響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化馬鈴薯餅干配方

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(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏銀川 750021)

馬鈴薯屬茄科,一年生草本植物,在我國已有多年的種植歷史,現(xiàn)已成為新世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ淖魑镏弧ｑR鈴薯不僅含有礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、碳水化合物、無機(jī)鹽等營養(yǎng)成分,也含有禾谷類作物沒有的抗壞血酸以及胡蘿卜素,具有強(qiáng)身益氣、緩急止痛、和胃健脾等保健功效[1-5],可預(yù)防高膽固醇、慢性胃炎等疾病[6],這些優(yōu)點(diǎn)使其在食品中的用途更加廣泛。我國馬鈴薯產(chǎn)量高,但在深加工方面遠(yuǎn)不及其他發(fā)達(dá)國家。一方面,我國馬鈴薯以鮮食為主,種類單一,缺乏適合我國居民飲食習(xí)慣的主食產(chǎn)品。另一方面,馬鈴薯全粉中不含有面筋蛋白,因而不具有面團(tuán)特有的粘彈性,導(dǎo)致加工性能較差。2015年,農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略[7],以期達(dá)到馬鈴薯由副食消費(fèi)轉(zhuǎn)向主食消費(fèi)、原料產(chǎn)品轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化成品、溫飽消費(fèi)轉(zhuǎn)向健康消費(fèi)的目的,使其逐漸成為即玉米、小麥、稻米外的又一大主糧。國家對(duì)馬鈴薯的生產(chǎn)、加工都及其重視,目前,已有學(xué)者對(duì)馬鈴薯面條[8]、米粉、面包[9]等進(jìn)行研究。

餅干口感酥脆,外觀精巧,是一種方便大眾的休閑食品[10],深受廣大消費(fèi)者喜愛,但是餅干中糖和油脂含量較高,熱量較大,這限制了其在食品領(lǐng)域的銷售。因此,對(duì)高營養(yǎng)、低熱量餅干的工藝配方進(jìn)行改良,是合乎當(dāng)今食品消費(fèi)領(lǐng)域的重要舉措。隨著消費(fèi)者生活水平及健康理念的提高,人們對(duì)日常飲食也提出了更高的營養(yǎng)和健康要求。為此,本文在傳統(tǒng)餅干配方基礎(chǔ)上,用黃油代替動(dòng)物油脂,以餅干成品的感官綜合評(píng)分和硬度、咀嚼性、脆性等質(zhì)構(gòu)特性為評(píng)價(jià)指標(biāo),在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面法和主成分分析法對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而為馬鈴薯餅干的開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯全粉 寧夏法福來食品股份有限公司;低筋面粉 濰坊風(fēng)箏面粉有限責(zé)任公司;白砂糖、小蘇打、鹽、雞蛋輔料 市售。

ACS-30電子秤 武義縣金宇恒器有限公司;SQP電子天平 多利斯科學(xué)儀器北京有限公司;HM315打蛋器 青島漢尚電器有限公司;TA-XT plus質(zhì)構(gòu)分析儀 英國Stable Micro Systems有限公司;HO-405電烘箱 青島漢尚電器有限公司;MUMX25TLCN多功能食物料理機(jī) 斯洛文尼亞公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料配方 原料配比(馬鈴薯全粉+低筋面粉=100 g),黃油45 g,白砂糖30 g,雞蛋20 g,全脂奶粉10 g,碳酸氫鈉0.5 g,食鹽1.0 g,水適量。

1.2.2 馬鈴薯餅干的制作 原料→乳化→面團(tuán)調(diào)制→靜置→成型→焙烤→冷卻→成品[11]

原料預(yù)處理:低筋面粉和馬鈴薯粉分別過60目篩備用。乳化:將黃油放在室溫下軟化,用打蛋器打發(fā),再按比例加入白砂糖打發(fā)并加入全蛋液,全蛋液分三次加入,當(dāng)顏色打發(fā)至發(fā)白時(shí)停止打發(fā)。面團(tuán)調(diào)制:先將其他輔料均勻混合后再與低筋面粉混合,倒入多功能廚師機(jī)進(jìn)行快速攪拌調(diào)粉,在面團(tuán)調(diào)制時(shí),調(diào)制溫度控制在22～26 ℃,先慢后快,減少面團(tuán)捏合時(shí)間,將面團(tuán)調(diào)制的具有一定的塑性及韌性且不粘手可停止調(diào)制。靜置:將面團(tuán)調(diào)制結(jié)束后置于常溫下醒發(fā)15 min。焙烤:將輥扎成型的餅干放入烘箱,上火溫度為180 ℃,下火溫度為150 ℃,共烤制15 min。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 參照預(yù)實(shí)驗(yàn),選取對(duì)品質(zhì)影響較大的3個(gè)因素,即馬鈴薯全粉和低筋面粉的質(zhì)量比、白砂糖添加量、黃油添加量為主要因素,研究各個(gè)因素對(duì)馬鈴薯餅干的質(zhì)構(gòu)特性和感官品質(zhì)的影響。以低筋面粉與馬鈴薯全粉的含量為100%計(jì),其他輔料添加量按與低筋面粉與馬鈴薯全粉的百分比進(jìn)行計(jì)算。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定的單因素實(shí)驗(yàn)基本條件為:低筋面粉與馬鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3、黃油的相對(duì)含量45%,白砂糖的相對(duì)含量25%,其他輔料的相對(duì)含量為全脂奶粉5%、雞蛋10%、碳酸氫鈉0.25%、食鹽0.5%。各因素梯度分別為低筋面粉與馬鈴薯的質(zhì)量比:9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5;黃油的相對(duì)含量:15%、25%、35%、45%、55%;白砂糖的相對(duì)含量:5%、15%、25%、35%、45%。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ),選取低筋面粉和馬鈴薯粉的質(zhì)量比、黃油、白砂糖為自變量,感官綜合評(píng)分作為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Benhnken中心組合原理設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn),確定馬鈴薯餅干的最佳工藝配方,如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.5 馬鈴薯餅干的感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 將制成的馬鈴薯餅干按照是否含有雜質(zhì)、組織狀態(tài)、滋味與口感和色澤為感官指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。選取10名通過專業(yè)培訓(xùn)的食品專業(yè)學(xué)生組成感官評(píng)價(jià)小組,對(duì)馬鈴薯餅干進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析,每組樣品測(cè)3次,結(jié)果取其平均值[12],感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[13]見表2。

