D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)優(yōu)化富含番茄紅素復(fù)合果蔬酒的主料配比

劉琨毅，劉祥宇，王 琪*，陳 卓，陳雪玲

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 五糧液技術(shù)與食品工程學(xué)院，四川 宜賓 644003；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650201）

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對食品安全與健康的要求越來越高，豐富功能性食品的種類、提高其安全性及健康因子的含量成為了目前食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。其中，番茄紅素（lycopene）是諸多健康因子中較為重要的一種脂溶性類胡蘿卜素（carotenoid）[3-4]，具有抗氧化、提高機(jī)體免疫力、防癌抗癌、保護(hù)心血管等功效，其抗氧化活性是β-胡蘿卜素的2倍、維生素E的100倍[5-6]。由于人類和動物不能產(chǎn)生番茄紅素[7]，因而果蔬（特別是木鱉果、番茄、胡蘿卜、番石榴、芒果、西瓜、南瓜等）是機(jī)體獲取番茄紅素的重要來源[8-10]。

番茄（Solanum lycopersicum）是一種重要的功能性果蔬，不僅富含番茄紅素而且含有能補(bǔ)充人體所需的大部分微量元素，其中千禧果是紅色番茄中番茄紅素含量最高的品種之一，番茄紅素含量可高達(dá)350 μg/g[11-12]。芒果（Mangifera indica）果實(shí)中含有豐富的糖、蛋白質(zhì)、粗纖維，而高胡蘿卜素、番茄紅素和維生素C含量是其主要特點(diǎn)[13-14]，LIANG M H等[15]研究發(fā)現(xiàn)，“臺農(nóng)1號”芒果品種果實(shí)中番茄紅素（77 μg/g）及類胡蘿卜素含量較高。南瓜（Cucurbita moschataDuch）作為一種高產(chǎn)量農(nóng)作，其番茄紅素含量高于一般蔬菜類作物[16-17]，密本南瓜更是富含氨基酸、礦物質(zhì)、類胡蘿卜素和番茄紅素（約74 μg/g）等營養(yǎng)成分[18]。枇杷（Eri-obotrya japonica）因含有較為豐富的黃酮類、酚類和苦杏仁苷等活性成分，故具有潤肺止咳與健胃等的功效[19]，其中“大五星”枇杷中的番茄紅素含量（約37 μg/g）高于其他常見品種[20-21]。

復(fù)合果蔬酒是利用兩種或多種水果或蔬菜釀造而成的低酒精度飲品，含有多種營養(yǎng)物質(zhì)及保健功效，并以其特有的風(fēng)味和品質(zhì)深受消費(fèi)者的喜愛[22-23]。因復(fù)合果蔬酒原料的風(fēng)味特征存在一定的差異性，不同原料的使用比例是影響最終產(chǎn)品感官特性的重要因素之一[24]。模糊數(shù)學(xué)感官評價法是在傳統(tǒng)感官審評方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，可獲得更加客觀、準(zhǔn)確的結(jié)果[25]?；诖耍驹囼?yàn)以感官評分及番茄紅素含量作為評價指標(biāo)，以番茄（千禧果）、芒果（臺農(nóng)1號）、南瓜（密本）、枇杷（大五星）為原料，采用模糊數(shù)學(xué)感官評價法結(jié)合D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)[26-27]優(yōu)化復(fù)合果蔬酒的主料配比，為番茄、芒果、南瓜和枇杷等果蔬資源的開發(fā)利用提供一定的參考價值及新型復(fù)合果蔬酒的研發(fā)提供指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮番茄（千禧果）、芒果（臺農(nóng)1號）、南瓜（密本）、枇杷（大五星）、蔗糖（食品級）：市售；釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）CICC31482：宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院菌種保藏中心；果膠酶（酶活105U/mL）：上海杰兔工貿(mào)有限公司；偏重亞硫酸鉀（分析純）、維生素C（純度≥99.0%）：桂林寶鉆食品有限公司；其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BS210S型電子分析天平：北京賽多利斯天平有限公司；W-CJ-2FD型超凈工作臺：蘇州凈化設(shè)備有限公司；DHP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；723型可見分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；SPHs-3c型精密pH計(jì)：上海理達(dá)儀器廠；LXJ-IIB低速大容量多管離心機(jī)：鄭州長城工貿(mào)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合果蔬酒的釀造工藝流程[23]

