模糊数学综合评价法结合正交试验优化乌龙茶饮浸提工艺

刘健勇 唐杨 董雪阳 林小秋 龚雪梅

摘要 ［目的］优化乌龙茶浸提工艺。［方法］以感官评价和理化指标为评价指标，通过模糊数学综合评价法构建综合评价体系，以模糊综合评价得分为评价指标，在单因素试验结果的基础上，通过正交试验法优化乌龙茶浸提工艺。［结果］各因素对乌龙茶浸提工艺的影响表现为时间＞料液比＞温度＞β-环状糊精添加量，乌龙茶浸提最优工艺为浸提温度75 ℃，β-环状糊精添加量0.1%，浸提时间30 min，料水比1∶100。［结论］经验证试验表明，在该条件下模糊综合评价得分最高，该法科学、稳定、可行，能为乌龙茶浸提工艺的研究实践提供一定的理论支持和指导。

关键词 乌龙茶；模糊数学；正交试验；综合评价法；茶多酚；感官评价

中图分类号 TS275.2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）03-0158-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.039

Fuzzy Mathematical Comprehensive Evaluation Method Combined with Orthogonal Experiments to Optimize the Oolong Tea Extraction Process

Abstract ［Objective］To optimize the oolong tea extraction process.［Method］By using sensory evaluation and physicochemical indexes as evaluation indexes， building a comprehensive evaluation system using a fuzzy mathematical comprehensive evaluation method， and using the fuzzy comprehensive evaluation score as evaluation indexes by orthogonal experiments based on the results of a single-factor experiment. ［Result］The findings demonstrated that each factor had an impact on the oolong tea extraction process in the following order： time>material-liquid ratio>temperature>addition of-cyclodextrin. The ideal oolong tea extraction process was determined to be： extraction temperature 75 ℃，addition of-cyclodextrin 0.1%，extraction time 30 min，and material-water ratio 1∶100. ［Conclusion］Verified experiments have shown that under this condition， the fuzzy comprehensive evaluation score is the highest， and this method is scientifically stable and feasible. It may offer some theoretical backing and direction for the study and use of the oolong tea extraction process.

Key words Oolong tea;Fuzzy mathematics;Orthogonal experiment;Comprehensive evaluation method;Tea polyphenols;Sensory evaluation

乌龙茶因其较高的营养保健价值［1］，甘甜可口的茶感，豐富多样且独具特色的香气特征［2］，成为世界三大饮料之一。乌龙茶富含多种氨基酸［3］、茶多酚、茶多糖、咖啡因、无机盐等营养物质，使得乌龙茶汤甘甜醇厚，变幻莫千，回味无穷［4］。此外，乌龙茶还含有多种挥发性芳香烃类物质［5］，使得其香韵味十足，独具一格，素有“岩骨花香”等美称。丰富的营养物质，令人心情愉悦的茶香，使乌龙茶还具有多种保健功效［6］。据多项研究报道，乌龙茶具有抗氧化，抗肿瘤，抗过敏抗炎，降“三高”，调节肠道菌群及缓解阿尔兹海默症等功效［7-8］。

当今世界快节奏的生活方式与乌龙茶传统冲泡法的慢节奏生活形成了新的矛盾，人们对便捷、高效、高品质生活的追求，促使即饮茶的技术与市场得到不断发展［9］。即饮茶技术中的浸提工艺又是该技术的核心所在，浸提工艺中任一参数指标的改变都将造成乌龙茶的风味、口感及理化指标的变化［10］，因此乌龙茶浸提工艺的优化成为科技工作者研究的主要方向。目前对茶饮料浸提工艺优化的评价指标大多以感官评价为主［11］，而感官评价的主观性较强，难以量化评价。感官评价主要针对香气、滋味及色泽等感官指标，较少涉及茶多酚含量等理化指标，而未来茶饮料必定往功能化方向发展，工艺优化的评价指标不能单以感官评价为标准，而应加入茶多酚等营养物质的含量作为标准之一进行优化，即构建一套综合性的优化评价体系。

