模糊数学评价法优化驴乳奶啤稳定性的预处理参数及香气成分分析

张剑林，殷 娜，陈言镕，王伟雄，邓宁致，宋晶晶，古丽米热·祖努纳，姚荣涛，徐 敏，武 运*

（1.新疆农业大学 食品科学与药学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.乌鲁木齐市奶业协会，新疆 乌鲁木齐 830000）

驴乳资源作为新疆特种乳源和富硒食品之一，有着得天独厚的发展优势，驴乳中总蛋白（1.57%～1.76%）、总脂肪（1.16%～1.47%）、硒（10 mg/100 g）、乳糖（6.33%～7.32%）、微量元素等的含量与牛乳、羊乳相比，更接近母乳[1-4]，是一种极有前途的母乳代用品，其丰富的营养价值逐渐受到消费者的青睐。国内在1995年雷天富等[5]对马奶啤酒生产工艺和各种配方进行详细介绍，国外对于驴乳奶啤的研究还鲜见报道。驴乳奶啤通过二次发酵制得，产品富含丰富的蛋白质、多种维生素和氨基酸等[6]，既具有啤酒适度杀口力等特征，又具有乳饮料的酸甜适口等特点[7-8]。由于奶啤是酸性乳饮料且含有大量乳脂肪和乳酪蛋白，在贮藏期间乳清析出、絮状沉淀等现象的产生，严重影响贮藏期和货架期的产品品质[9-11]。因此需加入适量的稳定剂、品质改良剂等，此外乳饮料的关键所在是在产品中添加适量的稳定剂，使产品预期的稳定状态有所改善[12-13]，选择复配稳定剂比单一稳定剂效果佳[14-15]。

模糊数学评价法（fuzzy math ematics evaluation method，FMEM）通过构建数学模型确定影响因素与评价指标，实现对样品感官品质的综合评判[16]，可有效弥补因传统主观因素评价导致客观误差大的不足[17]。主成分分析（principalcomponent analysis，PCA）可通过对众多变量的线性变换得出变量间的内在关联[18-19]。

本试验以驴乳奶啤为原料，通过添加复配稳定剂探讨其黏度、持水力及稳定性系数，此外以模糊数学评价法对不同预处理参数下的驴乳奶啤进行综合评价，结合气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技术实现预处理条件的优化，并综合运用模糊数学评价（FMEM）、主成分分析（PCA）对驴乳奶啤稳定性进行研究，以期为驴乳奶啤的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

驴乳奶啤（蛋白质2.8 g/100 g、脂肪1.6 g/100 g）：新疆农业大学食品科学与药学学院食品生物发酵与质量安全研究室研制；牛乳奶啤（蛋白质0.6 g/100 g、脂肪0.5 g/100 g）：新疆农业大学百顺超市；海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）：浙江汇泉生物科技有限公司；果胶：新疆阜丰生物科技有限公司；羧甲基纤维素钠（carboxymethyl cellulose-Na，CMC-Na）：山东力宏宝冠纤维素有限公司；海藻酸钠：青岛明月海藻集团有限公司；单甘脂：江苏佰耀生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

PTX-FA210电子天平：福州华志科学仪器有限公司；HWS-26型恒温水浴锅：光明医疗（北京）仪器厂；LDZX-50KBS高压灭菌锅：上海申安医疗器械厂；50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头及萃取手柄：上海安谱实验科技股份有限公司；TQ8040NX三重四极杆型气质联用仪：日本SHIMADZU公司；JM-L50型胶体磨：温州市龙湾永兴华威机械厂；SF-TDL-40D台式高速离心机：湘仪仪器（长沙）有限公司；SNB-2黏度计：上海方瑞仪器有限公司；TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 复配稳定剂对驴乳奶啤稳定性影响实验

取9份等量驴乳奶啤，编号为1～9号，稳定剂分别选取单甘脂（A）、海藻酸丙二醇酯（B）、果胶（C），1～9号驴乳奶啤样品经添加不同复配稳定剂条件处理：1号（0.05%A，0.10%B，0.20%C）、2号（0.15%A，0.10%B，0.20%C）、3号（0.15%A，0.20%B，0.20%C）、4号（0.05%A，0.15%B，0.10%C）、5号（0.10%A，0.15%B，0.20%C）、6号（0.10%A，0.20%B，0.30%C）、7号（0.15%A，0.15%B，0.30%C）、8号（0.10%A，0.10%B，0.10%C）、9号（0.15%A，0.15%B，0.10%C），分别用胶体磨处理2.5 min，经17 MPa压力下均质8 min后，在80 ℃条件下杀菌30 min，冷却后用玻璃瓶灌装储存。

