基于模糊数学法的辣木籽杂粮面包配方优化及其品质分析

吕俊丽 ，任志龙，云月英，郭 慧

（1.内蒙古科技大学生命科学与技术学院，内蒙古包头 014010；2.包头轻工职业技术学院食品生物与检测系，内蒙古包头 014035）

辣木籽作为一种新型的食品资源，其富含油脂、维生素、蛋白质以及矿物质等营养成分[1]，具有抗氧化、抑菌及降血糖等多种生理功能[2]。目前，许多学者针对辣木籽中多糖[3]、蛋白质[4]、油脂[5]等营养组分进行了分析，并对其抗氧化[6]、抗炎[7]等生理活性展开研究，而有关辣木籽在食品应用的研究较少。红豆中不仅富含膳食纤维、糖类、皂角甙以及叶酸，同时还含有丰富的维生素B1、B2和矿物质[8]；薏米富含氨基酸、膳食纤维和维生素E 等，是一种营养完整的谷类[9]；红薯含有丰富的膳食纤维和维生素，含有钾、铁、铜、硒、钙等10 余种微量元素，是一种营养均衡的保健食品[10]，以上均属于药食同源类原料，由于其含有较高的营养和药用价值，可用作膳食补充剂。

面包作为主食或休闲食品受众面广，具有食用及携带方便、营养美味等优点[11]。随着人们对膳食营养需求的增加，传统面包也朝着功能化、多样化、健康化等方向转变。如将卵磷脂[12]、马铃薯粉[13]、藜麦粉及麸皮[14-15]、山药薏米[16]、茶多酚[17]和杏仁皮[18]等物质添加到面包中，可满足人们对保健、营养等方面的需求。关天琪等[19]开发了一款口感好、热量低且富含膳食纤维的薏仁红豆面包，邱松林等[20]制备了一款红薯渣膳食纤维面包。膳食纤维的摄入与糖尿病、心血管疾病等慢性代谢综合疾病呈负相关[21]。辣木籽、红薯、红豆、薏米均富含膳食纤维，然而，将辣木籽应用于烘焙食品的研究目前未见报道。故本研究以面包为载体，采用模糊数学与感官评价相结合的方式对添加辣木籽、红薯、红豆、薏米杂粮面包配方进行优化，并对其品质进行分析。本研究可为辣木籽杂粮面包的开发提供有益参考，对提高我国居民膳食纤维得摄入具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

辣木籽 源兴堂健康产业有限公司；红豆、薏米、红薯 市售；面包粉 百乐麦品牌高筋面包粉；牛奶 内蒙古伊利实业集团有限公司；绵白糖 包头市腾飞糖业有限公司；酵母 安琪酵母有限公司；黄油 上海高夫食品有限公司；平板计数琼脂、结晶紫中性红胆盐琼脂、黄绿乳糖胆盐肉汤 北京陆桥技术股份有限公司；氯化钠、无水乙醇、硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸、硼酸、氢氧化钠、乙醚、无水乙醚、石油醚、异丙醇、冰乙酸、三氯甲烷、碘化钾、可溶性淀粉均为分析纯 天津市风船化学试剂科技有限公司；甲基红、溴甲酚绿、酚酞均为指示剂 上海士锋生物科技有限公司。

SEC-2Y-P 醒发箱加电烤炉 江苏三麦食品机械有限公司；FSJ-A05N6 小熊粉碎机 广东小熊电器有限公司；HCB-1300V 超净工作台 青岛海尔特种电器有限公司；DZF-6213 恒温干燥箱 上海一恒科技有限公司；HWS-250Y 恒温培养箱 青岛明博环保科技有限公司；GF36DA 高温蒸汽压力灭菌锅致微（厦门）仪器有限公司；DTY-A320 电子天平广州市晶博电子有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 面包的制作