为解决这一问题，笔者引入模糊数学综合评价法结合正交试验对乌龙茶浸提工艺进行优化，且在感官评价的基础上结合澄清度、茶多酚浸提率等理化指标，对乌龙茶浸提物进行综合评价，使得评价体系更具综合性，优化结果更具科学性，以期为即饮茶浸提工艺研究提供相关理论支持，并为进一步推动即饮茶技术发展及其品质评价体系的构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

茶叶原料：市售大红袍（产地武夷山）。

试剂：硫酸亚铁（分析纯，西陇科学股份有限公司），酒石酸钾钠（分析纯，天津光复科技发展有限公司），磷酸氢二钠（分析纯，西陇科学股份有限公司），磷酸二氢钾（分析纯，西陇科学股份有限公司）。

1.2 主要仪器与设备

754PC型紫外可見分光光度计（上海菁华科技仪器有限公司）；BS210S 电子分析天平（德国赛多利斯公司）；Finnpipette F3 100～1 000 μL可变量程移液器（美国赛默飞公司）；1～5 mL可变量程移液器（北京大龙仪器公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 理化指标测定及感官评价。

1.3.1.1 茶多酚的测定和茶多酚浸提率的计算。

茶多酚含量的测定［12］：准确移取1 mL样液到25 mL容量瓶中，加水4 mL和酒石酸亚铁溶液5 mL，充分混合，再用pH 7.5的缓冲液定容至刻度，测定其吸光值（A1）。同时移取等量的样液于25 mL容量瓶中，加水4 mL，用pH 7.5磷酸缓冲溶液定容至刻度，测定其吸光度（A2）。以上均用10 mm比色皿，在波长540 nm处，以试剂空白（于25 mL容量瓶中，加4 mL蒸馏水、5 mL酒石酸亚铁溶液，用pH 7.5磷酸缓冲液定容至刻度）作参比。

样液中茶多酚的含量按下式计算：

式中：X为样液中茶多酚的含量，mg/L；A1为样液显色后的吸光值；A2为样液底色的吸光值；K为稀释倍数；V为测定时吸取试液的体积，mL。

茶多酚浸提率按下式计算：

式中：m为样液中茶多酚的含量，g/L；M为样液中茶叶的用量，g/L。

1.3.1.2 澄清度测定。

用10 mm比色皿，在波长640 nm处，以蒸馏水为空白溶液作参比，测定样液的透光率。

1.3.1.3 感官评价。

选择20名（10名男性、10名女性）经过感官评价培训的专业人员，根据感官评分标准［13］（表1）对各样液进行感官评价。每个样液评价完均需漱口后才能对下一个样液进行评价，各评审人员均需独立完成评价，禁止讨论。

1.4 乌龙茶浸提工艺优化设计

结合感官评价和理化指标建立模糊数学综合评定法（具体评价标准见表1），以综合分为考察指标，根据单因素试验结果确定各因素的水平值，设定4因素3水平L9（34）正交试验（正交试验因素水平设计见表2、3），综合分析温度、时间、料液比、β-环状糊精添加量对乌龙茶浸提工艺的影响，最终确定乌龙茶浸提工艺的最佳参数。

1.5 模糊数学综合评价法

1.5.1 评价因素集U、评语集V、评语计分集S及权重集X的构建。

评价因素集合的构建：设样液因素集为U=（U1，U2，U3，U4，U5），其中U1为茶汤，U2为香气，U3为滋味，U4为澄清度，U5为茶多酚浸提率。

评语集合的构建：设样液评语集为V=（V1，V2，V3，V4），其中，V1为差，V2为中，V3为良，V4为优，每个评语都与对应的得分进行量化，相应评语计分集为S=（30，50，70，90）。

评价权重集合的构建［14］：设样液权重集为X=（X1，X2，X3，X4，X5），其中，Xi表示因素Ui的权重。根据归一化原则，权重集中各因素的权重总和为1。该研究采用用户调查法，邀请15名评审员对反映样液综合质量的5个因素在综合评价中的权重进行评分，总分为100分。在综合评价中，越重要的因素评分越高，所占权重越大，收集各因素评分后采用取平均值法得出各因素的得分，根据归一化原则进行换算，所得各因素权重之和为1。

