響應(yīng)面-主成分分析法研制蓮房膳食纖維曲奇

蔣旖旋，龔超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勛，易陽（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023）

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響應(yīng)面-主成分分析法研制蓮房膳食纖維曲奇

蔣旖旋，龔超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勛，易陽*
（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023）

摘要：在單因素試驗(yàn)明確蓮房不溶性膳食纖維添加量、黃油添加量、烘烤溫度和時間對曲奇餅干品質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，建立四因素回歸模型優(yōu)化餅干制作工藝。分別以各感官評價(jià)項(xiàng)的總評分及主成分分析得到的綜合評分為指標(biāo)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到2套工藝參數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用比較后確定曲奇餅干制作的最優(yōu)參數(shù)為：不溶性膳食纖維添加量3.8 %、黃油添加量60%、烘烤時間11min、烘烤溫度196℃。采用三點(diǎn)彎曲測試分析餅干的硬度、脆性和酥性，發(fā)現(xiàn)其品質(zhì)與脆性和酥性均存在顯著負(fù)相關(guān)性（P<0.05）。建立蓮房膳食纖維曲奇餅干的制作工藝，探析其品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)及方法，可為蓮房的開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞：蓮房；膳食纖維；曲奇餅干；響應(yīng)面；主成分分析

蓮房是睡蓮科植物蓮（Nelumbo nucifera Gaertn.）的成熟花托，常用于炮制蓮房炭[1]，具有止血、化瘀、祛濕的功效[2]。然而，隨著醫(yī)藥科技水平的進(jìn)步，蓮房炭已逐漸淡出市場。近年來，籽蓮產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，作為副產(chǎn)物的蓮房產(chǎn)量也明顯增加，除了少部分用于食用菌栽培基質(zhì)外[3]，大多被丟棄，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)戶增收、環(huán)境保護(hù)等多方面考慮，蓮房的綜合利用有重要現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，蓮房的研究熱點(diǎn)主要集中在原花青素的提取純化、結(jié)構(gòu)鑒定和生物活性評價(jià)[4]，而對其膳食纖維的開發(fā)應(yīng)用仍屬空白。

當(dāng)前，各種精制加工面粉深受人們喜愛，膳食偏好導(dǎo)致膳食纖維攝入量減少[5]。越來越多的證據(jù)表明，膳食纖維的攝入量與慢性疾?。c道疾病、肥胖病、糖尿病、心血管疾?。┲g存在密切的關(guān)系[6]。膳食纖維的適量添加不僅能賦予食品功能特性，而且可能產(chǎn)生新的風(fēng)味或改善品質(zhì)[7]。曲奇餅干是焙烤市場的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，但隨著消費(fèi)者對飲食的關(guān)注程度增加，健康和享受的雙重要求成為產(chǎn)品研制的重要風(fēng)向標(biāo)[8]。膳食纖維曲奇餅干迎合消費(fèi)需求，但其研制卻鮮見報(bào)道。為此，本文考察蓮房不溶性膳食纖維（IDF）添加量、黃油添加量、烘烤時間和溫度對曲奇餅干感官品質(zhì)的影響，結(jié)合主成分分析法和響應(yīng)面法優(yōu)化制作工藝，并探討餅干感官與質(zhì)構(gòu)品質(zhì)之間的相關(guān)性，旨為蓮房膳食纖維曲奇餅干開發(fā)及質(zhì)量評價(jià)提供參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

蓮房：湖北萬荷堂蓮業(yè)發(fā)展有限公司提供，經(jīng)熱風(fēng)干燥后粉碎至50目～300目；無鹽黃油：阿根廷SUKI公司；低筋小麥粉（蛋白質(zhì)含量13 %）：河南金龍面業(yè)有限公司；細(xì)砂糖：廣東福正東海食品有限公司；泡打粉：江門高迪食品有限公司；雞蛋、鹽等輔料：均為市售產(chǎn)品。

1.2儀器與設(shè)備

SE602F電子天平：美國Ohaus公司；TA.XT-plus食品物性測試儀：英國Stable Micro System公司；BOK35電烤箱：佛山市貝奧電器有限公司；YB-1000A多功能粉碎機(jī)：永康市速鋒工貿(mào)有限公司；HM4400客浦?jǐn)嚢杵鳎罕本┲信d柏粹電器有限公司。