1.2.1.1 工艺流程 原辅料处理→原辅料称量→面团调制→一次醒发→分割搓圆→松弛→入盘→二次醒发→烘烤（面团表面刷蛋液）→冷却→成品

主要操作要点如下：

a.原辅料预处理：将红豆、薏米除去杂质，用水清洗后放干燥箱烘干，辣木籽剥壳，将原料分别磨粉，过40 目筛备用。将红薯清洗后蒸熟、去皮，用勺子碾压成泥，备用。将牛奶加热至35 ℃左右，放入已称量好的酵母，使其充分活化，待酵母完全溶于牛奶后搅匀，备用。

b.面团调制：将红豆粉、薏米粉、辣木籽粉、红薯泥、高筋粉、盐、绵白糖放在面盆里混匀后加入全蛋液搅拌，然后加入混有酵母的牛奶揉团，直至面团将要形成手膜时加入黄油，揉至撑出薄而透明的手膜后用保鲜膜覆盖，放入醒发箱。

c.一次醒发：将醒发箱温度设为28 ℃，湿度设为75%，醒发1 h，面团醒发至原来的1.5～2 倍。

d.二次醒发：将松弛好的面团放入醒发温度为35 ℃，湿度为75%的醒发箱进行二次醒发，醒发至原面团的2 倍。

e.烘烤：将二次醒发的面团裸露面均匀刷一层蛋液，放入预热好的烤箱中烤4 min 后将烤盘翻转180°，再烤制4 min 取出、冷却。烘烤过程中上火210 ℃，下火190 ℃。

1.2.1.2 面包配方单因素实验 根据前期预实验结果，以高筋面粉为基础，确定牛奶34%，黄油7.5%，全蛋液40.2%等基础配方，当酵母1.2%，白糖6.1%，盐0.6%，辣木籽2.6%，红薯2.6%，红豆粉2.6%，薏米粉2.6%时，粗粮总添加量和高筋粉配比为2:11（其中，辣木籽、红薯泥、红豆、薏米的比例为1:1:1:1），预实验感官评分最高，由此对各因素的单因素实验设计如下：考察不同酵母添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，以高筋面粉总量计，下同）、绵白糖添加量（2.1%、3.1%、4.1%、5.1%、6.1%、7.1%）、不同辣木籽添加量（1.6%、2.1%、2.6%、3.1%、3.6%）、不同红薯泥添加量（1.6%、2.1%、2.6%、3.1%、3.6%）、不同红豆粉添加量（1.6%、2.1%、2.6%、3.1%、3.6%）和不同薏米粉添加量（1.6%、2.1%、2.6%、3.1%、3.6%）等对面包品质的影响。

1.2.1.3 面包配方正交试验 在单因素实验的基础上，通过感官评级及统计分析，选取辣木籽、红薯泥、红豆粉、薏米粉添加量4 个因素进行L9（34）正交试验，其因素水平表见表1，从而确定其最佳的配方。

表1 面包配方优化因素水平表Table 1 Factors and levels of formula optimization of bread

1.2.2 感官评价模糊数学法模型构建

1.2.2.1 因素集和评价集的建立 利用模糊数学进行面包品质综合评价时，首先需建立评价因素集，将辣木籽粗杂粮面包感官评价中的5 个项目作为因素，包含气味、组织、色泽、形态以及口感，得到评价因素集为：U=（气味 组织 色泽 形态 口感）＝（U1，U2，U3，U4，U5）。评价集是每个因素评价结果的集合，对每个因素按优、良、中、差等级评分，对应的评价集表示为V=（V1，V2，V3，V4），并对其分别赋值为90、80、70、60 分[22]。

1.2.2.2 权重集的确定 评价人员分别对气味、组织、色泽、形态以及口感在感官评价中的重要性进行打分，总分为100 分，每位评价人员对5 个因素分别打分，分值越高，表示该因素对感官的影响程度越大。权重集用S=（S1，S2，S3，S4，S5），权重总和为1。

1.2.2.3 感官评分的计算 选择10 位身体健康、无感官缺陷、长期从事食品行业的人员（男女各5 名）组成评定小组，分别对正交试验设计的9 个样品的5 个因素分别打分，得到各个样品的模糊矩阵A。则每个样品的综合评价得分R＝S×A×K，K 表示优（90）、良（80）、中（70）、差（60）对应的值，面包感官评价参照孙莹等[23]的方法并加以修改，评定标准见表2。