新鮮果蔬→分選→清洗→去皮、去核、去?！ブ附狻^濾→混合→添加蔗糖、偏重亞硫酸鉀與維生素C→巴氏滅菌→接種釀酒酵母→發(fā)酵→過濾→澄清→巴氏滅菌→成品

操作要點(diǎn)：挑選4種新鮮的果蔬（番茄、芒果、南瓜、枇杷），去皮、去核、去梗后，分別加入同質(zhì)量的純凈水，榨汁，其中番茄汁、芒果汁、南瓜汁、枇杷汁中的番茄紅素含量分別為（156.62±1.17）μg/mL、（31.43±0.95）μg/mL、（27.06±0.74）μg/mL和（15.39±0.41）μg/mL。按照20 U/g添加果膠酶澄清處理3 h，四層紗布過濾后按照試驗(yàn)所需的體積比進(jìn)行混合。加入蔗糖調(diào)節(jié)可溶性固形物含量為22°Bx，加入偏重亞硫酸鉀調(diào)節(jié)總酸含量為0.90%，并添加0.08%維生素C護(hù)色，巴氏滅菌（65 ℃、30 min）。待冷卻后按體積分?jǐn)?shù)接入5%經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后的酵母菌懸液（1.32×107CFU/mL），23 ℃發(fā)酵7 d，經(jīng)四層紗布過濾、硅藻土澄清與巴氏滅菌（65 ℃、30 min）后得到成品。

1.3.2 復(fù)合果蔬酒主料配比優(yōu)化D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)

通過前期單因素試驗(yàn)確定當(dāng)主料配比為40%番茄汁、35%芒果汁、15%南瓜汁、10%枇杷汁時，復(fù)合果蔬酒的感官特性較好，其感官評分與番茄紅素含量分別為84.23分與15.16 μg/mL。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定番茄汁（A）、芒果汁（B）、南瓜汁（C）和枇杷汁（D）為4個參數(shù)，其中，A+B+C+D=100%，以感官評分（Y）為響應(yīng)值，采用Design Expert 8.0.6軟件中的D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)20組試驗(yàn)，編號為1～20，試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 復(fù)合果蔬酒主料配比優(yōu)化D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of D-optimal mixture design for optimization of the main ingredient ratio of compound fruit and vegetable wine

1.3.3 復(fù)合果蔬酒的感官評價方法

邀請10名具有高級品酒師職業(yè)資格證書的專業(yè)人士，參照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[28]并進(jìn)行適當(dāng)修改對復(fù)合果蔬酒進(jìn)行感官評價，滿分100分，具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 復(fù)合果蔬酒的感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory score standards of compound fruit and vegetable wine

1.3.4 感官評分模糊數(shù)學(xué)評價模型的建立[29-30]

（1）評價等級集V的確定

設(shè)評價等級集V。

V1代表優(yōu)、V2代表良、V3代表中、V4代表差，對應(yīng)分?jǐn)?shù)分別為100、75、50、25。

（2）評價權(quán)重集X的確定

外觀形態(tài)、香氣、滋味、典型性是構(gòu)成感官評價復(fù)合果蔬酒的因素。根據(jù)“主觀賦權(quán)法”[29-30]和復(fù)合果蔬酒感官評分標(biāo)準(zhǔn)（表2）得到權(quán)重集X。

（3）模糊評定矩陣的建立[31]

10名感官評定員按外觀形態(tài)、香氣、滋味、典型性4個因素對復(fù)合果蔬酒逐一評價，統(tǒng)計(jì)各質(zhì)量因素在每個等級中的票數(shù)，進(jìn)行歸一化得到復(fù)合果蔬酒的感官評價模糊關(guān)系矩陣R；然后對各組指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果建立隸屬度矩陣，根據(jù)模糊變換原理得出感官評分Y。