1.3方法

1.3.1蓮房IDF制備

蓮房粉經(jīng)4倍體積的75 %乙醇浸泡過夜后過濾干燥，采用α-淀粉酶和木瓜蛋白酶分步酶解去除蓮房粉中的蛋白質(zhì)及淀粉，過濾酶解殘?jiān)?，洗滌干燥后得到蓮房IDF。經(jīng)GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》方法測定[9]，樣品中總膳食纖維（TDF）含量為94.32 %，IDF含量為93.84 %。

1.3.2曲奇餅干制作工藝及要點(diǎn)

油經(jīng)室溫軟化后，置于攪拌器中勻速攪拌至順滑，加入適量細(xì)砂糖繼續(xù)攪拌至順滑且體積稍有膨大；加入適量全蛋液攪拌至蓬松、乳白的奶油霜狀；黃油中篩入事先混勻的低筋面粉（100.0 g）、泡打粉及一定質(zhì)量比的蓮房IDF，拌勻后轉(zhuǎn)入裱花帶中擠壓成型；將餅胚置于預(yù)熱的電烤箱中烘烤，烘烤結(jié)束后自然冷卻至35℃～40℃[10-11]，裝袋密封后于干燥器內(nèi)避光保存，一周內(nèi)完成相關(guān)分析測試。

1.3.3單因素試驗(yàn)

選取蓮蓬I(lǐng)DF添加量、黃油添加量、烘烤時間及溫度為試驗(yàn)因素，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定其固定水平分別為4%、60 %、190℃、12 min。單因素試驗(yàn)中各因素的水平：IDF添加量為2%、4%、6%、8%、10%；黃油添加量為40%、 50%、60%、70%、80%；烘烤時間為8、10、12、14、16min；烘烤溫度為170、180、190、200、210℃。

1.3.4響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)安排四因素三水平試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of the experiment

1.3.5感官評價(jià)

蓮房IDF曲奇餅干品質(zhì)評價(jià)采用綜合感官評分法。篩選10位食品相關(guān)專業(yè)人員以盲標(biāo)法分別對餅干的形態(tài)、色澤、氣味、滋味、口感、組織和雜質(zhì)進(jìn)行評分，總評得分為各項(xiàng)分值之和[12]。評分標(biāo)準(zhǔn)參考曲奇餅干行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)略作調(diào)整[13]，如表2所示。

表2曲奇餅干感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of sensory evaluation for cookies

1.3.6質(zhì)構(gòu)特性分析

曲奇餅干質(zhì)構(gòu)特征采用物性測試儀HDP/3PB探頭進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[14-15]，TA程序設(shè)計(jì)如下：測試模式為壓縮；測前速度5.00 mm/s；測中速度1.7 mm/s；測后速度10.0 mm/s；目標(biāo)模式為應(yīng)變40 %；觸發(fā)力為5.0 g。每組樣品平行測定3次。取信號曲線的最大值為樣品的硬度（g），取最大信號峰前的破裂峰數(shù)為樣品的脆性，取曲線起點(diǎn)到最大峰值的線性距離為酥性（g·s）。

1.4數(shù)據(jù)處理

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析采用SAS（V8）軟件處理；組間數(shù)據(jù)差異比較采用SPSS19軟件S-N-K檢驗(yàn)分析，顯著性水平為P<0.05；Pearson相關(guān)性采用SPSS19軟件進(jìn)行0.01和0.05水平雙側(cè)檢驗(yàn)；主成分分析采用SPSS19軟件進(jìn)行因子分析。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 IDF添加量

IDF添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖1。

圖1 IDF添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.1 Effects of IDF addition on the sensory quality of cookie

IDF添加量介于2 %～6 %之間對曲奇餅干的感官評分無顯著影響（P>0.05），但添加量增加至8 %后感官評分顯著下降（P<0.05）。IDF添加量過大產(chǎn)生如下影響：破壞餅干花紋的完整度，但對其組織結(jié)構(gòu)影響不顯著；IDF的深棕色會掩蓋產(chǎn)品焙烤色澤；減弱曲奇特有的氣味和滋味；口感的硬度會明顯增加。高添加量的IDF可能增加餅干的松密度[16-17]，造成表面花紋易斷裂。餅干的硬度與其持水性呈正相關(guān)[16]，隨著IDF添加量的增加，餅干的硬度隨之增強(qiáng)?？紤]盡可能提高產(chǎn)品的膳食纖維含量并保證品質(zhì)，確定IDF添加量為4 %～8 %。

