基于模糊數學評價法優化大麥黑米酸奶的發酵工藝

摘 要：本研究主要以純牛奶、熟大麥粉、黑米為原料，利用甜菊糖苷代替蔗糖制備攪拌型大麥黑米酸奶。通過單因素試驗探究黑米漿添加量、熟大麥粉添加量、甜菊糖苷添加量、酸奶發酵劑添加量對大麥黑米酸奶品質的影響，并結合響應面試驗以及建立模糊數學模型的方法優化出大麥黑米酸奶的最優配方。試驗結果表明，最優配方為以100 mL純牛奶為基準，添加熟大麥粉2.6%、黑米漿12.4%、甜菊糖苷0.05%、發酵劑0.25%。在此條件下生產出的酸奶口感細膩，酸甜適中，具有一定的大麥和黑米風味。

關鍵詞：黑米漿；甜菊糖苷；模糊數學；酸奶

Abstract： This research mainly uses pure milk， cooked barley flour， and black rice as raw materials， and replaces sucrose with steviol glycoside to prepare stirred barley and black rice yogurt. Exploring the effects of adding black rice pulp， cooked barley flour， steviol glycoside and yogurt starter on the quality of barley-black rice yogurt through single factor experiments， and the optimal formula of barley black rice yogurt was optimized by response surface test and fuzzy mathematical model. The results showed that the optimal formula was 100 mL pure milk， 2.6% cooked barley flour， 12.4% black rice pulp， 0.05% steviol glycoside and 0.25% starter. The yoghurt produced under the optimum conditions has fine taste， moderate sweet and sour taste， and has a certain barley and black rice flavor.

酸奶作為人們日常食用的發酵乳制品，是一種老少皆宜的高市場占有率產品[1]。隨著消費者對酸奶營養功能及口感需求的多元化，傳統的酸奶已經不能滿足人們的需求，谷物酸奶逐漸進入了大眾視野。研究表明，隨著谷物的加入，酸奶的營養價值以及組織狀態都會得到提升，感官品質也得到了改善。大麥是典型的“三高兩低”（高蛋白質、高纖維素、高維生素、低糖、低脂），并兼具食療作用的糧食作物，黑米中含有豐富的微量元素及維生素，具有抗炎、抗癌、抗氧化等功效[2]。本研究通過對大麥粉和黑米漿添加量、甜菊糖苷添加量、酸奶發酵劑添加量的研究，并基于模糊數學評價法來優化大麥黑米酸奶的發酵工藝，得出一組最優發酵工藝。大麥黑米酸奶的研發不僅能豐富乳制品種類，還能為谷物酸奶的進一步研究提供思路，具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

純牛奶（市售的蒙牛純牛奶）、熟大麥粉（虞城縣秋收特色食品有限公司的熟大麥粉）、黑米（漯河市售黑米）、甜菊糖苷（譽信誠生物科技有限公司的甜菊糖苷）、酸奶發酵劑（安琪酵母股份有限公司的二菌型酸奶發酵劑）。

1.2 主要儀器設備

打漿機（SP525），浙江蘇泊爾家具用品有限公式；恒溫培養箱（NDP-9272AE），上海三發科學儀器有限公司；恒溫干燥箱（202-0ES），北京市永光明醫療儀器廠；電冰箱（BCD-205CMN），合肥美的榮事達電冰箱有限公司；電磁爐（C21-SDHCB06G），浙江蘇泊爾家電制造有限公司；均質機（GJJ-9272AE），上海諾尼輕工機械有限公司；HH-1恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；電子天平（YP10001），上海佑科儀器儀表有限公司；離心機（LXJ-IIB），上海安亭科學儀器廠；分光光度計（UV-2600），上海尤尼柯儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

黑米漿的制備→一定量的甜菊糖苷、熟大麥粉、黑米漿、原料乳混合均勻→攪拌均質→殺菌（90 ℃ ，10 min）→水浴冷卻至42 ℃左右→加發酵劑→恒溫發酵（42 ℃）至pH約為4.3→攪拌破乳→冷藏后熟（4 ℃，24 h）。

1.3.2 操作要點

（1）黑米漿的制備。選擇外形飽滿、色澤良好的黑米，稱取適量黑米，洗凈后，加入黑米量2倍的水，蒸熟，蒸熟后冷卻，將冷卻后的熟黑米與水按照1∶1.25的一定比例加入打漿機中打漿，最后用紗布過濾，得到黑米漿。

（2）調配。將純牛奶、熟大麥粉、黑米漿、甜菊糖苷按一定比例混合均勻。

（3）均質。在溫度55 ℃、17 MPa條件下，對殺菌前的料液進行均質處理。

（4）殺菌。在90 ℃條件下進行殺菌10 min。

（5）冷卻、接種。冷卻至42 ℃左右。加入一定比例的發酵劑，攪拌均勻。

（6）發酵。放入42 ℃恒溫培養箱中，培養6 h，達到發酵終點。

（7）后熟。從恒溫培養箱中取出，攪拌破乳后放入4 ℃冰箱中后熟24 h。

1.3.3 模糊數學模型的建立

模糊數學評價法是常用的一種數學方法，主要用于處理模糊性現象，可以將模糊性的現象轉化成數學研究，使結果更加可靠，采用模糊數學評價法來彌補感官評價人員的主觀性帶來的誤差[3]。模糊數學模型的建立如下。