（4）評定結(jié)果

對各個模糊矩陣的結(jié)果進(jìn)行賦值。將模糊向量單值化排序與賦值結(jié)果相乘后求和，最終得到每個試驗(yàn)組的得分[29-30]。

1.3.5 番茄紅素含量的測定

番茄紅素的提取工藝參照徐媛等[32]并略作修改：精確吸取10 mL復(fù)合果蔬酒（或果汁原料）于100 mL三角瓶中，加入15 mL體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇預(yù)處理30 min，4 ℃、12000r/min離心10min，所得沉淀物加入30mL石油醚，30℃、180 r/min避光浸提3.8 h；浸提后避光靜置10 min，有機(jī)相即為番茄紅素提取液。參照張連富等[33]的方法測定番茄紅素含量。

1.3.6 復(fù)合果蔬酒理化指標(biāo)的測定

總糖含量的測定：采用直接滴定法[34]；總酸含量的測定：采用電位滴定法[35]；酒精度的測定：采用密度瓶法[36]；干浸出物含量的測定：采用密度瓶法[28]。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 20.0處理數(shù)據(jù)，采用Design Expert 8.0.6作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合果蔬酒主料配比優(yōu)化D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 復(fù)合果蔬酒感官評分的模糊數(shù)學(xué)綜合評判結(jié)果

10位感官評定專家分別對復(fù)合果蔬酒的外觀形態(tài)、香氣、滋味和典型性進(jìn)行感官評定，試驗(yàn)號為1的復(fù)合果蔬酒的感官評定結(jié)果（各等級評定人數(shù)）見表3。

由表3可知，感官評定小組中有7位專家認(rèn)為1號試驗(yàn)組的復(fù)合果蔬酒外觀形態(tài)等級為優(yōu)，2位認(rèn)為等級為良，1位認(rèn)為等級為中。所以R外觀形態(tài)=（0.7，0.2，0.1，0），同理可得R香氣=（0.6，0.1，0.1，0.2），R滋味=（0.7，0.1，0.1，0.1），R典型性=（0.6，0.2，0.1，0.1）。將上述指標(biāo)轉(zhuǎn)化為矩陣，即：

表3 1號試驗(yàn)組的復(fù)合果蔬酒的感官評分結(jié)果Table 3 Sensory score results of compound fruit and vegetable wine No.1

根據(jù)模糊變化原理Y=X×R×VT，即試驗(yàn)號1復(fù)合果蔬酒的評價結(jié)果為：

將試驗(yàn)號為1的復(fù)合果蔬酒的數(shù)據(jù)模糊向量賦值得到其得分為83.63分，以該方法對20個試驗(yàn)小組進(jìn)行綜合模糊評判。

2.1.2D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

以復(fù)合果蔬酒的感官評分（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)原理，通過Design Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面法試驗(yàn)，考察番茄汁（A）、芒果汁（B）、南瓜汁（C）和枇杷汁（D）4個因素對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響，結(jié)果見表4，方差分析見表5。

表4 復(fù)合果蔬酒主料配比優(yōu)化D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Design and results of D-optimal mixture design for optimization of main ingredient ratio of compound fruit and vegetable wine

表5 回歸模型的方差分析Table 5 Variance analysis of regression model

續(xù)表

經(jīng)Design Expert 8.0.6軟件對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到復(fù)合果蔬酒的感官評分（Y）的回歸方程：

由表5可知，響應(yīng)面模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)（P=0.245 8）不顯著（P＞0.05），表明模型擬合程度較好、誤差較小[37]，可以利用該響應(yīng)面模型優(yōu)化番茄汁、芒果汁、南瓜汁和枇杷汁的配比。由表5亦可知，交互項(xiàng)ABC對結(jié)果影響顯著（P＜0.05），交互項(xiàng)AB、AC、BC、CD、ABD、ACD和BCD對結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），表明可以利用回歸方程確定復(fù)合果蔬酒的感官評分。

各主料配比的交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分影響的響應(yīng)面及等高線見圖1。由圖1知，因素A、B和C之間的交互作用對感官評分所形成的響應(yīng)面坡度最為平緩，等高線趨于圓形，而因素B、C和D之間的交互作用對感官評分所形成的響應(yīng)面坡度最為陡峭，等高線呈橢圓形，表明番茄汁、芒果汁和南瓜汁之間的交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響最小，芒果汁、南瓜汁和枇杷汁之間的交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分的影響最大。該結(jié)果與表5方差分析所得結(jié)果一致。

