模糊綜合評判結合響應面法優化鷹嘴豆酸奶發酵工藝

宋小娟，李 會，楊永迪，廖 丹，張子若，周 艷

（貴州醫科大學 公共衛生與健康學院，貴州 貴陽 550025）

近年來，國民健康意識逐步提升，推動著消費需求不斷迭代升級，植物基制品迎來新的發展機會，逐漸成為全球食品行業關注的焦點[1]。與動物蛋白相比，植物基食品具有低脂肪、對環境友好等屬性，滿足了當代消費需求，順應了時代的健康環保潮流，擁有廣闊的市場前景[2]。植物基飲品迅猛發展，已在許多不同類別中帶來了空前的創新，尤其是植物奶慢慢取代動物奶，中國將是主要的植物基酸奶需求國之一[3]。

鷹嘴豆（Cicer arietinum）蛋白質含量為15%～30%，且蛋白質成分非常接近牛乳、雞蛋、魚和肉等動物來源的優質蛋白，作為新型的植物蛋白質資源，其蛋白質的生物利用率高[4]；除此之外，氨基酸種類豐富，高達18種，包括人體必需的8種氨基酸[5]。因此，鷹嘴豆是一種很好的植物氨基酸補充劑，對兒童成長期間智力發育、骨骼生長及中老年人的身體健康具有重要作用，也可以與椰漿一起食用彌補氨基酸的不足[6-7]。近年來，我國學者相繼研發出不同鷹嘴豆產品，如劉曉宇[8]以鷹嘴豆作為原料研制出了鷹嘴豆納豆產品；候賀麗等[9]以鷹嘴豆粉為原料研制出一款鷹嘴豆面包；田歌等[10]以葡萄籽和鷹嘴豆作為原料研制出了葡萄籽鷹嘴豆復合發酵飲料。但鷹嘴豆適口性差、難消化的成分易引發脹氣等制約了其開發利用[11-12]。研究發現，新型植物性產品的一個趨勢是將發酵工藝應用于植物乳，發酵是一種有效解決上述問題的途徑，而且乳酸菌及其代謝產物還能促進人體腸道有益菌群的生長[13]。鷹嘴豆在開發新型植物基發酵飲料方面可成為大豆替代品，在以雙歧桿菌（Bifidobacterium）、動物雙歧桿菌乳酸亞種（Bifidobacterium animalissubsp.lactis）和嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）的混合菌種為發酵劑，添加的鷹嘴豆粉可提高攪拌型酸奶黏度，促進益生菌生長，提高酸奶感官品質[14-15]。此外，乳酸菌在生長代謝過程中不僅能夠有效降低豆乳中的豆腥味，還能產生醇香、清爽的酸奶香味。同時，乳酸菌還能利用鷹嘴豆中的碳源產酸，賦予發酵乳細膩的凝乳質地和酸甜滑潤的口感[16]。發酵后的鷹嘴豆酸奶的風味品質具有更為廣泛的接受度[17]。

本研究擬采用鷹嘴豆、椰漿為主要原料，白砂糖為輔料，保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）與嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）為發酵菌種發酵制備鷹嘴豆酸奶，以持水力、感官評分的模糊綜合評判值為評價指標，利用響應面法結合模糊綜合評判法對其發酵工藝進行優化，以期為植物基發酵飲品的研究提供理論依據及數據支撐，拓寬了鷹嘴豆的加工途徑，增加其附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鷹嘴豆：哈爾濱鑫恒德食品有限公司；椰漿：山東鴻超食品有限公司；白砂糖（食用級）：浙江華康藥業股份有限公司；嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）、保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）：保加利亞科迪納有限公司；磷酸氫二鉀（分析純）：天津市科密歐化學試劑有限公司；檸檬酸銨、硫酸鉀（均為分析純）：成都金山化學試劑有限公司；無水硫酸銅（分析純）：天津市永大化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

N1510酶標儀、ST-8R高速冷凍離心機：賽默飛世爾科技有限公司；SW-CJ-1F超凈工作臺：蘇州凈化設備有限公司；SHP-160智能生化培養箱：上海三發科學儀器有限公司；YXQ-50SII立式壓力蒸汽滅菌器：上海博迅實業有限公司醫療設備廠；DJ-5S黏度計：上海倫捷機電儀表有限公司；KND凱氏定氮儀：浙江托普云農科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鷹嘴豆酸奶發酵工藝流程及操作要點

