基于模糊数学评价植物乳杆菌发酵复合果蔬汁工艺

刘姝琪，刘 韩，余长金，梁寒路，吴怡林，冉军舰

（河南科技学院 食品学院，河南 新乡 453003）

近年来，菠萝汁或橙汁等热带果汁和蔬菜汁的复合果蔬汁发酵饮料受到欢迎[1]。发酵果蔬汁满足了素食主义者、乳糖不耐受和高胆固醇人群的需求，显示较好的发展势头[2]。利用植物乳杆菌发酵果汁有助于增强黏膜屏障，降低血清胆固醇，刺激免疫系统，抑制肠道炎症，减轻腹泻症状和增强抗诱变活性[3-5]。

梨是中国第三大水果，含有丰富的维生素、纤维素以及熊果苷、绿原酸、香草醛等多酚类物质，具有止咳、润肺、降血压和抗氧化等功效[6]；沃柑（沃桔）口感甜柔、低酸爽口，含有大量的维生素；胡萝卜中含有的多分枝胡萝卜素是维生素A的主要来源[7]，维生素A可以促进生长，防止细菌感染，以及保护表皮组织等上皮细胞组织的功能与作用；胡萝卜还含有一种檞皮素，能够增加冠状动脉血流量，促进肾上腺素合成，有降压、消炎之功效[8-9]。本试验采用植物乳杆菌对梨、沃柑、胡萝卜复合果蔬汁进行发酵，确定优化工艺条件，并测定样品中活菌数，以期为发酵复合果蔬汁的工艺研究提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

沃柑、胡萝卜、梨、白砂糖购于新乡市世纪华联超市，其他试剂均为分析纯。

JT1003D 型分析天平，上海力辰仪器科技有限公司；SN-HT 型甜度仪，浙江力辰仪器科技有限公司；WBL2501B型榨汁机，美的集团有限公司；XD-CJ超净工作台，江苏迅迪仪器科技有限公司等。

1.2 实验方法

1.2.1 发酵复合果蔬汁制作工艺流程

新鲜果蔬清洗、去皮及去核，取橙子100 g、胡萝卜200 g、梨200 g，切块，按照先加橙子、再加梨、最后加萝卜的顺序加入榨汁机中榨汁，300目滤布过滤2～3次，按比例加入纯净水进行稀释，并加入抗坏血酸2 g白砂糖5 g，尔后在75 ℃下进行巴氏灭菌20 min，冷却后接入植物乳杆菌发酵，最后将发酵复合果蔬汁置于4 ℃环境中进行后发酵[10]，其目的在于抑制植物乳杆菌的生长及促进果蔬汁芳香物质产生。

其制作工艺流程如下：胡萝卜、橙子、梨挑选→清洗→去籽去皮→榨汁→过滤→发酵复合果蔬汁→灭菌→冷却→接菌→发酵→后发酵→成品

1.2.2 单因素实验

通过对不同果蔬质量比进行榨汁，最终确定采用橙子∶胡萝卜∶梨为1∶2∶2的质量比例（此时口感更佳），以进行下面试验。固定发酵温度（31 ℃）、发酵时间（24 h）、接菌量（3%）、果汁添加量（50%）其中一个因素，分别考察发酵温度（25、28、31、34、37 ℃）、发酵时间（12、18、24、30、36 h）、接菌量（1%、2%、3%、4%、5%）和果汁添加量（30%、40%、50%、60%、70%）对发酵复合果蔬汁感官评价的影响[11]。

1.2.3 响应面试验设计

结合单因素的试验结果以纯果蔬汁添加量、发酵时间、发酵温度、接种量为因素，感官评定得分为试验指标[9-11]，根据Box-Behnken设计原理[12-14]，采用4因素3水平响应面进行试验，感官评定小组进行感官评价，从而优化乳酸菌发酵复合果蔬汁工艺（见表1）。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.2.4 感官评定方法

感官评价标准参考《植物饮料》（GB/T31326-2014）的评价方法，根据实际情况制定感官评价标准。由5名从事食品加工的专业人员组成感官评定小组，对果蔬发酵汁的口感、色泽、香气、体态4个因素进行评价，评分标准如表2所示。在果蔬发酵汁感官分析中，采用估计评定法，总分为100分，由5位评定人员组成评定小组，取平均值。

表2 发酵复合果蔬汁感官评价表Table 2 Sensory evaluation table of fermented complex fruit and vegetable juice

图1 果蔬汁感官综合评价雷达图Figure 1 Radar diagram of sensory comprehensive evaluation of fruit and vegetable juice

1.2.5 模糊感官评定及模糊矩阵建立

在果蔬发酵汁感官分析中，选取因素集X=（口感，色泽，香气，体态）。口味、香气、色泽差距不大，所以将大部分分值放到口味进行测评，对应的评价集U=（优，良，中，差），采用强制决定发权重集为X=（0.50，0.20，0.20，0.10），即口感0.5，色泽0.2，香气0.2，气味0.1。

