基于模糊數學感官評價的雜糧饅頭配方優化及低GI驗證

劉士偉，王成祥 ，段盛林, ，張美娜，王 璽，馬芙俊，趙鑫燕，李海枝

（1.中國食品發酵工業研究院有限公司，北京 100015；

2.功能主食創制與慢病營養干預北京市重點實驗室，北京 100015；

3.河北同福健康產業有限公司，河北石家莊 051430）

隨著人口老齡化進程加快，國家針對糖尿病高發的醫療負擔逐漸增加。近幾年，國家及衛生醫療機構開展了一系列針對糖尿病的防控工作，并頒布了《中國糖尿病膳食指南2017》。同時，為了有效控制血糖，食物血糖生成指數（glycemic index，GI）的概念開始推廣應運，低GI食品的研發逐漸成為當前的研究熱點。

饅頭是我國人民喜愛的傳統主食之一，起源于三國時期。饅頭根據南北方的差異，制作工藝有所不同，但其主要還是由小麥粉加水發酵蒸制而成。由于現今人們生活水平的普遍提高，主食饅頭的成分及營養的單一化已無法滿足人們的需求。研究發現苦蕎中的淀粉是以支鏈淀粉為主，富含膳食纖維，適量補充膳食纖維可有效預防由營養結構不平衡引起的肥胖和糖尿病等相關疾病。青稞中的主要成分是淀粉等碳水化合物，蛋白質含量較高，氨基酸、礦物質種類齊全，因此，苦蕎、青稞等原料被廣泛應用到饅頭制作中。2009年路長喜等就通過在主食饅頭中添加不同比例的苦蕎麥粉，最后研發了一款品質優良，營養價值高且具備小麥和苦蕎獨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，最后研發出一款具有玫瑰造型的保健雜糧饅頭。因此，研發一款營養豐富且具有保健功能的雜糧饅頭已成為現今主食研究熱點之一。

本文以高筋小麥粉為主要原料，復配馬鈴薯粉、苦蕎粉、青稞粉、黃豆粉、鷹嘴豆粉等原料，通過建立模糊數學模型，對配方進行感官評價，并對其進行GI人體驗證，以期研發出一款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 古船食品工業有限公司；馬鈴薯粉 希森馬鈴薯產業集團有限公司；苦蕎粉 昆明五谷王食品有限公司；青稞粉 西藏金谷農業高科有限公司；黃豆粉 黑龍江北純農產品開發有限公司；鷹嘴豆粉 新疆天山奇豆生物科技有限責任公司；水蘇糖 中國食品發酵工業研究院有限公司；桑葉提取物 博仲盛景醫藥技術（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 青島漢尚電器有限公司；SEG-1Y-S醒發箱 江蘇三麥食品機械有限公司；PL203型電子精密天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；；AU480全自動生化分析儀 貝克曼庫爾特實驗系統（蘇州）有限公司；普通蒸鍋 美的集團股份有限公司；KDY-9820自動凱氏定氮儀 南京威美特科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

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→整形→二次醒發→蒸制→冷卻→雜糧饅頭

通過預實驗以及文獻調研確定馬鈴薯粉、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上添加酵母粉（約占干粉質量0.7%）；用和面機以50 r/min低速攪拌干粉，邊攪拌邊加入溫水（約占干粉質量50%），再以112 r/min高速攪拌約10 min，使之形成光滑均勻的面團；將該面團置于35 ℃、濕度75%～80%的醒發箱，發酵1 h，使其內部充滿氣孔；將一次發酵好的面團分割成120 g左右面團，搓圓；整形好的面團再次置于醒發箱發酵15 min；二次醒發好的面團放進蒸鍋，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、碳水化合物含量測定雜糧饅頭碳水化合物含量（g/100 g）=100-（脂肪+蛋白質+水分+灰分+粗纖維）；蛋白、脂肪、水分、灰分、纖維測定分別參照國標 GB/T 23530-2009、GB 5009.6-2016、GB 5009.3-2016、GB 5009.4-2010和GB/T 5009.10-2003方法測定。

1.2.3 模糊數學感官評價方法建立

1.2.3.1 評價指標集的確定 以低GI雜糧饅頭外觀形態、質地、適口性和滋味為評價指標。

1.2.3.2 評價指標集權重系數的計算 本研究采用問卷調查方法進行權重系數的計算。主要是針對上文確定的評價指標集，對調查結果按照重要程度進行排序。將各指標給予相同重要程度的人數除以全部人數，即可得到某一指標的權重Xi。各項權重的計算公式如下。

式中：X—為第i個指標的權重；a—為指標賦值；n—為選擇第i個指標的重要程度為j的人數；N—為參加的總人數。

1.2.3.3 評價對象集的確定 將需要進行評價的產品集合定義為Y，Y即為評價對象集，則通過正交實驗設計產生的測評產品 Y={Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y，Y}。Y代表對 9 種樣品的綜合評價，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

1.2.3.4 評語集的確定 設定特定分值區域，并與評價集相對應，可將最終結果量化為具體評分。首先設定評語集為：V={V，V，V，V}；V=很好，V=良好，V=一般，V=較差。根據清晰質量等級邊界模糊化法將分值區域清晰化，即取區域的中心值得到對應的分值，見表1。

表1 評語集與分值區域對應表Table 1 The corresponding table of evaluation sets and score areas

1.2.3.5 模糊矩陣的形成 評價人員分別對正交設計實驗所得的產品從上述的產品評價指標集內容的各個角度進行品評。將結果匯總于饅頭品質評價統計表中，然后將相同評語的人數除以總人數得到隸屬度，形成評價矩陣R。

