模糊數學綜合評價法優(yōu)化黃精山楂果糕制備工藝及品質分析

摘要：文章以山楂和大葉黃精為原材料，采用超聲輔助酶法對黃精多糖進行提取；在單因素試驗的基礎上，采用模糊數學分別結合響應面設計和正交試驗優(yōu)化黃精山楂復合果糕配方和成型工藝。試驗結果表明，黃精山楂復合果糕最佳配方為黃精多糖添加量30.62%、赤蘚糖醇添加量30.81%、復合膠添加量2.63%（瓊脂∶卡拉膠為 2∶1）、檸檬酸添加量0.10%；最佳成型工藝為烘烤溫度55 ℃、烘烤時間6 h、烘烤厚度6 mm。與兩款市售產品進行對照，結果顯示復合果糕的質構特性發(fā)生改變，特別是黏性比原味山楂糕降低了91.91%；并且復合果糕的總糖含量顯著低于市售產品，其水分含量、總黃酮含量、總酚含量和抗氧化性均高于市售產品，更有益于人體健康。該研究結果表明黃精山楂復合產品可行，具有實際意義，可為黃精和山楂在功能性食品領域的開發(fā)提供參考。

關鍵詞：黃精多糖；山楂；模糊數學；工藝優(yōu)化；品質分析

中圖分類號：TS255.4 """""文獻標志碼：A """"文章編號：1000-9973（2024）12-0021-09

Optimization of Preparation Process of Rhizoma Polygonati and Hawthorn

Fruit Cake by Fuzzy Mathematics Comprehensive Evaluation

Method and Quality Analysis

HE Yun-jing1， YANG Zhong-qin1， KANG Li-li2， XIE Yong-mei3，

WANG Zhan-guo1，2，4*， LI Jing-zhong5

（1.School of Food and Bioengineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China; 2.School of

Pharmacy， Chengdu University， Chengdu 610106， China; 3.State Key Laboratory of Biotherapy，

West China Hospital， Sichuan University， Chengdu 610041， China; 4.School of Basic

Medical Sciences， Chengdu University， Chengdu 610106， China; 5.Sichuan

Jingzhong Guiben Pharmaceutical Co.， Ltd.， Dazhou 635200， China）

Abstract： In this paper， with hawthorn and Polygonatum kingianum var. grandifolium as the raw materials， ultrasonic-assisted enzymatic method is used to extract polysaccharides from rhizoma polygonati. On the basis of single factor test， fuzzy mathematics is used to optimize the formula and the molding process of rhizoma polygonati and hawthorn composite fruit cake by combining with response surface design and orthogonal test respectively. The test results show that the optimal formula of rhizoma" polygonati and hawthorn composite fruit cake is the addition amount of rhizoma polygonati polysaccharides of 30.62%， the addition amount of erythritol of 30.81%， the addition amount of composite gum （agar∶carrageenan is 2∶1）

收稿日期：2024-07-18

基金項目：四川大學-達州校市合作專項資金項目（2022CDDZ-19）

作者簡介：何云婧（1999—），女，碩士，研究方向：藥食同源中藥保健食品研究與開發(fā)。

*通信作者：王戰(zhàn)國（1981—），男，教授，博士，研究方向：藥食同源中藥保健食品研究與開發(fā)。

of 2.63%， and the addition amount of citric acid of 0.10%; the optimal molding process is the baking temperature of 55 ℃， the baking time of 6 h and the baking thickness of 6 mm. The fruit cake is compared with two commercially available products. The results show that the texture properties of the composite fruit cake change， especially the viscosity， which decreases by 91.91% compared with original hawthorn cake， the total sugar content of the composite fruit cake is significantly lower than that of commercially available products， and its water content， total flavonoid content， total phenol content and antioxidant activity are all higher than those of commercially available products， which is more beneficial to human health. The research results show that the composite product of rhizoma polygonati and hawthorn is feasible and has practical significance， which can provide references for the development of rhizoma polygonati and hawthorn in the field of functional food.

