基于模糊数学评价的植物基复合谷物酸奶的发酵工艺研究

周志桥，郑骁阳，刘金洋，晏永球，王 俊，于有强，王文鑫，刘士伟，苑 鹏，柳 嘉，马喜山，丁振江，*段盛林

（1.中国食品发酵工业研究院有限公司，北京 100015；2.功能主食创新与慢病营养干预北京市重点实验室，浙江 宁波 315000；3.宁波御坊堂生物科技有限公司，浙江 宁波 315000）

近年来，保护环境和坚持生态可持续发展已经成为全人类的重大共识[1]，发展植物蛋白食品可以显著减少资源的消耗与气体的排放[2]。越来越多的科学研究表明，如果在饮食中摄入更多的植物蛋白类食品，如大豆、豌豆等，与饮食相关的死亡率最高可降低5%～7%[3]。有关研究指出，植物基蛋白能显著降低血脂和LDL（Low density ipoprotein，低密度脂蛋白） 水平[4]。植物性原料中的可溶性膳食纤维可辅助调节人体血糖和脂质代谢，维护肠道菌群平衡[5]。植物性食品原料中含有的异黄酮具有降血糖和保护心血管作用[6]，且异黄酮对乳腺癌、结肠癌等常见癌症也有较好的抗癌作用；生物活性物质皂苷具有明显的降压作用；亚精胺则能保护由年龄增长引起的记忆损害，具有预防老年痴呆的重要作用[7]。因此，随着现如今人们对健康生活关注度日益增长的社会风向逐渐盛行，越来越多民众开始主动选择更多的植物基食物来构建一日食谱。

酸奶作为一种被广大消费者接受且老少皆宜的产品，市场占有率居高不下[8]。常规酸奶均是以牛奶等动物奶源进行发酵制得，市场上仅存在一些小众的冷链植物基酸奶[9]，成本不仅远高于动物酸奶[10]，口感也较差。因此，纯植物基发酵且口感可被广大消费者接受的常温酸奶的研究成为一大热点，也是各大企业角逐的产品方向[11]。

以含有大豆[12]、大米、紫苏籽仁和火麻仁等组成的复合谷物蛋白粉为发酵底物[13]，植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌[14]组成的复合菌为发酵剂进行发酵[15]。以产品外观、适口性和滋味作为评价指标建立模糊数学模型[16]，通过正交试验设计[17]优化产品发酵时的料液比、发酵剂用量和发酵时间的最佳工艺参数[18]。制得的发酵液通过后续调配和加工工艺处理制备出风味较好、产品稳定的常温植物基酸奶产品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

大豆、稻米，市售；紫苏籽仁，文登金刚食品有限公司提供；火麻仁，辽宁俏牌生物科技有限公司提供；发酵剂（嗜酸乳杆菌与植物乳杆菌配比为1∶1），润盈生物工程（上海） 有限公司提供；氢氧化钠（分析纯），现代东方（北京） 科技发展有限公司提供。

1.1.2 仪器设备

胶体磨，沈阳航天新光超微粉碎机械有限公司产品；HOMOLAB-2 型高压均质机，意大利FBF 公司产品；PL203 型分析天平，赛多利斯科学仪器有限公司产品；FE20 型pH 计，梅特勒仪器上海有限公司产品；DL-CJ2NDI 型超净工作台，北京松联哈尔仪器制造有限公司产品；SPX-150B 型生化培养箱，天津泰斯特仪器有限公司产品；FT74 型超高温瞬时杀菌机，上海雅程仪器设备有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 植物基复合谷物酸奶的制备工艺

工艺流程：原料磨浆→一次均质→一次杀菌→接菌发酵→终止发酵→二次均质→二次杀菌→无菌灌装→成品。

操作要点：将大豆、大米、紫苏籽仁和火麻仁等原料磨浆，于20～30 MPa 条件下，均质1 遍，然后于温度95 ℃，时间10 min 条件进行杀菌，将料液冷却至发酵温度，再进行接菌发酵。发酵时间结束后终止发酵，在破乳后进行二次均质工艺（20～30 MPa 均质2 遍）。均质后料液进行UHT 超高温瞬时杀菌[24]，杀菌条件为温度110 ℃，时间15 s，无菌灌装后得成品。

1.2.2 植物基复合谷物酸奶的酸度的测定

酸度测试：根据GB 5009.239—2016《食品酸度的测定》中的酚酞指示剂法。

1.2.3 模糊数学感官评价方法建立

（1） 评价指标集的确定。参考《GB 19302—2010 发酵乳》中发酵乳的感官要求内容，以复合谷物酸奶的外观（包括色泽和组织状态） 和适口性（包括酸度、滋味和气味） 作为评价指标[20]。