2.1.2黃油添加量

現(xiàn)售的曲奇餅干一般油脂含量高達(dá)75 %以上，而黃油含量是影響其品質(zhì)的重要因素[12]。黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖2。

圖2黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.2 Effects of butter addition on the sensory quality of cookie

曲奇餅干感官評分隨著黃油添加量的增大呈增加趨勢，而超過50 %后分值無顯著增加（P>0.05）。添加量40 %的分值顯著低于60 %～80 %（P<0.05），但與50 %無顯著差異（P>0.05）。黃油添加量大有利于產(chǎn)品成型，且色澤和氣味特征較好，但油脂含量過高易產(chǎn)生氧化哈敗、食用后油膩感強(qiáng)、產(chǎn)品過于酥脆不易保存、生產(chǎn)成本增加。故而選擇黃油添加量為50 %～70 %。

2.1.3烘烤時間

烘烤時間對曲奇餅干感官評分的影響見圖3。

圖3烘烤時間對曲奇餅干感官評分的影響Fig.3 Effects of baking time on the sensory quality of cookie

烘烤時間由8 min延長至16 min的過程中，曲奇餅干的感官評分先增大后減少。烘烤時間介于10 min～14 min的感官評分無明顯差異（P>0.05），但均顯著高于8 min（P<0.05）。烘烤16 min的感官品質(zhì)最差（P< 0.05）。烘烤時間不足，餅干的色澤和風(fēng)味欠佳，且質(zhì)地較軟。而烘烤過度導(dǎo)致餅干焦糊，且質(zhì)地硬實(shí)。因此，選擇烘烤時間為10 min～14 min為宜。

2.1.4烘烤溫度

烘烤溫度對曲奇餅干感官評分的影響見圖4。

圖4烘烤溫度對曲奇餅干感官評分的影響Fig.4 Effects of baking temperature on the sensory quality of cookie

溫度在180℃～210℃的范圍內(nèi)對曲奇餅干感官品質(zhì)無顯著影響（P>0.05），但溫度超過210℃后品質(zhì)顯著下降（P<0.05）。烘烤溫度220℃時，餅干花紋及餅體邊緣出現(xiàn)焦?fàn)?，且特有的曲奇風(fēng)味變?nèi)??？紤]到烘烤溫度與時間潛在的交互作用，選擇溫度范圍為180℃～200℃。

2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1回歸模型檢驗(yàn)

響應(yīng)面試驗(yàn)安排及結(jié)果如表3所示。

表3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Experimental design and results

以IDF添加量X1、黃油添加量X2、烘烤時間X3、烘烤溫度X4為試驗(yàn)因素，建立以感官評價(jià)總評分值Y1為考察指標(biāo)的回歸模型：

回歸模型各項(xiàng)P值及其決定系數(shù)如表4所示。

感官評分Y1、Y2、Y3、Y5、Y6的回歸模型達(dá)極顯著水平（P<0.01），氣味Y4的回歸模型顯著（P<0.05），而組織Y7的回歸模型不顯著（P>0.05）。各因素對總評和形態(tài)的影響為IDF添加量>烘烤溫度>黃油添加量>烘烤時間；對色澤和氣味的影響為：IDF添加量>烘烤溫度>烘烤時間>黃油添加量；對滋味的影響為：IDF添加量>黃油添加量>烘烤溫度>烘烤時間；對口感的影響為：IDF添加量>黃油添加量>烘烤時間>烘烤溫度。逐項(xiàng)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，一次項(xiàng)僅對氣味和組織無顯著影響（P>0.05），平方項(xiàng)對氣味、口感和組織無顯著影響（P>0.05），而交互項(xiàng)對形態(tài)、氣味和組織無顯著影響（P>0.05）。

2.2.2雙因素交互作用分析

各因素對蓮房IDF曲奇餅干感官品質(zhì)的影響見表4和圖5。

表4回歸模型各項(xiàng)P值及其決定系數(shù)Table 4 P values and determination coefficients of the regression models