Key words： rhizoma polygonati polysaccharides; hawthorn; fuzzy mathematics; process optimization; quality analysis

黃精（Polygonatum sibiricum），百合科黃精屬，是一種藥食同源植物，距今已有2 000多年的食、藥用歷史?！吨袊幍洹分杏涊d黃精具有補氣養(yǎng)陰、健脾、潤肺、益腎等功效［1］。大葉黃精（P.kingianum var.grandifolium）作為滇黃精變種，于1981年首載于《四川植物志》［2］。黃精多糖是黃精的主要活性成分，具有降糖、降脂［3］、抗癌［4］、免疫調節(jié)［5］、調節(jié)腸道菌群和腸道功能［6］、抗氧化［7］、解決隱性饑餓［8］等多種功效，有很高的研究價值。

山楂（Crataegus pinnatifida Bunge），薔薇科山楂屬，是傳統(tǒng)的藥食兩用植物，富含膳食纖維、果膠、抗壞血酸、氨基酸等，具有多重藥理活性和作用，被稱為“營養(yǎng)果”［9］，廣泛應用于多種藥品、食品和保健品中，特別是在健胃消食［10］、抗氧化［11］、降血糖、降血脂［12］、保護心血管［13］等方面發(fā)揮有效作用。

目前市場上的山楂類產品主要為山楂糕、果丹皮、糖葫蘆等，但都屬于高糖食品，不能滿足人們對健康低糖食品的需求，限制了山楂行業(yè)的發(fā)展。此前對于低糖山楂制品的研究僅限于使用代糖替代蔗糖［14］。在本研究中加入黃精多糖，既能提供一部分甜味，又能提高果糕的營養(yǎng)價值，采用模糊數學法結合響應面試驗和正交試驗優(yōu)化生產過程中所用的原輔料和工藝，充分利用山楂與黃精本身的口感和營養(yǎng)價值，擴大產品的消費群體，為黃精和山楂在功能性食品領域的開發(fā)提供了一定思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大葉黃精：四川省達州市渠縣新市鄉(xiāng)黃精基地；山楂：山東省臨朐縣；赤蘚糖醇、卡拉膠、瓊脂、檸檬酸、纖維素酶：河南糖柜食品有限公司；無水乙醇：成都金山化學試劑有限公司；無水甲醇、濃硫酸：成都市科隆化學品有限公司；苯酚：福晨（天津）化學試劑有限公司；無水葡萄糖、蘆丁、沒食子酸、DPPH、ABTS+：上海源葉生物科技有限公司；結晶氯化鋁、乙酸鉀、無水碳酸鈉、過硫酸鉀：廣東光華科技股份有限公司；福林酚：上海麥克林生化科技股份有限公司，以上試劑均為分析純。

FA2004電子分析天平 常州市幸運電子設備有限公司；DHG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；KQ-500DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；MZB-30蒸鍋 京東廣漢信成貿易有限公司；XT-500A多功能粉碎機 永康市紅太陽機電有限公司；RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；HH-56數顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司；H1M多功能微孔板檢測儀 廣州市達瑞生物技術股份有限公司；DL-1萬用電爐 北京中興偉業(yè)世紀儀器有限公司；TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 制作方法

1.2.1 黃精多糖提取

根據實驗室前期研究，選用超聲輔助酶法提取黃精多糖，提取條件：提取時間100 min、加酶量2.35%、料液比1∶40、提取溫度30 ℃、提取功率375 W，再于100 ℃水浴加熱10 min進行滅酶處理，得到黃精多糖溶液，最后用旋轉蒸發(fā)儀進行濃縮，濃縮至250 g。

