響應(yīng)面法優(yōu)化冷凍面團(tuán)饅頭冷凍工藝

胡家勇，秦先魁*，鄭革，邱燕霞，陳淑平（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430000）

響應(yīng)面法優(yōu)化冷凍面團(tuán)饅頭冷凍工藝

胡家勇，秦先魁*，鄭革，邱燕霞，陳淑平
（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430000）

為確定冷凍面團(tuán)饅頭最佳冷凍工藝參數(shù)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇冷凍時(shí)間，冷凍溫度為自變量，饅頭感官評(píng)分、饅頭比容、饅頭硬度為響應(yīng)值，利用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法，研究各自變量及其交互作用對(duì)冷凍面團(tuán)饅頭感官評(píng)分、比容、硬度的影響。通過回歸分析和響應(yīng)面曲面圖，得到最優(yōu)工藝參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，冷凍溫度為-30℃，冷凍時(shí)間為30 min時(shí)，饅頭感官評(píng)分（85.2分）、比容（2.45 cm3/g）及硬度（485.47 g/kg）均達(dá)到最佳值。

冷凍面團(tuán)；饅頭；冷凍時(shí)間；冷凍溫度；響應(yīng)面法

饅頭作為我國人民的傳統(tǒng)主食，一般用小麥粉經(jīng)發(fā)酵蒸制而成，具有色白、皮軟、光滑、蓬松等特點(diǎn)，比容一般在2.3～3.0 cm3/g[1]之間。饅頭是我國發(fā)酵面食中最大的一類品種，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在我國北方，用于制作饅頭的小麥粉占面粉總用量的70%[2]左右，而南方雖以大米為主食，但用于制作饅頭、包子等食品的小麥粉仍占較大比例。

饅頭要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，就必須解決產(chǎn)品的保藏問題。饅頭因水分含量高，極易受微生物污染而腐敗變質(zhì)，另外，面團(tuán)中糊化淀粉的老化問題也較嚴(yán)重。速凍面團(tuán)技術(shù)有望解決這一難題。速凍技術(shù)在保持食品色、香、味、形及營養(yǎng)方面的顯著效果是其得以迅速發(fā)展、倍受世人青睞的最主要原因。速凍饅頭口味清淡，適合中國人的消費(fèi)習(xí)慣，與中式的菜系、粥品、湯類搭配適宜可口[3]。面團(tuán)通過低溫速凍，可迅速通過-5～-1℃[4]的最大冰晶生成區(qū)，使自由水變成大量細(xì)而密的冰晶，抑制酶的活性且不會(huì)破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在一定程度上抑制了淀粉的老化，使其在冷藏環(huán)境中得以長期保存。

目前冷凍面團(tuán)產(chǎn)品的整體感官品質(zhì)與現(xiàn)制現(xiàn)售品還有一段距離，在生產(chǎn)中還容易出現(xiàn)萎縮、變色、裂紋等質(zhì)量問題，如冷凍面團(tuán)經(jīng)長期冷凍貯藏會(huì)導(dǎo)致面團(tuán)品質(zhì)下降，醒發(fā)時(shí)間增加、面包硬度增加、比容減小等[5]；FUKUNAGA J等[6]研究表明，由于冷凍系統(tǒng)（冷凍、凍藏、解凍）的影響導(dǎo)致冷凍面團(tuán)食品在生產(chǎn)過程中品質(zhì)發(fā)生變化，隨著冷凍面團(tuán)冷藏時(shí)間的延長，產(chǎn)品質(zhì)量不斷降低。

冷凍面團(tuán)冷凍參數(shù)的研究可以從一定程度上改善冷凍面團(tuán)萎縮、裂紋等質(zhì)量問題，為冷凍面團(tuán)工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的參數(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉：益康面粉有限公司；耐低溫酵母：安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DW-40L醫(yī)用低溫速凍冰箱、BCD-539WT海爾冰箱：青島海爾集團(tuán)股份有限公司；TA-XT2i物性測試儀：英國Stable Micro System公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 冷凍面團(tuán)饅頭制作

