模糊數學綜合評價法優化紅棗奶飲料的生產配方

何 欣，俞彭欣，張玲瑜，許 靜，杜玉瓊，李煥榮

（新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830000）

紅棗（Zizyphus jujube）為鼠李科（Rhamnaceae）棗屬（Zizyphus）植物的果實[1]，是我國特有的滋補果品。現代醫學證明，紅棗含有多種生理活性物質，對于增強機體免疫力及抗氧化作用效果顯著[2-3]。近年來，我國棗樹品種越來越多，栽種面積不斷擴大，紅棗的產量大幅度提高。但由于紅棗含有約80%的水分，不易保存、運輸，還處于初級加工階段，沒有形成大規模批量生產。據資料統計，每年鮮棗因腐爛的損失率高達20%～30%[4]。我國大部分紅棗產品以鮮食或者干制為主，現今市場上常見的紅棗加工產品有核桃紅棗飲料[5]、木瓜紅棗飲料[6]、紅棗枸杞復合飲料[7]等。乳制品的種類豐富，主要產品有液態奶、酸奶、干酪、奶油、奶粉、煉乳、乳清粉、干酪素和乳糖，其中鈣元素以離子態存在（乳鈣）適宜人體吸收，是人體最好的鈣源，在人們的膳食中有其他食品無法替代的作用。

目前國內外有研究已經將羊奶粉配以紅棗[8]、枸杞[9]、核桃[10]等原料進行加工，然而，研究將牛奶粉和紅棗粉加以復配制作飲料，還鮮見報道。在飲料食品的質量評價中，感官評價起著主導作用，而理化檢測則處于從屬地位。感官評價由于受主觀因素的影響較大，致使結果存在一定的局限性，從而影響了準確客觀地評價食品質量。利用模糊數學這一工具，可獲得較客觀的檢驗結果[11-12]。因此，本試驗選擇以紅棗粉和奶粉為主要原料，輔以蔗糖，并對飲料的穩定性進行探討，通過正交試驗優化篩選紅棗奶飲料的配方，結合模糊數學方法，對紅棗奶飲料的感官品質進行綜合評判，研制一種組織狀態良好、風味獨特、營養豐富的新型復合飲料，不僅能豐富紅棗飲料市場，同時可為新疆紅棗業的發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

哈密大棗：哈密市火箭農場；雀巢脫脂牛奶粉、蔗糖：新疆友好超市南昌路店；瓜爾豆膠：滕州市通達海藻工程技術有限責任公司；單硬脂酸甘油酯：佳力士添加劑（海安）有限公司；黃原膠：淄博中軒生化有限公司；所用試劑均為國產分析純或生化試劑。

1.2 儀器與設備

DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；國家統一標準篩：浙江上虞市英超儀器有限公司；FW-100萬能粉碎機、GMSX-280高壓滅菌鍋：北京市永光明醫療儀器有限公司；AL204-2C電子天平：梅特勒-托利多公司；TD5A-WS型臺式低速離心機：鄭州南北儀器設備有限公司；DNP-9022電熱恒溫培養箱：上海舍巖儀器有限公司；GYB40-10S高壓均質機：上海東華高壓均質機廠；WZ-108手持折光儀：上海重逢科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紅棗奶飲料的加工工藝流程及操作要點