1.2.2 黃精山楂果糕工藝流程

原料選擇→清洗→預處理→護色→預煮→打漿→過濾→復配→溶膠→熬煮濃縮→冷卻脫模→烘烤→成品→包裝。

1.2.3 操作要點

原料處理：鮮山楂去籽，切塊。將預處理后的山楂置于質量分數為 0.08%的異抗壞血酸溶液中浸泡3 min［15］，瀝水后備用。

預煮打漿：將護色后的山楂按照1∶1.5的比例與水混合，加熱軟化5 min。將山楂與水放入榨汁機中打漿2次，得到組織細膩的果漿。

溶膠：將復合膠充分攪拌，加入適量水醒膠10 min，加熱，使復合膠溶解。

混合調配和熬煮： 將山楂果漿、黃精多糖和赤蘚糖醇按一定比例混合，煮沸后改為小火，臨近終點時加入一定量的膠凝劑和檸檬酸，攪拌均勻。用硅膠鏟盛取，斜置，若不滴落，即為熬煮終點。

晾涼定型：趁熱倒入模具中，冷卻至室溫，脫模取出。

烘烤：置于烘箱中，選取最佳溫度、時間進行烘烤。

1.3 黃精山楂復合果糕配方的確定

1.3.1 感官評價

請10名食品專業(yè)人士組成感官評價小組，由評價人員對樣品的色澤、口感、風味、組織形態(tài)進行逐一評定，感官評價標準見表1。

1.3.2 單因素試驗設計

在前期預試驗的基礎上，確定果糕的基礎配方：以100 g山楂果漿為基準，分別添加30%黃精多糖濃縮液、25%赤蘚糖醇、2%復合膠（瓊脂∶卡拉膠為 2∶1）、0.15%檸檬酸。成型工藝基礎條件：烘烤時間4 h、烘烤厚度5 mm、烘烤溫度50 ℃。分別考察黃精多糖濃縮液添加量（10%、20%、30%、40%、50%）、赤蘚糖醇添加量（15%、20%、25%、30%、35%）、復合膠添加量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）、檸檬酸添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%）、烘烤溫度（30，40，50，60，70 ℃）、烘烤時間（2，4，6，8，10 h）、烘烤厚度（2，4，6，8，10 mm）對制得果糕感官評分的影響。

1.3.3 模糊數學模型的建立［16］

1.3.3.1 評價對象

評價對象集是指評定的黃精山楂果糕樣品的集合，用Xj 代表第j組果糕的綜合評價結果。

1.3.3.2 評價指標

評價指標集是評價指標的集合。選擇黃精山楂果糕的色澤、口感、風味、組織形態(tài)為評價指標，設U1=色澤，U2=口感，U3=風味，U4=組織形態(tài)，得到U={U1，U2，U3，U4}。

1.3.3.3 評價等級

評價等級集是對各因素評價分級的集合。本試驗將黃精山楂復合果糕分為3個等級，S={S1，S2，S3}，其中 S1、S2、S3 分別代表優(yōu)、良、中。

1.3.3.4 評價權重

權重反映各因素在感官評價中重要性的強弱。參照文獻［17］的方法，采用“0～4評分法”確定權重。共邀請10名感官評價人員對各因素進行打分，然后將其得分與總分相比計算出權重系數，表示為W=（Wl，W2，W3，W4）。

1.3.3.5 矩陣分析感官評分

感官評價人員分別根據評價標準對樣品進行評價，然后將結果中優(yōu)、良、中的次數除以評價人員數，得到評價因素集中優(yōu)、良、中所占比例，建立樣品的模糊矩陣R，再依據公式X=W·R計算各果糕的綜合評價結果。為了更好地比較各樣品的感官品質，分別賦予優(yōu)、良、中3個等級95，80，65分，再將綜合評價結果的各數值乘以對應的等級分數，結果相加可得出每個樣品的最終模糊數學感官評分。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，以黃精多糖添加量、赤蘚糖醇添加量、復合膠添加量為考察因素，以模糊數學感官評分為評價指標，采用Box-Behnken試驗設計原理對配方進行優(yōu)化，因素水平見表2。