先將干料低速攪勻，加水后低速攪拌至成團(tuán)，再高速攪拌7 min。面團(tuán)稍作整理后放入醒發(fā)箱（溫度30℃，濕度80%）內(nèi)發(fā)酵45 min，取出面團(tuán)壓面10次趕氣，然后將面團(tuán)分割成100 g/塊，手揉成型（成型高度6 cm），-30℃速凍30 min，真空包裝，-18℃冷藏保存，解凍，醒發(fā)，蒸制20 min。

1.3.2 饅頭品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法

冷凍面團(tuán)饅頭感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（滿分100分）見表1。

表1 冷凍面團(tuán)饅頭感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[7]Table 1 Sensory evaluation criteria of steamed bread

1.3.3 TPA質(zhì)構(gòu)儀硬度、咀嚼性測定[8]

用菜刀將饅頭從豎直方向切成厚度1.5 cm的均勻薄片，取中部兩片，采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行質(zhì)地剖面分析（texture profile analysis，TPA）測試，測試采用P100探頭，雙試驗(yàn)取平均值。參數(shù)設(shè)定：測試前速率1.00 mm/s；測試速率1.00 mm/s；測試后速率2.00 mm/s；下壓程度50.00%；距離25.000 mm；測試力5.0 g。

1.3.4 比容的測定

利用體積測量儀對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)量、體積的測定，得出密度值及其與之對(duì)應(yīng)的比容。

1.3.5 最佳冷凍參數(shù)的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)響應(yīng)面分析軟件提供的模型，設(shè)冷凍溫度（x）、冷凍時(shí)間（y）因素為自變量，饅頭感官評(píng)分、比容、硬度分別為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)2因素3水平的試驗(yàn)，并根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選定二因素的零水平和波動(dòng)區(qū)。試驗(yàn)因素及水平的取值見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼Table 2 Factors and levels of response surface methodology

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

單因素試驗(yàn)：利用Origin 8.5繪制變化折線圖。

響應(yīng)面試驗(yàn)：采用Excel回歸分析（regression analysis）得到顯著性方程，然后規(guī)劃求解，再應(yīng)用Origin 8.5軟件繪制相應(yīng)的曲面圖和等高線，并進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素分析

2.1.1 冷凍時(shí)間對(duì)饅頭各項(xiàng)指標(biāo)的影響

速凍冰箱溫度設(shè)定為-30℃不變，將制作好的面團(tuán)置于速凍冰箱中，分別冷凍15 min、25 min、30 min、35min、45min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d取出解凍、醒發(fā)、蒸制，測定不同冷凍時(shí)間下冷凍面團(tuán)饅頭的感官評(píng)分、比容、硬度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 各項(xiàng)指標(biāo)與冷凍時(shí)間的關(guān)系曲線圖Fig.1 Relationship curve between each index and freezing time

由圖1可知，當(dāng)冷凍溫度一定時(shí)，在15～45min范圍內(nèi)，隨著冷凍時(shí)間的增長，感官評(píng)分、比容均呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，硬度值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，30 min左右為其轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)冷凍面團(tuán)饅頭各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)最好，感官評(píng)分為84.2分，比容為2.43 cm3/g，硬度為482.4 g/kg。

2.1.2 冷凍溫度對(duì)饅頭各項(xiàng)指標(biāo)的影響

將制作好的面團(tuán)置于速凍冰箱中，分別于-20℃、-25℃、-30℃、-35℃、-40℃條件下冷凍30 min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d后取出解凍、醒發(fā)、蒸制，測定不同冷凍溫度條件下冷凍面團(tuán)饅頭的感官評(píng)分、比容、硬度值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 各項(xiàng)指標(biāo)與冷凍溫度的關(guān)系曲線圖Fig.2 Relationship curve between each index and freezing temperature