A1=外观：色泽A11，组织状态A12；

A2=适口性：酸度A21，黏稠度A22；

A3=滋味：香气A31，有无异味A32。

（2） 评价指标集权重系数的计算。采用问卷调查方法完成权重系数计算[21]。主要是依据上文确定的评价指标集，对调查结果按照重要程度进行排序。将各指标给予相同重要程度的人数除以全部人数，即可得到某一指标的权重Xi。各项权重计算公式如下。

式中：Xi——为第i 个指标的权重；

aj——为指标赋值；

nij——为选择第i 个指标的重要程度为j 的人数；

N——为参加的总人数。

（3） 评价对象集的确定。将需要进行评价的产品集合定义为Y，Yi即为评价对象集，则通过正交试验设计（或响应面试验设计，响应面试验设计数据量会比较大，预计27 个） 产生的测评产品Yi={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9}。Yj代表对9 种样品的综合评价，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

（4） 评语集的确定。设定一个特定分值区域，并与评价集相对应，可将最终结果量化为具体评分[22]。首先设定评语集为：V={V1，V2，V3，V4}；V1=很好，V2=良好，V3=一般，V4=较差。根据清晰质量等级边界模糊化法将分值区域清晰化，即取区域的中心值得到对应的分值。

评语集与分值区域对应表见表1。

表1 评语集与分值区域对应表/分

（5） 模糊矩阵的形成。评价人员分别对由正交设计试验所制得的样品，依照上述评价指标集内容的各个角度进行品评。将结果汇总于酸奶品质评价统计表中，相同评语的人数除以总人数得到隶属度，形成评价矩阵Rij。

要求评价人员必须于品评前1 h 断食，只可喝水，不得吸烟，确保品评期间具有正常的生理状态。在进行感官品评前，评价人员不可使用化妆品或其他有明显气味的用品。每次品评包括4 份样品（包含1 份参照样品和3 份待品评样品）。每位评价人员每天最多品尝2 次，且时间需安排在饭前1 h 或饭后2 h 内进行。其中，参照样品为事先选出3 份试验样品，经过一系列加工制备后，由评价人员进行3 次品评，选出各项评价指标正常，综合评分在80 分左右的样品1 份，作为每次品尝的参照样品。

（6） 模糊评判方法。依据模糊变换原理：Y=X○R 其中，Y 为上述的评价对象集，是对样品的综合评价集；X 为权重集；R 为评价矩阵；○为广域模糊算子。

式中：Yi=(X1×r1i)∨或∧(X2×r2i)?(Xn×rni)。这里“∨”表示两者相比较后取较大者，“∧”表示两者相比较较小值，根据酸奶感官评价的各指标之间的关系，一级和二级因素的模糊变换根据最大运算法则选取“∨”。最后，根据评语集与分值区域相对应表中的分值，将综合品评结果转换为相应的分值，作为结果带入正交试验[23]。

1.2.4 单因素试验

将每个感官指标评分均按照表1 中的分值区域进行打分，以感官评分作为因变量，酸度变化作为辅助参考因素，分别考查不同料液比（1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7），发酵剂不同添加量（0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.09%，0.11%）、不同发酵时间（4，5，6，7，8，9 h） 和不同发酵温度（36，38，40，42，44，46 ℃）。

1.2.5 正交试验设计

通过单因素试验结果，考虑发酵温度的控制在实际生产中也有所浮动和产品落地加工的经济性，选取料液比、发酵剂添加量和发酵时间做自变量，以感官评分为因变量，进一步做三因素三水平的正交试验设计，对酸奶发酵工艺参数进行优化。

