D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)合果蔬酒配方

王琪，張紀(jì)偉，劉琨毅*，何翠容，毛冬梅，安江珊，張晨，李沅達(dá)

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 五糧液技術(shù)與食品工程學(xué)院，四川 宜賓 644003；3.遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測院，貴州 遵義 563000；4.四川省酒類科研所，四川 成都 610017；5.云南省峨山彝族自治縣富良棚鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，云南 玉溪 653206；6.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 龍潤普洱茶學(xué)院，云南 昆明 650201）

番茄紅素（lycopene）是目前自然界抗氧化能力極強(qiáng)的一種天然紅色開鏈烴類胡蘿卜素，其抗氧化活性是維生素E的100倍[1]，具有預(yù)防癌癥、保護(hù)心腦血管、提高免疫力等生理功能[2-4]。由于人類和動(dòng)物都不能產(chǎn)生天然番茄紅素，所以食物是其唯一的獲取源。天然番茄紅素廣泛分布于番茄、西瓜、芒果、葡萄、番石榴、柑橘等果實(shí)中[4-6]。番茄又稱西紅柿，是重要的保健和功能性蔬菜食品，能補(bǔ)充人體所需要的大量元素，作為食用性蔬果在食品和保健品方面被廣泛利用，最主要的保健功能成分是類胡蘿卜素[7]。紅葡萄柚是一種重要的柑橘品種，果汁酸甜適度，營養(yǎng)成分全面而豐富，加工而成的飲品在國內(nèi)外有較大的市場競爭力[8]。番石榴果味清甜，營養(yǎng)成分豐富，含有多種礦物質(zhì)及微量元素，廣泛用于食品加工業(yè)，主要是為了增加食品中維生素C的含量，它也是一種新型的抗氧化膳食纖維[9-10]。西瓜甘甜多汁，清爽解渴，食用安全，含有多種生理活性物質(zhì)，其中番茄紅素的含量最高，不需要其他工藝就可以直接被人體吸收[11-12]。

復(fù)合果蔬酒以日常生活中常食用的果蔬為原料通過微生物發(fā)酵制備而成，含有多種營養(yǎng)物質(zhì)、抗氧化物質(zhì)及有機(jī)酸，能夠調(diào)節(jié)人體的新陳代謝，以其特有的風(fēng)味和品質(zhì)在激烈的酒類市場中有一定競爭力[13-14]。復(fù)合果蔬酒是利用兩種或多種水果及蔬菜通過微生物釀造而成的低酒精度飲品，經(jīng)過釀造工藝優(yōu)化后能夠綜合幾種原料的香味、風(fēng)味物質(zhì)及營養(yǎng)成分，使產(chǎn)品的口感、香氣及滋味更加豐富[15-17]?；诖?，本試驗(yàn)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)感官評價(jià)法，以番茄、紅葡萄柚、番石榴和西瓜為原料，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索復(fù)合果蔬酒感官評分和番茄紅素含量最高時(shí)的最優(yōu)配比，為番茄、紅葡萄柚、番石榴和西瓜資源的開發(fā)利用提供一定的參考，為新型復(fù)合果蔬酒的研發(fā)、釀造提供數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮番茄、紅葡萄柚、番石榴、西瓜、白砂糖：市售；釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）CICC31482：宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院菌種保藏中心；亞硫酸鈉、D-異抗壞血酸鈉（食品級(jí)）：桂林寶鉆食品有限公司；其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BS210S型電子分析天平：北京賽多利斯天平有限公司；DHP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；W-CJ-2FD型超凈工作臺(tái)：蘇州凈化設(shè)備有限公司；SPHs-3c型精密pH計(jì)：上海理達(dá)儀器廠；723型紫外可見分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；LXJ-IIB低速大容量多管離心機(jī)：鄭州長城工貿(mào)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合果蔬酒的釀造工藝流程

新鮮水果→分選→清洗→去皮（去籽）→榨汁→4種果汁混合→添加白砂糖、亞硫酸鈉、D-異抗壞血酸鈉→調(diào)整pH值→接種釀酒酵母→主發(fā)酵→分離→貯存→過濾→成品。

操作要點(diǎn)按照劉琨毅等[16]優(yōu)化后的復(fù)合果酒釀造工藝進(jìn)行。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

以番茄汁、紅葡萄柚汁、番石榴汁和西瓜汁的添加量為自變量，設(shè)定番茄汁添加量（A）、紅葡萄柚汁添加量（B）、番石榴汁添加量（C）和西瓜汁添加量（D）為4個(gè)參數(shù)，其中，A+B+C+D=100%，以番茄紅素的含量和感官評分為響應(yīng)值進(jìn)行D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)，番茄汁、紅葡萄柚汁、番石榴汁和西瓜汁選定范圍如表1所示。