表2 辣木籽杂粮面包感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standards for Moringa seed multigrain bread

1.2.3 面包理化指标的测定 面包中蛋白质的测定：依据GB 5009.5-2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的第一法对面包样品进行蛋白质的测定；酸价的测定：依据GB 5009.229-2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》中第一法对面包样品进行酸价的测定；过氧化值的测定：依据GB 5009.227-2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》中第一法对面包样品进行过氧化值的测定。

1.2.4 面包微生物指标的测定 面包中菌落总数的测定：依据GB 4789.2-2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》对面包样品进行菌落总数的测定。大肠菌群的测定：依据GB 4789.3-2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数》对面包的大肠菌群进行测定。

1.3 数据处理

单因素实验结果以平均值±标准误差来表示，平行测定3 次，所得结果用SPSS 进行数据处理及显著性分析，并用Graphpad Prism 作图，以P＜0.05 作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析

2.1 辣木籽杂粮面包单因素实验

2.1.1 酵母添加量对面包品质的影响 由图1a 知，感官评分随着酵母添加量的增加先增大后减小，酵母添加量为0.8%时得分最高。当酵母添加量在0.2%～0.6%时，感官评分低于80 分，面团不仅发酵缓慢，烤制面包气孔小且不均匀，不具有面包特有的发酵香气。酵母添加量为0.8%时，感观评分最高。当添加量为1.0%～1.2%时，感官评分下降，发酵成型的面团有酸味逸出。这是因为：酵母菌是一类通过无氧呼吸进行繁殖的菌群，它在进行无氧呼吸时会产生大量乳酸，以此赋予面包酸味，从而影响面包的风味[19]。因此，若将酵母添加量作为一个因素做正交试验，其酵母正交试验水平选择为0.6%～1.0%，但此时感官评分为76.8～80.8，变化较小，且0.6%和1.0%的酵母添加量差异不显著（P＞0.05），因此本研究酵母添加量直接固定在0.8%进行后续试验。

图1 不同因素对辣木籽杂粮面包品质的影响Fig.1 Effects of different factors on the quality of Moringa seed multigrain bread

2.1.2 绵白糖添加量对面包品质的影响 从图1b 可知，面包的感官评分随着绵白糖添加量的增加呈现先增大后减小的趋势。添加量为2.1%～4.1%或＞6.1%时，感官评分显著降低（P＜0.05）。糖添加量较少时，面团体积减小，面包甜度和香味不足，面包偏硬；当糖添加量过多时，面包口感甜腻，内部气孔太大，酸味重，且容易烤焦。添加量在5.1%～6.1%时，感官评分最高。若将绵白糖添加量作为一个因素做正交试验，其正交试验水平选择为4.1%～6.1%，但此时感官评分为76.8～81.8，变化较小，且绵白糖主要作用是有助于酵母菌的生长繁殖，从而改善面团及面包内部的组织结构[24]，兼顾经济因素，本研究绵白糖添加量直接固定在5.1%进行后续试验。

2.1.3 辣木籽添加量对面包品质的影响 从图1c 可知，面包的感官评分会随着辣木籽添加量的增加先增大后减小。辣木籽添加量在2.6%时，气孔大小均匀、松软度适宜，口感最佳评分最高。添加量在＞2.6%时，面包口感发涩，且面包的质感粗糙。故选定2.1%～3.1%辣木籽添加量作为后续正交试验水平。

2.1.4 红薯泥添加量对面包品质的影响 从图1d 可知，红薯泥添加量为2.6%时有面包香味，表面完整有光泽，色泽均匀，感官评分最高。继续增大添加量，面包感官评分显著降低（P＜0.05），出现面包发硬、蓬松度较差、气孔大小不一等现象。这是因为红薯中膳食纤维的增加会影响面筋网络的形成，导致面包体积减小[25]。故本研究选择红薯泥的添加量为2.1%～3.1%作为后续正交试验水平。