正交试验因素与水平设计见表2。

表2 正交试验因素与水平设计

1.2.6 数据分析方法

试验样品均需重复3 次，结果以（平均值±标准差） 形式表示。试验数据采用SPSS 26.0 和Origin 8.6 进行统计分析、作图。

2 结果与分析

2.1 模糊感官评价方法制定

2.1.1 感官评价的评价因素及各项权重

通过统计分析调查的数据，确定植物基复合谷物酸奶感官评价的评价因素及各项权重。

品评标准及权重计算结果见表3。

表3 品评标准及权重计算结果

2.1.2 模糊评判隶属度的确定

通过统计9 名专业评价人员对9 个正交试验样品的评价结果，得出评语隶属度，其中1 号样品隶属度结果如下（表4）。其余8 个样品依照同样方式进行统计。

表4 1 号样品各项指标的隶属度

1 号样品各项指标的隶属度见表4。

2.1.3 评价结果计算

对于指标“外观”A11，按模糊变换法则，通过模糊变换得出其评价结果为：

归一化的，

同理可以计算出，

进而得到样品1 的评价隶属度矩阵RA：

根据最小计算法则，采用“∧”运算获得1 号样品的评价集：

归一化的：

根据表4，得出1 号样品得分=95×0.219+85×0.555+70×0.227+30×0.000=83.79（分）。同理，计算其他8 个样品得分。

9 个试验样品评分汇总见表5。

表5 9 个试验样品评分汇总

2.2 单因素试验结果

2.2.1 不同料液比对酸奶感官和酸度的影响

不同料液比对酸奶感官和酸度的影响见图1。

图1 不同料液比对酸奶感官和酸度的影响

由图1 可知，随着原料调配时料液比的增加，感官评分先增加后降低，前段增加速度明显快于后段下降速度。分析可能是料液比太低时，发酵菌增长较慢的原因，而料液比过高时营养密度变低，发酵菌的增长同样受限[24]。通过酸度变化曲线可以看出，在料液比为1∶4，酸度为86.47 °T，说明乳酸菌增长最快，产酸也最丰富，产品更加符合消费者的风味嗜好。因此，在单因素试验中得出1∶4 的料液比为酸奶的最佳条件，平均得分达到89.33 分。

2.2.2 发酵剂不同添加量对酸奶感官、酸度的影响

发酵剂不同添加量对酸奶感官、酸度的影响见图2。

图2 发酵剂不同添加量对酸奶感官、酸度的影响

由图2 可知，酸奶的感官评分呈现先升高后下降的趋势，前段上升趋势较为缓慢，后段下降趋势较快。分析可能是随着发酵剂添加量增加发酵效果越好，如果添加过高的发酵剂，会导致前期快速产酸，使得中后期菌种之间产生拮抗作用，影响发酵效果。结合酸度变化曲线可以判断出发酵剂添加量过高酸度会变高，进而影响口感[25]。一定范围内，随着发酵剂添加量增加会增加发酵效率，但是综合考虑产业化成本和发酵过程的易控制程度，确定发酵剂添加量为0.05%时，平均评分最高为89.33 分，酸度为87.08 °T。

2.2.3 不同发酵时间对酸奶感官、酸度的影响

不同发酵时间对酸奶感官、酸度的影响见图3。

图3 不同发酵时间对酸奶感官、酸度的影响

由图3 可知，随着发酵时间的延长，酸奶的感官评分先增加后下降，酸度变化一直处于上升趋势。初步判断是随着发酵时间的增加，有机酸产生的量不断得到积累，后段得分不断下降，由酸度曲线可以看出酸度水平较高，影响到了消费者的适口性。综合考虑，确定最佳发酵时间为6 h，这时平均得分为89.67 分，酸度为86.49 °T。

2.2.4 不同发酵温度对酸奶感官、酸度的影响

不同发酵温度对酸奶感官、酸度的影响见图4。

图4 不同发酵温度对酸奶感官、酸度的影响

由图4 可知，随着发酵温度的增加，感官评分越来越高，增加到42 ℃后评分呈现下降趋势，但是酸度变化一直不大，需要进一步进行有机酸组成分析。初步判断原因是随着发酵温度的增加，发酵剂的活力不断得到释放，发酵效率不断增加，但是过高的温度又会抑制发酵剂的活力，影响发酵效率。因此，确定酸奶的最佳发酵温度为42 ℃，此时平均得分为89.00 分，酸度为87.29 °T。

2.3 正交试验结果

正交试验结果见表6，正交试验方差分析见表7。

表6 正交试验结果

通过计算R 值，可知将感官评分作为正交试验的考查指标时，复合发酵剂添加量为0.06%的试验组感官评分较高，由表6 可知，各因素对植物基复合谷物酸奶感官评分的影响顺序为RB＞RA＞RC，即发酵剂添加量＞料液比＞发酵时间。结合方差分析综合研究发现，发酵剂添加量具有显著影响（p＜0.05），最佳发酵工艺方案为料液比1∶4，发酵剂添加量0.06%，于42 ℃条件下发酵6.5 h。

3 结论

通过构建模糊数学评价模型，利用单因素试验和正交设计试验得出植物基复合谷物酸奶的制作时的料液比、发酵剂用量和发酵时间的最佳工艺参数分别是料液比1∶4，发酵剂添加量0.06%，于42 ℃条件下发酵6.5 h 时，根据该评价模型得到的最终评分达91.02 分。

该研究仅从实验室样品进行的相关感官评价，未考查酸奶保质期和保质期内的酸奶感官变化。研究涉及的植物基复合谷物酸奶中的发酵底物是由大豆、大米、紫苏籽仁和火麻仁等组成。植物蛋白在酸性条件下不易形成稳定体系，尤其是火麻仁蛋白更是在杀菌受热过程中极易不稳定，后续在常温植物基酸奶的稳定体系构建上还需要开展系列研究。以期通过后续调配和加工工艺处理制备出风味较好、产品稳定的常温植物基酸奶产品。