圖5各因素對曲奇餅干感官指標(biāo)的交互影響Fig.5 Interactions of factors on the sensory index of cookie

交互項(xiàng)X1X2僅顯著影響餅干的形態(tài)（P<0.05），將其他因素固定在零水平：當(dāng)IDF添加量處于-1水平時，黃油添加量對形態(tài)影響不明顯；當(dāng)IDF添加量處于1水平時，形態(tài)品質(zhì)隨黃油添加量增加而增強(qiáng)；黃油添加量在任一試驗(yàn)水平下，過高或過低的IDF添加量都無法獲得最佳的形態(tài)品質(zhì)。交互項(xiàng)X1X4僅對曲奇餅干感官總評分值和滋味有顯著影響（P<0.05），且影響趨勢基本一致，將其他因素固定在零水平：當(dāng)IDF添加量處于-1水平時，總評和滋味品質(zhì)隨烘烤溫度增大而增強(qiáng)；當(dāng)IDF添加量處于1水平時，總評和滋味品質(zhì)隨烘烤溫度增大而減弱；當(dāng)烘烤溫度處于-1水平時，IDF添加量對總評和滋味品質(zhì)的影響不明顯；但烘烤溫度處于高水平時，總評和滋味品質(zhì)隨IDF添加量增加而急劇減弱。交互項(xiàng)X3X4對除形態(tài)外的各感官品質(zhì)均有顯著影響（P<0.05），且總體趨勢基本一致，將其他因素固定在零水平：當(dāng)烘烤時間處于低水平時，各品質(zhì)隨烘烤溫度增大而增強(qiáng)；當(dāng)烘烤時間處于高水平時，各品質(zhì)隨烘烤溫度增大而減弱，反之亦然。

2.2.3最佳工藝條件優(yōu)化

采用RSREG Procedure分析回歸模型得到一個極值點(diǎn)（Y1=86.08），該點(diǎn)各因子的編碼值為：X1=-1.247 1、X2=-0.830 8、X3=-0.868 8、X4=1.325 1。為便于實(shí)際應(yīng)用，調(diào)整得到第一套工藝參數(shù)為IDF添加量3.5 %、黃油添加量52 %、烘烤時間10 min、烘烤溫度203℃。

感官評價(jià)指標(biāo)較多，且這些指標(biāo)之間的Pearsom相關(guān)系數(shù)較高（數(shù)據(jù)未呈現(xiàn)），若都用于品質(zhì)評價(jià)可能造成嚴(yán)重的共線性問題，且增加分析過程的工作量[14]。為此，對響應(yīng)面試驗(yàn)中的各感官評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表5。

第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為70.201 %，涵括原始指標(biāo)的大部分信息，能反映樣品的整體信息[18]。根據(jù)成分矩陣建立曲奇餅干的綜合評價(jià)模型：Z= 0.789Y2+ 0.943Y3+0.906Y4+0.952Y5+0.796Y6+0.591Y7。

表5各主成分的特征值及其貢獻(xiàn)率Table 5 The characteristic values and contribution rates of the principal components

將表3中試驗(yàn)結(jié)果代入上述模型中，建立以綜合評分Z為指標(biāo)的回歸模型達(dá)極顯著水平（P<0.001），相比Y1回歸模型的決定系數(shù)R2值更高。進(jìn)一步分析回歸模型極值點(diǎn)（Z=66.10）的各因子編碼值為X1=-1.119 5、X2=-0.015 1、X3=-0.369 7、X4=0.586 9，經(jīng)調(diào)整后得到第二套工藝參數(shù)為IDF添加量3.8 %、黃油添加量60 %、烘烤時間11 min、烘烤溫度196℃。

分別采用以上兩套優(yōu)化的工藝參數(shù)制備蓮房IDF曲奇餅干，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與回歸模型預(yù)測結(jié)果的基本吻合。兩套最優(yōu)參數(shù)下的曲奇餅干品質(zhì)比較由圖6可見。

圖6兩套最優(yōu)參數(shù)下的曲奇餅干品質(zhì)比較Fig.6 Comparison in sensory qualities between cookies prepared by two optimized technologies

其形態(tài)、口感和組織評分無顯著差異（P>0.05），但第二套參數(shù)具有較高的色澤、氣味和滋味評分（P< 0.05），說明主成分提取分析對建立產(chǎn)品感官評分指標(biāo)有重要指導(dǎo)意義。

