基于模糊數(shù)學(xué)綜合評判優(yōu)化酸棗仁復(fù)合飲料配方

張芳榮，陳方會，李春江，王一婕，欒智華，杜俊民

（山西中醫(yī)藥大學(xué)中藥與食品工程學(xué)院，山西 晉中 030619）

酸棗仁是鼠李科植物酸棗的干燥成熟種子，具有寧心安神、斂汗、生津的功效，可用于治療失眠多夢[1-2]，是目前中藥治療失眠最常用的中藥[3]。酸棗仁含有黃酮類、生物堿類、皂苷及三萜類化合物、VC 等多種化學(xué)成分[4]。現(xiàn)有研究成果表明，酸棗仁具有鎮(zhèn)靜催眠、抗焦慮、抗抑郁、輕度擴張血管、保肝、抗氧化、改善記憶等藥理作用。紅棗又稱大棗、良棗等，香氣獨特，酸甜可口，屬于藥食同源類物質(zhì)，具有補中益氣、養(yǎng)血安神、抗氧化等功效，大棗中的生物堿類、黃酮類及糖苷類成分具有一定的鎮(zhèn)靜催眠作用[5]。大量醫(yī)學(xué)證明，紅棗富含氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等多種營養(yǎng)物質(zhì)[6-8]，還含有大量的多糖、酚類化合物、環(huán)磷酸腺苷[9-10]等，對增強機體免疫力、抗氧化、消除自由基、抗腫瘤等有較好的療效[11-12]。薏苡仁利水滲濕、健脾止瀉，是藥食兩用的祛濕、健脾佳品，在提高免疫力和抗衰老方面有良好功效[13]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，薏苡仁中含有脂肪酸、多糖、薏苡酯等多種成分，具有促進(jìn)睡眠、抗病毒、提高機體免疫力、降血糖、抗炎鎮(zhèn)痛、調(diào)節(jié)血脂代謝等藥理作用。茯苓為多孔菌科茯苓屬真菌的干燥菌核，具有健脾補中、養(yǎng)心安神、利水滲濕的功能[14]。現(xiàn)代藥理研究表明，茯苓中含有多糖類、三萜類、甾醇類等化學(xué)成分，具有鎮(zhèn)靜、促進(jìn)水液代謝、調(diào)節(jié)胃腸功能、抗腫瘤、護(hù)肝等藥理作用。百合味甘，歸心、肺經(jīng)，具有養(yǎng)陰潤肺、清心安神的功效。現(xiàn)代藥理試驗研究表明，百合中含有甾體皂苷類、生物堿類、多糖類、酚類化合物，具有止咳祛痰、鎮(zhèn)靜催眠、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗缺氧性應(yīng)激損傷、抗抑郁、降血糖及抑菌等作用。目前，市場上的酸棗仁產(chǎn)品大多用生酸棗仁加工處理，多用來改善睡眠。隨著社會的發(fā)展和人們保健意識的增強，復(fù)合飲料已成為一種新趨勢，具有良好的發(fā)展前景[15]。

在食品飲料研制過程中，主要以感官評價為指標(biāo)，但其易受主觀因素的影響。而采用模糊數(shù)學(xué)法，可以減少感官評價的誤差，提高評價結(jié)果準(zhǔn)確性，使得評價結(jié)果更科學(xué)、客觀、合理[16]。目前市場上大多以酸棗仁-酸牛奶[17]、酸棗仁-茯苓粉[18]復(fù)合搭配，尚未見酸棗仁、大棗、薏苡仁、茯苓、百合復(fù)合搭配的復(fù)合飲料[19]。該復(fù)合飲料以酸棗仁、茯苓、百合、大棗、薏苡仁為原料，具有安神的功效，有助于改善睡眠，再加入蜂蜜、檸檬酸、蔗糖等輔料進(jìn)行調(diào)味，使得飲料的口感得以提升。本試驗通過模糊數(shù)學(xué)法和正交試驗對酸棗仁、茯苓、薏苡仁、百合和大棗復(fù)合飲料的配方篩選優(yōu)化，為建立復(fù)合飲料工業(yè)生產(chǎn)提供試驗依據(jù)，且本研究符合廣大有失眠癥狀人群的切實需要，對其進(jìn)行開發(fā)極具前景。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