由圖2可知，當(dāng)冷凍時(shí)間一定時(shí)，在-40～-20℃的溫度范圍內(nèi)，隨著冷凍溫度的升高，感官評(píng)分、比容均呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，硬度值呈現(xiàn)先下降，后上升的趨勢，-30℃左右為其轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)冷凍面團(tuán)饅頭各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)最好，感官評(píng)分為85.3分，比容為2.43 cm3/g，硬度為482.5 g/kg。

2.2 冷凍條件對(duì)饅頭品質(zhì)的影響分析

根據(jù)Box-Benhnken設(shè)計(jì)組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理[9-15]，為確定最佳工藝參數(shù)，選擇二元二次組合設(shè)計(jì)表作為試驗(yàn)操作方案，具體條件設(shè)置如表3所示，根據(jù)設(shè)計(jì)方案表進(jìn)行試驗(yàn)操作，分別以比容、感官評(píng)分、硬度值和失水率為試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，經(jīng)過簡化和優(yōu)化后得到帶交互項(xiàng)和平方項(xiàng)的二次方程，分析各因素的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，在一定的水平范圍內(nèi)得出試驗(yàn)最佳值。試驗(yàn)測定結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of response surface methodology

2.2.1 感官評(píng)分分析

根據(jù)表3的感官評(píng)分結(jié)果，為分析各參數(shù)對(duì)感官評(píng)分結(jié)果的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表4所示。

表4 饅頭感官評(píng)分回歸分析結(jié)果Table 4 Regression analysis results of steamed bread sensory evaluation score

從表4可以看出：x、y、xy的P＞0.05，冷凍溫度和冷凍時(shí)間的交互作用對(duì)感官評(píng)分影響不顯著，x2的0.01＜P＜0.05，說明其對(duì)感官評(píng)分有顯著影響，y2的P值均＜0.01，對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響極顯著。

以評(píng)分結(jié)果為目標(biāo)值，感官評(píng)分（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時(shí)間（y）之間的回歸方程如下：

其中，R2=0.923 6，R2Adj=0.828 1，P=0.023 6＜0.05，表明建立的回歸方程顯著。

根據(jù)回歸方程，應(yīng)用規(guī)劃求解得出：當(dāng)冷凍溫度x= -30.35℃，冷凍時(shí)間y=28.51 min時(shí)，制備的饅頭的感官評(píng)分達(dá)到最大值，為85.65分；考慮到實(shí)際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時(shí)間y=30 min，所制備的饅頭的感官評(píng)分為85.26分。

響應(yīng)面分析各因素與感官評(píng)分之間的變化關(guān)系，繪制響應(yīng)面的三維表面圖如圖3所示。

圖3 溫度與時(shí)間對(duì)饅頭感官評(píng)分影響的響應(yīng)曲面及等高線Fig.3 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread sensory evaluation

由圖3可以看出，冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)饅頭的感官評(píng)分影響較大，曲面很好的反應(yīng)了兩兩因素對(duì)感官評(píng)分的雙重影響。在固定冷凍溫度下，樣品感官評(píng)分隨冷凍時(shí)間的增長，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)冷凍溫度固定時(shí)，感官評(píng)分隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時(shí)間二者的交互作用對(duì)樣品感官評(píng)分結(jié)果影響不顯著。

2.2.2 比容分析

根據(jù)表3比容的測定結(jié)果，為分析各參數(shù)的顯著性，采用回歸分析，結(jié)果如表5所示。

表5 饅頭比容回歸分析結(jié)果Table 5 Regression analysis results of steamed bread specific volume

從表5可以看出，冷凍溫度x和冷凍時(shí)間y的P值均＞0.05，冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)比容的影響不顯著，x2和xy的0.01＜P＜0.05，說明其對(duì)比容有顯著影響，y2的P＜0.01，對(duì)比容的影響極顯著。