表1 復(fù)合果蔬酒設(shè)計(jì)因素及目標(biāo)范圍Table 1 Design factors and target range of compound fruit and vegetable wine

1.3.3 番茄紅素的提取工藝

番茄紅素的提取工藝參照徐媛等[18]提取紅葡萄柚番茄紅素的工藝略作修改：準(zhǔn)確吸取10 mL復(fù)合果蔬酒于100 mL三角瓶中，加入15 mL 95%乙醇，預(yù)處理30 min，12 000 r/min離心 10 min（4℃），所得沉淀物用石油醚于恒溫振蕩器中30℃、180r/min避光浸提3.8h；浸提后避光靜置10 min，有機(jī)相即為番茄紅素提取液。

1.3.4 番茄紅素的測定方法

復(fù)合果蔬酒番茄紅素的測定方法參照張連富等[19]建立的番茄紅素簡便測定方法進(jìn)行。

1.3.5 感官評價(jià)方法

復(fù)合果蔬酒的感官評價(jià)方法，參照劉琨毅等[16]對柑橘枸杞復(fù)合果酒感官評價(jià)的方法及GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[20]中規(guī)定果酒的感官評價(jià)方法。復(fù)合果蔬酒的感官評價(jià)方法分為4個(gè)部分，滿分100分。試驗(yàn)邀請10名具有高級(jí)品酒師職業(yè)資格證書的專業(yè)人士進(jìn)行感官評價(jià)。復(fù)合果蔬酒感官評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 復(fù)合果蔬酒感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standard of compound fruit and vegetable wine

1.3.6 理化指標(biāo)分析

總糖采用直接滴定法[21]測定；總酸采用電位滴定法[22]測定；酒精度采用密度瓶法[23]測定；干浸出物采用密度瓶法[20]測定。

1.4 模糊數(shù)學(xué)評價(jià)模型的建立

模糊數(shù)學(xué)評價(jià)模型建立參考文獻(xiàn)[24-25]。

1.4.1 評價(jià)因素集U的確定

設(shè)復(fù)合果蔬酒評價(jià)因素集 U={U1，U2，U3，U4}，U1代表形態(tài)色澤、U2代表香氣、U3代表滋味、U4代表典型性。

1.4.2 評價(jià)等級(jí)集V的確定

設(shè)評價(jià)等級(jí)集V={V1，V2，V3，V4}，V1代表優(yōu)、V2代表良、V3代表中，V4代表差，對應(yīng)分?jǐn)?shù)為 100、75、50、25，即V={100，75，50，25}。

1.4.3 評價(jià)權(quán)重集X的確定

形態(tài)色澤、香氣、滋味、典型性是構(gòu)成感官評價(jià)復(fù)合果蔬酒的因素。根據(jù)“主觀賦權(quán)法”和復(fù)合果蔬酒感官評分標(biāo)準(zhǔn) （表 2） 得到權(quán)重 X={X1，X2，X3，X4}={0.20，0.25，0.35，0.20}。

1.4.4 模糊評定矩陣的建立

10名感官評定員對復(fù)合果蔬酒按形態(tài)色澤、香氣、滋味、典型性4個(gè)因素逐一評價(jià)，統(tǒng)計(jì)各質(zhì)量因素在每個(gè)等級(jí)中的票數(shù)，進(jìn)行歸一化，得到復(fù)合果蔬酒的感官評價(jià)模糊關(guān)系矩陣R；對各組指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果建立隸屬度矩陣，根據(jù)模糊變換原理Y=XR，獲取各個(gè)試驗(yàn)組的結(jié)果[26]。

1.4.5 評定結(jié)果

對各個(gè)模糊矩陣的結(jié)果進(jìn)行賦值。將模糊向量單值化排序與賦值結(jié)果相乘后求和，最終得到每個(gè)試驗(yàn)組的得分[24-25]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS（20.0）軟件分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)果，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，顯著性差異比較通過單因素方差分析得出，P＜0.05為差異顯著；采用Design Expert（8.0.6）繪圖。所有試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊數(shù)學(xué)綜合評判結(jié)果

10位感官評定專家分別對復(fù)合果蔬酒形態(tài)色澤、香氣、滋味和典型性4個(gè)考察指標(biāo)進(jìn)行感官評定，試驗(yàn)號(hào)為1的復(fù)合果蔬酒的感官評定結(jié)果（各等級(jí)評定人數(shù)）見表3。