原料與輔料：酸棗仁、薏苡仁、茯苓、百合、大棗均購于山西省高校園區(qū)醫(yī)院中藥房，密封于自封袋中，置于陰涼干燥處貯存?zhèn)溆谩＝?jīng)山西省高校園區(qū)醫(yī)院藥師鑒定，酸棗仁為鼠李科植物酸棗（Ziziphus jujubɑMill.vɑr.spinosɑ(Bunge)Hu ex H.F.Chou）的干燥成熟種子，薏苡仁為禾本科植物薏米（Coix lɑcrymɑjobiL.vɑr.mɑyuen（Roman.）Stapf）的干燥成熟種仁，茯苓為多孔菌科真菌茯苓（Poriɑ cocos(Schw.) Wolf）的干燥菌核，百合為百合科植物卷丹（Lilium lɑncifoliumThunb.）的干燥肉質(zhì)鱗葉，大棗為鼠李科植物棗（Ziziphus jujubɑMill.）的成熟果實。檸檬酸（分析純，批號20200403）、檸檬酸鉀（食品級，批號20170609）、羧甲基纖維素鈉（批號20171116）、黃原膠（食品級，批號20190319），天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；蜂蜜（食品級，批號125604k2），上海冠生園蜂制品有限公司；蔗糖（食品級），安琪酵母（赤峰）有限公司；果膠（食品級），河南萬邦實業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

CP124C電子天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；HH-S4 電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；FZJR-300 型均質(zhì)機、TG16G 型臺式高速離心機，常州億能儀器設(shè)備有限公司；M372715 滅菌鍋，上海精密儀器儀表有限公司；YTQG-100 型脫氣機，溫州市永康機械科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 復(fù)合飲料的制備工藝流程

酸棗仁、大棗、薏苡仁、百合、茯苓預(yù)處理→粉碎→煎煮→過濾→酸棗仁復(fù)合澄清汁→調(diào)配→均質(zhì)→灌裝→脫氣→滅菌→冷卻→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料預(yù)處理

酸棗仁的預(yù)處理：選取顆粒飽滿，有光澤、無蟲蛀的酸棗仁，用清水清洗，破碎機破碎后過20 目篩，取出備用。

大棗的預(yù)處理：選取顆粒飽滿、無蟲害的大棗，用水沖洗表面塵土后，將其切成碎條狀備用。

其他原料預(yù)處理：挑選顆粒飽滿、無雜質(zhì)、無蟲蛀的原料，洗凈去雜備用。

1.2.2.2 澄清汁的制備

稱取酸棗仁360 g、茯苓108 g、意苡仁40 g、百合75 g、大棗505 g，用純凈水按料液比1∶5（g/mL）浸泡0.5 h，然后在90 ℃下煎煮2 次，每次45 min。分別將兩次煎煮得到的浸提液合并，過濾得到浸提澄清汁。

1.2.2.3 調(diào)配

將澄清汁、蜂蜜、蔗糖、檸檬酸鉀、檸檬酸、穩(wěn)定劑及純凈水進(jìn)行混合調(diào)配。

利用均質(zhì)機在均質(zhì)壓力30 MPa 下，均質(zhì)2次，每次3 min。

1.2.2.5 灌裝、脫氣

將原液裝入200 mL 的玻璃瓶中，采用真空脫氣法，壓力640～879 kPa。

1.2.2.6 滅菌、冷卻

將灌裝好的原液放入高壓滅菌鍋中，121 ℃下殺菌15 min，冷卻得成品。

1.2.3 正交試驗設(shè)計

在預(yù)試驗及單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇澄清汁、檸檬酸鉀、蜂蜜、蔗糖、檸檬酸添加量5 個因素進(jìn)行酸棗仁復(fù)合飲料配方篩選的正交試驗，正交試驗因素水平見表1。

