模糊综合评判结合响应面法优化鹰嘴豆酸奶发酵工艺

宋小娟，李 会，杨永迪，廖 丹，张子若，周 艳

（贵州医科大学 公共卫生与健康学院，贵州 贵阳 550025）

近年来，国民健康意识逐步提升，推动着消费需求不断迭代升级，植物基制品迎来新的发展机会，逐渐成为全球食品行业关注的焦点[1]。与动物蛋白相比，植物基食品具有低脂肪、对环境友好等属性，满足了当代消费需求，顺应了时代的健康环保潮流，拥有广阔的市场前景[2]。植物基饮品迅猛发展，已在许多不同类别中带来了空前的创新，尤其是植物奶慢慢取代动物奶，中国将是主要的植物基酸奶需求国之一[3]。

鹰嘴豆（Cicer arietinum）蛋白质含量为15%～30%，且蛋白质成分非常接近牛乳、鸡蛋、鱼和肉等动物来源的优质蛋白，作为新型的植物蛋白质资源，其蛋白质的生物利用率高[4]；
除此之外，氨基酸种类丰富，高达18种，包括人体必需的8种氨基酸[5]。因此，鹰嘴豆是一种很好的植物氨基酸补充剂，对儿童成长期间智力发育、骨骼生长及中老年人的身体健康具有重要作用，也可以与椰浆一起食用弥补氨基酸的不足[6-7]。近年来，我国学者相继研发出不同鹰嘴豆产品，如刘晓宇[8]以鹰嘴豆作为原料研制出了鹰嘴豆纳豆产品；
候贺丽等[9]以鹰嘴豆粉为原料研制出一款鹰嘴豆面包；
田歌等[10]以葡萄籽和鹰嘴豆作为原料研制出了葡萄籽鹰嘴豆复合发酵饮料。但鹰嘴豆适口性差、难消化的成分易引发胀气等制约了其开发利用[11-12]。研究发现，新型植物性产品的一个趋势是将发酵工艺应用于植物乳，发酵是一种有效解决上述问题的途径，而且乳酸菌及其代谢产物还能促进人体肠道有益菌群的生长[13]。鹰嘴豆在开发新型植物基发酵饮料方面可成为大豆替代品，在以双歧杆菌（Bifidobacterium）、动物双歧杆菌乳酸亚种（Bifidobacterium animalissubsp.lactis）和嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）的混合菌种为发酵剂，添加的鹰嘴豆粉可提高搅拌型酸奶黏度，促进益生菌生长，提高酸奶感官品质[14-15]。此外，乳酸菌在生长代谢过程中不仅能够有效降低豆乳中的豆腥味，还能产生醇香、清爽的酸奶香味。同时，乳酸菌还能利用鹰嘴豆中的碳源产酸，赋予发酵乳细腻的凝乳质地和酸甜滑润的口感[16]。发酵后的鹰嘴豆酸奶的风味品质具有更为广泛的接受度[17]。

本研究拟采用鹰嘴豆、椰浆为主要原料，白砂糖为辅料，保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）与嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）为发酵菌种发酵制备鹰嘴豆酸奶，以持水力、感官评分的模糊综合评判值为评价指标，利用响应面法结合模糊综合评判法对其发酵工艺进行优化，以期为植物基发酵饮品的研究提供理论依据及数据支撑，拓宽了鹰嘴豆的加工途径，增加其附加值。

1.1 材料与试剂

鹰嘴豆：哈尔滨鑫恒德食品有限公司；
椰浆：山东鸿超食品有限公司；
白砂糖（食用级）：浙江华康药业股份有限公司；
嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）、保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）：保加利亚科迪纳有限公司；
磷酸氢二钾（分析纯）：天津市科密欧化学试剂有限公司；
柠檬酸铵、硫酸钾（均为分析纯）：成都金山化学试剂有限公司；
无水硫酸铜（分析纯）：天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

N1510酶标仪、ST-8R高速冷冻离心机：赛默飞世尔科技有限公司；
SW-CJ-1F超净工作台：苏州净化设备有限公司；
SHP-160智能生化培养箱：上海三发科学仪器有限公司；
YXQ-50SII立式压力蒸汽灭菌器：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；
DJ-5S黏度计：上海伦捷机电仪表有限公司；
KND凯氏定氮仪：浙江托普云农科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鹰嘴豆酸奶发酵工艺流程及操作要点

