基于模糊數學評定與響應面法優化毛霉型豆豉制曲工藝

邵良偉，鄒強，張弛松，張瓊，劉達玉*

(1.四川輕化工大學 生物工程學院，四川 宜賓 644000；2.成都大學 藥學與生物工程學院，成都 610106；3.成都市農林科學院，成都 611130)

豆豉以黃豆或黑豆為原料，通過霉菌或細菌等微生物在制曲階段分泌的酶系物質將大豆中的大豆蛋白

分解，并經制曲到豉曲成熟，然后通過加入食用鹽、酒等抑制劑來抑制各類酶的活性，再經不同程度的后發酵而制成[1-2]。通過毛霉制曲生產的毛霉型豆豉具有獨特的風味及多種生理活性物質，具有較高的食用價值和一定的藥用價值 ，深受廣大消費者喜愛[3]。

毛霉型豆豉大多采用毛霉自然制曲工藝生產，通過毛霉菌在制曲過程中分泌大量的酶，如蛋白酶、纖維素酶等酶系物質[4-5]，使得豆豉后發酵過程在多種酶系作用下將高蛋白大豆水解為小分子多肽和氨基酸等功能和風味營養物質[6]。但由于參與制曲的毛霉不耐高溫，受季節制約不能常年生產，且制曲時間一般在20 d左右，后發酵所需時間少則幾個月，多則長達數年之久，同時豉曲質量因受當時生產環境和溫濕度情況影響而參差不齊，嚴重制約了企業的發展。據研究報道[7-8]，豆豉產品品質在很大程度上由制曲工藝決定，因此在生產中控制制曲環節尤為重要。目前對毛霉型豆豉發酵工藝的研究較多，但對于具有地域特色的傳統毛霉型豆豉的發酵工藝，特別是制曲工藝的報道較少。

豉曲中蛋白酶、纖維素酶等酶活性決定了蛋白質、粗纖維等物質的降解速率，從而影響豉曲的成熟時間，同時，還會影響豆豉的品質[9]。本研究對毛霉型豆豉傳統自然制曲工藝進行了優化，在單因素試驗的基礎上，通過Box-Benhnken的中心組合試驗設計原理，測定豉曲中總蛋白酶活力和纖維素酶活力等指標，利用模糊數學評定方法確定豉曲相關指標權重并得出綜合評分，以綜合評分為響應面值，對在制曲過程中影響豉曲質量的主要因素菌粉接種量、制曲溫度、制曲時間、相對濕度等進行優化，并對試驗結果進行了驗證。

1 材料和方法

1.1 材料

黃豆：購于成都好樂購超市；毛霉菌種：通過從潼川豆豉產地采集傳統自然制曲階段分離篩選得到的毛霉菌，并制成直投式發酵菌劑。

1.2 試劑

L-酪氨酸(分析純)：國藥集團化學試劑有限公司；干酪素(生物試劑)：北京奧博星生物技術有限責任公司；福林酚、三氯乙酸、無水碳酸鈉、鹽酸、無水磷酸二氫鈉、無水磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、冰乙酸、三水碳酸鈉、葡萄糖、羧甲基纖維素鈉、3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid, DNS)、四水酒石酸鉀鈉、苯酚、無水亞硫酸鈉：均為分析純，成都市科隆化學品有限公司。

1.3 主要儀器與設備

Biotek Synergy HTX多功能酶標儀 美國伯騰儀器有限公司；SH-020恒溫恒濕試驗箱 上海上器集團試驗設備有限公司；pH計量儀 上海儀電科學儀器股份有限公司；電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；XW-80A渦旋振蕩器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司；SW-CJ-2D超凈工作臺 蘇州凈化設備有限公司。

1.4 方法

1.4.1 蛋白酶活力測定[10]

配制濃度分別為0，20，40，60，80 μg/mL的酪氨酸溶液，以酪氨酸濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制酪氨酸標準曲線，回歸方程為：y=0.9854x-0.014，相關系數R2=0.9991。參照SB/T 10317-1999中的Folin-酚試劑法對樣液進行酸性、中性、堿性蛋白酶活力的測定。根據酪氨酸標準曲線計算出蛋白酶活力。將在40 ℃下每1 min水解酪蛋白產生1 μg酪氨酸定義為1個蛋白酶活力單位。

