響應面法優(yōu)化一種營養(yǎng)面糊工藝

張濤，余林翠，吳鵬，許志誠，孫翌，葛靜，田穎*

1(揚州大學 旅游烹飪學院，江蘇 揚州，225000) 2(安徽科技學院 食品藥品學院，安徽 滁州，233100)

本文針對老年人特殊生理狀態(tài)設計一種面糊，配方主要包括：蕎麥、玉米、山楂等原料。蕎麥所含蛋白質(zhì)、膳食纖維可以幫助對抗衰老[1]。玉米粉同樣含有多種不飽和脂肪酸、豐富的膳食纖維，對人體具有良好的保健作用[2]。山楂具有健胃消食，改善口感的作用，含有大量的纖維素、果膠、半纖維素等物質(zhì)[3]。香蕉，與蕎麥等起到類似作用，且飽腹功效相當明顯。同時，蕎麥、玉米、香蕉等富含K+,有調(diào)節(jié)細胞滲透壓等作用，脂肪含量較低，有利于老年人消化吸收。本文設計的營養(yǎng)面糊其加工工藝采用高溫蒸制結(jié)合噴霧干燥的方法，可以有效地保留原料的營養(yǎng)成分，使用的原料營養(yǎng)素來源豐富，添加劑較少，口感區(qū)別于以往以糧谷類為主要的面糊類產(chǎn)品，有著良好的開發(fā)前景。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料

食品罐50個；市售小麥面粉，玉米粉，胡蘿卜粉，香蕉，中老年脫脂奶粉，山楂粉，蕎麥粉，抗壞血酸，木糖醇；果膠酶，淀粉水解酶。

1.2 主要儀器設備

PRO SERIES型智能烤箱，瑞典雅士高家用電器公司；DHG9148型恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；BSSA224S型精密型電子天平，德國賽多利斯電子天平有限公司；Allegra X-22R型臺式冷凍離心機,美國貝克曼公司；Hsx-250B型智能恒溫恒濕箱,上海?，攲嶒炘O備有限公司；KINEXUS PRO+型旋轉(zhuǎn)流變儀,英國馬爾文儀器有限公司；SQ62型高速離心噴霧干燥機,無錫林州干燥器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 配方的初步確定方法

根據(jù)老年人的特殊生理狀態(tài)，查閱有關(guān)的《中國居民膳食指南2016》[4]、《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量2013》[5]、《中國食物成分表2004》[6]、營養(yǎng)面糊原料營養(yǎng)成分表，確定該營養(yǎng)面糊的基礎(chǔ)配方。

1.3.2 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

首先，蕎麥粉、小麥面粉、玉米粉蒸入蒸箱，條件100 ℃，2 h，再放入恒溫鼓風干燥箱中，60 ℃，2 h，得到熟制粉。

香蕉粉制作：(1)鮮香蕉切片，每1片保持在0.5 cm厚度，然后把切片浸入濃度為0.05%的抗壞血酸溶液中，85 ℃，浸入時間保持在9 min進行護色；(2)然后用料理機進行香蕉片的破碎勻漿過程；(3)在調(diào)制好的勻漿中加入果膠酶、α-淀粉水解酶置于室溫狀態(tài)下進行酶處理，去除果膠和淀粉成分；(4)利用離心機3 000 r/min進行離心分離，去掉上清液，再進行壓濾操作；(5)最后再利用噴霧干燥器，設置進風溫度170 ℃，出風口溫度60 ℃，得到含纖維的香蕉粉。

最后進行混合均勻密封，得到成品。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technical roadmap

1.3.3 產(chǎn)品的感官評價方法

設置一個10個人的感官評定小組，進行感官評定，感官評分標準見表1。

1.3.4 模糊綜合評價法[8]

模糊綜合評價法是可以根據(jù)各指標對感官評分的影響程度，運用數(shù)學的方法進行計算各指標權(quán)重，其主要的原理是根據(jù)因素和評語的隸屬度關(guān)系，將定性的問題定量化，例如將評語“很好”、“好”等轉(zhuǎn)化為數(shù)學數(shù)據(jù)得到計算結(jié)果。其優(yōu)勢在于可以解決難以制定界定標準的問題，比如營養(yǎng)面糊的指標“色澤”、“氣味”等通過轉(zhuǎn)換的方法減少了直觀上的誤差。邏輯性強，得到結(jié)果也會比較清晰。

表1 感官評分標準[7]