挑選、清洗：選擇大小均勻的哈密大棗為試驗原材料。剔除有病蟲害、霉爛和腐敗果，選取成熟度相似的紅棗并用自來水沖洗干凈。

去核、切片：用去核機將紅棗去核后切分為5 mm左右的棗片，備用。

脫水處理：將切好的棗片在55℃條件下熱風干燥12 h進行脫水預處理，用多功能粉碎機粉碎。

烘焙、過篩：將粉碎后的紅棗粉平鋪于托盤放入電熱鼓風干燥箱中，在115℃條件下烘焙30 min后過200目篩網。

調配：原輔料投入時，均預先溶解，然后按一定的順序先后均勻加入，復合穩定劑分別在冷水中攪溶。

均質、脫氣：在壓力20 MPa、55℃的條件下，均質2次，均質后在60℃、50 kPa條件下進行真空脫氣。

灌裝、封口、殺菌、冷卻、成品：將調配好的紅棗奶飲料裝入玻璃瓶中，置于沸水中殺菌10 min，冷卻至室溫，密封，即得紅棗奶飲料成品。

1.3.2 穩定劑配比優化試驗設計

（1）單因素試驗優化穩定劑配比試驗

由于紅棗奶沖泡后性質不穩定，在沖泡過程中容易發生分層、抱團、沉底等現象，所以選用適宜的穩定劑對提高紅棗奶飲料的穩定性具有十分重要的意義[13]。常用的飲料穩定劑有黃原膠、單硬脂酸甘油酯、瓜爾豆膠、魔芋粉等，本試驗分別固定單硬脂酸甘油酯0.05%、瓜爾豆膠0.100%，考察黃原膠添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%）對離心沉淀率的影響；固定黃原膠0.05%、瓜爾豆膠0.10%，考察單硬脂酸甘油酯添加量（0.050%、0.075%、0.100%、0.125%、0.150%、0.175%）對離心沉淀率的影響；固定單硬脂酸甘油酯0.05%、黃原膠0.05%，考察瓜爾豆膠添加量（0.100%、0.125%、0.150%、0.175%、0.200%、0.225%）對離心沉淀率的影響。各單因素試驗中，紅棗粉添加量為6%，奶粉添加量為3%，蔗糖添加量為3%。

（2）穩定劑配比優化正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以離心沉淀率為評價指標，設計黃原膠添加量（A）、單硬脂酸甘油酯添加量（B）、瓜爾豆膠添加量（C）4因素3水平L9（34）正交試驗，因素與水平見表1。

表1 穩定劑配比優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for stabilizers proportion optimization

1.3.3 紅棗奶飲料配方優化試驗設計

（1）單因素試驗優化紅棗奶飲料配方

固定奶粉3%、蔗糖3%，考察紅棗粉添加量（2%、4%、6%、8%、10%）對感官評價的影響；固定紅棗粉6%、蔗糖3%，考察奶粉添加量（1%、2%、3%、4%、5%）對感官評價的影響；固定紅棗粉為6%、奶粉3%，考察蔗糖添加量（1%、2%、3%、4%、5%）對感官評價的影響。

（2）正交試驗優化紅棗奶飲料配方

以感官評價為考察指標，設計紅棗粉添加量（A）、奶粉添加量（B）、蔗糖添加量（C）3因素3水平正交試驗，因素與水平表見表2。

表2 紅棗奶飲料配方優化正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal tests for formula optimization of jujube milk beverage

1.3.4 離心沉淀率的測定

采用離心沉淀率來衡量體系的穩定性，離心沉淀率值越大，表示體系穩定性越差[12]。取紅棗奶飲料樣品m1，置于10 mL離心管中，4 000 r/min條件下離心10 min，稱量離心管上清液質量m2。每個樣品重復3次，取平均值。離心沉淀率計算公式[13]如下：

1.3.5 分析檢測

可溶性固形物：采用阿貝折光儀測定[14]；蛋白質：按照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》[15]；菌落總數：按照GB 4798.2—2016《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[16]；大腸菌群：按照GB 4789.3—2016《食品微生物學檢驗大腸菌群計數》[17]；致病菌：按照GB 4789.18—2010《食品中致病菌限量》[18]。

1.3.6 感官評定標準

選擇10名食品專業的同學作為評價員，為了確保感官評價的準確性，要求評價員在評價前1 h內不進食，1 d內避免進食強味食品、接觸強味物質，以及使用化妝品或用有氣味的洗滌液洗手[19]。在評價時，避免交談。為提高感官評價的可信度，采用3位隨機編碼編號供評價員隨機取樣逐一評價[20]。從紅棗奶飲料的色澤、口感、風味、組織狀態四方面進行綜合評價，滿分100分，每種紅棗奶飲料取3個樣品，紅棗奶飲料的感官評價標準見表3。

表3 紅棗奶飲料的感官評價標準Table 3 Sensory evaluation standards of jujube milk beverage

1.3.7 建立模糊數學模型和確定權重

（1）評價對象集Y

研究中需要進行感官評價的產品的集合。Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}，Y1～Y9分別代表本研究正交試驗中分別制作的9組紅棗奶飲料，用Yj表示9組紅棗奶飲料的綜合評價，其中j=1，2，3......，9。

（2）評價因素集U

以色澤（U1）、口感（U2）、風味（U3）、組織狀態（U4）4個評價指標組成紅棗奶飲料的評價因素集，即因素集U=[U1，U2，U3，U4]。

（3）評語集V

指每個因素的評語集合。即V=[V1，V2，V3，V4]=[優，良，中，差]。

（4）評價權重集A

表4 紅棗奶飲料權重分布統計Table 4 Distribution of weight distribution of jujube milk beverage

各因素的重要程度，權重集A的元素綜合為1[21]，A=（a1，a2，a3，a4）=（0.18，0.28，0.35，0.19），其中a1，a2，a3，a4分別表示紅棗奶飲料的色澤、口感、風味、組織狀態這幾個因素的權重。本試驗采用用戶調查法[22]和二次對比決定法[23]，隨機找10名不同專業及不同年齡階段的評價員，記錄評價員對紅棗奶飲料的評定結果，對參加評價的因素作一對一比較，重要的得1分，次要的得0分，自身比較按1分記。各項指標的總得分與總分100分的比重即為權重[24]，結果見表4。

