響應(yīng)面法優(yōu)化板栗膨化食品配方的研究

魏宗烽，邵 穎，魏明奎

（信陽農(nóng)林學(xué)院 食品科學(xué)系，河南 信陽 464000）

0 前言

傳統(tǒng)的膨化食品通常被戲稱為“垃圾食品”，因為它能量高、粗纖維少，若長期食用人體會攝入過量的熱能，很容易引起肥胖[1].健康食品已經(jīng)成為消費時尚，越來越受消費者喜愛.如何將膨化食品研制成比較健康的時尚消費食品就成為研究的課題之一.

信陽是我國板栗的主要產(chǎn)區(qū)之一.板栗營養(yǎng)豐富，除含有大量的淀粉外，還含有蛋白質(zhì)、胡蘿卜素、核黃素、少量酚類物質(zhì)、多種維生素及鈣、鉀、鐵、鎂、磷等微量元素，許多化學(xué)成分既是營養(yǎng)物質(zhì)，又具有保健治療作用[2-4].木糖醇是一種低熱量的非糖甜味劑，在人體中的代謝不受胰島素控制，因此廣泛應(yīng)用于糖尿病患者的食品中，替代蔗糖，同時木糖醇還具有防齲齒及減肥的功能[5].大豆粉富含有蛋白質(zhì)、脂肪，可以彌補玉米糝和板栗粉混合物料蛋白質(zhì)及脂肪含量少的缺陷，改善膨化食品的膨化特性.目前，對板栗膨化食品的報道較少.因此，作者從信陽當(dāng)?shù)馗挥匈Y源產(chǎn)品板栗出發(fā)，把板栗制粉添加到傳統(tǒng)玉米膨化食品中，再輔助添加木糖醇和大豆粉，采用單螺桿膨化技術(shù)及原理，研究板栗粉、大豆粉、木糖醇等因素對板栗膨化食品感官指標(biāo)及膨化特性的影響，根據(jù)Box-Beheken 響應(yīng)面分析法優(yōu)化三因素最佳組合，尋求營養(yǎng)板栗膨化食品的最佳配方，為板栗資源的綜合利用開發(fā)提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

玉米糝、大豆粉、木糖醇均購于信陽沃爾瑪超市；板栗粉：信陽農(nóng)林學(xué)院食品科學(xué)系自制.

1.2 儀器與設(shè)備

單螺桿擠壓膨化機：山東曲阜泰豐機械廠；JC101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海成順儀器設(shè)備有限公司；FA1004N 型電子天平：上海菁海儀器設(shè)備有限公司；干燥器：鄭州化玻儀器有限公司；NXL-500物性測定儀：北京中慧天誠科技有限公司.

1.3 膨化板栗產(chǎn)品制作工藝

板栗粉→稱量→混合物料→調(diào)配→擠壓膨化→切分→冷卻→包裝→成品.

將物料與玉米糝按試驗設(shè)計的不同比例稱量并混合均勻（水分含量不宜太多，否則易成團堵塞膨化機機頭）.打開膨化機提前預(yù)熱30 s 后，加入玉米糝100 g 連續(xù)進料開始膨化，膨化過程中要注意給膨化機降溫，否則容易出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象.膨化后的產(chǎn)品根據(jù)實際需要選用高速切刀切成大約0.5 m長的膨化制品，冷卻至室溫后包裝即得成品.

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 單因素試驗

以硬度、膨化度和感官評分為評價指標(biāo)，采用單因素試驗依次對板栗粉、木糖醇、大豆粉進行考察，試驗水平分別選擇板栗粉為0、10%、20%、30%、40%；木糖醇添加量為0、1%、3%、5%、7%；大豆粉的添加量為0、3%、5%、7%、10%.

1.4.2 響應(yīng)面設(shè)計試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果確定板栗粉、大豆粉、木糖醇為試驗因素，選取三者較優(yōu)添加劑量.采用三因素三水平進行響應(yīng)面分析，共取17 個試驗點，5個中心點重復(fù)試驗，其因素水平編碼見表1.

表1 響應(yīng)面試驗因素水平編碼Table 1 Level and code of BBD

該試驗的試驗設(shè)計、模型建立及數(shù)據(jù)分析，利用Design Expert 8.0.5.0 軟件輔助完成.

1.5 膨化食品質(zhì)量評價

1.5.1 膨化產(chǎn)品感官評定

評分小組成員由10 名有感官鑒評經(jīng)驗的人員組成，分別對板栗膨化食品的形態(tài)、色澤、組織、滋味、氣味、口感等項目做出感官評價.評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)表2 進行.