(1)確定因素集：U=(a色澤，a氣味，a組織形態(tài)，a溶解性，a口感)；

(2)確定評語集合100分為非常好，80～100分為好，60～80分為一般，40～60分為差，20～40分以下為很差，則U′表示為：U′=(b很好，b好，b一般，b差，b很差)；

(3)權(quán)重確定：口感>溶解性=組織狀態(tài)>色澤=氣味，因素權(quán)重表示為：X=(0.1，0.2，0.1，0.2，0.4)；

(4)模糊矩陣建立與結(jié)果計算：統(tǒng)計每個感官指標的評語類別和數(shù)量，再分別除以10得到5個因素對5項評語的隸屬度，然后成行排列即得到隸屬度矩陣，根據(jù)模糊變換公式Z=XR(R表示隸屬度矩陣)，最后根據(jù)評語集進行加和得到每個產(chǎn)品的綜合評分。

1.3.5 單因素實驗設計

對于營養(yǎng)面糊的設置的因素水平表如表2所示。

1.3.6 響應面實驗設計

響應面實驗設計方案如表3所示。

1.3.7 產(chǎn)品黏度測定方法

取30 g產(chǎn)品加入70 mL水(水溫60 ℃)攪拌均勻后，放入保溫箱待測。黏度測定方程[9-11]：

表2 因素水平表

表3 響應面因素水平表

η=κ·γn-1

此處η為表觀黏度；κ為相關(guān)性指數(shù)；γ為剪切速率；n為流動指數(shù)。

測定并繪制產(chǎn)品的表觀黏度與時間變化的關(guān)系曲線，樣品剪切時間為5 min，剪切速率100 s-1，每隔20 s取1個點，溫度25 ℃。

1.3.8 吸濕性測定

根據(jù)響應面得到的最佳配方，測定其固特粉末吸濕特性。利用干燥器，其中底部含有飽和NaCl溶液，放置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)24 h，此時相對濕度為75%。將響應面優(yōu)化的產(chǎn)品放置于鼓風干燥箱中，102 ℃干燥3 h至衡重。分別稱取已經(jīng)達到衡重的各粉末3 g于干燥器中的平板上。每隔24 h稱重，直至吸濕平衡為止[12]。式(1)為吸濕率的計算公式。

(1)

式中：m1為吸濕前質(zhì)量；m2為吸濕后質(zhì)量。

以相對濕度75%吸濕平衡時的吸濕百分率表示粉末的吸濕性，做3次平行實驗。

1.3.9 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均用SPSS 16.0、Excel 2007、Design-Expert 8.0.6進行處理，顯著水平取p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)品配方設計結(jié)果

根據(jù)老年人特殊生理狀態(tài)查閱資料，遵循低脂肪、高膳食纖維等原則得到營養(yǎng)面糊基礎(chǔ)配方：小麥面粉10 g、玉米粉5 g、胡蘿卜粉5 g、香蕉粉4 g、脫脂奶粉(4、6、8、10、12 g)、山楂粉(4、6、8、10、12 g)、蕎麥粉(2、4、6、8、10 g)、木糖醇(1、2、3、4、5 g)、抗壞血酸0.05 g。各配方營養(yǎng)素含量如表4所示。

表4 各配方營養(yǎng)素含量

2.2 單因素實驗結(jié)果

固定山楂粉8 g、蕎麥粉6 g、木糖醇6 g，將脫脂奶粉按梯度加入，結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫脂奶粉添加量對面糊感官性狀影響Fig.2 Effect of skim milk powder content on sensory quality of batter

由圖2可以得出隨著脫脂奶粉加入量增加，感官評分越高，直到加入量達到10 g，感官性狀達到最佳(p<0.05)，之后出現(xiàn)下降趨勢可能是口味過于濃郁的原因。

固定脫脂奶粉10 g、蕎麥粉6 g、木糖醇6 g，將山楂粉按梯度加入，進行模糊綜合感官評分，結(jié)果如圖3所示。

圖3 山楂粉添加量對面糊感官性狀的影響Fig.3 Effect of hawthorn powder content on sensory quality of batter

由圖3可知隨著山楂粉的加入，感官評分呈現(xiàn)先上升后不斷降低的趨勢，當山楂粉加入6 g時，感官評分最高(p<0.05)，山楂粉有明顯的酸味，當加入少量如4 g時沒有明顯的酸味，更多的是面粉以及奶粉味道，但是加入量超過6 g時，產(chǎn)品呈現(xiàn)出不和諧的酸味，導致酸味太濃。所以其添加量為6 g最適宜。