鹰嘴豆→挑选→浸泡→打浆→冷却→复配→杀菌→接种→均质→发酵→冷藏后熟→成品

操作要点：

挑选：选择颗粒饱满无病虫害、无霉烂的鹰嘴豆。

浸泡：将鹰嘴豆用无菌蒸馏水浸泡12 h。

打浆：按鹰嘴豆∶水=1∶9（g∶mL）进行打浆。

冷却：打浆后的鹰嘴豆浆冷却至室温。

复配：鹰嘴豆浆中按比例加入10%椰浆和6%白砂糖，混合。

杀菌：混合浆液85 ℃杀菌30 min。

接种：接入0.1%混合菌种，嗜热链球菌及保加利亚乳杆菌按1∶1（V/V）混合。

均质：在15 MPa条件下，使用高压均质机对混合发酵液进行均质。

发酵：混合发酵液置于42 ℃恒温培养箱中发酵10 h。

冷藏后熟：将发酵后的样品置于4 ℃条件下冷藏6 h得到鹰嘴豆酸奶成品。

1.3.2 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化单因素试验

以感官评分和持水力的模糊综合评判值为评价指标，分别考察鹰嘴豆浆添加量（30%、40%、50%、60%、70%）、椰浆添加量（0、5%、10%、15%、20%）、白砂糖添加量（5%、6%、7%、8%、9%）、发酵时间（6 h、7 h、8 h、9 h、10 h、11 h）对鹰嘴豆酸奶品质的影响。

1.3.3 模糊综合评判模型的建立

根据参考文献[18]，对相应指标采用模糊综合评判法进行多目标综合评判，利用极值法对相应的指标进行无量纲转化。因素集X=｛X1，X2｝={感官评分，持水力}；
权重系数集W=｛W1，W2｝={感官评分，持水力}=｛0.7，0.3｝。复合植物基酸奶的感官评分和持水力越大，说明其品质更好，因此，其无量纲转化函数关系式为：Xi=yi/ymax（yi表示某单因素中样品感官评分或持水力对应数值；
ymax表示某单因素中样品感官评分或持水力的最大值）；
模糊综合评判值Y=W1X1+W2X2。

1.3.4 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化响应面试验

根据单因素试验结果，利用Box-Behnken的中心组合试验设计原理，以鹰嘴豆浆添加量（A）、椰浆添加量（B）、白砂糖添加量（C）3个因素为自变量，以感官评分和持水力的模糊综合评判值为响应值，利用响应面法对鹰嘴豆酸奶的发酵工艺进行优化，试验因素与水平见表1。

表1 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for fermentation process optimization of chickpea yoghurt

1.3.5 分析测定方法

感官评价：根据参考文献[19-20]制定感官评分标准，由经过统一感官培训后的10名食品专业学生组成评定小组，于独立空间内对样品进行感官评定，满分100分，以10人的平均分作为最终综合评分，具体评分标准见表2。

表2 鹰嘴豆酸奶的感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of chickpea yoghurt

理化指标：持水力、黏度、蛋白质含量、糖度根据文献[21-24]描述方法进行测定；
pH值采用pH计测定；
每个样品进行3次平行测定。

微生物指标：乳酸菌活菌数参考文献[25]测定，每个样品进行3次平行测定。

1.3.6 数据处理

利用Origin 2021进行绘图，利用Design Expert 13.0进行响应面试验设计及数据分析；
利用IBM SPSS Statistics 22.0进行数据统计分析，实验结果以“平均值±标准差”表示。