（1）確定評價因素集及評價因素權重集。大麥黑米酸奶的評價因素集u={u1，u2，u3，u4}，其中u1代表色澤，u2代表氣味，u3代表口感，u4代表組織狀態，即u={色澤，氣味，口感，組織狀態}。評價權重集x={x1，x2，x3，x4}，將評價因素色澤、氣味、口感、組織狀態分別賦予權重系數0.2、0.2、0.3、0.3，即x={0.2，0.2，0.3，0.3}。

（2）確定評價等級集。評價等級集V={V1，V2，V3}，其中，V1代表優（90分），V2代表良（70分），V3代表差（50分），即V={優90，良70，差50}。

（3）模糊矩陣的建立。10名評價員對酸奶的4項因素進行評價，統計各因素評價票數的分布，并進行整理得到模糊矩陣Ri。

式中：i為試驗號；a為評價因素，分別為1、2、3、4；b為評價等級，分別為1、2、3。

（4）模糊數學感官評分。模糊數學綜合評價集Y=X×Ri。模糊數學感官評分Z=Y×VT，T為矩陣轉置[4]。得到最終的感官評分，用于數據分析。

1.3.4 感官評定

由10名感官評價人員對大麥黑米酸奶根據表1的評分細則進行感官評價，并用模糊數學綜合評價法分析數據，得到最終的感官評分。

1.3.5 單因素試驗設計

以100 g牛奶為基準，添加黑米漿10%、熟大麥粉3%，甜菊糖苷0.05%，酸奶發酵劑0.1%進行預試驗。在預實驗的基礎上分別對黑米漿、熟大麥粉、甜菊糖苷、酸奶發酵劑的添加量進行單因素試驗。利用感官評價來考察黑米漿的添加量（6%、8%、10%、12%、14%）、熟大麥粉的添加量（1%、2%、3%、4%、5%）、甜菊糖苷的添加量（0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%）、酸奶發酵劑的添加量（0.1%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%）對酸奶品質的影響。

1.3.6 響應面試驗設計

根據單因素試驗的結果，以黑米漿添加量（A）、熟大麥粉添加量（B）、甜菊糖苷添加量（C）、發酵劑添加量（D）為因素，把感官評分作為響應值，利用Design Expert軟件進行4因素3水平響應面分析試驗，確定大麥黑米酸奶的最優配方。響應面試驗因素與水平設計見表2。

1.3.7 DPPH自由基清除能力的測定

自由基對人體有很大的危害，有許多研究表明過量的自由基與各種癌癥、疾病的發生有很強的聯系[5]。抗氧化物質可以在一定程度上消滅自由基，通過對原味酸奶和大麥黑米酸奶DPPH自由基清除能力的測定來評價大麥黑米酸奶的抗氧化能力。①樣品的預處理。取10 g樣品放入離心管中，并將離心管放入離心機中，設置參數5 000 r·min-1，持續30 min，取出后，將上清液倒入10 mL容量瓶中用無水乙醇定容。②測定。準確吸取配制好的DPPH溶液2 mL與無水乙醇溶液2 mL，用分光光度計測定在517 nm處的吸光度A0；再準確吸取配制好的DPPH溶液2 mL與樣品溶液2 mL，避光反應30 min后，用分光光度計測定在517 nm處的吸光度A1；最后準確吸取無水乙醇溶液2 mL與樣品溶液2 mL，用分光光度計測定在517 nm處的吸光度A2。③計算。DPPH自由基清除率=[1-（A1-A2）/A0]×100%。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 黑米漿添加量對酸奶感官品質的影響

由圖1可知，隨著黑米漿的加入，酸奶的感官評分呈現先上升后下降的趨勢。當黑米漿添加量為12%時，感官評分達到最高值。此時的大麥黑米酸奶擁有濃郁的黑米香味，口感也非常細膩。黑米漿添加過少，則酸奶的黑米香味不濃郁，色澤不佳；黑米漿添加過多，則酸奶組織狀態不佳。

2.1.2 熟大麥粉添加量對酸奶感官品質的影響

由圖2可知，隨著熟大麥粉的加入，大麥黑米酸奶的感官評分呈現先上升后下降的趨勢。當熟大麥粉添加量為3%時，感官評分達到最高值。此時的大麥黑米酸奶不僅有濃郁的大麥香氣，而且黏稠度適中，讓酸奶增添了一些別樣的風味。熟大麥粉添加過少，則酸奶會缺少大麥的香味；而熟大麥粉添加過多，則會使酸奶過稠，組織狀態粗糙。