1.4.2 纖維素酶活力測定[11]

以乙酸-乙酸鈉緩沖溶液為標準空白樣，配制0.10～0.70 mg/mL葡萄糖標準溶液，以葡萄糖濃度為縱坐標，吸光度為橫坐標，繪制葡萄糖標準曲線，回歸方程為：y=1.8285x+0.0122，相關系數R2=0.9992。參照NY/T 912-2004中的分光光度法對豉曲樣液進行纖維素酶活力的測定，根據葡萄糖標準曲線計算出纖維素酶活力。

1.4.3 單因素試驗

以蛋白酶活力和纖維素酶活力為指標，采用單因素試驗研究菌粉接種量、制曲溫度、制曲時間以及制曲相對濕度對制曲的影響，試驗水平分別選取菌粉接種量0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%；制曲溫度13，15，17，19，21，23 ℃；制曲時間3，4，5，6，7，8 d；制曲相對濕度75%、80%、85%、90%、95%。對制曲條件進行初步優化，確定較佳因素試驗參數范圍，每個處理重復3 次，結果取平均值。

1.4.4 響應面優化試驗

根據Box-Benhnken中心組合設計原則，在單因素試驗的基礎上，以菌粉接種量、制曲溫度、制曲時間、相對濕度為自變量，以總蛋白酶活力和纖維素酶活力為指標，以模糊數學評定方法得到的豉曲質量綜合評分為響應值，進行4因素3水平的響應面分析，試驗因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素和水平Table 1 The factors and levels of response surface test

1.4.5 豉曲品質的模糊綜合評價

設待評價的試驗組別集為X=(x1,x2,…,x29)，影響豉曲質量的因素集為U=(u1,u2)，其中，u1表示總蛋白酶活力；u2表示纖維素酶活力。對于組別xi∈X，按第j個因素uj∈U進行測度，得到xi條件下關于因素uj的數據xij，從而構成模糊數學中的信息矩陣A=(xij)29×2。

由于本試驗中測得的數據大于1，但應用模糊數學方法在確定權重以及進行評價時要求隸屬度(試驗數據)介于0～1之間。故本文對試驗數據進行如下的規范化處理，給出文獻的處理方法如下：

式中：xijmax表示在影響因素uj下xij(i=1,2,…,29)中最大的值；rj表示在影響因素uj下rij(i=1,2,…,29)中最大的值。

下面給出文獻[12]確定權重集的方法如下:

式中：ωj(j=1,2)表示因素uj的屬性權重，且Σωj=1(j=1,2),d2(rij-rj)，表示各組數據與最大值的差的平方。

綜上可得關于豉曲質量模糊評定綜合評分[13]：

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 菌粉接種量考察結果

菌粉接種量直接影響豆豉制曲的周期。菌粉接種量若控制恰當，可在一定程度上縮短制曲周期，減少雜菌污染；菌粉接種量過大，易造成微生物種間競爭而不利于發酵產酶，同時制曲微生物的大量繁殖，將產生大量熱量而使曲料溫度升高，嚴重時會導致“燒曲”現象[14]；而接種量過小，則菌體細胞生長繁殖不足，未能充分利用豉曲中的營養物質，酶活力也會降低，同時將影響豉曲品質，對后發酵及豆豉成品質量產生影響。選定制曲溫度為15 ℃，制曲相對濕度為85%，制曲時間為6 d，以不同的菌粉接種量制備豉曲，考察菌粉接種量對豉曲質量的影響，結果見圖1。

圖1 菌粉接種量對蛋白酶活力和纖維素酶活力的影響

由圖1可知，總蛋白酶活力和纖維素酶活力隨著菌粉接種量的增加也隨之增大，達到最大值時的菌粉接種量分別為0.20%、0.15%，相對應的酶活力分別為306.171，1.282 U/g；但隨著菌粉接種量的持續增加，酶活力均呈逐漸減少趨勢。這是由于接種量過大時，毛霉菌生長繁殖旺盛，有限的營養物質難以維持毛霉菌生長繁殖，會形成大量休眠孢子，從而降低酶活力[15]。因此，控制菌粉接種量為0.15%～0.20%。

