基于模糊数学评价法优化大麦黑米酸奶的发酵工艺

摘 要：本研究主要以纯牛奶、熟大麦粉、黑米为原料，利用甜菊糖苷代替蔗糖制备搅拌型大麦黑米酸奶。通过单因素试验探究黑米浆添加量、熟大麦粉添加量、甜菊糖苷添加量、酸奶发酵剂添加量对大麦黑米酸奶品质的影响，并结合响应面试验以及建立模糊数学模型的方法优化出大麦黑米酸奶的最优配方。试验结果表明，最优配方为以100 mL纯牛奶为基准，添加熟大麦粉2.6%、黑米浆12.4%、甜菊糖苷0.05%、发酵剂0.25%。在此条件下生产出的酸奶口感细腻，酸甜适中，具有一定的大麦和黑米风味。

关键词：黑米浆；甜菊糖苷；模糊数学；酸奶

Abstract： This research mainly uses pure milk， cooked barley flour， and black rice as raw materials， and replaces sucrose with steviol glycoside to prepare stirred barley and black rice yogurt. Exploring the effects of adding black rice pulp， cooked barley flour， steviol glycoside and yogurt starter on the quality of barley-black rice yogurt through single factor experiments， and the optimal formula of barley black rice yogurt was optimized by response surface test and fuzzy mathematical model. The results showed that the optimal formula was 100 mL pure milk， 2.6% cooked barley flour， 12.4% black rice pulp， 0.05% steviol glycoside and 0.25% starter. The yoghurt produced under the optimum conditions has fine taste， moderate sweet and sour taste， and has a certain barley and black rice flavor.

酸奶作为人们日常食用的发酵乳制品，是一种老少皆宜的高市场占有率产品[1]。随着消费者对酸奶营养功能及口感需求的多元化，传统的酸奶已经不能满足人们的需求，谷物酸奶逐渐进入了大众视野。研究表明，随着谷物的加入，酸奶的营养价值以及组织状态都会得到提升，感官品质也得到了改善。大麦是典型的“三高两低”（高蛋白质、高纤维素、高维生素、低糖、低脂），并兼具食疗作用的粮食作物，黑米中含有丰富的微量元素及维生素，具有抗炎、抗癌、抗氧化等功效[2]。本研究通过对大麦粉和黑米浆添加量、甜菊糖苷添加量、酸奶发酵剂添加量的研究，并基于模糊数学评价法来优化大麦黑米酸奶的发酵工艺，得出一组最优发酵工艺。大麦黑米酸奶的研发不仅能丰富乳制品种类，还能为谷物酸奶的进一步研究提供思路，具有重要的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

纯牛奶（市售的蒙牛纯牛奶）、熟大麦粉（虞城县秋收特色食品有限公司的熟大麦粉）、黑米（漯河市售黑米）、甜菊糖苷（誉信诚生物科技有限公司的甜菊糖苷）、酸奶发酵剂（安琪酵母股份有限公司的二菌型酸奶发酵剂）。

1.2 主要仪器设备

打浆机（SP525），浙江苏泊尔家具用品有限公式；恒温培养箱（NDP-9272AE），上海三发科学仪器有限公司；恒温干燥箱（202-0ES），北京市永光明医疗仪器厂；电冰箱（BCD-205CMN），合肥美的荣事达电冰箱有限公司；电磁炉（C21-SDHCB06G），浙江苏泊尔家电制造有限公司；均质机（GJJ-9272AE），上海诺尼轻工机械有限公司；HH-1恒温水浴锅，国华电器有限公司；电子天平（YP10001），上海佑科仪器仪表有限公司；离心机（LXJ-IIB），上海安亭科学仪器厂；分光光度计（UV-2600），上海尤尼柯仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

黑米浆的制备→一定量的甜菊糖苷、熟大麦粉、黑米浆、原料乳混合均匀→搅拌均质→杀菌（90 ℃ ，10 min）→水浴冷却至42 ℃左右→加发酵剂→恒温发酵（42 ℃）至pH约为4.3→搅拌破乳→冷藏后熟（4 ℃，24 h）。

1.3.2 操作要点

（1）黑米浆的制备。选择外形饱满、色泽良好的黑米，称取适量黑米，洗净后，加入黑米量2倍的水，蒸熟，蒸熟后冷却，将冷却后的熟黑米与水按照1∶1.25的一定比例加入打浆机中打浆，最后用纱布过滤，得到黑米浆。

（2）调配。将纯牛奶、熟大麦粉、黑米浆、甜菊糖苷按一定比例混合均匀。

（3）均质。在温度55 ℃、17 MPa条件下，对杀菌前的料液进行均质处理。

（4）杀菌。在90 ℃条件下进行杀菌10 min。

（5）冷却、接种。冷却至42 ℃左右。加入一定比例的发酵剂，搅拌均匀。

（6）发酵。放入42 ℃恒温培养箱中，培养6 h，达到发酵终点。

（7）后熟。从恒温培养箱中取出，搅拌破乳后放入4 ℃冰箱中后熟24 h。

1.3.3 模糊数学模型的建立

模糊数学评价法是常用的一种数学方法，主要用于处理模糊性现象，可以将模糊性的现象转化成数学研究，使结果更加可靠，采用模糊数学评价法来弥补感官评价人员的主观性带来的误差[3]。模糊数学模型的建立如下。

（1）确定评价因素集及评价因素权重集。大麦黑米酸奶的评价因素集u={u1，u2，u3，u4}，其中u1代表色泽，u2代表气味，u3代表口感，u4代表组织状态，即u={色泽，气味，口感，组织状态}。评价权重集x={x1，x2，x3，x4}，将评价因素色泽、气味、口感、组织状态分别赋予权重系数0.2、0.2、0.3、0.3，即x={0.2，0.2，0.3，0.3}。

