模糊数学感官评价法优化三种干果复合固体饮料的配方

高 涛,陈虹旭,唐华丽

(重庆三峡学院生物与食品工程学院,重庆 404100)

枸杞果实富含蛋白质、氨基酸等营养成分以及活性多糖、生物碱和黄酮类化合物等药用成分[1]。现代医学研究表明,枸杞多糖具有调节人体免疫力、降血糖、抗疲劳、抗衰老等作用[2-4]。山楂又名山里红,果实富含黄酮、多酚和原花青素等150余类物质[5]。现代药理学研究表明,山楂具有很好的降糖降脂、抗氧化、辅助治疗心血管疾病等功能[6-9]。红枣富含糖类、蛋白质、脂肪、钙以及各种维生素等营养成分,具有很高的使用价值和保健食疗功能[10-11]。

果汁固体饮料是以水果或其汁液、水果粉为主要原料经加工制成的固体饮料。具有体积小、运输贮存及携带方便、营养丰富等优点[12-13]。枸杞、山楂、红枣营养价值高,保健功效好,是加工天然保健复合饮料的理想原料。以三者为原料制成的复合固体饮料有一定的食用价值,值得推广。但传统的食品感官评价由于其方法落后,易受评价人员主观因素的干预,导致其评价结果误差较大,不宜对产品进行评价[14-16]。采用模糊数学法对产品的感官评价进行更加细致的处理,让产品的感官指标数字化,让感官评价的结构更加科学、可靠[17-18]。但应用此方法的前提是产品的每个感官评价的标准阐述一定要清楚,参与感官评价的人数一定要多,才能让产品的感官评价结果更加接近真实值。同时在利用主成分分析(PCA)进行模型建立的时候也需要足够的数据量,这样才能更加清楚地找出各个指标所处在的关系,以及让模型更加精准[19]。模糊数学法与感官评价结合,利用模糊数学法让产品感官中的模糊概念数字化,让评价结果更加科学合理[20-21]。由于食品品质的影响因素较多,但每个因素的权重未知,通过主成分分析(PCA)技术对各因素进行综合分析,建立数学模型,得到产品的综合评价,让产品的评价结果更加准确[22-25]。

本次实验采用模糊数学法对产品的感官评价进行更加细致的处理,让产品的感官指标数字化,让感官评价的结构更加科学、可靠。同时,对产品的模糊感官评分、可溶性固形物含量、总酸含量、澄清度、溶解时间等指标利用主成分分析(PCA)进行整合并建立综合评价模型。依据此模型来对产品的质量进行综合评价并得到最优配方。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

宁夏红果枸杞、散装山楂干、新疆红枣 永辉超市;麦芽糊精、白砂糖、柠檬酸、卡拉胶、黄原胶、羧甲基纤维素钠 食品级,本地食化超市。

FA1004分析天平 上海舜平恒宇科学仪器有限公司;SRH60-70高压均质机 上海申鹿均质机有限公司;YC-015喷雾干燥机 上海雅程仪器设备有限公司;JYC-21HEC05九阳电磁炉 九阳股份有限公司;DE12F51美的豆浆机 广东美的生活电器制造有限公司;PAL-1糖度计 日本爱拓公司;SP-756可见光分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基础配方 以500 mL饮用水为标准,按其百分比质量称取枸杞汁40%、红枣汁20%、山楂汁20%、复合稳定剂0.20%、白砂糖4%、柠檬酸0.02%、麦芽糊精10%。

1.2.2 三种干果复合固体饮料的工艺流程 枸杞、山楂、红枣→挑选→清洗→漂烫→打浆→粗滤→浓缩→过滤→三种干果混合原汁→混匀→调配→均质→喷雾干燥→成品

1.2.3 操作要点

1.2.3.1 三种干果混合原汁制备 分别选取优质枸杞、山楂、红枣干果为原料,冷水冲洗,热水漂烫30 s后量取枸杞干重的6倍水,山楂湿重的15倍水,红枣干重的6倍水分别进行打浆,4层纱布过滤,再加热浓缩至可溶性固形物含量达到14%左右时停止,4层纱布过滤后即可分别得到各原汁,按比例称取枸杞、山楂、红枣原汁混合,即得三种干果混合原汁。