2.1.2 制曲溫度考察結果

制曲溫度將影響制曲微生物的生長繁殖，根據相關文獻報道以及潼川豆豉技藝傳人經驗，傳統毛霉型豆豉制曲微生物毛霉菌一般最適生長溫度在15 ℃左右[16]。本試驗以菌粉接種量為0.20%，制曲相對濕度為85%，制曲時間為6 d，以不同的制曲溫度制備豉曲，考察制曲溫度對豉曲質量的影響，結果見圖2。

圖2 制曲溫度對蛋白酶活力和纖維素酶活力的影響

由圖2可知，在制曲溫度為13～17 ℃時，總蛋白酶活力隨著制曲溫度的增加而增大；制曲溫度為17 ℃時，總蛋白酶活力達到最大值，之后隨著制曲溫度的增加，酶活力呈減小趨勢。在制曲溫度為13～19 ℃時，纖維素酶活力隨著制曲溫度的增加而增大，但制曲溫度超過19 ℃后，纖維素酶活力呈降低趨勢。因此，應控制制曲溫度在17～19 ℃之間。

2.1.3 制曲時間考察結果

制曲時間的長短對豆豉制曲微生物的生長有極其 重要的影響。制曲時間過短，微生物對原料的分解利用率不足，導致毛霉菌分泌酶系不足、酶活力很低，同時也造成原料的浪費。而制曲時間過長，大部分菌絲老化，菌絲生長代謝減弱，使得酶活力降低[17]。本試驗以菌粉接種量為0.20%，制曲溫度為17 ℃，制曲相對濕度為85%，以不同的制曲時間制備豉曲，考察制曲時間對豉曲質量的影響，結果見圖3。

圖3 制曲時間對蛋白酶活力和纖維素酶活力的影響

由圖3可知，隨著制曲時間的增加，總蛋白酶活力和纖維素酶活力也隨之增大，達到最大值時的制曲時間分別為6，5 d，之后隨著制曲時間的增加，總蛋白酶活力和纖維素酶活力呈降低趨勢。因此，控制制曲時間為5～6 d。

2.1.4 制曲相對濕度考察結果

在制曲過程中，由傳統毛霉型豆豉的生產工藝為通風制曲，曲料水分極易揮發[18]。因此，保持制曲環境的濕度，有利于制曲微生物的生長和酶系物質的分泌。本試驗以菌粉接種量為0.20%，制曲溫度為17 ℃，制曲時間為6 d，以不同的制曲相對濕度制備豉曲，考察制曲相對濕度對豉曲質量的影響，結果見圖4。

圖4 相對濕度對蛋白酶活力和纖維素酶活力的影響

由圖4可知，隨著制曲相對濕度的增加，在相對濕度從75%增加到85%時，總蛋白酶活力增大到最大值317.212 U/g，但再增加制曲相對濕度，總蛋白酶活力逐漸減小。纖維素酶活力隨著制曲相對濕度的增加，在相對濕度達到80%時即達到最大值1.386 U/g，之后再增加相對濕度，酶活力也表現出下降趨勢。因此選擇制曲相對濕度80%～85%用于后續試驗。

2.2 響應面法優化試驗設計及結果分析

在單因素試驗基礎上，以總蛋白酶活力和纖維素酶活力為指標，采用Design-Expert 8.0.6 軟件Box-Benhnken法進行試驗設計，確定豉曲制備最佳制曲工藝參數，試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 The response surface experimental design and results

對表2中試驗數據進行二次多項回歸擬合，獲得豉曲質量指標(總蛋白酶活力和纖維素酶活力)的綜合評分對菌粉接種量(A)、制曲溫度(B)、制曲時間(C)、相對濕度(D)的多元回歸方程為：