固定脫脂奶粉10 g、山楂粉8 g、木糖醇6 g，蕎麥粉按照梯度加入，進行感官評分，結(jié)果如4所示。

圖4 蕎麥粉添加量對面糊感官性狀的影響Fig.4 Effect of buckwheat flour content on sensory quality of batter

由圖4可知，蕎麥粉添加量對感官影響是先上升后下降的趨勢，當添加量達到8 g的時候，感官性狀為最好(p<0.05)，所以選用的最優(yōu)條件為8 g。

控制脫脂奶粉10 g、山楂粉8 g、蕎麥粉6 g，將木糖醇按照梯度加入，結(jié)果如圖5所示。

圖5 木糖醇添加量對面糊感官性狀的影響Fig.5 Effect of vcontent on sensory quality of batter

由圖5可知，顯著性分析p>0.05，木糖醇添加量對面糊感官性狀評分影響不大，可能是因為木糖醇對產(chǎn)品除了口味之外的指標影響不大，其次可能由于木糖醇作為一種食品添加劑，添加量較少，對其感官性狀改變不大，所以該因素對產(chǎn)品影響不大，考慮到老年人特殊生理狀態(tài)，所以可以設為固定添加量2 g。

2.3 響應面實驗結(jié)果[13]

用Design-Expert 8.0.6對表5數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合，獲得的關(guān)于中老年脫脂奶粉添加量、蕎麥粉添加量、山楂粉添加量的二次回歸方程。

X=92.30+8.24A+4.25B-1.84C+10.02AB-1.35AC-2.33BC-23.60A2-9.82B2-3.95C2，由方程可知A、B項系數(shù)為正，說明該2個變量正向變化可以使得響應值增加，C項系數(shù)為負，說明有極大值存在，故能夠進行最優(yōu)值分析。分析對數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，得到表6。

表6 多元回歸模型分析

注:R2=0.996 5，S2=1.45，CV(%)=1.94。

由表6可以看出回歸模型p<0.000 1，說明模型極顯著，說明該種方法符合實驗要求，數(shù)據(jù)合理可靠。R2=0.996 5則表明預測值與實際值之間的相關(guān)性非常高，誤差非常小。表中AB、BC項對感官評分影響顯著，表明他們之間存在交互作用。其中A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2項顯著，由于二次項系數(shù)絕對值大小反應影響的顯著程度，則：脫脂奶粉>蕎麥粉>山楂粉。同時可以用回歸方程來反映，并且可以估算出最優(yōu)配方值。

將數(shù)據(jù)在Design-Expert 8.0.6進行三維繪制，得到響應曲面如下：

由圖6可知：以脫脂奶粉添加量和蕎麥粉交互作用為例進行降維分析，固定其他因素。脫脂奶粉的添加量變化會是的坡面顯著變化，而蕎麥粉添加量的變化，坡面變化較緩，說明響應值受到脫脂奶粉添加量影響較大，兩者添加量呈一個典型的橢圓形狀，說明兩者的交互作用明顯。脫脂奶粉和山楂粉的交互作用同樣表現(xiàn)為脫脂奶粉對響應值影響較大，山楂粉的添加量變化幾乎不引起坡面的變化，兩者交互作用不顯著。蕎麥粉和山楂粉的交互作用表現(xiàn)為蕎麥粉添加量引起坡面變化較顯著，山楂粉的影響較小，可以觀察到兩者的交互呈現(xiàn)出的形狀非明顯的橢圓形狀，說明兩者的交互作用顯著性較低。通過該軟件進行預測值估算，得到中老年脫脂奶粉添加量10.54 g、蕎麥粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，感官評分為94.635 3。

圖6 響應曲面及等高線Fig.6 Response surface and contour plot

2.4 驗證實驗

取響應面預測值中老年脫脂奶粉添加量10.54 g、蕎麥粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，小麥粉10 g、玉米粉5 g、胡蘿卜粉5 g、香蕉粉4 g、木糖醇2 g、抗壞血酸0.05 g，做3組平行實驗，進行模糊綜合感官評價。結(jié)果表明，感官評分為94.7，與預測值有良好的吻合性，說明模型可行。其最優(yōu)配方具備了色澤均勻、氣味濃郁、顆粒干燥疏松無結(jié)塊、口感順滑等特點。取最優(yōu)配方根據(jù)GB 28050—2011預包裝食品營養(yǎng)標簽通則[14]和表4計算得到營養(yǎng)面糊的營養(yǎng)成分表如表7所示。