鷹嘴豆→挑選→浸泡→打漿→冷卻→復配→殺菌→接種→均質→發酵→冷藏后熟→成品

操作要點：

挑選：選擇顆粒飽滿無病蟲害、無霉爛的鷹嘴豆。

浸泡：將鷹嘴豆用無菌蒸餾水浸泡12 h。

打漿：按鷹嘴豆∶水=1∶9（g∶mL）進行打漿。

冷卻：打漿后的鷹嘴豆漿冷卻至室溫。

復配：鷹嘴豆漿中按比例加入10%椰漿和6%白砂糖，混合。

殺菌：混合漿液85 ℃殺菌30 min。

接種：接入0.1%混合菌種，嗜熱鏈球菌及保加利亞乳桿菌按1∶1（V/V）混合。

均質：在15 MPa條件下，使用高壓均質機對混合發酵液進行均質。

發酵：混合發酵液置于42 ℃恒溫培養箱中發酵10 h。

冷藏后熟：將發酵后的樣品置于4 ℃條件下冷藏6 h得到鷹嘴豆酸奶成品。

1.3.2 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化單因素試驗

以感官評分和持水力的模糊綜合評判值為評價指標，分別考察鷹嘴豆漿添加量（30%、40%、50%、60%、70%）、椰漿添加量（0、5%、10%、15%、20%）、白砂糖添加量（5%、6%、7%、8%、9%）、發酵時間（6 h、7 h、8 h、9 h、10 h、11 h）對鷹嘴豆酸奶品質的影響。

1.3.3 模糊綜合評判模型的建立

根據參考文獻[18]，對相應指標采用模糊綜合評判法進行多目標綜合評判，利用極值法對相應的指標進行無量綱轉化。因素集X=｛X1，X2｝={感官評分，持水力}；權重系數集W=｛W1，W2｝={感官評分，持水力}=｛0.7，0.3｝。復合植物基酸奶的感官評分和持水力越大，說明其品質更好，因此，其無量綱轉化函數關系式為：Xi=yi/ymax（yi表示某單因素中樣品感官評分或持水力對應數值；ymax表示某單因素中樣品感官評分或持水力的最大值）；模糊綜合評判值Y=W1X1+W2X2。

1.3.4 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化響應面試驗

根據單因素試驗結果，利用Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，以鷹嘴豆漿添加量（A）、椰漿添加量（B）、白砂糖添加量（C）3個因素為自變量，以感官評分和持水力的模糊綜合評判值為響應值，利用響應面法對鷹嘴豆酸奶的發酵工藝進行優化，試驗因素與水平見表1。

表1 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for fermentation process optimization of chickpea yoghurt

1.3.5 分析測定方法

感官評價：根據參考文獻[19-20]制定感官評分標準，由經過統一感官培訓后的10名食品專業學生組成評定小組，于獨立空間內對樣品進行感官評定，滿分100分，以10人的平均分作為最終綜合評分，具體評分標準見表2。

表2 鷹嘴豆酸奶的感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of chickpea yoghurt

理化指標：持水力、黏度、蛋白質含量、糖度根據文獻[21-24]描述方法進行測定；pH值采用pH計測定；每個樣品進行3次平行測定。

微生物指標：乳酸菌活菌數參考文獻[25]測定，每個樣品進行3次平行測定。

1.3.6 數據處理

利用Origin 2021進行繪圖，利用Design Expert 13.0進行響應面試驗設計及數據分析；利用IBM SPSS Statistics 22.0進行數據統計分析，實驗結果以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化單因素試驗