表3 試驗(yàn)號(hào)為1的復(fù)合果蔬酒感官評定結(jié)果Table 3 Sensory evaluation results of compound fruit and vegetable wine with test No.1

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，10位感官評定小組中有4位專家認(rèn)為試驗(yàn)號(hào)為1的復(fù)合果蔬酒形態(tài)色澤等級(jí)為優(yōu)，3位認(rèn)為良，2位認(rèn)為中，1位認(rèn)為差。所以R形態(tài)色澤={0.4，0.3，0.2，0.1}，同理可得 R香氣={0.5，0.3，0.2，0}，R滋味={0.6，0.2，0.1，0.1}，R典型性={0.6，0.2，0.2，0}。將上述指標(biāo)轉(zhuǎn)化為矩陣，即：

根據(jù)模糊變化原理Y=XR，即試驗(yàn)號(hào)1的評價(jià)結(jié)果為：Y1=XR1={0.20，0.25，0.35，0.20}×

將試驗(yàn)號(hào)為1的數(shù)據(jù)模糊向量單值化及賦值得到其得分為81.50，以該方法對20個(gè)試驗(yàn)小組進(jìn)行綜合模糊評判。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以復(fù)合果蔬酒的番茄紅素含量和感官評分為響應(yīng)值，根據(jù)D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)原理，通過Design Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面法試驗(yàn)，考察番茄汁（A）、紅葡萄柚汁（B）、番石榴汁（C）、西瓜汁（D）4個(gè)因素對復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量和感官評分的影響，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 復(fù)合果蔬酒原料配比條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Design and results of response surface methodology for optimization of raw material ratio of compound fruit and vegetable wine

2.2.2 響應(yīng)面模型的建立與方差分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量（Y1）和感官評分（Y2）的回歸方程：Y1=15.65A+14.35B+14.86C+16.45D+1.67AB+2.30AC-0.28AD-0.35BC+3.04BD+2.64CD-5.98ABC+37.99ABD+13.75ACD-56.89BCD，Y2=85.10A+78.10B+80.80C+92.39D+8.80AB+12.60AC-8.00AD-2.20BC+10.00BD+8.00CD-25.98ABC+198.72ABD+62.69ACD-308.48BCD。

上述回歸方程對應(yīng)的方差分析見表5和表6所示。

表5 番茄紅素回歸模型的方差分析Table 5 Analysis of variance of lycopene regression model

表6 感官評分的回歸模型方差分析Table 6 Regression model analysis of variance of sensory score

根據(jù)方差分析（表5），番茄紅素含量的響應(yīng)面模型具有極顯著的差異性（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P=0.162 7＞0.05），表明模型擬合程度較好、誤差較小，可以利用該響應(yīng)面模型優(yōu)化復(fù)合果蔬酒具有較高番茄紅素含量時(shí)的主料配比。該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2=0.989 3＞0.9）和校正決定系數(shù)（R2adj=0.966 0＞0.9）表明此模型能夠較合理分析響應(yīng)值的變化，試驗(yàn)重復(fù)性好。從方差分析的顯著性可知，交互項(xiàng)AD、BC、ABC和ACD對復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量的影響不顯著（P＞0.05）；交互項(xiàng)AB、ABD對復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量的影響為顯著（P＜0.05），交互項(xiàng)AC、BD、CD和BCD 對番茄紅素含量的影響達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）。

各原料配比的交互作用對番茄紅素含量所形成的等高線如圖1所示。等高線越趨近于橢圓形，表明因素之間的交互作用對番茄紅素含量的影響越顯著，反之趨近于圓形則不顯著[18]。

圖1 各原料配比的交互作用對番茄紅素含量影響的等高線圖Fig.1 Contour map of the interaction of raw material ratio on the content of lycopene

由圖1可知，因素B（紅葡萄柚汁）、C（番石榴汁）和D（西瓜汁）之間的交互作用對番茄紅素含量所形成的等高線與其他因素的交互作用所形成的等高線相比更趨向于橢圓形，表明因素B、因素C與因素D的交互作用對復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量的影響最大。該結(jié)果與表5方差分析所得結(jié)果一致，交互項(xiàng)BCD對復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量的影響為極顯著（P＜0.01）。