表7 營養(yǎng)成分表

注：NRV表示營養(yǎng)素參考值；NRV%表示每100g產(chǎn)品中所含營養(yǎng)成分占營養(yǎng)素參考值(NRV)的百分比。

根據(jù)表7，并查閱《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量2013》相關(guān)內(nèi)容可以得出營養(yǎng)面糊每100 g所含的營養(yǎng)素如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等均小于老年人每日營養(yǎng)素需求量，由于其作為一種輔食，同時考慮到老年人對脂肪和碳水化合物的耐受能力和每日的其他正常飲食外，該營養(yǎng)面糊具有百分比含量相對較高的膳食纖維、鉀、蛋白質(zhì)，較低的脂肪、能量和鈉。有研究表明膳食纖維具有飽腹，吸收體內(nèi)膽固醇，促進胃腸道蠕動等作用；鉀較高有利于老年人血壓的穩(wěn)定。所以最優(yōu)配方的營養(yǎng)面糊具有良好的營養(yǎng)素分布的特點，符合老年人的膳食攝入規(guī)則，該最優(yōu)配方面糊營養(yǎng)素含量對膳食標準具有依從性。

2.5 產(chǎn)品黏度測定結(jié)果

由圖7可知隨著時間推移，產(chǎn)品黏度下降的趨勢放緩，查閱配料表可以得知，主產(chǎn)品要成分是大米淀粉和粗糧面粉類，當產(chǎn)品與水攪拌后，無規(guī)則的直鏈淀粉和支鏈淀粉相互纏繞形成一種較為穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)[15]，但是也不會像化學鍵那樣有很穩(wěn)定的作用力來維持結(jié)構(gòu)，所以當隨著時間變化的時候，剪切速率為100 s-1，流體阻力慢慢降低，其表觀結(jié)構(gòu)會慢慢受到破壞，面糊流體就會隨著轉(zhuǎn)子的方向流動，當?shù)揭欢〞r間后，聚集的分子結(jié)構(gòu)被打開越來越多，黏度變化就變得緩慢趨于穩(wěn)定。在剪切速率恒定情況下，產(chǎn)品表觀黏度隨時間不斷地下降，具有觸變性，產(chǎn)品的觸變性越低，那么流體的穩(wěn)定性就越高，這樣的話就可以很好地防止面糊久置發(fā)生沉淀[16]。產(chǎn)品表觀黏度變化曲線不是平滑下降，這可能是由于沒有形成一種非常穩(wěn)定的體系，所以它的優(yōu)勢在于口感比較的順滑，由于產(chǎn)品具有觸變性，體系不穩(wěn)定，所以是一種即食不能久置的輔食。

圖7 自制實驗樣品表觀黏度隨時間變化曲線Fig.7 Self-made experimental sample apparent viscosity with time curve

2.6 吸濕性實驗結(jié)果

經(jīng)過鄧肯實驗分析，圖8中標的字母表示存在顯著性差異 (p<0.05)，96 h時該面糊達到了一個吸濕平衡狀態(tài)。粉末由之前的細膩狀態(tài)逐漸聚集在一起，形成團狀，顏色也逐漸加深，有黏性。在25 ℃下、相對濕度為75%的環(huán)境下貯藏時，即食面糊在24～48 h時間內(nèi)，水分吸收率急劇增大，在48～96 h內(nèi)吸附速率逐漸減小，96 h后逐漸趨于平衡。

圖8 吸濕性圖Fig.8 Hygroscopic map

3 結(jié)論

通過單因素實驗確定了中老年脫脂奶粉、山楂粉、蕎麥粉添加量的范圍、并排除對結(jié)果影響不大的因素木糖醇。通過響應面實驗得到產(chǎn)品的最優(yōu)配方為：老年脫脂奶粉添加量10.54 g、蕎麥粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，小麥粉10 g、玉米粉5 g、胡蘿卜粉5 g、香蕉粉4 g、木糖醇2 g、抗壞血酸0.05 g。是一種具有觸變性的流體，口感順滑，黏度適中，色澤均勻，營養(yǎng)素來源豐富，含量合理，在吸濕性測定中，產(chǎn)品在24～48 h吸濕速率迅速增加，96 h時吸濕速率趨于穩(wěn)定，需密封貯藏，可以考慮作為一種新的輔食進行推廣，進行深加工。

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