1.3.5 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選擇烘烤時間、烘烤溫度、烘烤厚度設計三因素三水平L9（33）正交試驗，以模糊數學感官評分為依據，確定最佳成型工藝參數。正交試驗因素水平見表3。

1.4 黃精山楂復合果糕質量評價

1.4.1 質構比較分析

參考文獻［18］的方法并略作修改。質構測定指標包括硬度、黏性、彈性、咀嚼性、回復性。測試類型TPA，測試探頭型號P/50，測定前、測定時和測定后探頭速度均為1.0 mm/s，壓縮比40%，觸發(fā)力5.0 g。每組樣品平行測定3次。

1.4.2 理化指標比較分析

水分含量的測定：參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》［19］；總糖含量的測定：采用苯酚-硫酸比色法［20］；總黃酮含量的測定：采用三氯化鋁比色法［21］；總多酚含量的測定：采用福林酚法［22］。

1.4.3 抗氧化活性比較分析

進行DPPH自由基清除率和ABTS+自由基清除率測定［23］。

1.5 數據分析

采用Design-Expert V8.0.6.1軟件對響應面數據進行處理與分析，采用Excel 2016和 SPSS 27.0整理數據并進行相關分析，采用GraphPad Prism 9軟件作圖。所有試驗平行3次，結果以平均值±標準差表示。

2 結果

2.1 黃精山楂復合果糕配方和工藝單因素試驗

由圖1中A可知，黃精多糖添加量對復合果糕的影響呈單峰狀，黃精多糖添加量為30%時，感官評分最高，這是由于黃精多糖添加量過高會使果糕產生苦澀味，因此，確定黃精多糖添加量的范圍為20%～40%。由圖1中B可知，由于山楂有濃重的果酸味，故赤蘚糖醇對黃精山楂果糕風味的影響較大，當赤蘚糖醇添加量達到30%時，感官評分最高，因此，確定赤蘚糖醇添加量的范圍為25%～35%。復合膠添加量會影響果糕的口感和組織形態(tài)，由圖1中C可知，隨著復合膠添加量的增加，感官評分逐漸上升，達到峰值后趨于平緩，因此，確定復合膠添加量的范圍為2.0%～3.0%。檸檬酸的加入是為了護色，但是過量加入會使得口感偏酸，由圖1中D可知，當檸檬酸添加量超過0.10%后感官評分逐漸下降，但由于山楂糕保留了一定的果酸味，檸檬酸對感官評分的影響較小，所以最佳檸檬酸添加量為0.10%。成型工藝對果糕的口感和組織形態(tài)影響較大，由圖1中E可知，烘烤溫度在50 ℃和60 ℃時感官評分接近，因此，確定烘烤溫度的范圍為50～60 ℃。由圖1中F可知，當烘烤時間為6 h時感官評分出現(xiàn)峰值，因此，確定烘烤時間的范圍為5～7 h。由圖1中G可知，感官評分隨著烘烤厚度的增加先上升后下降，當烘烤厚度為6 mm時感官評分最高，所以，確定烘烤厚度的范圍為5～7 mm。

2.2 模糊數學模型分析

2.2.1 權重的確定

采用“0～4評分法”確定權重，10位評價員的評分結果見表4。本試驗將黃精山楂復合果糕各感官指標的權重系數確定為色澤0.17，口感0.3，風味0.35，組織形態(tài)0.18，即W=（0.17，0.3，0.35，0.18）。在影響黃精山楂果糕感官品質的4個因素中，風味所占權重最大，口感、組織形態(tài)次之，色澤所占權重最小。

2.2.2 模糊矩陣的建立

10名評價人員對復合果糕17組響應面試驗產品的評價結果見表5，對9組正交試驗產品的評價結果見表6。參照文獻［16］的方法建立模糊矩陣，以響應面試驗1號產品為例，R色澤=（8，2，0）；R口感=（9，1，0）；R風味=（8，2，0）；R組織形態(tài)=（9，1，0），將評價結果轉化為矩陣：R1=8/102/1009/101/1008/102/1009/101/100=0.80.200.90.100.80.200.90.10。