Y=97.29+1.61A+1.48B+1.02C+2.51D+1.02AB-0.73AC+2.28AD+1.15BC+1.51BD-0.40CD-7.62A2-8.19B2-5.04C2-8.63D2。

該模型方差分析結果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression model

由表3可知，對豉曲質量綜合評分回歸模型P<0.0001，極具顯著性，而失擬項P=0.2036>0.05，不顯著。此外，該回歸模型相關系數R2=0.9870，RAdj2=0.9739，表明該模型擬合程度良好，可用來分析響應值與因素值的關系及變化情況。試驗中的菌粉接種量(A)、制曲溫度(B)、制曲時間(C)、相對濕度(D)對模型的曲面影響皆為極顯著(P<0.01)，且由F值可知，4個因素對豉曲質量綜合評分的影響次序為：相對濕度>菌粉接種量>制曲溫度>制曲時間。在二次項中，A2、B2、C2、D2均為極顯著(P<0.01)，而在對綜合評分的交互影響方面，AB、AC、CD的交互作用不顯著(P>0.05)，AD的交互作用極顯著(P<0.01)，BC、BD的交互作用顯著(P<0.05)。

菌粉接種量和相對濕度、制曲溫度和制曲時間、制曲溫度和相對濕度這3組因素間有交互作用，對其進行響應面分析，探究它們之間的具體交互規律。對回歸模型獲得的響應曲面圖和等高線圖見圖5～圖7。

圖5 菌粉接種量和相對濕度對綜合評分影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface and contour of the effects of inoculum size and relative humidity on comprehensive score

圖6 制曲溫度和制曲時間對綜合評分影響的響應面及等高線Fig.6 Response surface and contour of the effects of koji-making temperature and time on comprehensive score

圖7 制曲溫度和相對濕度對綜合評分影響的響應面及等高線Fig.7 Response surface and contour of the effects of koji-making temperature and relative humidity on comprehensive score

由圖5～圖7可知，4個響應因素在相對應的試驗范圍內都有響應極值，且3組因素的交互作用結果與方差分析結果一致。通過對各響應因素交互作用對綜合評分影響的響應面及等高線圖分析，并結合軟件計算回歸模型可以預測出當菌粉接種量(A)為0.21%、制曲溫度(B)為17.24 ℃、制曲時間(C)為6.10 d、制曲相對濕度(D)為85.86%時，豉曲質量綜合評分可達到97.753。

2.3 最佳工藝條件試驗驗證

為驗證回歸模型的預測值與試驗真實值之間的擬合程度，采用豉曲質量指標綜合評分最大值對響應因素進行驗證?？紤]試驗的可操作性，將響應因素選定為菌粉接種量0.21%、制曲溫度17 ℃、發酵時間6 d、制曲相對濕度86%， 其他條件不變，進行3組平行試驗，按模糊數學評定方法得出豉曲質量指標綜合評分平均值為97.187，此試驗值與回歸模型豉曲質量指標綜合評分預測值(97.753)相對誤差為0.57%，此時所得的蛋白酶活力和纖維素酶活力平均值分別為312.611，1.402 U/g。因此，通過模糊數學評定和響應面法優化得到的制曲最佳工藝條件的回歸模型是符合實際，對今后制曲工藝參數的選擇具有一定的指導意義。

3 結論

通過單因素試驗并結合模糊數學評定方法對豉曲質量指標進行綜合評分，以綜合評分為響應值進行響應面優化試驗，結果表明：菌粉接種量、制曲溫度、制曲時間、相對濕度對制曲過程中毛霉菌產蛋白酶活力和纖維素酶活力均有極顯著影響，且顯著順序為：相對濕度>菌粉接種量>制曲溫度>制曲時間。同時，菌粉接種量和相對濕度、制曲溫度和制曲時間、制曲溫度和相對濕度這3組因素間交互作用顯著。得出最優制曲條件：菌粉接種量為0.21%，制曲溫度為17 ℃，發酵時間為6 d，制曲相對濕度為86%，在此條件下豉曲質量指標綜合評分達到97.187。同時，本試驗建立的回歸模型是有效可行的，可以用來預測設定試驗因素條件下的毛霉型豆豉制曲工藝參數的響應值。研究結果可為傳統毛霉型豆豉制曲工藝的工業化應用提供參數借鑒。