1.3.8 數據統計分析

每組試驗做3次平行，采用Sigmaplot 19.0作圖，SPSS 20.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 穩定劑配比優化單因素試驗

2.1.1 黃原膠添加量對離心沉淀率的影響

圖1 黃原膠添加量對離心沉淀率的影響Fig.1 Effect of xanthan gum addition on centrifugation rate

由圖1可知，隨著黃原膠添加量在0.05%～0.30%范圍內的增加，離心沉淀率逐漸減小。當黃原膠添加量為0.20%時，離心沉淀率為（3.66%±0.006）%。黃原膠分子在溶液中具有剛性棒狀結構或螺旋狀結構，分子的側鏈使流體動力學體積增大，分子的氫鍵締合，使其表現出較高的黏附性，使離心沉淀率降低[25]。當黃原膠的添加量繼續增加，使紅棗奶飲料的黏性也會相應增加。因此，選擇0.15%、0.20%、0.25%這3個水平進行正交試驗優化。

2.1.2 單硬脂酸甘油酯添加量對離心沉淀率的影響

圖2 單硬脂酸甘油酯添加量對離心沉淀率的影響Fig.2 Effect of glycerin monostearate addition on centrifugation rate

由圖2可知，隨著單硬脂酸甘油酯添加量在0.050%～0.175%范圍內逐漸增加，紅棗奶飲料離心沉淀率逐漸下降，穩定性逐步提高；單硬脂酸甘油酯添加量為0.100%時離心沉淀率下降比較明顯，為（4.09±0.016）%，在單硬脂酸甘油酯添加量為0.125%、0.150%、0.175%時，離心沉淀率分別為（4.03±0.011）%、（3.98±0.008）%、（3.92±0.011）%，結果表明，離心沉淀率在緩慢下降、黏稠度逐漸上升。因此，選擇0.100%、0.125%、0.150%這3個水平進行正交試驗優化。

2.1.3 瓜爾豆膠添加量對離心沉淀率的影響

圖3 瓜爾豆膠添加量對離心沉淀率的影響Fig.3 Effect of guar gum addition on centrifugation rate

由圖3可知，瓜爾豆膠可有效提高紅棗奶的穩定性，瓜爾豆膠添加量為0.125%時，離心沉淀率下降比較明顯，為（3.49±0.005）%，說明有較好的穩定性，瓜爾豆膠添加量繼續增加離心沉淀率開始緩慢下降，對紅棗奶穩定性影響不明顯。因此，選擇0.125%、0.150%、0.175%這3個水平進行正交試驗優化。

2.2 穩定劑配比優化正交試驗結果

在單因素試驗基礎上，以離心沉淀率為評價指標，考察黃原膠添加量（A）、單硬脂酸甘油酯添加量（B）和瓜爾豆膠添加量（C）對離心沉淀率的影響，正交試驗結果與分析見表5，方差分析見表6。

表5 穩定劑配方優化正交試驗結果與分析Table 5 Results and analysis of orthogonal tests for stabilizers proportion optimization

由表5可知，通過極差分析可知各因素對紅棗奶穩定性的影響作用順序為A＞B＞C，即黃原膠＞單硬脂酸甘油酯＞瓜爾豆膠。穩定劑最佳配比組合為A3B3C2，即黃原膠添加量0.25%，單硬脂酸甘油酯添加量0.150%，瓜爾豆膠添加量0.150%。在此最佳配比條件下進行3次驗證試驗，所得產品懸浮性較好，無分層，無沉淀，口感細膩，質地均勻，穩定性高，離心沉淀率最小，為3.08%。

表6 正交試驗結果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal test results

由表6可知，黃原膠添加量對紅棗奶飲料離心沉淀率影響顯著（P＜0.05），單硬脂酸甘油酯和瓜爾豆膠對紅棗奶飲料離心沉淀率影響不顯著（P＞0.05）。

2.3 紅棗奶飲料配方優化單因素試驗

2.3.1 紅棗粉添加量對感官評價的影響

由圖4可知，紅棗粉添加量為8%時，感官評分最高為（83.6±0.43）分，紅棗奶飲料色澤均勻一致，呈米黃色；口感較好，具有較濃的棗香味和奶香味；隨著紅棗粉添加量的增加，奶香味逐漸變淡，紅棗粉添加量較高時，棗香味過濃，奶香味不明顯，顏色逐漸加深變暗，呈棕黃色，有輕微沉淀現象發生，紅棗粉添加量較低時，無明顯棗香味，顏色呈乳白色。因此，綜合考慮選取紅棗粉添加量為6%、8%、10%進行正交試驗。