2.3感官及物性指標(biāo)的相關(guān)性分析

關(guān)于餅干的質(zhì)地評價(jià)主要依靠感官方法，評價(jià)結(jié)果存在一定的模糊性和主觀性。餅干的質(zhì)構(gòu)特性是影響其感官品質(zhì)的重要因素，同時也對其加工、品質(zhì)檢驗(yàn)、包裝、運(yùn)輸和儲存有重要指導(dǎo)意義[19]。采用三點(diǎn)彎曲測試對曲奇餅干的質(zhì)構(gòu)特性（硬度、脆性和酥性）進(jìn)行測定（表3），進(jìn)一步分析質(zhì)構(gòu)與感官的相關(guān)性如表6所示。

表6感官及物性指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 6 The Pearson correlation coefficients between sensory and textural indexes

口感、組織、感官總評和綜合評分兩兩之間存在極顯著的正相關(guān)性（P<0.01）。感官總評和綜合評分分別與脆性及酥性呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性（P<0.05），說明曲奇餅干的酥脆性越高，其品質(zhì)可能越低，與關(guān)裕亮等的研究結(jié)果吻合[19]。同時也說明，曲奇餅干的酥性和脆性可用于其品質(zhì)優(yōu)劣的表征。此外，酥性與脆性和硬度之間存在極顯著的正相關(guān)性（P<0.01），而三者在感官總評80分及綜合評分60以上的數(shù)值并非成正態(tài)分布，其原因可能與品質(zhì)評分的人為偏差及裱花袋擠壓成型的非均一性有關(guān)。蓮房膳食纖維曲奇評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的儀器量化還有待進(jìn)一步研究。

3　結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)考察了蓮房IDF添加量、黃油添加量、烘烤溫度和時間對曲奇餅干品質(zhì)的影響，采用響應(yīng)面法和主成分分析法優(yōu)化其制備工藝，并依靠驗(yàn)證試驗(yàn)確定優(yōu)化的蓮房膳食纖維曲奇餅干工藝參數(shù)為：IDF添加量3.8 %、黃油添加量60 %、烘烤時間11 min、烘烤溫度196℃?；谥鞒煞址治龇椒ń⒌纳攀忱w維曲奇餅干感官評價(jià)模型，相比傳統(tǒng)的各指標(biāo)項(xiàng)累計(jì)，不但能減少分析工作量，而且能獲得較好的工藝條件。此外，曲奇餅干的酥性和脆性與其感官品質(zhì)存在顯著的相關(guān)性，預(yù)示物性分析方法在餅干品質(zhì)評價(jià)上的可行性。本文建立了蓮房IDF曲奇餅干的制作工藝，明確了其品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)及方法，可為蓮房深加工提供參考。

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Development of Lotus Seed Pot Dietary Fiber Cookie by Response Surface Methodology and Principal Component Analysis

JIANG Yi-xuan，GONG Chao，HOU Li-li，XU Yan-yan，WANG Hong-xun，YI Yang*
（College of Food Science & Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，Hubei，China）

Abstract：The effects of lotus seed pot IDF addition，butter addition，baking temperature and time on the sensory qualities of cookies were investigated by single factor experiment. Then，their regression model was established. The total points of the organoleptic items and the synthetical points obtained by principal component analysis were respectively used as the index to optimize the technological parameters of cookies based on response surface methodology. The optimized parameters，which were finally confirmed by practical comparison in sensory quality，were as follows：IDF addition was 3.8 %，butter addition was 60 %，baking temperature was 196℃，and baking time was 11 min. The three-point bending test indicated that the correlation between sensory quality and brittlement was negatively significant（P <0.05）. This work provides the processing technology of cookies enriched with dietary fiber from lotus seed pot，and explores the evaluative index and method for cookie quality. It can be used as a reference for the development of lotus seed pot.

Key words：lotus seed pot；dietary fiber；cookies；response surface methodology；principal component analysis

收稿日期：2014-09-30

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.025

*通信作者：易陽（1986—），男（漢），講師，博士，從事功能食品研究。

作者簡介：蔣旖旋（1992—），女（漢），本科，從事農(nóng)產(chǎn)品加工研究。

基金項(xiàng)目：湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（YJNO136）