表1 酸棗仁復(fù)合飲料配方優(yōu)化正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level table for optimizing formula of sour jujube kernels compound beverage 單位：%

1.2.4 感官評價方法

對于寫干擾故障,需要March元素↑↓(w0),↑↓(w1,w1,r1),↑↓(w0,w0,r0)來滿足條件,算法①中已經(jīng)有兩次連續(xù)寫0操作和寫1操作,因此該故障能夠被檢測出來,所以無需修改。

選擇20名食品專業(yè)學(xué)生分別對酸棗仁復(fù)合飲料的色澤、香味、滋味、組織狀態(tài)4 個因素進(jìn)行評定，按照總分設(shè)立優(yōu)（90 分）、良（80 分）、中（70 分）、差（60分）4個級別，評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 酸棗仁復(fù)合飲料感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria for sour jujube kernel compound drinks

1.2.5 穩(wěn)定劑篩選方法

飲料在放置時間長的情況下會出現(xiàn)分層、沉淀等現(xiàn)象，因此，通過添加穩(wěn)定劑來提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以沉淀率為指標(biāo)，通過正交試驗對穩(wěn)定劑羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、黃原膠及果膠添加量進(jìn)行篩選，正交試驗因素水平見表3。

表3 澄清汁穩(wěn)定劑篩選正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table for the screening of clarified juice stabilizer 單位：%

1.2.6 離心沉淀率的測定

稱取復(fù)合飲料樣品（m1），在3 000 r/min條件下離心15 min，稱取上清液質(zhì)量（m2）。每次樣品重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。離心沉淀率[20]計算公式如下：

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

使用Excel和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊綜合評價法的建立

以色澤、香味、滋味、組織狀態(tài)為因素集，以優(yōu)、良、中、差為評價集，即：因素集U={色澤，香味，滋味，組織狀態(tài)}={U1，U2，U3，U4}，評價集V={優(yōu)，良，中，差}={90，80，70，60}。選擇食品專業(yè)的學(xué)者對酸棗仁復(fù)合飲料因素集打分，確定各評定因素的權(quán)重分別為：色澤（20%）、香味（25%）、滋味（30%）、組織狀態(tài)（25%），即權(quán)重集A={0.20，0.25，0.30，0.25}，酸棗仁復(fù)合飲料感官指標(biāo)綜合評判集Y=A·R，其中A為權(quán)重集，R為樣品的模糊評價矩陣。

2.2 模糊矩陣的建立

根據(jù)正交試驗因素表L16(45)進(jìn)行試驗得到16 個樣品，由20名專業(yè)人員進(jìn)行感官評定，評價結(jié)果如表4所示。

表4 酸棗仁復(fù)合飲料感官評定結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of sour jujube kernel compound drink

將表4中各等級得到的票數(shù)除以總評判人數(shù)，第1 個樣品的色澤、香味、滋味、組織狀態(tài)4 個因素的模糊評定矩陣分別為：R色澤=（0.15,0.30,0.25,0.30），R香味=（0.25,0.30,0.40,0.05），R滋味=（0.20,0.35,0.35,0.10），R組織狀態(tài)=（0.25,0.30,0.40,0.05），將以上4個因素的評定結(jié)果整合為1 個綜合矩陣，得到1～16 號樣品的模糊評價矩陣依次為：

依據(jù)模糊數(shù)學(xué)變化原理：Y=A·R，計算得出酸棗仁復(fù)合飲料感官隸屬綜合評定結(jié)果。如：樣品1，Y1=A·R1=（0.215，0.315，0.355，0.115）。同理可得出2～16 組酸棗仁復(fù)合飲料感官隸屬綜合評定結(jié)果：