表2 板栗膨化食品感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Puffed food of Chinese chestnut sensory evaluation criteria

1.5.2 硬度的測定方法

截取5 cm 長的板栗膨化樣品，采用四分法沿膨化食品的橫截面平均分成4 份，凸面朝上，按動“↓”操作按鈕，當(dāng)探頭剪切完膨化食品時所用的剪切力，即為樣品的硬度.每個試驗組樣品重復(fù)3次.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 板栗粉添加量的確定

板栗的主要成分與谷物類似，谷物擠壓膨化技術(shù)已經(jīng)得到推廣，因此擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用到板栗中也可行.板栗粉添加量的多少直接影響膨化食品的膨化特性，結(jié)果見圖1、圖2.

圖1 板栗粉對膨化產(chǎn)品感官評分的影響Fig.1 The influence of Chinese chestnut powder on puffed products sensory evaluation

圖2 板栗粉對膨化產(chǎn)品膨化度和硬度的影響Fig.2 The influence of Chinese chestnut powder on puffing degree and hardness of puffed products

板栗粉中含量較多的宏量營養(yǎng)素為淀粉，它是膨化食品的重要原料成分[6]，淀粉的種類對膨化度有重要影響，從理論上講，支鏈淀粉更易于膨化，有利于提高膨化產(chǎn)品膨化度[7].淀粉在擠壓膨化過程中主要發(fā)生糊化、水解及與其他物質(zhì)相互作用；Sokney 等[8]研究表明了當(dāng)玉米經(jīng)膨化加工后，其糊化度由13.4% 提高到81.55%，同時還會伴隨有分子降解反應(yīng)，生成葡萄糖、麥芽糖等小分子物質(zhì).由圖1、圖2 可知，當(dāng)板栗粉添加量為玉米糝混合物料質(zhì)量的20% 時，板栗膨化食品的感官評分最高.板栗粉添加量過低時（＜20%），膨化產(chǎn)品的形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)及口感較差；過高時（＞20%），產(chǎn)品外形不夠完整，香味較差.膨化產(chǎn)品的膨化度隨板栗粉添加量的逐步增加，其膨化度和硬度先上升后下降；當(dāng)板栗粉添加量為20% 時，膨化食品的徑向膨化度最大，其原因有待于進一步研究.綜合考慮感官評分、膨化度及硬度，板栗粉的添加量以10%～30%為宜.

2.1.2 木糖醇添加量的確定

木糖醇屬于五碳糖醇，通常呈現(xiàn)為白色粉末或白色結(jié)晶體，具有清涼的甜味感.它是FAO、WHO 和JECFA 共同批準(zhǔn)的A 類食品添加劑，是一種非常安全的食品添加劑，具有防齲齒、改善糖尿病病情、消除血酮癥、改善肝功能等生理功能[9].因此，其添加到膨化食品中不但起到甜味劑的作用，而且具有很好的營養(yǎng)保健意義.木糖醇添加量對膨化食品特性的影響見圖3、圖4.

圖3 木糖醇對板栗膨化產(chǎn)品感官評分的影響Fig.3 The influence of xylitol on sensory score of Chestnut puffed products

圖4 木糖醇對板栗膨化產(chǎn)品膨化度和硬度的影響Fig.4 The influence of xylitol on puffing degree and hardness of Chestnut puffed products

從圖3 和圖4 看出，板栗膨化產(chǎn)品的感官評分隨著木糖醇添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.當(dāng)木糖醇添加量為3%時，評分最高（91分），添加量增大到7%時，評分顯著降低（74 分）；分析其原因在于當(dāng)木糖醇添加量較大時，木糖醇對膨化食品的形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了負(fù)面影響.膨化度和硬度隨著木糖醇添加量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，其原因在于木糖醇可與混合物料競爭有限的水分（物料中水分均在10%以下），所以導(dǎo)致物料在?？谔帥]有充足的水分使淀粉糊化，膨化產(chǎn)品的膨化度下降，硬度增加.以上研究結(jié)論與王思明[10]研究的結(jié)論一致.因此木糖醇的添加量以3%～5%為宜.

2.1.3 大豆粉添加量的確定

大豆粉富含蛋白質(zhì)、脂肪，可以彌補玉米糝和板栗粉混合物料蛋白質(zhì)及脂肪含量少的缺陷.有研究表明，在擠壓膨化時，混合物料中的脂肪，一方面可以改善產(chǎn)品的口感和組織結(jié)構(gòu)，另一方面也會影響到膨化產(chǎn)品的膨化效果[5].大豆粉添加量對膨化食品特性的影響見圖5、圖6.