1.5.2 模糊矩阵的确定与模糊数学综合评价体系的构建。

感官评价各因素各评语隶属度的确定：收集20位评审员对各项因素的评语次数进行统计，各项因素对应评语次数除以20即得各因素各评语的隶属度。

理化指标各因素各评语隶属度的确定［15］：理化指标为定量指标，采用梯形函数确定因素Ui对评语Vi的隶属度。首先确定各评语的理化指标值Z=（Z1，Z2，Z3，Z4），定量指标值Zi与评语Vi对应，Zi与Zi+1、Zi-1为等距关系，各因素各评语具体隶属函数W如下：

当实测值Z位于左侧属于1级隶属度：

当实测值Z位于中间属于i级隶属度：

当实测值Z位于右侧属于n级隶属度：

模糊矩阵R的确定：基于感官评价和理化指标各因素各评语的隶属度，获得正交试验相应试验组别隶属度矩阵，构成各试验组别模糊综合评价矩阵R=（R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9），其中Ri为正交试验组别i的模糊综合评价矩阵。

模糊数学综合评价体系的构建［16］：采用加权平均型构建模糊综合评价体系，设样液优化的模糊综合评价结果向量为Y=X·R，正交试验组别i的模糊综合评价结果向量为Yi=X·Ri，综合评价得分为Pi=Yi×S。

1.6 数据统计

每个试验重复3次，采用Excel 2013、SPPS 22.0软件进行数据统计分析并绘制表格。

2 结果与分析

2.1 正交试验感官评价及理化指标结果

由20名经过感官评价培训的评审员，对L9（34）正交试验中各组样液按照表1的感官标准进行评价，评价结果见表4。按照“1.3.1.1”“1.3.1.2”中的方法测定试验组样液的茶多酚浸提率和澄清度，具体结果见表4。

2.2 评价权重集的确定

采用用户调查法，选取15名评审员对5个因素指标进行权重评分（总分100），结果见表5。根据各因素权重的平均得分及归一化原则得出，该权重集X=（0.117，0.273，0.390，0.107，0.113）。

2.3 模糊矩阵的确定及模糊综合评价体系的建立

根据感官评价及理化指标结果（表4），按照“1.5.2”中的方法确定感官评价及理化指标各因素各评语的隶属度，具体结果见表6。

根据表6得到正交试验9个组别的模糊矩阵Ri，其中i表示第i个正交试验组。各正交试验组别样液模糊矩阵如下：

采用加权评价构建模糊综合评价体系，正交试验组别i的模糊综合评价结果向量Yi=X·Ri，得到每个样液各评语的综合隶属度，以组别1为例，具体运算方式如下：

同理可得，Y2～Y9。评语模糊综合隶属度：

Y1=（0.157 85，0.109 20，0.539 19，0.193 76），

Y2=（0.019 50，0.176 25，0.492 50，0.311 75），

Y3=（0.019 50，0.124 80，0.530 88，0.324 82），

Y4=（0.044 85，0.230 10，0.445 23，0.279 82），

Y5=（0.005 85，0.336 35，0.378 05，0.279 75），

Y6=（0.037 05，0.427 50，0.379 45，0.156 00），

Y7=（0.031 20，0.224 65，0.514 15，0.230 00），

Y8=（0.043 43，0.206 07，0.558 50，0.192 00），

Y9=（0.137 23，0.273 97，0.350 44，0.238 36）。

正交试验各组模糊综合评价得分为Pi=Yi×S，以组别1为例，具体运算方式如下：

P1=Y1×S=（0.157 85，0.109 20，0.539 19，0.193 76）×（30，50，70，90）=65.38

同理可得P2～P9，结果见表7。

2.4 正交试验结果

根据单因素试验结合模糊综合评价法所得结果，对温度、时间、料液比、β-环状糊精添加量4个因素进行正交试验，以确定乌龙茶浸提工艺的最佳参数。正交试验的结果分析见表7。由表7可知，乌龙茶浸提工艺条件最佳组合为A1B2C3D3，即浸提温度为75 ℃，β-环状糊精添加量为0.1%，浸提时间为30 min，料水比为1∶100。极差分析结果表明，各因素对乌龙茶浸提工艺综合评价得分的影响大小依次为C（时间）＞D（料液比）＞A（温度）＞B（β-环状糊精添加量）。