Y2=（0.202 5，0.407 5，0.362 5，0.027 5）

Y3=（0.205 0，0.407 5，0.360 0，0.027 5）

Y4=（0.247 5，0.365 0，0.377 5，0.010 0）

Y5=（0.205 0，0.407 5，0.350 0，0.037 5）

Y6=（0.202 5，0.407 5，0.362 5，0.027 5）

Y7=（0.205 0，0.407 5，0.360 0，0.027 5）

Y8=（0.165 0，0.400 0，0.435 0，0）

Y9=（0.237 5，0.435 0，0.327 5，0）

Y10=（0.302 5，0.337 5，0.290 0，0.070 0）

Y11=（0.237 5，0.435 0，0.327 5，0）

Y12=（0.355 0，0.350 0，0.265 0，0.030 0）

Y13=（0.237 5，0.435 0，0.327 5，0）

Y14=（0.322 5，0.337 5，0.300 0，0.040 0）

Y15=（0.237 5，0.365 0，0.387 5，0.010 0）

Y16=（0.247 5，0.365 0，0.377 5，0.010 0）

2.3 酸棗仁復(fù)合飲料配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果

根據(jù)模糊評價原理，計算模糊綜合得分，將評分結(jié)果的隸屬度分別與評價集{優(yōu)，良，中，差}相乘。第1組樣品綜合得分為：

T=（0.215，0.315，0.355，0.115）×（90，80，70，60）T=76.3

同理計算其他各組結(jié)果，見表5。以極差最小的因素E作為誤差項，對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6。

表5 酸棗仁復(fù)合飲料配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results for optimizing formula of sour jujube kernels compound beverage

由表5可知，影響酸棗仁復(fù)合飲料模糊數(shù)學(xué)感官評分各因素的主次順序為A＞D＞C＞B＞E，即澄清汁添加量＞蔗糖添加量＞蜂蜜添加量＞檸檬酸鉀添加量＞檸檬酸添加量；最佳配方組合為A3B4C2D3E1，即澄清汁添加量35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），檸檬酸鉀添加量0.4%，蜂蜜添加量2.4%，蔗糖添加量6%，檸檬酸添加量0.1%。由表6 方差分析可知，澄清汁添加量（A）和蔗糖添加量（D）對復(fù)合飲料模糊綜合評分的影響顯著（P＜0.05）。對正交試驗確定的最佳配方進(jìn)行3次驗證，在該條件下酸棗仁復(fù)合飲料模糊數(shù)學(xué)感官評分為81 分，高于正交試驗最優(yōu)組，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.01%。在該配方條件下制得的復(fù)合飲料色澤純正，酸甜適宜，狀態(tài)穩(wěn)定，富有棗香氣。

2.4 澄清汁穩(wěn)定劑優(yōu)化結(jié)果

為提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，需加入微量穩(wěn)定劑。由表7可知，最佳穩(wěn)定劑組合為A2B1C2，即CMC-Na添加量0.20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），黃原膠添加量0.01%，果膠添加量0.15%。按照最佳配比條件進(jìn)行3次驗證試驗，所得產(chǎn)品質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性高，離心沉淀率為2.9%，RSD值為0.67%。由表8可知，CMC-Na添加量（A）和果膠添加量（C）對酸棗仁復(fù)合飲料離心沉淀率的影響顯著（P＜0.05），黃原膠添加量（B）對酸棗仁復(fù)合飲料離心沉淀率影響不顯著。

表7 澄清汁穩(wěn)定劑篩選正交試驗結(jié)果Table 7 Orthogonal test results for clarified juice stabilizer

表8 方差分析表Table 8 Analysis of variance table

3 結(jié)論

本研究以酸棗仁、茯苓、薏苡仁、百合、大棗為原料，通過模糊數(shù)學(xué)與正交試驗對酸棗仁復(fù)合飲料的配方進(jìn)行優(yōu)化，得出酸棗仁復(fù)合飲料最佳配方為酸棗仁澄清汁添加量35%，檸檬酸鉀添加量0.4%，蜂蜜添加量2.4%，蔗糖添加量6%，檸檬酸添加量0.1%；最佳穩(wěn)定劑組合為CMC-Na 添加量0.20%，黃原膠添加量0.01%，果膠添加量0.15%。按此配方制得的酸棗仁復(fù)合飲料產(chǎn)品色澤純正，酸甜適中，有棗香氣，狀態(tài)均勻穩(wěn)定。酸棗仁復(fù)合飲料的研制為以后生產(chǎn)提供了可靠的參考依據(jù)。