食品感官指标的综合评定结果为Y，Y=X*R，其中X为权重，R为模糊矩阵[15]。

1.2.6 菌落总数的测定

通过平板菌落计数法进行测定[16]。

1.2.7 数据处理

运用SPSS 23软件Duncan进行单因素方差分析（ANOVA）（P＜0.05），利用Desgn-Expert 8软件进行Box-Behnken试验设计以及Origin 9软件进行结果图绘制，每个处理进行3次平行试验[17]，试验结果以平均值±标准差表示[17]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

如图2A所示，随着果蔬汁添加量的增加，感官评分先增加后减少。当果蔬汁添加量为40%时，果蔬的味道较淡，不能体现发酵复合果蔬汁的口感，所以导致感官评分过低；当果蔬汁的添加量为80%时，果蔬汁的比例更高，果酸含量更高，酸度过重，导致口感欠佳；当果蔬汁添加量为50%时，发酵复合果蔬汁口感最好，风味更佳，评分最高，为86.5分。

由图2B可知，随着发酵时间的增加，感官评分先增加后减少。当发酵复合果蔬汁发酵时间过短时，由于发酵程度不够充分，发酵食品的特殊风味不明显，导致风味不佳；当发酵复合果蔬汁发酵时间过长时，发酵过度，酸味增加甚至带有刺激感，令人难以接受；当发酵时间为24 h时，评分为85.5分，感官评定最高，口感最佳。

由图2C可知，感官评定得分随着接菌量的增加呈现先增加后减少。在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌的浓度成正比关系，因此随着菌的浓度增大，产物的产量增加，评分也越来越高[18-20]；而后随着接菌量的持续增加，营养物质消耗过快，发酵复合果蔬汁中的成分发生明显的改变，有毒物质的积累[21]，使评分降低。当接菌量为3%时，感官评分最高，为85.3分，口味最佳。

由图2D可知，随着温度上升，菌种活力增加，繁殖速度加快，发酵产生的特殊风味充足，感官得分也越来越高；随着温度继续上升，感官得分反而下降，其原因可能是由于该菌种不适宜在过高温度下生长，导致发酵不充分，口感欠佳。当发酵温度为31 ℃，评分最高，为86分，此时口感最佳。

图2 不同因素对发酵复合果蔬汁感官评定的影响Figure 2 Effect of different factors on sensory evaluation of fermented complex fruit and vegetable juice

2.2 模糊数学感官评价

感官评价在食品评价体系中起主导作用，但容易受到主观因素影响，不能使产品感官评价结果接近真实值，而模糊数学感官评价法综合考虑所有评定因素，使结果更客观和合理。采用表3中的数据建立模糊评价矩阵[22]，将每个样品的各自影响因素的得票数除以总参与评价人数（5）即可得到各个模糊矩阵R1～R27。以1号产品为例，色泽的评价人数分别为2人选优，1人选良，2人选中，0人选差，则R色泽=（0.4，0.2，0.4，0），同理，R香气=（0.2，0.6，0，0.2），R口感=（0.6，0.2，0.2，0），R体态=（0.2，0.6，0，0.2），由此可得到矩阵

表3 发酵复合果蔬汁感官评价的投票结果Table 3 Voting results of sensory evaluation of fermented complex fruit and vegetable juice

同理，可以依次得到R2～R27的矩阵，根据模糊数学计算原理和权重集X=（X1，X2，X3，X4）=（0.50，0.20，0.20，0.10），按照矩阵相乘方法，感官评价结果Y1=X1×R1=（0.38，0.32，0.24，0.06）。

2.3 响应面优化试验结果

对于Y中的各个量，分别赋予其相应分值，优、良、中、差分别为90分、80分、70分、60分，Y中各个值分别乘以相应分值，再相加即可得到1号样品感官评分，即1号样品感官评分：Y1=0.38×90+0.32×80+0.24×70 + 0.06 × 60 = 80.2，同理可以计算出2～27 号样品的感官得分。Y1…Y27 试验结果分别为：（0.38，0.32，0.24，0.06），（0.14，0.34，0.26，0.26），（0.36，0.16，0.46，0.02），（0.2，0.44，0.3，0.06），（0.34，0.2，0.28，0.18），（0.26，0.28，0.32，0.14），（0.18，0.22，0.24，0.36），（0.08，0.24，0.28，0.4），（0.04，0.48，0.28，0.2），（0.14，0.26，0.44，0.16），（0.16，0.32，0.28，0.24），（0.16，0.38，0.28，0.18），（0.26，0.28，0.14，0.32），（0.34，0.2，0.18，0.28），（0.44，0.24，0.28，0.04），（0.32，0.2，0.46，0.02），（0.24，0.28，0.1，0.38），（0.08，0.38，0.28，0.26），（0.08，0.38，0.3，0.24），（0.08，0.32，0.26，0.34），（0.3，0.28，0.42，0），（0.26，0.24，0.4，0.1），（0.16，0.14，0.48，0.22），（0.4，0.22，0.36，0.02），（0.32，0.16，0.36，0.16），（0.04，0.46，0.42，0.08），（0.22，0.22，0.42，0.14）。