（2）确定评价等级集。评价等级集V={V1，V2，V3}，其中，V1代表优（90分），V2代表良（70分），V3代表差（50分），即V={优90，良70，差50}。

（3）模糊矩阵的建立。10名评价员对酸奶的4项因素进行评价，统计各因素评价票数的分布，并进行整理得到模糊矩阵Ri。

式中：i为试验号；a为评价因素，分别为1、2、3、4；b为评价等级，分别为1、2、3。

（4）模糊数学感官评分。模糊数学综合评价集Y=X×Ri。模糊数学感官评分Z=Y×VT，T为矩阵转置[4]。得到最终的感官评分，用于数据分析。

1.3.4 感官评定

由10名感官评价人员对大麦黑米酸奶根据表1的评分细则进行感官评价，并用模糊数学综合评价法分析数据，得到最终的感官评分。

1.3.5 单因素试验设计

以100 g牛奶为基准，添加黑米浆10%、熟大麦粉3%，甜菊糖苷0.05%，酸奶发酵剂0.1%进行预试验。在预实验的基础上分别对黑米浆、熟大麦粉、甜菊糖苷、酸奶发酵剂的添加量进行单因素试验。利用感官评价来考察黑米浆的添加量（6%、8%、10%、12%、14%）、熟大麦粉的添加量（1%、2%、3%、4%、5%）、甜菊糖苷的添加量（0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%）、酸奶发酵剂的添加量（0.1%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%）对酸奶品质的影响。

1.3.6 响应面试验设计

根据单因素试验的结果，以黑米浆添加量（A）、熟大麦粉添加量（B）、甜菊糖苷添加量（C）、发酵剂添加量（D）为因素，把感官评分作为响应值，利用Design Expert软件进行4因素3水平响应面分析试验，确定大麦黑米酸奶的最优配方。响应面试验因素与水平设计见表2。

1.3.7 DPPH自由基清除能力的测定

自由基对人体有很大的危害，有许多研究表明过量的自由基与各种癌症、疾病的发生有很强的联系[5]。抗氧化物质可以在一定程度上消灭自由基，通过对原味酸奶和大麦黑米酸奶DPPH自由基清除能力的测定来评价大麦黑米酸奶的抗氧化能力。①样品的预处理。取10 g样品放入离心管中，并将离心管放入离心机中，设置参数5 000 r·min-1，持续30 min，取出后，将上清液倒入10 mL容量瓶中用无水乙醇定容。②测定。准确吸取配制好的DPPH溶液2 mL与无水乙醇溶液2 mL，用分光光度计测定在517 nm处的吸光度A0；再准确吸取配制好的DPPH溶液2 mL与样品溶液2 mL，避光反应30 min后，用分光光度计测定在517 nm处的吸光度A1；最后准确吸取无水乙醇溶液2 mL与样品溶液2 mL，用分光光度计测定在517 nm处的吸光度A2。③计算。DPPH自由基清除率=[1-（A1-A2）/A0]×100%。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 黑米浆添加量对酸奶感官品质的影响

由图1可知，随着黑米浆的加入，酸奶的感官评分呈现先上升后下降的趋势。当黑米浆添加量为12%时，感官评分达到最高值。此时的大麦黑米酸奶拥有浓郁的黑米香味，口感也非常细腻。黑米浆添加过少，则酸奶的黑米香味不浓郁，色泽不佳；黑米浆添加过多，则酸奶组织状态不佳。

2.1.2 熟大麦粉添加量对酸奶感官品质的影响

由图2可知，随着熟大麦粉的加入，大麦黑米酸奶的感官评分呈现先上升后下降的趋势。当熟大麦粉添加量为3%时，感官评分达到最高值。此时的大麦黑米酸奶不仅有浓郁的大麦香气，而且黏稠度适中，让酸奶增添了一些别样的风味。熟大麦粉添加过少，则酸奶会缺少大麦的香味；而熟大麦粉添加过多，则会使酸奶过稠，组织状态粗糙。

2.1.3 甜菊糖苷添加量对酸奶感官品质的影响

由图3可知，随着甜菊糖苷的加入，酸奶的感官评分呈现先上升后下降的趋势。当甜菊糖苷添加量为0.06%时，感官评分达到最高值。此时的大麦黑米酸奶甜度适中，甜菊糖苷添加量过少，酸奶甜度不够；添加过多，酸奶过甜，口感不佳。

2.1.4 酸奶发酵剂添加量对产品感官品质的影响

由图4可知，随着发酵剂的加入，酸奶的感官评分呈现先上升后下降的趋势。当酸奶发酵剂添加量为0.25%时，感官评分达到最高值。此时的酸奶具有浓郁的发酵乳香气，酸甜适中。酸奶发酵剂添加过少，则酸度不够，组织状态不佳；添加过多，则酸奶过酸，口感不佳。

2.2 响应面试验结果分析

2.2.1 响应面试验结果分析

大麦黑米酸奶的响应面结果如表3所示，通过Design Expert软件的分析，得到大麦黑米酸奶感官评分的二次多项回归方程模拟：Y=86.760 0+0.933 3A-2.950 0B+0.116 7C-0.066 7D-0.650 0AB-0.850 0AC+0.200 0AD+0.300 0BC-0.200 0BD+0.100 0CD-5.130 0A2-4.150 0B2-0.055 0C2-0.180 0D2。

由表4可知，该模型的p值＜0.01，具有显著性，失拟项的p值＞0.05，不显著，此结果可以表明该回归模型具有较高的可靠性[6]。R2=0.990 1，