1.2.3.2 复合稳定剂的制备 等比例称取卡拉胶、黄原胶、羧甲基纤维素钠并混合均匀作为复合稳定剂。

1.2.3.3 调配 将白砂糖、柠檬酸、麦芽糊精和复合稳定剂溶液先后加入三种干果混合原汁中,搅拌均匀。

1.2.3.4 均质 将料液置于高压均质机中于25 MPa,70 ℃条件下均质处理15 min[26]。

1.2.3.5 喷雾干燥 根据预实验确定干燥条件为进风温度180 ℃,出风温度90 ℃,进料速度55 mL/min,进行喷雾干燥。

1.2.4 模糊感官评价

1.2.4.1 建立评价因素集合 设产品的评价因素集合为U=(u1,u2,u3,u4),u1,u2,u3,u4分别代表产品的色泽、香味、组织状态、口感。

1.2.4.2 建立评价评语集合 设产品的评价评语集合为V=(v1,v2,v3,v4)=(90,80,70,60),v1,v2,v3,v4分别代表优、良、中、差四个等级,每个等级分别对应90、80、70、60分。

1.2.4.3 建立评价因素权重集合 权重集合表示各评价因素的重要程度,通过采用强制对比法[27]确定了产品的权重集合W=(w1,w2,w3,w4)=(0.22,0.18,0.29,0.31),即色泽,香味,组织状态,口感分别占比0.22、0.18、0.29、0.31。

1.2.4.4 建立模糊感官评价矩阵 由10名评价人员按表1标准对产品进行感官评价评价,假设产品得分情况如表2所示。

表1 感官评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria

表2 产品感官评价得分情况汇总表Table 2 Summary of sensory evaluation scores of products

1.2.4.5 矩阵变换及模糊感官综合评价 通过将表中数据进行转化即可得到产品的模糊感官评价得分矩阵R。

令综合评分集合为Y,依据模糊变换原理:Y=W×R,即矩阵变化如下所示:

Y=W×R=(0.18，0.22，0.29，0.31)

产品的模糊感官评分为综合评分集合Y与评语集合V的乘积,即模糊感官评分T=Y×V。

1.2.5 单因素实验 在预实验基础上选取枸杞汁添加量、红枣汁添加量、山楂汁添加量,复合稳定剂添加量进行单因素实验,分别考察各因素水平对产品感官评分的影响。

1.2.5.1 枸杞汁添加量对产品感官评分的影响 在基础配方不变的情况下,固定红枣汁添加量20%,山楂汁添加量20%,复合稳定剂添加量0.20%,考察枸杞汁添加量(24%、32%、40%、48%、56%)对产品模糊感官评分的影响。

1.2.5.2 红枣汁添加量对产品感官评分的影响 在基础配方不变的情况下,固定枸杞汁添加量40%,山楂汁添加量20%,复合稳定剂添加量0.20%,考察红枣汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)对产品模糊感官评分的影响。

1.2.5.3 山楂汁添加量对产品感官评分的影响 在基础配方不变的情况下,固定枸杞汁添加量40%,红枣汁添加量20%,复合稳定剂添加量0.20%,考察山楂汁添加量(12%、16%、20%、24%、28%)对产品模糊感官评分的影响。

1.2.5.4 复合稳定剂添加量对产品感官评分的影响 在基础配方不变的情况下,固定枸杞汁添加量40%,红枣汁添加量20%,山楂汁添加量20%,考察复合稳定剂添加量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)对产品模糊感官评分的影响。