2.1.1 鷹嘴豆漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響

鷹嘴豆漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響見圖1。由圖1可知，隨著鷹嘴豆漿添加量的增加，其感官評分呈現先增后降的趨勢，持水力呈逐漸上升的趨勢，分析原因可能是由于鷹嘴豆漿添加量少時，酸奶無明顯鷹嘴豆味，稠度也不夠，感官評分和持水力較低；隨著鷹嘴豆漿添加量增加，酸奶中鷹嘴豆的香味愈發濃郁，但當鷹嘴豆漿添加過量，酸奶黏稠度增加，細膩感減弱，口感較差[26]。當鷹嘴豆漿添加量為60%時，感官評分最高，為81.00分；當鷹嘴豆漿添加量為70%時，持水力達到最高，為57.02%。通過模糊綜合評判法可知，當鷹嘴豆漿添加量為60%時，模糊綜合評判值最大，為0.95，因此，確定鷹嘴豆漿的最佳添加量為60%。

圖1 鷹嘴豆漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響Fig.1 Effect of chickpea pulp addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.2 椰漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響

椰漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響見圖2。由圖2可知，隨著椰漿添加量的增加，其感官評分呈現先升高后降低的趨勢，持水力呈現先上升后趨于穩定的趨勢，分析原因可能是由于椰漿含量越高，椰子固有風味隨之增加，但過高反而掩蓋了其他風味；而且椰漿的添加量決定著酸奶的黏度，椰漿含量越高持水力也比較高[27]。當椰漿添加量為15%時，其感官評分最高，為82.20分；當椰漿添加量為20%時，持水力最高，為53.47%。通過模糊綜合評判法可知，當椰漿添加量為15%時，模糊綜合評判值最大，為0.99，因此，確定椰漿的最佳添加量為15%。

圖2 椰漿添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響Fig.2 Effect of coconut milk addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.3 白砂糖添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響

白砂糖添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響見圖3。由圖3可知，隨著白砂糖添加量的增加，其感官評分和持水力均呈現先升高后降低趨勢，分析原因可能是由于加入少量的白砂糖促進菌種的發酵，持水力呈上升趨勢，但酸奶總體的甜度不夠，感官評分較低；過量的白砂糖提高了酸奶的滲透壓，抑制了部分菌種的活性，導致持水力略有下降，酸奶整體偏甜，感官評分有所下降[28]。當白砂糖添加量為7%時，感官評分最高，為85.80分；當白砂糖添加量為6%時，持水力最高，為51.65%。通過模糊綜合評判法可知，當白砂糖添加量為7%時，模糊綜合評判值最大，為1.00，因此，確定白砂糖的最佳添加量為7%。

圖3 白砂糖添加量對鷹嘴豆酸奶品質的影響Fig.3 Effect of sugar addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.4 發酵時間對鷹嘴豆酸奶品質的影響

發酵時間對鷹嘴豆酸奶品質的影響見圖4。由圖4可知，隨著發酵時間的增加，其感官評分和持水力均呈先升高后下降的趨勢，分析原因可能是由于發酵時間較短，發酵不足，酸奶整體質地偏稀，且酸奶香味不足；隨著發酵時間的增加，酸奶逐漸濃稠，呈半固體狀態，但是當發酵時間過長，乳清析出較多，影響酸奶的組織狀態[29]。當發酵時間為7 h時，感官評分最高，為89.00分；當發酵時間為10 h時，持水力最高，為50.63%。通過模糊綜合評判法可知，當發酵時間為7 h時，模糊評判值最大，為0.98，因此，確定最佳發酵時間為7 h。

圖4 發酵時間對鷹嘴豆酸奶品質的影響Fig.4 Effect of fermentation time on the quality of chickpea yoghurt

2.2 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化響應面試驗結果與分析

根據單因素試驗結果中鷹嘴豆漿添加量、椰漿添加量、白砂糖添加量、發酵時間對鷹嘴豆酸奶的感官評分和持水力的模糊綜合評判值影響程度的大小，最終選取對鷹嘴豆酸奶品質影響較大的3個因素鷹嘴豆漿添加量（A）、椰漿添加量（B）、白砂糖添加量（C）作為自變量，感官評分及持水力的模糊綜合評判值（Y）為響應值，對鷹嘴豆酸奶的發酵條件進行3因素3水平響應面優化，試驗設計及結果見表3，方差分析結果見表4。

表3 鷹嘴豆酸奶發酵工藝優化響應面試驗設計及結果Table 3 Design and results of response surface test for fermentation process optimization of chickpea yoghurt