2.1.5 红豆粉添加量对面包品质的影响 从图1e 可知，红豆粉添加量在2.1%时，面包表面金黄、光洁，色泽均匀，口感最佳，感官评分最高，添加量继续增大，面包发硬，蓬松度差、面包表面粗糙且易坍塌，感官评分明显降低。因为红豆粉中的膳食纤维和无面筋蛋白的添加对小麦面筋蛋白起到稀释作用，影响面筋网络的形成和保持，导致面包比容下降，进而影响面包的质构与口感。故本研究选择红豆粉的添加量为1.6%～2.6%作为后续正交试验水平。

2.1.6 薏米粉添加量对面包品质的影响 从图1f 可知，面包的感官评分随着薏米粉添加量的增加呈现先增大后减小的趋势。薏米粉的添加量在1.6%时，表面粗糙，有少量缺损，颜色暗黄。薏米粉添加量在2.1%时，面包切开后的气孔大小均匀，感官评分最高。添加量在2.6%～3.6%，面包发硬，蓬松度差，口感发涩。由于薏米中不含面筋蛋白，过量添加易导致面团网络结构不够紧密，使得面包弹性降低、咀嚼性变差，感官评分降低[26]，故选择薏米粉的添加量为1.6%～2.6%作为后续正交试验水平。

根据图1 单因素实验结果，由于绵白糖、酵母粉对杂粮面包感官评分影响较小，为了进一步研究辣木籽等杂粮的添加对面包品质的影响，选定对辣木籽杂粮面包品质影响较大的四个因素：即辣木籽添加量、红薯泥添加量、红豆添加量和薏米添加量进行后续正交试验。绵白糖、酵母粉分别选取5.1%、0.8%添加量进行后续试验。

2.2 配方优化正交试验及模糊数学分析

2.2.1 权重统计结果 根据感官评价结果，经过归一化处理，确定面包的气味、组织、色泽、形态以及口感的权重系数，得到面包模糊数学感官评价权重集S=[0.13 0.36 0.15 0.17 0.19]。具体结果见表3。

表3 感官评分权重统计表Table 3 Statistical table of sensory evaluation score weight

2.2.2 模糊数学感官评分统计结果 由10 名感官评定人员对正交试验每组面包样品的气味、组织、色泽、形态以及口感等进行感官评定选择，统计汇总后结果见表4。

表4 模糊数学感官评价统计表Table 4 Statistical table of fuzzy mathematics sensory evaluation

2.2.3 模糊矩阵的确立 由表4 可知，感官评定人员分别对辣木籽粗杂粮面包感官评分中的5 个因素分别进行等级评价，根据每个因素在优、良、中、差等级下的人员数统计得到评价集，5 个评价集组成相应的模糊矩阵。以样品1为例：

U1=（0.2，0.8，0，0），U2=（0.5，0.4，0.1，0），U3=（0.3，0.5，0.2，0），U4=（0.2，0.6，0.2，0），U5=（0.4，0.5，0.1，0）。样品1 的模糊矩阵为：

A1=，同理达到其余样品的模糊矩阵。根据样品的模糊关系Ri＝S×Ai确定其综合评价结果。以样品1为例：Y1=S×A1=[0.13 0.36 0.15 0.17 0.19]×=（0.361 0.52 0.119 0）。将样品1 的综合评判结果的每个量分别乘以其对应的分值，相加即可得出其总分。样品1号总分为0.361×90+0.52×80+0.119×70+0×60=82.42。同理可得其余正交试验样品的感官评价集及感官评分。综合评判结果见表5。

表5 面包正交试验感官评价结果集Table 5 Sensory evaluation result set of orthogonal experiment of bread

正交试验结果见表6。由表6 可知，影响辣木籽粗杂粮面包的顺序为A＞D＞C＞B，即辣木籽添加量＞薏米＞红豆＞红薯泥的添加量。最佳的工艺配方是A2B1C1D2，即辣木籽的添加量为2.6%，红薯泥的添加量为2.1%，红豆的添加量为1.6%，薏米的添加量为2.1%。基于此配方进行验证试验，得到的感官评分是86.35，高于正交试验中任一组。此条件下制备的面包味道浓郁，色泽均匀，松软适口。