同理得到其他樣品的模糊矩陣。

2.2.3 感官評價結果

根據模糊矩陣計算公式X=W·R，其中，W=（0.17，0.3，0.35，0.18）為常向量，以響應面試驗1號產品為例， 計算結果如下：

X1=W·R1=（0.17，0.3，0.35，0.18）×0.80.200.90.100.80.200.90.10=（0.848，0.152，0）。

同理得到其他樣品的綜合評價結果。

根據山楂果糕的評價等級集，優(yōu)、良、中3個等級分別為95，80，65分，將綜合評價結果的各數值乘以對應的等級分數，結果相加得到每個樣品的最終感官評分。以響應面試驗1號產品為例，T1=（0.848，0.152，0）×（95，80，65）=92.720。同理得到其他樣品的最終感官評分。

2.3 響應面優(yōu)化果糕配方結果

運用Box-Behnken試驗設計建立數學模型，確定檸檬酸添加量為0.10%，以黃精多糖添加量、赤蘚糖醇添加量和復合膠添加量為變量，以模糊數學法得出的感官評分為響應值，三因素三水平響應面試驗設計與結果見表7。

通過擬合得到二次回歸方程：Y=92.49+0.87A+0.041B+1.02C－0.88AB－0.54AC+2.94BC－4.66A2－2.14B2－2.94C2。由表8可知，模型的Plt;0.000 1，說明模型極顯著；失擬項的P=0.502 2gt;0.05，失擬項不顯著，說明回歸模型可靠。R2=0.993 8，說明模型所得的感官評分實際值與預測值間的擬合度較好，RAdj2＝0.985 8，表明98.58%的試驗數據可用該模型解釋。綜上，該模型可用于黃精山楂復合果糕配方優(yōu)化。由F值可知，各因素對黃精山楂復合果糕感官評分影響的主次順序為復合膠添加量（C）gt;黃精多糖添加量（A）gt;赤蘚糖醇添加量（B）。

等高線是響應面在水平方向的投影，它的形狀可以表示交互作用的強弱，橢圓形說明兩因素的交互作用顯著［24］。由圖2～圖4可知，赤蘚糖醇添加量和復合膠添加量的交互作用最顯著，與方差分析結果一致。

模型預測的最佳配方為黃精多糖添加量30.62%、赤蘚糖醇添加量30.81%、復合膠添加量2.63%，在此配方下得到的感官評分預測值為92.648分，經過3次驗證，得出實際驗證值為（93.110±0.36）分，略高于模型理論值，表明模型可靠，具有實用價值。

2.4 正交試驗優(yōu)化成型工藝結果

通過模糊數學法得出9組正交試驗感官評分結果，見表9。

由表9可知，第4組試驗感官評分最高，為93.770分，對應的組合為A′2B′1C′2。由正交試驗的極差R可知，各因素影響大小順序為A′gt;C′gt;B′。通過k值分析可知，最佳試驗配方為A′2B′2C′2，與正交試驗結果不同，故在最佳配方條件下重復3次試驗，感官評分平均值為93.235分，與最優(yōu)結果差異不顯著。故可知最佳成型工藝為A′2B′2C′2，即烘烤時間為6 h，烘烤溫度為55 ℃，烘烤厚度為6 mm。

2.5 黃精山楂復合果糕的品質比較分析

2.5.1 產品質構比較分析

利用本研究得出的最佳配方與最佳成型工藝制作黃精山楂果糕，將其與市售原味山楂糕和木糖醇山楂糕進行品質比較分析。產品質構比較分析結果見表10，市售山楂糕的黏性在－856.15～－708.76 g/s，因黃精山楂果糕含糖量降低且未加入麥芽糖，黏性顯著降低，僅為－69.24 g/s，回復性則高于其余兩種產品。黃精山楂果糕采用果漿制作，其固形物含量更高，因此硬度比原味山楂糕高22.34%，咀嚼性降低25.71%；彈性比木糖醇山楂糕低27.96%。