評價人員在品評前1 h不吸煙、不吃東西、但可以喝水，品評期間具有正常的生理狀態，不使用化妝品或其他有明顯氣味的用品。每次品評包括4份樣品（包含1份參照樣品和3份待品評樣品）。每位評價人員每天最多做2次品嘗，且時間安排在飯前1 h或飯后2 h進行。其中，參照樣品為事先選出3份實驗樣品，經過饅頭制作，由評價人員進行3次品評，選出色、香、味正常，綜合評分在80左右的樣品1份，作為每次品嘗的參照樣品。

1.2.3.6 模糊評判方法 依據模糊變換原理：Y=X○R其中，Y為上述的評價對象集，是對樣品的綜合評價集；X為權重集；R為評價矩陣；○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，根據低GI雜糧饅頭感官評價的各指標之間的關系，二級和三級因素的模糊變換根據最大運算法則選取“∨”，而最外層蒸煮前、后一級因素之間的模糊變換根據最小運算法則選取“∧”。最后根據評語集與分值區域相對應表中的分值，將綜合品評結果轉換為相應的分值，作為結果帶入正交試驗。

1.2.4 正交試驗 實驗室前期對影響雜糧饅頭品質的主要因素進行試驗，發現青稞粉、黃豆粉以及鷹嘴豆粉會影響饅頭的質構特性和比容。當青稞粉添加量達到10%以上時，雜糧饅頭風味品質變差，并且雜糧饅頭較硬；黃豆粉中富含大豆蛋白與脂肪，適當增加黃豆粉能改善硬度與彈性，且當添加量為10%時，可使饅頭富有黃豆的香氣；鷹嘴豆粉當其添加量達到8%時，雜糧饅頭的感官評分在81.2～87.8之間，是制作雜糧饅頭的一種優質配料。

因此，本試驗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，確定優化配方。正交試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平設計Table 2 Factor level table of orthogonal test

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

測試對象及方法：本次測試隨機選取受試者12人，人均身體質量指數（body mass index, BMI）在18.5～24范圍以內，身體健康，無代謝疾病以及近3個月內未患病以及未服用影響糖代謝等藥物，并且在測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不同時間點分別收集血樣，利用全自動生化儀及時測定血糖濃度。受試者在實驗前均簽署知情同意書（倫理審查編號為HS-1763）。

根據GI的分類標準，當血糖指數在55以下時，可認為該食物是低GI食物；血糖指數在55～70之間時，為中等GI食物；血糖指數在70以上時，為高GI食物。GI值計算時，需以時間為橫坐標，各時點血糖值為縱坐標，制作血糖應答曲線，計算血糖曲線下面積。具體公式如下：

1.3 數據處理

采用SSPS 24.0統計軟件進行分析，結果用于表示并對實驗結果進行配對t檢驗，＜0.05為差異性顯著。

2 結果與分析

2.1 雜糧饅頭基本營養成分測定

根據國標法檢測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價方法制定

2.2.1 低GI雜糧饅頭感官評價的評價因素及各項權重 通過統計分析調查的數據，確定出低GI雜糧饅頭感官評價的評價因素及各項權重，見下表3。

表3 品評標準及權重計算結果Table 3 Evaluation criteria and weights calculation results

2.2.2 模糊評判隸屬度的確定 通過對7名專業人員對9個正交實驗樣品的評價結果的統計，得出評語隸屬度。其中1號樣品的隸屬度結果如下表4。其余樣品依照同樣方式進行統計。

表4 1號樣品各項指標的隸屬度Table 4 Membership degree of each index of sample 1

2.2.3 評價結果計算 對于指標“外觀”A，按模糊變換法則，經模糊變換得出其評價結果為：

歸一化得，

同理可以計算出，

進而得到樣品1的評價隸屬度矩陣R：

根據最小計算法則，采用“∧”運算獲得1號樣品的評價集：

歸一化得：

根據表4，得出 1號樣品得分=95×0.237+85×0.330+70×0.288+30×0.144=75.1（分）。同理，計算其他樣品得分。9個實驗樣品評價得分見表5。

表5 樣品得分表Table 5 Sample score table

2.3 正交試驗結果

根據極差分析（見表6）可以初步確定影響低GI饅頭品質的3個因子的主次順序為B（黃豆粉）＞A（青稞粉）＞C（鷹嘴豆粉）。結合方差分析即表7綜合研究，可以發現：青稞粉、黃豆粉和鷹嘴豆粉對感官評分都具有極顯著影響（＜0.01）。基于上述模糊數學感官評價，發現當青稞粉添加量5%，黃豆粉添加量10%，鷹嘴豆粉添加量8%的評分最高（82.30），即為最佳組合。后續則選擇此比例進行GI測試。

表6 低GI雜糧饅頭L9（34）正交試驗設計及結果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人體測試結果

雜糧饅頭餐后血糖濃度的變化與50 g葡萄糖進行比較，如圖1所示。在0 min時，葡萄糖和雜糧饅頭的空腹血糖濃度均在正常值范圍之內；在30 min時，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較為穩定。

圖1 受試物的血糖應答曲線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值來表示。表8為受試者GI測試結果。經過統計計算，GI平均值為50.48，標準差SD為15.93，因此，與普通饅頭GI值為80（數據來源于GI營養工作室）相比，雜糧饅頭屬于低GI食品，食用后可以起到平穩血糖的效果，適用于糖代謝異常人群。

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

3 結論

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），質地（軟硬度、氣孔均勻度），適口性（粘性、彈性、咬勁），滋味（香氣、有無異味）為評價指標，建立了模糊數學感官評價方法，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。感官評分和GI值表明，試驗所研發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。

本研究通過感官評價以及GI測試，研發了一款口感較好的低GI雜糧饅頭，彌補了市面上普通饅頭高碳水化合物的缺點，適合控糖人群食用。