表6 正交试验评价结果Table 6 Sensory evaluation results of orthogonal test

2.3 辣木籽杂粮面包的理化指标

2.3.1 面包中蛋白质的含量 辣木籽杂粮面包的蛋白质含量比普通面包的蛋白质含量高5.6 g/100 g（见表7），说明添加辣木籽等原料可显著提高面包中蛋白质的含量（P＜0.05）。这是因为辣木籽干粉中含有37.8%的粗蛋白质[27]，可作为蛋白质补充剂[28]，可提高面包中的蛋白质含量。戴媛等[29]将豌豆蛋白粉添加于面包中，可使面包具有较好的理化特性和储存特性，与本研究结果相吻合。

表7 不同面包理化指标比较Table 7 Comparison of physicochemical indexes of different breads

2.3.2 面包的酸价定 辣木籽杂粮面包样品在0 d 时的酸价为0.24 mg/g，新鲜普通面包酸价为0.25 mg/g，两种面包的酸价均小于限值（≤5 mg/g）（见表7）。存放5 d 后辣木籽粗杂粮面包酸价为0.30 mg/g，增加了25%，普通面包酸价为0.35 mg/g，增加了40%。辣木籽杂粮面包在贮存过程中，酸价的增加幅度小于普通面包的增加幅度。表明辣木籽等原料的添加，会显著延缓面包中油脂的酸败速率（P＜0.05）。

2.3.3 面包的过氧化值 辣木籽杂粮面包在0 d 的过氧化值为0.020 g/100 g，符合国家标准（≤0.25 g/100 g）（见表7），储存5 d 后过氧化值为0.024 g/100 g，增加20%。普通面包在0 d 时的过氧化值含量为0.019 g/100 g，存放5 d 后过氧化值含量为0.033 g/100 g，与0 d 时的过氧化值相比增加73.7%，表明杂粮的添加可显著降低面包储藏期间的过氧化值（P＜0.05）。由于辣木籽中含有的类胡萝卜素和酚类化合物有助于保护不饱和脂肪酸被氧化，使得面包中油脂的贮藏稳定性增强[30]。此外，薏米具有抗氧化作用[31]，其含有的多酚可清除过氧化氢自由基[32]，还可有效降低猪油的过氧化值[33]，与本研究结果相一致。

2.4 面包中菌落总数的测定

辣木籽杂粮面包与普通面包在0 d 的菌落总数均≤10 CFU/g，符合国家标准。存放5 d 后辣木籽杂粮面包样品的菌落总数结果为774 CFU/g；普通面包样品的菌落总数结果为2620 CFU/g（见表8）。对比以上数据可以看出，放置5 d 后，普通面包菌落数比辣木籽杂粮面包菌落数多3 倍。说明辣木籽等药食同源物的添加可以延缓面包中菌落总数的增加速率。刘思玉等[34]也指出，辣木籽提取物具有高效、稳定的抑菌效果。黄璜[35]指出：辣木籽挥发油可明显抑制微生物的繁殖，菌落总数增长速度明显低于对照组，与本研究结果相吻合。

表8 不同面包中菌落总数比较Table 8 Comparison of the total number of colonies in different breads

3 结论

本实验通过正交试验得到辣木籽杂粮面包各因素的影响顺序为：辣木籽添加量＞薏米添加量＞红豆添加量＞红薯泥的添加量，基于模糊数学感官评价法确定面包的最佳配方为：牛奶34%，黄油7.5%，全蛋液40%，酵母添加量为0.8%，白糖添加量5.1%，辣木籽的添加量为2.6%，红薯泥的添加量为2.1%，红豆的添加量为1.6%，薏米的添加量为2.1%。在此配方下面包的模糊数学感官评分最高（86.35 分），此时面包外形完整，味道浓郁，松软适口。此条件下制得的面包过氧化值、酸价、菌落总数均符合国家标准。此外，贮存5 d 后，辣木籽杂粮面包酸价增加幅度（25%）小于普通面包（40%），过氧化值增加幅度（20%）也低于普通面包（73.7%），此时，普通面包菌落数比辣木籽杂粮面包多3 倍。从本文的研究结果来看，辣木籽杂粮面包具有一定的延缓酸败和抑菌效果，其可靠性及机理还有待于进一步研究，该研究可为辣木籽食品的开发奠定理论基础。