圖5 大豆粉對板栗膨化食品感官評分的影響Fig.5 The influence of soybean power on sensory index of Chestnut puffed products

圖6 大豆粉對板栗膨化產(chǎn)品膨化度和硬度的影響Fig.6 The influence of soybean meal on puffing degree and hardness of Chestnut puffed products

從圖5 和圖6 看出，板栗膨化產(chǎn)品的感官評分隨大豆粉添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.其原因在于添加少量大豆粉對板栗膨化產(chǎn)品的感官評分影響不太明顯，當(dāng)大豆粉添加量超過7%時，對板栗膨化食品的口感和氣味產(chǎn)生了不良影響.板栗膨化食品的膨化度及硬度隨大豆粉添加量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，因此大豆粉添加量以6%～8%為宜.

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定選用板栗粉、大豆粉及木糖醇的添加量為試驗因素.根據(jù)Box-Beheken 試驗設(shè)計方案，采用三因素三水平響應(yīng)面分析，結(jié)果見表3.

采用design expert 8.0.5.0 軟件對表3 中的試驗結(jié)果進行多項擬合回歸，得到響應(yīng)值R 膨化度與A 板栗粉、B 大豆粉和C 木糖醇的二次多項回歸模型：R=－21.245＋0.107 50A＋6.038 75B＋1.121 25C ＋4.5×10-3AB－5.0×10-3AC－0.112 50BC－2.687 50×10-3A2－0.406 25B2－0.011 250C2.

該模型方差分析見表4.由表4 可知，對膨化度所建立的回歸模型極顯著（P<0.000 1）.試驗中考察的3 個因素對膨化度的影響均顯著（P<0.01），在對膨化度的交互影響的考察中，BC 交互作用顯著；此外，在回歸模擬的方程中，相關(guān)系數(shù)R2=0.987 7，R2Adj=0.965 1，信噪比為19.747，說明模型的擬合度和可信度非常高；變異系數(shù)（CV）為1.71，說明試驗可靠性良好.

表3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Response surface experimental design and results

為了更直觀地反映響應(yīng)因素對響應(yīng)值的影響，對響應(yīng)面圖及等高線進行分析，結(jié)果見圖7—圖9.可見AB、AC 交互作用不明顯，BC 交互作用顯著，結(jié)果與方差分析一致.

2.3 回歸模型的驗證試驗

通過響應(yīng)面分析，獲得3 種混合物料的最佳組合為：板栗粉24.44%、大豆粉6.96%、木糖醇4.24%，在此條件下，板栗膨化產(chǎn)品的膨化度可以達到為3.607.為了方便操作，選擇添加板栗粉25%、大豆粉7%、木糖醇4%，平行做3 組試驗，得出板栗膨化產(chǎn)品的膨化度平均值為3.6，與預(yù)測值接近，表明響應(yīng)面法優(yōu)化的板栗粉、大豆粉、木糖醇的復(fù)配比例準(zhǔn)確可靠，具有可行性.此方法分析得到的板栗膨化產(chǎn)品的感官評分為92.5，酥脆度適口，具有一定的板栗香味.

3 結(jié)論

在本試驗中，板栗粉、大豆粉、木糖醇對膨化食品的膨化度均產(chǎn)生顯著影響，其顯著性影響大小順序為：大豆粉＞板栗粉＞木糖醇，在交互作用中發(fā)現(xiàn)，板栗粉與大豆粉、板栗粉與木糖醇之間交互作用不明顯，而大豆粉與木糖醇之間交互作用顯著.

表4 方差分析Table 4 Variance analysis on puffing degree

圖7 板栗粉和大豆粉交互影響膨化度的曲面圖和等高線Fig.7 Response surface and the contour plots of chestnut powder and soybean meal interaction on puffing degree

圖8 板栗粉、木糖醇交互影響膨化度的曲面圖和等高線Fig.8 Response surface and the contour plots of chestnut powder and xylitol interaction on puffing degree

圖9 大豆粉、木糖醇交互影響膨化度的曲面圖和等高線Fig.9 Response surface and the contour plots of soybean meal and xylitol interaction on puffing degree

通過單因素和Box-Behnken 試驗得到板栗粉、大豆粉和木糖醇3 種物料最佳添加量：板栗粉24.44%、大豆粉6.96%、木糖醇4.24%，在此條件下，板栗膨化產(chǎn)品的膨化度可以達到3.607.經(jīng)過修正后3 種物料的添加量分別為板栗粉25%、大豆粉7%、木糖醇4%.同時，在本試驗范圍內(nèi)建立的回歸模型可靠有效，可用來預(yù)測設(shè)定條件范圍內(nèi)板栗膨化食品配方的工藝參數(shù)的響應(yīng)值，且試驗擬合度較好，在此條件下，板栗膨化食品的感官評價為92.5，膨化度為3.6，硬度為10.18 N.研究結(jié)果可為板栗膨化食品的制作提供參數(shù)依據(jù).

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