1.3.2 分析检测

（1）离心沉淀率测定

准确称量10mL驴乳奶啤样品于离心管中，以3 000 r/min离心15 min后，倒去上清液，将离心管倒扣5 min后称量沉淀物质量[20]。离心沉淀率越大，说明此体系越不稳定，反之则越稳定。离心沉淀率计算公式如下：

式中：SR为离心沉淀率，%；m1为样品溶液离心后沉淀物的质量，g；m2为样品溶液离心前的质量，g。

（2）黏度的测定

利用SNB-1黏度计检测3次驴乳奶啤黏度，并将数据均值处理[21]。

（3）稳定性系数的测定

将驴乳奶啤样品在3 500 r/min的条件下离心10 min，取上清液稀释100 倍，在波长710 nm条件下测定其吸光度值A2，与离心前的吸光度值A1的比值为稳定性系数R，其计算公式如下：

若R≥95%，则表明产品稳定性良好[22]。

1.3.3 挥发性成分的测定

驴乳奶啤挥发性香气成分测定采用GC-MS法。

样品前处理：采用顶空-固相微萃取（head space solidphase micro-extractions，HS-SPME）法，吸取5 mL驴乳奶啤样品，放入20 mL带有硅胶垫帽的萃取瓶中，加入2.2 g NaCl，立即密封，于45 ℃水浴中预平衡15 min后，推出老化过的萃取头，顶空吸附40 min。取出萃取针头后进样，250 ℃解吸5 min。

GC条件：SHIMADZU InertCap WAX色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；程序升温：进样口温度为250 ℃，初始温度为40 ℃保持12 min，以4 ℃/min升至250 ℃。进样模式：不分流进样；色谱柱流速为1 mL/min。

MS条件：电离方式为电子电离（electronic ionization，EI）源；载气为高纯度氦气（He）；离子源温度230 ℃；数据采集方式Q3 Scan；扫描范围35～400 m/z。

定性定量方法：将分析得到的气相色谱图与质谱离子碎片图谱与美国国家标准技术研究所（national institute of standardsandtechnology，NIST）数据库中标准图谱进行比对，正反匹配率＞800的表示定性准确。按照面积归一化法来计算各种化合物的相对百分含量。

1.3.4 感官评定

由20名从事相关专业的人士组成感官评价小组，分别从添加复配稳定剂9组预处理条件下驴乳奶啤的色泽、口感、形态、风味等4个指标进行感官综合评价，满分100分，驴乳奶啤的感官评价标准见表1[23]。

表1 驴乳奶啤感官评价标准Table 1 Sensory evaluation standards of donkey milk beer

1.3.5 建立模糊数学综合评价模型

根据表1，对不同条件下驴乳奶啤的感官指标进行模糊数学综合评价，并建立评价级。

评价对象集U，代表进行感官评价的9种驴乳奶啤样品集合。U={u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9}，其中u1～u9分别代表9种不同发酵条件驴乳奶啤样品，uj代表9种驴乳奶啤的综合评价，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

评价因素集R={v1，v2，v3，v4}，其中，v1～v4分别代表评价驴乳奶啤的4个评价指标。即R={色泽，口感，形态，风味}。

评价得分集B={b1，b2，b3，b4}，其中，b1～b4分别代表优、良、中、差4个等级评价结果，对应的分值是90，80，70和60。即B={优，良，中，差}={90，80，70，60}。权重集X={x1，x2，x3，x4}，根据表1设置权重X={0.2，0.3，0.2，0.3}。

1.3.6 主成分分析

通过考察牛乳奶啤、5号驴乳奶啤、9号驴乳奶啤共有的18种成分进行相关性多元统计分析，将3个样品中的18种香气化合物转化成2个独立的主成分，观察其方差贡献率，在此基础上进行因子负荷矩阵旋转，解释第一个主成分与第二个主成分间因子变量，再以主成分（principal component，PC）1为横坐标，PC2为纵坐标绘制载荷图，分析3组奶啤香气品质差异状况。

1.3.7 数据分析

所有样品均进行3组平行试验，分别采用Origin 8.5、SPSS 26.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 复配稳定剂对驴乳奶啤稳定性的影响

由表2可知，不同复配稳定剂的配比对驴乳奶啤稳定性系数、黏度、离心沉淀率影响较为明显。其中，稳定性系数R≥95%的样品组及离心沉淀率最低的两组分别为5号样品和9号样品，其稳定性系数分别为（98.23±0.17）%、（95.21±0.14）%，离心沉淀率分别为（5.21±0.14）%、（5.28±0.11）%；稳定性系数最低和离心沉淀最高的两组分别为1号与2号样品，其稳定性系数分别为（80.25±0.06）%、（84.34±0.14）%，离心沉淀率分别为（5.94±0.23）%、（84.34±0.14）%；黏度最高与最低组分别为6号与4号，其黏度分别为（52.81±0.17）%、（35.25±0.11）%，说明黏度与复配稳定剂总量的多少呈正比关系，复配稳定剂总量增加则黏度随之增加，反之减少；通过以上离心沉淀率及稳定性指标数据，添加复配稳定剂后样品稳定性最佳为5号样品，9号样品次之。

