酵酒的酒精標準應低于18°產(chǎn)品符合標準。參考徐琳[15]在黃芪枸杞復合飲料中總酸的測定方法來檢測總酸的含量為（0.20±0.04） %。參考國標《GB/T 35818—2018》[16]中的苯酚- 硫酸法對黃芪乳清酒進行多糖的檢測，得知總糖的含量為（20.20±0.78） %。參考國標《GB/T 20574—2006》中的分光光度比色法對黃芪乳清酒中黃酮含量進行測定，含量為（3.9±0.5） g/L。

3 結(jié)論

基于模糊數(shù)學感官評價方法優(yōu)化黃芪乳清酒發(fā)酵工藝，得到黃芪乳清酒的最佳發(fā)酵工藝為黃芪汁與乳清液體積比1∶5（V∶V），酵母接種量1.0%，發(fā)酵溫度30 ℃，發(fā)酵時間139 h。此工藝下制備的黃芪乳清酒擁有協(xié)調(diào)的光澤、醇厚的酒體、協(xié)調(diào)的香氣、平衡的口感和適度的酒精。通過對最佳工藝下發(fā)酵黃芪乳清酒進行的檢測，各項指標均符合國家標準是非常具有營養(yǎng)價值和潛力的發(fā)酵乳清酒。