2.5 验证试验结果

根据模糊数学综合评价法结合正交试验分析，对乌龙茶浸提工艺最佳组合A1B2C3D3进行验证，该最优组模糊综合评价得分为73.63，高于正交试验中的最高得分73.22，说明验证试验与正交试验结果吻合。这表明采用模糊数学综合评价法结合正交试验优化乌龙茶浸提工艺的试验条件和结果均可靠，具有一定的参考借鉴意义，可运用该理论方法指导乌龙茶生产技术的实践活动。

3 讨论

传统的乌龙茶饮料品质评价皆以感官评价为主，而感官评价受制于审评人的生理条件、喜好、阅历等因素较为明显，存在较大的主观性，难以做到真正的客观评价。为克服这一问题，目前较多学者采用现代分析技术对茶饮的品质进行客观分析，如电子鼻［17］、电子舌［18］、气相色谱［19］、红外光谱［20］等，但这些仪器设备及试剂采购成本较高，应用并不广泛。模糊数学能够将感官评价中的模糊性通过数学模型的方式定量化，减少因审评人的差异性而带来的主观影响，从而使得评价结果更具客观性［21］。采用模糊数学结合感官评价法对产品品质进行评价具有较强的简便性和客观性，故较多学者将该法应用在产品开发上，如徐菲等［22］用于香辣酱牛肉卤制工艺的优化，周婵等［23］用于南瓜子酸奶发酵工艺优化，刘玉等［24］用于发酵河鲀鱼肠工艺优化。

茶饮料浸提工艺优化常采用响应面法或正交试验法，如左小博等［11］采用响应面法优化六堡黑茶浸提工艺及采用正交试验法开发六堡黑茶固体饮料，赖建东等［25］采用响应面法优化青砖茶水浸提工艺，杨丽娜等［26］基于感官评价采用正交法优化刺五加茶工艺。工艺优化试验中采用正交法或响应面法，其优化评价指标一般较为单一，均为以某种物质含量或感官评价得分为评价依据，难以将二者进行较好结合。近年来，茶饮料市场的发展趋向于功能化，这就对茶饮料提出了新的要求，不仅要香气、滋味好，还要营养物质含量高，故单一的评价指标已难以满足茶饮料浸提工艺优化评价的需求，急需一套综合性的优化评价体系。该综合评价体系需包括具有模糊性的感官评价及具有确定性的营养物质浸出率等理化指标评价，二者评价体系具有明显的差异性。该研究通过模糊数学将模糊性的感官评价进行量化使其具有确定性，将确定性的理化指标评价进行模糊化使其具有模糊性，以此构建模糊数学综合评价模型。该模型能够很好地解决感官评价与理化评价相结合的问题，构建了一套综合性的优化评价体系，为未来茶饮料生产工艺的优化评价提供新思路，具有一定的理论价值和参考借鉴意义，并且有助于推动功能茶饮料的发展及茶饮料品质评价体系构建。

4 结论

乌龙茶浸提工艺优化研究大多以茶多酚等营养物质的提取率或感官评价为指标采用正交试验或響应面法进行优化。该研究将感官评价和理化指标相结合，通过确定各因素的权重并结合模糊数学综合评价法，以模糊综合评价得分为最终指标，在单因素试验结果的基础上结合正交试验设计，得到乌龙茶浸提工艺的最优条件。

乌龙茶浸提工艺最优条件为浸提温度75 ℃，β-环状糊精添加量0.1%，浸提时间30 min，料水比1∶100，在该最优条件下浸提的乌龙茶样液模糊综合评价得分最高。其中各因素对乌龙茶浸提工艺的影响表现为时间＞料液比＞温度＞β-环状糊精添加量。

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