2.1 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化单因素试验

2.1.1 鹰嘴豆浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响

鹰嘴豆浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响见图1。由图1可知，随着鹰嘴豆浆添加量的增加，其感官评分呈现先增后降的趋势，持水力呈逐渐上升的趋势，分析原因可能是由于鹰嘴豆浆添加量少时，酸奶无明显鹰嘴豆味，稠度也不够，感官评分和持水力较低；
随着鹰嘴豆浆添加量增加，酸奶中鹰嘴豆的香味愈发浓郁，但当鹰嘴豆浆添加过量，酸奶黏稠度增加，细腻感减弱，口感较差[26]。当鹰嘴豆浆添加量为60%时，感官评分最高，为81.00分；
当鹰嘴豆浆添加量为70%时，持水力达到最高，为57.02%。通过模糊综合评判法可知，当鹰嘴豆浆添加量为60%时，模糊综合评判值最大，为0.95，因此，确定鹰嘴豆浆的最佳添加量为60%。

图1 鹰嘴豆浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响Fig.1 Effect of chickpea pulp addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.2 椰浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响

椰浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响见图2。由图2可知，随着椰浆添加量的增加，其感官评分呈现先升高后降低的趋势，持水力呈现先上升后趋于稳定的趋势，分析原因可能是由于椰浆含量越高，椰子固有风味随之增加，但过高反而掩盖了其他风味；
而且椰浆的添加量决定着酸奶的黏度，椰浆含量越高持水力也比较高[27]。当椰浆添加量为15%时，其感官评分最高，为82.20分；
当椰浆添加量为20%时，持水力最高，为53.47%。通过模糊综合评判法可知，当椰浆添加量为15%时，模糊综合评判值最大，为0.99，因此，确定椰浆的最佳添加量为15%。

图2 椰浆添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响Fig.2 Effect of coconut milk addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.3 白砂糖添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响

白砂糖添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响见图3。由图3可知，随着白砂糖添加量的增加，其感官评分和持水力均呈现先升高后降低趋势，分析原因可能是由于加入少量的白砂糖促进菌种的发酵，持水力呈上升趋势，但酸奶总体的甜度不够，感官评分较低；
过量的白砂糖提高了酸奶的渗透压，抑制了部分菌种的活性，导致持水力略有下降，酸奶整体偏甜，感官评分有所下降[28]。当白砂糖添加量为7%时，感官评分最高，为85.80分；
当白砂糖添加量为6%时，持水力最高，为51.65%。通过模糊综合评判法可知，当白砂糖添加量为7%时，模糊综合评判值最大，为1.00，因此，确定白砂糖的最佳添加量为7%。

图3 白砂糖添加量对鹰嘴豆酸奶品质的影响Fig.3 Effect of sugar addition on the quality of chickpea yoghurt

2.1.4 发酵时间对鹰嘴豆酸奶品质的影响

发酵时间对鹰嘴豆酸奶品质的影响见图4。由图4可知，随着发酵时间的增加，其感官评分和持水力均呈先升高后下降的趋势，分析原因可能是由于发酵时间较短，发酵不足，酸奶整体质地偏稀，且酸奶香味不足；
随着发酵时间的增加，酸奶逐渐浓稠，呈半固体状态，但是当发酵时间过长，乳清析出较多，影响酸奶的组织状态[29]。当发酵时间为7 h时，感官评分最高，为89.00分；
当发酵时间为10 h时，持水力最高，为50.63%。通过模糊综合评判法可知，当发酵时间为7 h时，模糊评判值最大，为0.98，因此，确定最佳发酵时间为7 h。

图4 发酵时间对鹰嘴豆酸奶品质的影响Fig.4 Effect of fermentation time on the quality of chickpea yoghurt

2.2 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化响应面试验结果与分析

根据单因素试验结果中鹰嘴豆浆添加量、椰浆添加量、白砂糖添加量、发酵时间对鹰嘴豆酸奶的感官评分和持水力的模糊综合评判值影响程度的大小，最终选取对鹰嘴豆酸奶品质影响较大的3个因素鹰嘴豆浆添加量（A）、椰浆添加量（B）、白砂糖添加量（C）作为自变量，感官评分及持水力的模糊综合评判值（Y）为响应值，对鹰嘴豆酸奶的发酵条件进行3因素3水平响应面优化，试验设计及结果见表3，方差分析结果见表4。

表3 鹰嘴豆酸奶发酵工艺优化响应面试验设计及结果Table 3 Design and results of response surface test for fermentation process optimization of chickpea yoghurt