圖1 各主料配比間交互作用對復(fù)合果蔬酒感官評分影響的響應(yīng)面及等高線Fig.1 Response surface plots and contour lines of interaction between the main ingredient ratio on sensory score of compound fruit and vegetable wine

2.1.3 復(fù)合果蔬酒主料配比優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)

在各主料的變化范圍（表1）內(nèi)，通過復(fù)合果蔬酒感官評分的回歸方程得出感官評分前十的主料配比（分別編號為1#～10#），對這十組主料配比進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)合果蔬酒釀造，然后對其進(jìn)行感官評分并測定番茄紅素含量，結(jié)果見表6。

表6 十種主料配比復(fù)合果蔬酒的感官評分與番茄紅素含量Table 6 Sensory score and lycopene content of compound fruit and vegetable wine with 10 main ingredient ratio

由表6可知，復(fù)合果蔬酒感官評分實(shí)際值最高的是2#試樣，為（96.07±0.63）分，其次是1#試樣，為（95.93±0.50）分，再次是4#試樣，為（95.80±0.50）分；3個試樣的番茄紅素含量最高的也是2#試樣，且顯著高于其他兩個試樣（P＜0.05）。復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量最高的是7#試樣，為（19.57±0.52）μg/mL，其次是10#試樣，為（19.44±0.58）μg/mL，再次是6#試樣，為（19.32±0.48）μg/mL；3個試樣的感官評分由高到低的順序?yàn)?#＞6#＞10#。由此比較7#試樣與22號試樣的感官評分與番茄紅素含量，發(fā)現(xiàn)7#試樣的番茄紅素含量較2#試樣提高了5.73%，而感官評分降低了1.31%，故選擇7#試樣的主料配比作為富含番茄紅素的復(fù)合果蔬酒主料配比，其主料配比為番茄汁39.8%、芒果汁36.2%、南瓜汁16.0%和枇杷汁8.0%。

四種富含番茄紅素的果蔬汁按照7#試樣的主料配比混合發(fā)酵后，雖然復(fù)合果蔬酒中番茄紅素的含量較番茄汁（156.62μg/mL）、芒果汁（31.43μg/mL）及南瓜汁（27.06μg/mL）有所降低，但顯著高于（P＜0.05）優(yōu)化前復(fù)合果蔬酒中番茄紅素的含量（15.16 μg/mL）。由于試驗(yàn)選用的番茄品種是千禧果，其番茄紅素的含量大約是普通番茄的8～10倍[11]，故由千禧果作為其中一種主要原料所釀造的復(fù)合果蔬酒番茄紅素含量也顯著高于用普通番茄釀造的番茄酒（2～4 μg/mL）[38-39]。加之利用多種原料釀造的復(fù)合果蔬酒可以彌補(bǔ)單一原料釀酒在色、香、味及營養(yǎng)成分和保健價值方面存在的不足和缺陷[40]。因此，選用番茄紅素較高的原料及原料之間適當(dāng)?shù)谋壤轻勗旄泄偬匦詢?yōu)良且富含番茄紅素的復(fù)合果蔬酒的重要條件。

2.2 復(fù)合果蔬酒的理化指標(biāo)

在最優(yōu)主料配比條件下得到的復(fù)合果蔬酒的總糖含量為（9.27±0.19）g/L，總酸含量為（0.63±0.04）g/100 mL，酒精度為（8.57±0.22）%vol，干浸出物含量為（29.46±1.05）g/L，均符合QB/T 5476—2020《果酒通用技術(shù)》要求[41]。

3 結(jié)論

以感官評分及番茄紅素含量為評價指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)感官評價法和D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)得到復(fù)合果蔬酒的最優(yōu)主料配比為番茄汁39.8%、芒果汁36.2%、南瓜汁16.0%和枇杷汁8.0%，在此基礎(chǔ)上，采用復(fù)合果蔬酒的釀造工藝，可獲得橙紅透明、果香與酒香濃郁、滋味醇和的復(fù)合果蔬酒，其感官評分與番茄紅素含量分別為（94.81±0.47）分與（19.57±0.52）μg/mL，各項(xiàng)理化指標(biāo)均符合QB/T 5476—2020《果酒通用技術(shù)》要求。