1.2.6 正交实验 采用10人小组评分法,以产品的模糊感官评分为指标,通过对产品的单因素实验结果进行分析,确定了各因素正交实验水平(表3)。

表3 正交实验因素水平表Table 3 Factors and levels table of orthogonal experiment

1.2.7 产品质量评价 溶解时间的测定:按照QB/T 3623-1999方法进行测定;可溶性固形物检测:按照GB/T 12143-2008方法进行测定;总酸含量的测定:按照GB 5009.239-2016方法进行测定;澄清度的测定:以蒸馏水为对照,测定饮料样液在700 nm处的透光率(%),以此表示饮料的澄清度。

1.3 数据处理

实验数据采用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0、Design Expert 10和origin 2018进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

单因素实验结果如图1A～D所示,图1A表示枸杞汁添加量对产品模糊感官评分的影响,随着枸杞汁添加量的增大,产品的模糊感官评分显现先增大后降低的趋势,并在枸杞汁添加量为48%时达到最大。在枸杞汁添加量低于48%时,枸杞汁添加量的增加能改善产品的口感和色泽方面。同时,实验现象表明,随着枸杞汁添加量的增大,产品中的枸杞絮状物越来越多,在枸杞汁添加量超过48%时,枸杞絮状物产生沉淀的现象更为明显,使得产品的感官评分下降。因此,枸杞汁适宜的添加量为48%。

如图1B所示,由于浓缩后的红枣汁清澈透亮,对产品的色泽和组织状态方面存在积极影响,但高浓度的红枣汁其甜度较高,过量添加会导致产品的口感出现酸甜失调。因此,产品的感官评分随着红枣汁添加量的增大而呈现先增大后降低的趋势。并在红枣汁添加量为16%时,产品感官评分达到最大。因此,红枣汁适宜的添加量为16%。

如图1C所示,产品的感官评分随山楂汁添加量的增大呈先增大后降低的趋势,当山楂汁添加量为16%时,产品的感官评分达到最大。在此实验中,浓缩后的山楂汁澄清透亮,对产品色泽与组织状态有积极影响,但浓缩后的山楂汁其酸味显著增加,过量的添加会导致产品的酸甜失调。在山楂汁添加量低于16%范围内时,山楂汁添加量对色泽和组织状态的改善作用大于其对口感的作用,但当添加量超过16%后,其对口感的破坏高于其对色泽与组织状态的改善作用。即当山楂汁添加量超过16%时,其产品感官评分急剧下降。因此,适宜的山楂汁添加量为16%。

如图1D所示,产品的感官评分随着复合稳定剂添加量的增加显现先增大后降低的趋势。在复合稳定剂添加量低于0.2%时,随着复合稳定剂添加量的增加,产品的稳定性越好,枸杞絮状物不易沉淀,对产品的组织状态有积极影响。但当复合稳定剂添加量大于0.2%时,会使得物料变得粘稠,从而降低产品在组织状态上的得分。所以,适宜的复合稳定剂添加量为0.20%。

图1 单因素实验结果Fig.1 Results of single factor experiments

2.2 正交试验结果

由表4可知,极差分析结果RD>RC>RA>RB,表明各因素对三种干果复合固体饮料的模糊感官评价的影响程度为:复合稳定剂添加量>山楂汁添加量>枸杞汁添加量>红枣汁添加量。与表5方差分析结果一致。原因可能是复合稳定剂添加量对产品的色泽、澄清度以及口感影响都较为剧烈。虽然山楂汁在浓缩过程会引起酸味增重,但山楂汁在色泽与组织状态方面的影响较弱,而枸杞汁中所存在的絮状物,其只对产品的组织状态的影响较大,但组织状态所占的权重小于口感,所以山楂汁添加量对产品的模糊感官评价的影响大于枸杞汁的添加量。

表4 正交试验样品模糊感官评分Table 4 Fuzzy sensory scores oforthogonal experiment samples

表5 模糊感官评分方差分析表Table 5 Cumulative variance contribution rateof fuzzy sensory scores

2.2 PCA分析

通过SPSS 23.0对产品的模糊感官评价、总酸含量、可溶性固形物含量、澄清度、溶解时间五组指标的29组数据(表6)先进行标准化处理,再进行主成分分析。在KMO和Bartleet检验中,得到模型的KMO>0.5,以及P<0.05,表明数据适合做因子分析。