圖4 紅棗粉添加量對感官評價的影響Fig.4 Effect of jujube powder addition on sensory evaluation

2.3.2 奶粉添加量對感官評價的影響

圖5 奶粉添加量對感官評價的影響Fig.5 Effect of milk powder addition on sensory evaluation

由圖5可知，奶粉添加量為4%時，感官評分最高為（82.5±0.54）分，紅棗奶飲料口感較好，具有較濃的棗香味和奶香味；色澤均勻一致，呈米黃色；奶粉添加量對產品質量影響較大，添加量過少，會導致棗香味過濃，奶香味不足；添加量過多，會掩蓋棗香味，僅有奶香味，呈象牙白色。因此，綜合考慮選取奶粉添加量2%、3%、4%進行正交試驗。

2.3.3 蔗糖添加量對感官評價的影響

由圖6可知，蔗糖添加量為3%時，感官評分最高為（81.7±0.55）分，紅棗奶飲料口感最佳，酸甜適中，組織狀態均勻細膩，具有較濃的棗香味和奶香味；蔗糖添加量過少，導致甜度不夠，口感較淡；添加量過多，口感過于甜膩，影響口感，不易被消費者接受。因此，綜合考慮，選取蔗糖添加量為2%、3%、4%進行正交試驗。

圖6 蔗糖添加量對感官評價的影響Fig.6 Effect of sucrose addition on sensory evaluation

2.4 紅棗奶配方優化正交試驗

10名感官評定員對9組樣品按紅棗奶飲料的色澤、口感、風味、組織狀態4個因素逐一評價，對應的等級票數分布情況見表7。

表7 紅棗奶飲料感官評定票數分布Table 7 Distribution of sensory evaluation votes of jujube milk beverage

由表7可知，10人對9個樣品的評價矩陣Rj如下：Rj由樣品j的色澤、口感、風味、組織狀態在評分等級“優”、“良”、“中”、“差”中的票數比率組成。

將表6中各樣品的質量因素各等級所得票數折算成贊成的比率，結合各個樣品所有因素的評價結果，得到各樣品對各類因素的綜合隸屬度Yj。

依據模糊變換原理，用矩陣乘法將權重集合A乘以模糊關系矩陣Rj，可得到樣品對各類因素的綜合隸屬度Yj。

Y1=（0.08，0.20，0.18，0.54），Y2=（0.16，0.28，0.38，0.18），

Y3=（0.07，0.30，0.44，0.19），Y4=（0.06，0.18，0.38，0.39），

Y5=（0.14，0.46，0.32，0.08），Y6=（0.38，0.42，0.18，0.02），

Y7=（0，0.22，0.47，0.31），Y8=（0.10，0.34，0.40，0.17），

Y9=（0.15，0.41，0.42，0.02）

根據模糊評定結果，將各個量分別乘以其對應的等級分值（優、良、中、差依次賦予分值100分、90分、80分、70分），并進行加和，最后可得出每個樣品的最終感官評分，結果見表8。

表8 紅棗奶飲料配方優化正交試驗結果與分析Table 8 Results and analysis of orthogonal tests for formula optimization of jujube milk beverage

由表8可知，各因素的影響順序為奶粉添加量＞紅棗粉添加量＞蔗糖添加量。從感官得分結果看出，試驗2、3、5、6、8、9的得分相對較高，均在80分以上，處于優、良等級之間，均可為消費者所接受，試驗6得分最高，為91.53分。綜合考慮，可采用正交表中試驗6中的配方設計作為產品的生產配方，即紅棗粉添加量8%，奶粉添加量4%，蔗糖添加量2%，產品酸甜可口，感官評分最高，為91.53分。

2.5 產品質量標準

按照上述試驗確定的復合飲料配方制得紅棗奶飲料。其色澤為米黃色，組織狀態均勻，無沉淀分層現象；口感細膩、柔和，具有紅棗和牛奶的天然香氣。經測定，飲料總固形物含量＞10%，蛋白質含量＞1.0 g/100 g。飲料中菌落總數≤100 CFU/mL，大腸菌群≤10 MPN/100 mL，致病菌未檢出。紅棗奶飲料質量指標符合相關國標。

3 結論

本研究采用單因素和正交試驗設計確定紅棗奶飲料穩定劑的最佳配比：黃原膠0.25%，單硬脂酸甘油酯0.15%，瓜爾豆膠0.15%，離心沉淀率最低為3.08%；在此基礎上，采用模糊數學綜合評定法考察影響紅棗奶飲料感官品質的色澤、風味、口感、組織狀態等確定紅棗奶飲料的最佳配方：紅棗粉添加量8%，奶粉添加量4%，蔗糖添加量2%。在此優化配方條件下，感官評分為91.53分；所得紅棗奶飲料產品色澤純正，呈米黃色；口感柔和，酸甜適中；香味濃郁、協調；組織狀態均勻、細膩，具有濃郁紅棗香和奶香味。