表2 复配稳定剂对驴乳奶啤稳定性的影响Table 2 Effect of compound stabilizer on the stability of donkey milk beer

2.2 基于模糊数学的感官评价分析

20名感官评定人员对9组样品进行感官评定打分，每个等级的各项指标票数统计结果见表3。

表3 不同预处理参数下驴乳奶啤的感官评定结果Table 3 Sensory evaluation results of donkey milk beer under different pretreatment parameters

由表3可知，20人对9个样品的评价矩阵Rj如下，Rj由样品j的色泽、口感、形态、风味在评分等级优、良、中、差中的票数比率组成。以1号样品为例，将不同条件下添加复配稳定剂驴乳奶啤评价指标各等级的评定人数除以总人数，可建立色泽、口感、形态、风味4个因素的模糊评定矩阵如下：

根据模糊变换原理，利用矩阵乘法，将权重集合A乘以模糊数学关系矩阵Rj，可以得到样品对4个因素的综合隶属度Tj，以1号（0.05%A，0.10%B，0.20%C）样品为例，综合隶属度T1如下：

同理，可得其他不同条件下驴乳奶啤的模糊评价结果，将各个样品的综合评判结果分别乘以其对应的分值（优、良、中、差依次被赋予分值90分、80分、70分、60分），经过加和后，即得每个样品最终感官评分。如1号样品最终感官评分=0.390×90+0.435×80+0.175×70+0.000×60=82.15分，所有样品的最终模糊评判结果和综合评分见表4。

由表4可知，9组样品的模糊评价结果和综合评分差异较大，表明不同预处理条件下驴乳奶啤感官品质影响显著。其中，综合评分最高的样品为5号，为84.20分，9号样品次之，为83.70分；综合评分最低的两组样品为2号和3号，分别为73.90分和75.35分。结果表明，驴乳奶啤良好的稳定特性受单甘脂、海藻酸丙二醇酯、果胶复配的影响，依据综合评分结果，综合考虑不同条件下驴乳奶啤的最佳预处理参数为0.10%A、0.15%B、0.20%C，即单甘脂添加量0.10%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果胶添加量0.20%，其次为0.15%A、0.15%B、0.10%C，即单甘脂添加量0.15%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果胶添加量0.10%。

表4 不同处理条件下驴乳奶啤的综合评判结果Table 4 Comprehensive evaluation results of donkey milk beer under different treatment conditions

2.3 牛奶奶啤与添加不同复配稳定剂驴乳奶啤的挥发性风味成分分析

采用GC-MS分析综合评分较优的5号、9号驴乳奶啤样品及牛乳奶啤，结果见表5。由表5可知，从牛乳奶啤与2种驴乳奶啤样品挥发性成分中共鉴定出79种挥发性香气成分，包括醇类11种、酯类25种、醛类8种、酸类12种、酮类6种、苯类2种、烷烃类12种、萜烯类2种、其他类1种，其中牛乳奶啤中共检出46种香气成分；5号驴乳奶啤中共检出52种香气成分；9号驴乳奶啤中共检出44种香气成分。牛乳奶啤及2种驴乳奶啤中共有挥发性风味物质18种，其中醇类化合物3种，酯类化合物5种，醛类化合物3种，烷烃类化合物2种，酸类化合物4种，萜烯类化合物1种，共有化合物数量仅占总风味化合物数量（79种）的22.78%，说明牛乳奶啤与驴乳奶啤挥发性成分的组成存在明显差异。5号和9号驴乳奶啤共有物质37种，说明这两种驴乳奶啤的香气相似度较高。

2.4 奶啤香气成分类别分析比较

综合评分较优的5号、9号驴乳奶啤样品及牛乳奶啤挥发性香气物质类别含量结果见表5及图1。

表5 牛乳奶啤与添加不同复配稳定剂驴乳奶啤的挥发性成分比较Table 5 Comparison of volatile components in cow milk beer and donkey milk beer with different compound stabilizers

续表

图1 牛乳奶啤、5号及9号驴乳奶啤的挥发性成分类别含量比较Fig.1 Comparison of volatile components category content in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