表6 产品感官感官指标和理化指标实验结果Table 6 Experiment results of sensory indexesand physicochemical indexes of products

根据特征值大于1的原理对29组数据进行主成分提取,得到2个主成分,结果见表7。PC1方差贡献率为62.473%,PC2方差贡献率28.065%,PC1和PC2的累计方差贡献率为90.539%,表明所提取的2个主成分可解释5个指标中的90.539%的变量信息。

表7 累计方差贡献率Table 7 Cumulative variance contribution rate

以PC1为横坐标,PC2为纵坐标对主成分因子载荷系数矩阵进行分析作图得到主成分因子载荷图(图2)。由于载荷系数的统计学意义为原始变量与公共因子间的相关系数[28],同时根据相关系数的大小,可对相关程度进行划分[29]。所以,由图2可知,澄清度与PC1显高度正相关(载荷系数>0.85),溶解时间与PC1显高度负相关(载荷系数<-0.85),总酸含量、可溶性固形物与PC1存在显著正相关(0. 7<载荷系数<0.85),模糊感官评分与PC1显正相关(0.5<载荷系数<0.7)。可溶性固形物、总酸含量与PC2显正相关(0.5<载荷系数<0.7),模糊感官评分与PC2具有显著负相关(载荷系数<-0.5)。当载荷系数在-0.5～0.5之间时,相关性不强[30]。

图2 主成分因子载荷图Fig.2 Principal component factor load diagram

根据因子载荷系数,按式(1)、(2)、(3)、(4)依次计算即可得到产品的PCA综合得分。

式(1)

F1=0.32X1+0.42X2+0.41X3+0.52X4-0.53X5

式(2)

F2=-0.62X1+0.51X2+0.51X3-0.2X4+0.23X5

式(3)

F3=(62.473% F1+28.065% F2)/90.539%

式(4)

式中:X1表示模糊感官评价的特征向量系数;X2表示总酸含量的特征向量系数;X3表示可溶性固形物含量的特征向量系数;X4表示澄清度的特征向量系数;X5表示溶解时间的特征向量系数;F1表示PC1的得分;F2表示PC2的得分;F表示主成分综合得分。

2.3 正交实验样品PCA综合得分正交结果分析

由表8可知,极差分析结果RD>RA>RC>RB,结果表明各因素对产品的PCA综合得分的影响程度为:复合稳定剂添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>红枣汁添加量。原因在于各指标与PC1和PC2的相关性不同以及PC1和PC2的方差贡献率不同。所以,可得到产品的最优配方为A2B1C3D2,即枸杞汁添加量48%,红枣汁添加量14%,山楂汁添加量18%,复合稳定剂添加量0.20%。对正交实验结果进行方差分析(表9)得到枸杞汁添加量、红枣汁添加量、复合稳定剂添加量对产品的PCA综合得分的影响极显著(P<0.05)。由于产品最优配方不在正交实验组合中,即进行验证实验,得到产品的PCA综合得分为0.53,表明以A2B1C3D2组合制作三种干果复合固体饮料的品质最好。

表8 PCA正交实验综合得分Table 8 Comprehensive score of PCA orthogonal experiment

表9 方差分析表Table 9 Table of variance analysis

3 结论

通过模糊数学法与主成分分析,得到喷雾干燥法制备三种干果固体饮料的各因素的影响程度,以及其最优配方。以PCA综合得分为依据确定了喷雾干燥法制备三种干果固体饮料的四个实验因素的影响程度为:D>A>C>B,复合稳定剂添加量>枸杞汁添加量>山楂汁添加量>红枣汁添加量。产品最优配方为枸杞汁添加量48%,红枣汁添加量14%,山楂汁添加量18%,复合稳定剂添加量0.20%。在此条件下得到的产品其色泽为橙黄色,色泽透亮,口感细腻,酸甜适中。组织状态上澄清,无杂质。具有枸杞,山楂,红枣的复合香味。