以測得的比容作為試驗(yàn)結(jié)果，比容（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時(shí)間（y）之間的回歸方程如下：

z=1.764-0.030x+0.015y-0.00067x2-0.0004y2-0.00034xy

其中R2=0.916 2，R2Adj=0.811 6，P=0.028 2＜0.05，表明建立的回歸方程顯著。

根據(jù)回歸方程，應(yīng)用規(guī)劃求解得出：當(dāng)冷凍溫度x=-30.43℃，冷凍時(shí)間y=31.68 min時(shí)，制備的饅頭的比容達(dá)到最大值，為2.46 cm3/g；考慮到實(shí)際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時(shí)間y=30 min，所制備的饅頭的比容為2.44 cm3/g。

響應(yīng)面分析各因素與比容之間的變化關(guān)系，繪制響應(yīng)面三維表面圖如圖4所示。

由圖4可知，在固定冷凍溫度下，樣品比容隨冷凍時(shí)間的增長，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)冷凍溫度固定時(shí)，比容隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時(shí)間二者的交互作用對(duì)樣品比容有顯著影響。

圖4 溫度與時(shí)間對(duì)饅頭比容影響的響應(yīng)曲面及等高線Fig.4 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread specific volume

2.2.3 硬度

根據(jù)表3中的硬度值，為分析各參數(shù)對(duì)硬度值的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果如表6所示。

表6 硬度回歸分析結(jié)果Table 6 Hardness’regression analysis

從表6可以看出：y、x2及y2的P值均＜0.01，說明這些因素對(duì)比容的影響極顯著；xy的P＞0.05，冷凍溫度和冷凍時(shí)間的交互作用對(duì)硬度的影響不顯著。

以硬度值為目標(biāo)值進(jìn)行回歸分析，硬度值（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時(shí)間（y）之間的回歸方程如下：

其中：R2=0.990 1，R2Adj=0.977 6，P=0.004＜0.01，表明建立的回歸方程非常顯著根據(jù)回歸方程，應(yīng)用規(guī)劃求解得出：當(dāng)冷凍溫度x=-30.58℃，冷凍時(shí)間y=28.57 min時(shí)，制備的饅頭的硬度達(dá)到最小值，為483.56 g/kg；考慮到實(shí)際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時(shí)間y=30 min，所制備的饅頭的硬度值為482.37 g/kg。

利用響應(yīng)面分析各因素與饅頭硬度之間的變化關(guān)系，繪制響應(yīng)面的三維表面圖如圖5所示。

由圖5可知，在固定冷凍溫度條件下，樣品硬度值隨冷凍時(shí)間的增長，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，當(dāng)冷凍溫度固定時(shí)，硬度隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時(shí)間二者的交互作用對(duì)樣品的硬度影響不顯著。

圖5 溫度與時(shí)間對(duì)饅頭硬度影響的響應(yīng)曲面及等高線Fig.5 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread hardness

分析冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)饅頭品質(zhì)產(chǎn)生此種影響的原因是：當(dāng)冷凍溫度偏低時(shí)，會(huì)造成酵母的大量死亡，從而使饅頭比容較小，評(píng)分偏低，硬度值增加，失水率升高；當(dāng)冷凍溫度偏高時(shí)，面團(tuán)內(nèi)部自由水結(jié)成冰晶的速度過慢，從而導(dǎo)致形成大量形狀不規(guī)則的大冰晶，這些冰晶的形成會(huì)破壞面團(tuán)的面筋網(wǎng)絡(luò)，從而破壞面團(tuán)品質(zhì)[26]。當(dāng)冷凍時(shí)間過長時(shí)，面團(tuán)失水嚴(yán)重，面團(tuán)持水性下降，從而導(dǎo)致面團(tuán)龜裂，同時(shí)還破壞了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致面團(tuán)品質(zhì)下降，評(píng)分降低，硬度值增加；冷凍時(shí)，面團(tuán)內(nèi)的自由水在冷凍過程中形成較大的冰晶，體積增大，同時(shí)，由于空氣的熱脹冷縮，使得面團(tuán)內(nèi)部空氣所占的體積減少，冷凍時(shí)間過短，冰晶體積的擴(kuò)大量小于空氣體積的減少量，面團(tuán)表皮出現(xiàn)皺紋，從而對(duì)饅頭品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