2.5.2 產品理化指標和抗氧化能力比較分析

2.5.2.1 理化指標比較分析

兩款市售山楂糕呈棗紅色，而黃精山楂果糕呈粉紅色。由表11可知，黃精山楂復合果糕的水分含量顯著高于兩款市售山楂糕，這是因為高濃度的糖會提高山楂中果膠的凝膠反應，達到脫水效果，使得口感更有彈性和黏性［25］。復合果糕的總糖含量比原味山楂糕低65.10%，比木糖醇山楂糕低39.44%，原味山楂糕在制作過程中加入了大量蔗糖和麥芽糖，復合果糕在制作過程中加入了黃精多糖和赤蘚糖醇，以達到相似的甜度，并且黃精多糖具有多種藥理作用，有益于人體健康。木糖醇與赤蘚糖醇都屬于代糖，不會被人體吸收，但復合果糕的總糖含量更低，更加符合減糖的目的。山楂具有強抗氧化效果，黃酮和多酚都是強抗氧化劑，黃精山楂糕的總黃酮含量為3.33 mg/g，總多酚含量為6.37 mg/g，均顯著高于兩款市售山楂糕，表明其抗氧化效果更好。

2.5.2.2 DPPH自由基清除率比較分析

由圖5可知，黃精山楂果糕與市售山楂糕的甲醇提取物對DPPH自由基的清除能力隨著濃度的增加而增加，但是黃精山楂果糕的DPPH自由基清除能力高于市售山楂糕，最高達到96.45%。

2.5.2.3 ABTS+自由基清除率比較分析

由圖6可知，黃精山楂糕與市售山楂果糕的甲醇提取物對ABTS+自由基的清除能力也呈劑量依賴性，且復合果糕的ABTS+自由基清除能力顯著高于原味山楂糕與木糖醇山楂糕，展示出強大的抗氧化能力，表明復合果糕具有減輕生物體氧化損傷的能力。

3 結論

試驗以傳統(tǒng)藥食同源作物黃精和山楂作為原料，通過單因素試驗，以模糊數學綜合評價法得出綜合評分，結合響應面試驗優(yōu)化配方，結合正交試驗優(yōu)化成型工藝。結果表明，黃精山楂復合果糕最佳配方為黃精多糖添加量30.62%、赤蘚糖醇添加量30.81%、復合膠添加量2.63%（瓊脂∶卡拉膠為2∶1）、檸檬酸添加量0.10%。影響感官評分的因素主次順序為復合膠添加量gt;黃精多糖添加量gt;赤蘚糖醇添加量；最佳成型工藝為烘烤溫度55 ℃、烘烤時間6 h、烘烤厚度6 mm，各因素影響順序為烘烤時間gt;烘烤厚度gt;烘烤溫度。黃精山楂復合果糕與市售的原味山楂糕和木糖醇山楂糕進行品質比較，結果表明黃精山楂復合果糕的硬度比原味山楂糕高22.34%，回復性增加了12.82%，黏性降低了91.91%，彈性、咀嚼性分別降低了26.37%和25.71%。因為采用赤蘚糖醇替代蔗糖和麥芽糖，總糖含量降低了65.10%。同時黃精多糖的加入使得總黃酮含量比原味山楂糕增加了59.33%，總多酚含量比原味山楂糕增加了6.17%，對DPPH自由基和ABTS+自由基的清除率呈現(xiàn)濃度依賴性，最高清除率分別達到96.45%和94.09%，顯示出了較強的抗氧化能力。本研究開發(fā)出一款具有強抗氧化能力的低糖黃精山楂果糕，更加有益于人體健康，為黃精和山楂在功能性食品領域的開發(fā)提供了一定思路。

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