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

利用响应面软件Design-Expert 13.0对表3试验结果进行多元二次回归拟合，得到鹰嘴豆酸奶模糊综合评判值的回归方程：

由表4可知，该模型的P＜0.000 1，极显著，具有统计学意义，失拟项的P值为0.671 6，不显著（P＞0.05），说明回归模型与实际情况较吻合，能够较好地预测试验的结果，模型的决定系数R2为0.994 0，说明该模型能够很好地描述试验结果，校正决定系数R2Adj为0.986 3，变异系数（coefficient of variation，CV）为0.54%，信噪比为33.336，表明实际值与预测值之间的拟合程度好，可信度高。综合可知，响应面法优化鹰嘴豆酸奶工艺条件是合理的。由表4亦可知，一次项A、B、C，交互项AC及二次项A2、B2、C2对结果影响极显著（P＜0.01）；
其他项对结果影响不显著（P＞0.05）。

采用Design-Expert 13.0软件绘制各因素间交互作用对鹰嘴豆酸奶品质影响的响应面及等高线，结果见图5。由图5可知，根据响应曲面的陡峭程度可知，鹰嘴豆浆添加量与椰浆添加量间交互作用对模糊综合评判值影响不显著（P＞0.05），鹰嘴豆浆添加量与白砂糖添加量间交互作用对模糊综合评判值影响极显著（P＜0.01），椰浆添加量与白砂糖添加量间交互作用对模糊综合评判值影响不显著（P＞0.05），这与方差分析所得的结果一致。

图5 各因素间交互作用对模糊综合评判值影响的响应面及等高线Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on fuzzy comprehensive evaluation value

通过响应面软件Design-Expert 13.0预测鹰嘴豆酸奶的最优发酵工艺参数为：鹰嘴豆浆添加量68.02%、椰浆添加量16.32%、白砂糖添加量6.90%，预测得到的感官评分为88.61分，持水力为56.64%，模糊综合评价值为0.97，为检验响应面法优化鹰嘴豆酸奶酸奶发酵条件的可靠性，结合实际情况调整最优参数为：鹰嘴豆浆添加量68%、椰浆添加量16%、白砂糖添加量7%。采用优化后的工艺参数进行验证试验，结果发现，鹰嘴豆酸奶的感官评分为89.20分，持水力为57.39%，模糊综合评价值为1，与预测值相差较小。说明该模型能够很好的预测鹰嘴豆酸奶发酵条件与模糊综合评判值之间的关系，证明利用响应面优鹰嘴豆酸奶发酵工艺的方法是科学可行的。

2.3 鹰嘴豆酸奶理化及微生物指标的测定

鹰嘴豆酸奶的理化及微生物指标见表5。

表5 鹰嘴豆酸奶理化及微生物指标Table 5 Physicochemical and microbial indexes of chickpea yogurt

由表5可知，在最优发酵条件下制备的鹰嘴豆酸奶的黏度为800.83 mPa·s，乳酸菌活菌数为8.33×106CFU/g，蛋白质含量为2.14g/100g，糖度为7.17°Bx，pH为4.22。其中活菌数、蛋白质含量、糖度以及pH均符合中国卫生监督协会发布的团体标准T/WSJD 12—2020《植物蛋白饮料植物酸奶》[30]中对复合植物酸奶的品质指标要求。

以鹰嘴豆、椰浆为主要原料，白砂糖为辅料，保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）与嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）为菌种发酵制备鹰嘴豆酸奶。采用单因素试验及响应面试验优化得到鹰嘴豆酸奶的最佳发酵工艺条件为鹰嘴豆浆添加量68%、椰浆添加量16%、白砂糖添加量7%，在42 ℃条件下发酵7 h，其口感嫩滑，酸甜可口，具有独特风味，感官评分为89.20分，持水力为57.39%，模糊综合评判值为1，其乳酸菌活菌数（8.33×106CFU/g）、糖度（7.17°Bx）、蛋白质含量（2.14 g/100 g）、pH（4.22）均符合中国卫生监督协会发布的团体标准T/WSJD 12—2020《植物蛋白饮料植物酸奶》中对复合植物酸奶的品质指标要求。

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