由感官評分（Y2）回歸方程的方差分析（表6）知，復(fù)合果蔬酒感官評分的響應(yīng)面模型具有極顯著的差異性（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P=0.968 1＞0.05），表明模型擬合程度較好、誤差較小，可以利用該模型優(yōu)化復(fù)合果蔬酒的感官評分?；貧w方程多項(xiàng)式中的交互項(xiàng)AD、BC、ABC和ACD對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響不顯著（P＞0.05）；交互項(xiàng) CD、ABD 對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響為顯著（P＜0.05），交互項(xiàng) AB、AC、BD 和BCD對感官評分的影響為極顯著（P＜0.01）。此外，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2=0.993 7＞0.9）和校正決定系數(shù)（R2adj=0.980 1＞0.9）表明此模型能夠較合理分析復(fù)合果蔬酒感官評分的變化，試驗(yàn)重復(fù)性好。

各原料配比的交互作用對感官評分所形成的等高線如圖2所示。

由圖2可知，因素B（紅葡萄柚汁）、C（番石榴汁）和D（西瓜汁）之間的交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分所形成的等高線與其他因素的交互作用所形成的等高線相比更趨向于橢圓形，表明因素B、因素C與因素D的交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響最大。該結(jié)果與方差分析（表6）中只有交互項(xiàng)BCD對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響到達(dá)了極顯著水平（P＜0.01）的結(jié)論相一致。

圖2 各原料配比的交互作用對感官評分影響的等高線圖Fig.2 Contour map of the interaction of raw material ratio on sensory score

2.3 原料配比驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面分析，復(fù)合果蔬酒在番茄汁26.718%、紅葡萄柚汁27.220%、番石榴汁10.000%、西瓜汁36.062%條件下，感官評分可獲得最高的理論值94.146；在番茄汁27.775%、紅葡萄柚汁27.919%、番石榴汁10.000%、西瓜汁34.305%的條件下，番茄紅素含量可達(dá)到最高的理論值17.432 μg/mL。考慮到實(shí)際操作條件，將4種果汁的添加量略作修正，后續(xù)分別對番茄汁26.7%、紅葡萄柚汁27.2%、番石榴汁10.0%、西瓜汁36.1%（驗(yàn)證試驗(yàn)1），以及番茄汁27.8%、紅葡萄柚汁27.9%、番石榴汁10.0%、西瓜汁34.3%（驗(yàn)證試驗(yàn)2）進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。復(fù)合果蔬酒在驗(yàn)證試驗(yàn)1的條件下，其感官評分與番茄紅素含量分別為94.1±1.3與（17.45±0.86）μg/mL；在驗(yàn)證試驗(yàn) 2的條件下，復(fù)合果蔬酒的感官評分與番茄紅素含量分別為92.8±1.0與（17.31±0.52）μg/mL。因此，通過比較兩組驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，復(fù)合果蔬酒在驗(yàn)證試驗(yàn)1的條件下可獲得最高的感官評分與番茄紅素含量。

2.4 復(fù)合果蔬酒理化指標(biāo)

在最優(yōu)條件下得到的復(fù)合果蔬酒總糖為（9.71±0.23）g/L，總酸為（0.51±0.06）g/100 mL，酒精度為（7.93±0.31）%vol，干浸出物為（26.14±1.59）g/L。上述4項(xiàng)指標(biāo)均符合QB/T 5476—2020《果酒通用技術(shù)》要求[27]。

3 結(jié)論

經(jīng)過模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法和響應(yīng)面試驗(yàn)，得到由番茄汁、紅葡萄柚汁、番石榴汁、西瓜汁4種果汁原料釀造復(fù)合果蔬酒的最優(yōu)配比（26.7%番茄汁、27.2%紅葡萄柚汁、10.0%番石榴汁和36.1%西瓜汁）。將4種果蔬汁按照最優(yōu)配比混合后，調(diào)整初始pH值為6.0與糖度為28%，加入0.02%亞硫酸鈉與0.1%D-異抗壞血酸鈉，于發(fā)酵瓶中巴氏滅菌30 min；按5%接種量接入擴(kuò)大培養(yǎng)的釀酒酵母懸液，23℃靜置發(fā)酵，觀察無氣泡產(chǎn)生則主發(fā)酵完成，分桶后進(jìn)行低溫貯藏。經(jīng)澄清處理后，復(fù)合果蔬酒色澤紅亮透明、果香與酒香濃郁、滋味醇和，感官評分與番茄紅素含量分別為94.1±1.3與（17.45±0.86）μg/mL，各項(xiàng)理化指標(biāo)符合QB/T 5476—2020《果酒通用技術(shù)》。該結(jié)果可為同類復(fù)合果蔬酒產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。