由图1可知，在牛乳奶啤与两组驴乳奶啤中，每类香气化合物的相对含量均存在一定差异，其中醇类、酸类、萜烯类香气成分相对含量最多的是5号驴乳奶啤；酯类、酮类以及其他类香气成分相对含量最多的是牛乳奶啤；醛类、苯类、烷烃类香气成分相对含量最多的是9号驴乳奶啤；苯类、酮类、萜烯类香气成分的相对含量在3组奶啤中较少，其他类在两组驴乳奶啤中没有出现。

2.5 奶啤主要香气成分主成分分析

驴乳奶啤的主体风味成分不仅受挥发性物质含量的影响，而且与风味阈值密切相关[24]。酯类及醇类化合物是驴乳奶啤中含量较高且种类最为丰富的一类香气化合物，主要赋予食物水果香和酒香[25]。如酯类中乙酸己酯有类似苹果和梨的香气；丁酸乙酯具有草莓香气；醇类中乙醇有特殊的香气；异戊醇具有醇香；异丁醇具有苦杏仁香气[26]。萜类化合物具有浓郁的花香和木香，其感官阈值比较低，能赋予驴乳奶啤特殊的香气，柠檬烯具有橙子和柠檬的香气[27]。

当香气成分中某种物质的浓度大于等于其阈值时才会被人体嗅觉所感知，将3个样品中共有的乙醇、乙酸异戊酯、异戊醇等18种香气化合物作为关键香气成分进行主成分分析，结果见表6。由表6可知，将3个样品中的18种香气化合物转化成2个独立的主成分，其中两个主成分的方差贡献率为83.52%和16.48%，累计贡献率达到100.00%。

表6 牛乳奶啤、5号及9号驴乳奶啤中共有18种香气成分解释的总方差Table 6 Total variance explained by 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

通过因子负荷矩阵旋转后的结果见表7。由表7可知，第一个主成分与乙醇、乙酸异戊醇、异戊醇、环辛四烯、壬醛、葵醛、十七烷、十八烷、苯甲醛、2,6-二羟基苯甲酸、己酸化合物呈极大的正相关，因此第一个因子主要解释这11个变量；第二个主成分与乙酸异戊酯、异戊醇、十八烷、2,6-二羟基苯甲酸等呈极大的正相关，因此第二个因子主要解释这4个变量。

表7 牛乳奶啤、5号及9号驴乳奶啤中共有18种香气成分旋转后的因子负荷矩阵Table 7 Rotation factor loading matrix of 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

以主成分（principal component，PC）1为横坐标，PC2为纵坐标绘制载荷图见图2。由图2可知，牛乳奶啤与两组驴乳奶啤中的18种香气化合物在PC1正半轴分布较为散乱，在PC2正半轴分布较为集中，说明3组奶啤香气品质存在差异。十八烷、异戊醇、己酸、乙醇、十七烷、苯甲醛、壬醛、环辛四烯等8种香气化合物分布较为集中，主要代表驴乳奶啤的香气。正己酸乙酯、苯乙醇、乙酸苯乙酯、辛酸乙酯、辛酸、葵酸乙酯、葵酸等7种香气化合物分布较为集中，主要代表牛乳奶啤中的香气。3个样品中都含有苯乙醇，该物质香味独特，具有玫瑰香、茉莉花香等多种香味[28]，说明苯乙醇对驴乳奶啤的风味起重要作用。牛乳奶啤与驴乳奶啤中挥发性成分的含量和组成差异较大，其中5号驴乳奶啤样品中检测出更多的挥发性风味物质，可能是由于驴乳本身成分及二次发酵过程中添加菌种和控制温度等因素导致的，说明5号驴乳奶啤的风味更丰富。

图2 牛乳奶啤、5号及9号驴乳奶啤中共有18种香气成分的载荷图Fig.2 Load diagram of 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

3 结论

本试验以色泽、香味、滋味、形态4 个因素为评价指标，基于模糊数学评价法对驴乳奶啤的9组预处理参数进行优化，发现不同预处理参数对驴乳奶啤的感官品质影响显著，其中5号样品综合评分最高。在此基础上，对综合评分较高的5号和9号样品进行挥发性风味成分分析，结果表明，5号样品挥发性成分种类最多，香气浓郁且无异味，与综合模糊评判结果一致，因而确定驴乳奶啤的最佳预处理参数为单甘脂添加量0.10%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果胶添加量0.20%。

采用HS-SPME-GC-MS法从牛乳奶啤及2种驴乳奶啤样品中共检测出79种香气化合物，包括醇类11种、酯类25种、醛类8种、酸类12种、酮类6种、苯类2种、烷烃类12种、萜烯类2种、其他类1种。牛奶奶啤、5号及9号驴乳奶啤中分别共检出46种、52种、44种香气成分，其中5号驴乳奶啤样品的香气成分呈香更为丰富，GC-MS分析结果与综合模糊评判结果一致。