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

利用響應面軟件Design-Expert 13.0對表3試驗結果進行多元二次回歸擬合，得到鷹嘴豆酸奶模糊綜合評判值的回歸方程：

由表4可知，該模型的P＜0.000 1，極顯著，具有統計學意義，失擬項的P值為0.671 6，不顯著（P＞0.05），說明回歸模型與實際情況較吻合，能夠較好地預測試驗的結果，模型的決定系數R2為0.994 0，說明該模型能夠很好地描述試驗結果，校正決定系數R2Adj為0.986 3，變異系數（coefficient of variation，CV）為0.54%，信噪比為33.336，表明實際值與預測值之間的擬合程度好，可信度高。綜合可知，響應面法優化鷹嘴豆酸奶工藝條件是合理的。由表4亦可知，一次項A、B、C，交互項AC及二次項A2、B2、C2對結果影響極顯著（P＜0.01）；其他項對結果影響不顯著（P＞0.05）。

采用Design-Expert 13.0軟件繪制各因素間交互作用對鷹嘴豆酸奶品質影響的響應面及等高線，結果見圖5。由圖5可知，根據響應曲面的陡峭程度可知，鷹嘴豆漿添加量與椰漿添加量間交互作用對模糊綜合評判值影響不顯著（P＞0.05），鷹嘴豆漿添加量與白砂糖添加量間交互作用對模糊綜合評判值影響極顯著（P＜0.01），椰漿添加量與白砂糖添加量間交互作用對模糊綜合評判值影響不顯著（P＞0.05），這與方差分析所得的結果一致。

圖5 各因素間交互作用對模糊綜合評判值影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on fuzzy comprehensive evaluation value

通過響應面軟件Design-Expert 13.0預測鷹嘴豆酸奶的最優發酵工藝參數為：鷹嘴豆漿添加量68.02%、椰漿添加量16.32%、白砂糖添加量6.90%，預測得到的感官評分為88.61分，持水力為56.64%，模糊綜合評價值為0.97，為檢驗響應面法優化鷹嘴豆酸奶酸奶發酵條件的可靠性，結合實際情況調整最優參數為：鷹嘴豆漿添加量68%、椰漿添加量16%、白砂糖添加量7%。采用優化后的工藝參數進行驗證試驗，結果發現，鷹嘴豆酸奶的感官評分為89.20分，持水力為57.39%，模糊綜合評價值為1，與預測值相差較小。說明該模型能夠很好的預測鷹嘴豆酸奶發酵條件與模糊綜合評判值之間的關系，證明利用響應面優鷹嘴豆酸奶發酵工藝的方法是科學可行的。

2.3 鷹嘴豆酸奶理化及微生物指標的測定

鷹嘴豆酸奶的理化及微生物指標見表5。

表5 鷹嘴豆酸奶理化及微生物指標Table 5 Physicochemical and microbial indexes of chickpea yogurt

由表5可知，在最優發酵條件下制備的鷹嘴豆酸奶的黏度為800.83 mPa·s，乳酸菌活菌數為8.33×106CFU/g，蛋白質含量為2.14g/100g，糖度為7.17°Bx，pH為4.22。其中活菌數、蛋白質含量、糖度以及pH均符合中國衛生監督協會發布的團體標準T/WSJD 12—2020《植物蛋白飲料植物酸奶》[30]中對復合植物酸奶的品質指標要求。

3 結論

以鷹嘴豆、椰漿為主要原料，白砂糖為輔料，保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）與嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）為菌種發酵制備鷹嘴豆酸奶。采用單因素試驗及響應面試驗優化得到鷹嘴豆酸奶的最佳發酵工藝條件為鷹嘴豆漿添加量68%、椰漿添加量16%、白砂糖添加量7%，在42 ℃條件下發酵7 h，其口感嫩滑，酸甜可口，具有獨特風味，感官評分為89.20分，持水力為57.39%，模糊綜合評判值為1，其乳酸菌活菌數（8.33×106CFU/g）、糖度（7.17°Bx）、蛋白質含量（2.14 g/100 g）、pH（4.22）均符合中國衛生監督協會發布的團體標準T/WSJD 12—2020《植物蛋白飲料植物酸奶》中對復合植物酸奶的品質指標要求。