出于可操作性考慮，參考規(guī)劃求解所得的最佳工藝參數(shù)，選取冷凍溫度-30℃，冷凍時(shí)間30 min進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。3次重復(fù)試驗(yàn)測定結(jié)果如表7所示。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)測定結(jié)果Table 7 Determination result of verification test

對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與理論值，可見試驗(yàn)值與模型理論值非常接近，重現(xiàn)性良好。因此，冷凍溫度-30℃，冷凍時(shí)間30 min可作為冷凍面團(tuán)工業(yè)化生產(chǎn)的冷凍參數(shù)指導(dǎo)。

3 結(jié)論

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析：當(dāng)冷凍溫度為-30℃保持不變時(shí)，在15～45 min的冷凍時(shí)間范圍內(nèi)，制作的冷凍面團(tuán)饅頭比容、感官評(píng)分均隨著時(shí)間的增長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，30 min左右達(dá)到最大值。當(dāng)冷凍時(shí)間為30 min保持不變時(shí)，在-40～-20℃的冷凍溫度范圍內(nèi)，制作的冷凍面團(tuán)饅頭比容、感官評(píng)分均隨著溫度的上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，-30℃左右達(dá)到最大值；硬度先下降后上升，-30℃左右達(dá)到最小值。故冷凍溫度為-30℃、冷凍時(shí)間為30 min制作的冷凍面團(tuán)饅頭品質(zhì)最佳。

回歸分析及響應(yīng)面分析結(jié)果顯示：冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)饅頭比容的影響不顯著；冷凍溫度對(duì)饅頭感官評(píng)分和硬度有顯著影響，冷凍時(shí)間對(duì)饅頭感官評(píng)分和硬度影響非常顯著；另外，冷凍溫度和冷凍時(shí)間二者的交互作用對(duì)樣品比容有顯著影響，對(duì)樣品感官評(píng)分和硬度影響不顯著。響應(yīng)面分析結(jié)果表明，-30℃、30 min制作冷凍面團(tuán)饅頭品質(zhì)最佳，與單因素結(jié)果基本一致。

選取最佳工藝參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時(shí)間為y=30 min，結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，說明本試驗(yàn)分析得到的最佳工藝參數(shù)具有實(shí)際參考價(jià)值。

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Optimization of frozen steamed bread dough freezing process by response surface methodology

HU Jiayong,QIN Xiankui*,ZHENG Ge,QIU Yanxia,CHEN Shupin
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430000,China)

Inordertodeterminethe optimumfreezingparametersoffrozendough,onthebasisofsinglefactorexperiment,using freezing time and freezing temperature as the independent variable,sensory score,specific volume and hardness as the response value,based on single factor test,through Box-Benhnken center composite design and response surface methodology,the independent variable and the interaction effect on sensory evaluation score,specific volume and hardness of the steamed bread was studied.Through regression analysis and response surface plot,the optimal process parameters were acuqired and verification test was conducted.The results showed that when the freezing temperature was-30℃,freezing time was 30 min,the sensory score,specific volume and hardness achieved the optimum value(which were 85.2,2.45 cm3/g and 485.47 g/kg,respectively).

frozen dough;steamed bread;freezing time;freezing temperature;response surface methodology

TS219

A

0254-5071（2014）07-0063-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.014

2014-05-29

湖南金霞糧食產(chǎn)業(yè)科技服務(wù)項(xiàng)目（532100711025）

胡家勇（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食工程。

*通訊作者：秦先魁（1962-），男，副教授，碩士，研究方向?yàn)榧Z食工程。