由表4 建立二元线性回归方程，Y=80.33-0.58A+0.16B-0.86C-0.75D-0.05AB-0.3AC-0.1AD-0.23BC+0.1BD+0.15CD-3.2A2-3.78B2-4.03C2+0.054D2。

表4 Box-Behnken试验方案及结果Table 4 Box-Behnken test scheme and results

由表5可知，模型中F值为8.15，差异性极显著（P＜0.001），失拟项为0.085，差异性不显著，R2=0.904 6，Radj=0.793 3，说明该回归模型预测值与实际值有高度相关性，可以反映90.46%的响应面值变化，可用该模型对复合发酵果蔬汁做初步分析和预测。由F值可知各因素对感官评定影响大小顺序为接菌量＞果汁添加量＞发酵温度＞发酵时间。

表5 回归模型方差分析Table 5 Regression model variance analysis

2.3.1 响应曲面各因素交互作用结果

响应面分析图见图3。曲面坡度的平缓与陡峭程度直接反映处理条件发生的变化对果汁感官评定分数的影响程度，如果响应面曲面坡度平缓，表明对于处理条件的变化响应值不敏感，反之则为敏感[23-31]。图3是由响应值和各试验因子构成的立体曲面图，显示了发酵时间、发酵温度、接菌量、果汁添加量任意2个变量取零水平时其余2个变量对果汁感官评定分数的影响。等高线比较密集说明响应值（感官评定分数）在试验变化范围内存在极高值，交互影响作用显著，与方差分析结果一致，等高线比较稀疏说明交互影响作用显著，与方差分析结果一致。

图3a是接菌量为3%，果蔬汁添加量为50%时，发酵时间和发酵温度对发酵复合果蔬汁感官评定分数的交互作用。当接菌量与果蔬汁添加量一定时，随着发酵温度升高，发酵复合果蔬汁感官评定分数先增大后减小。当发酵温度一定时，发酵复合果蔬汁感官评定分数先增大后减小。等高线比较密集，说明响应值（感官评定分数）在试验变化范围内存在极高值，交互影响作用显著，图3b和图3d同理。

图3f是发酵温度为31 ℃、发酵时间为24 h时，接菌量与果汁添加量对感官评定分数的交互作用。当果汁添加量一定时，感官评定分数随发酵时间的升高先增大后趋于平缓；当接菌量一定时，感官评定分数随果汁添加量升高而趋于平缓，表明果蔬汁添加量和接菌量交互作用不大，图3c和3e同理。

图3 各因素交交互作用的响应曲面图Figure 3 Response surface diagram of interaction of various factors

2.3.2 最佳条件的预测及验证试验

通过回归模型的预测得到乳酸菌发酵复合果蔬汁的最佳工艺为：发酵温度为31 ℃，发酵时间为24 h，接菌量为3%，果汁添加量为50%。为了验证预测值的准确性，在此优化条件下进行3次平行试验，得出发酵复合果蔬汁的感官评分实测值为80.33分，与预测值比较近，说明该模型可行性较高，可作为实际生产的依据。

2.4 菌落总数结果

菌落平板计数法是基于每一个分散的活细胞在适宜的培养基中具有生长繁殖并能形成一个菌落的能力。将发酵复合果蔬汁经10 倍系列稀释后，将一定浓度的稀释液定量地接种到琼脂平板培养基上培养48 h，计算菌落总数。菌落总数结果如图4所示，稀释倍数为108时菌落数为256，稀释倍数为109时菌落数为25，计算得知样品中菌落总数为2.56×1010CFU/mL。

图4 菌落总数测定结果Figure 4 Determination results of total number of colonies

3 结论

本试验采用模糊数学综合评价法探究发酵温度、发酵时间、接菌量和果汁添加量对植物乳杆菌发酵复合果蔬汁感官的影响。各因素对感官评定影响大小顺序为接菌量＞果汁添加量＞发酵温度＞发酵时间，通过响应面优化获得的最佳工艺条件为发酵温度31 ℃、发酵时间24 h、接菌量3%、果汁添加量50%，此时感官评定分数最高80.33，样品中的菌落数达到2.56×1010CFU/mL，表明可采用模糊感官综合评价与响应面优化法相结合优化复合果蔬汁工艺。该产品饮料色泽鲜艳、风味良好、口感协调，本研究为果蔬汁的开发利用途径提供了参考依据。