2.1.3 甜菊糖苷添加量對酸奶感官品質的影響

由圖3可知，隨著甜菊糖苷的加入，酸奶的感官評分呈現先上升后下降的趨勢。當甜菊糖苷添加量為0.06%時，感官評分達到最高值。此時的大麥黑米酸奶甜度適中，甜菊糖苷添加量過少，酸奶甜度不夠；添加過多，酸奶過甜，口感不佳。

2.1.4 酸奶發酵劑添加量對產品感官品質的影響

由圖4可知，隨著發酵劑的加入，酸奶的感官評分呈現先上升后下降的趨勢。當酸奶發酵劑添加量為0.25%時，感官評分達到最高值。此時的酸奶具有濃郁的發酵乳香氣，酸甜適中。酸奶發酵劑添加過少，則酸度不夠，組織狀態不佳；添加過多，則酸奶過酸，口感不佳。

2.2 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面試驗結果分析

大麥黑米酸奶的響應面結果如表3所示，通過Design Expert軟件的分析，得到大麥黑米酸奶感官評分的二次多項回歸方程模擬：Y=86.760 0+0.933 3A-2.950 0B+0.116 7C-0.066 7D-0.650 0AB-0.850 0AC+0.200 0AD+0.300 0BC-0.200 0BD+0.100 0CD-5.130 0A2-4.150 0B2-0.055 0C2-0.180 0D2。

由表4可知，該模型的p值＜0.01，具有顯著性，失擬項的p值＞0.05，不顯著，此結果可以表明該回歸模型具有較高的可靠性[6]。R2=0.990 1，

表明試驗數據與回歸模型擬合度良好，并且變異系數為0.629 2，表明試驗的可信度和精確度高。此外，從表4的分析結果中還可以看出，黑米漿添加量、熟大麥粉添加量對大麥黑米酸奶的感官品質影響極顯著，黑米漿和熟大麥粉的交互作用對酸奶的感官品質影響顯著，黑米漿和甜菊糖苷的交互作用對酸奶的感官品質影響極顯著，黑米漿添加量和熟大麥粉添加量的二次項對大麥黑米酸奶的感官品質的影響極顯著，其他因素的影響不顯著。

2.2.2 響應面因子交互作用分析

響應面的等高線圖和3D圖能反映出兩個因素之間的交互作用[7]，因素對結果影響越顯著，則響應面3D圖坡度就越陡[8]，并且等高線呈現出橢圓越明顯則交互作用越顯著[9]。從圖5到圖10可以看出，4個因素相互之間都存在一定的交互作用，等高線圖均呈現橢圓形。黑米漿添加量（A）和熟大麥粉添加量（B）的響應面3D圖縱向跨度較大，表明交互項AB對感官品質影響顯著，黑米漿添加量（A）和甜菊糖苷添加量（C）的響應面3D圖縱向跨度更大，表明交互項AC對感官品質影響極顯著，其他交互項AD、BC、BD、CD的響應面3D圖縱向跨度較小，所以交互作用不顯著，此結論與方差分析結論相同。

2.2.3 最佳配方驗證

經響應面試驗預測出最優工藝參數為黑米漿添加量12.395%、熟大麥粉添加量2.596%、甜菊糖苷添加量0.050%、發酵劑添加量0.244%，此時的預測感官評分為87.43分。

結合實際操作，確定黑米漿添加量為12.4%、熟大麥粉添加量為2.6%、甜菊糖苷添加量為0.05%、發酵劑添加量為0.25%，重復3次試驗的感官評分取平均值為87.8分，同時在相同條件下對響應面試驗評分最高的組合也重復3次試驗，感官評分取平均值為86.8分，相比于預測組合的分值低，說明預測組合為最優組合。

2.3 DPPH自由基清除能力的測定結果

根據對原味酸奶和大麥黑米酸奶DPPH自由基清除能力的測定，發現原味酸奶的DPPH自由基清除率為43%，而大麥黑米酸奶的DPPH自由基清除率為58%，由此可見，大麥黑米酸奶清除自由基的能力更強，即大麥黑米酸奶的抗氧化能力更強。

3 結論

本研究主要通過建立模糊數學模型和進行響應面試驗的方法來優化大麥黑米酸奶的配方，得到的最優配方是以100 mL純牛奶為基準，黑米漿添加量12.4%、熟大麥粉添加量2.6%、甜菊糖苷添加量0.05%、發酵劑添加量0.25%。此配方生產出來的酸奶質地均勻，口感細膩，黏稠度適中，有濃郁的大麥和黑米香氣，且對DPPH自由基的清除能力較強。此外，該酸奶在制作中將黑米蒸熟后打漿，在一定程度上克服了黑米不容易消化的缺點，將熟大麥粉融合到酸奶中給酸奶增添了別樣的風味，還提高了酸奶的營養價值，同時也為谷物酸奶的研究提供了一種新的工藝方法，有助于拓寬酸奶市場[10]。

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基金項目：河南省高等學校重點科研項目（24B550010）；河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（2024SJGLX0807）；河南省科技攻關項目（242102111071）。

作者簡介：余健霞（1987—），女，河南洛陽人，碩士，講師。研究方向：食品科學。