表2 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of comprehensive quality grading of biscuits

1.2.6 質(zhì)構(gòu)測(cè)定 由質(zhì)構(gòu)分析儀對(duì)樣品的硬度、韌性、咀嚼性、脆度[14-16]進(jìn)行測(cè)定,以評(píng)價(jià)餅干的品質(zhì)。測(cè)定條件:選擇TP(texture profile analysis)測(cè)試程序,選用P/2探頭,測(cè)前速率1.0 mm/s,測(cè)中速率1.0 mm/s,測(cè)后速率1.0 mm/s,形變量為60%,測(cè)試應(yīng)變位移為3 mm,觸發(fā)力5 g,每塊餅干取三個(gè)點(diǎn)測(cè)試,剔除最大值和最小值,結(jié)果求平均值。

1.3 主成分提取與數(shù)據(jù)處理

對(duì)馬鈴薯餅干的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析,得到原始數(shù)據(jù)的特征值、累計(jì)貢獻(xiàn)率及貢獻(xiàn)率,將大于1的特征值因子進(jìn)行主成分提取。馬鈴薯餅干的綜合評(píng)分[17]按以下公式計(jì)算,并將得到的綜合評(píng)分進(jìn)行規(guī)范化處理,得到規(guī)范化綜合[18]得分。

F=(F1Y1+F2Y2+F3Y3)/C

Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

式中,F為綜合評(píng)分,F1、F2、F3為餅干的主成分1、2、3的得分,Y1、Y2、Y3為主成分的特征值,C為累積特征值,Z為規(guī)范化綜合得分,Fmax為綜合評(píng)分中最大值,Fmin為綜合評(píng)分中最小值。

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及結(jié)果分析使用Design-Expert 8.6 軟件進(jìn)行處理,采用SPSS 17.0軟件對(duì)主成分[19-21]進(jìn)行因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 低筋面粉和馬鈴薯全粉質(zhì)量比對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)的影響 由表3知,隨著馬鈴薯全粉添加量的增加,感官評(píng)分呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì);當(dāng)?shù)徒蠲娣酆婉R鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3時(shí),餅干外形完整,香氣濃郁,感官評(píng)分最高,達(dá)到86分。隨著低筋面粉和馬鈴薯全粉的質(zhì)量比增加,餅干制作中面團(tuán)變軟,不易成型,導(dǎo)致成品餅干外形欠佳。當(dāng)?shù)徒蠲娣叟c馬鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3時(shí),餅干的韌性和脆度最高,分別為713.06 g/s和1785.00 mm。餅干的硬度呈先降低后升高的趨勢(shì),而其韌性和脆度呈先升高后下降的趨勢(shì)。其原因可解釋為:馬鈴薯全粉添加到低筋面粉中稀釋了面筋,削弱了面團(tuán)的強(qiáng)度,使馬鈴薯餅干產(chǎn)生酥脆感。當(dāng)馬鈴薯全粉添加超過一定量時(shí),會(huì)降低面粉蛋白與油脂的結(jié)合力,進(jìn)而促進(jìn)水化作用,使餅干硬度增加。因此,適宜的馬鈴薯全粉與低筋面粉質(zhì)量比為7∶3。

表3 馬鈴薯添加量對(duì)餅干質(zhì)構(gòu)特性和感官的影響Table 3 Effect of potato flour addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.2 黃油添加量對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)的影響 由表4可知,當(dāng)黃油的添加量為45%時(shí),馬鈴薯餅干感官評(píng)分最好,為88分。隨著黃油添加量的增多,餅干的硬度逐漸降低,餅干的韌性先升高后降低。黃油的添加量會(huì)影響餅干的品質(zhì),因?yàn)橛椭植荚诘矸畚⒘：兔娼畹鞍字車?會(huì)形成一層薄的油膜,限制面團(tuán)的吸水從而控制面筋的脹潤性,油膜的隔離使面筋微粒相互粘合形成面筋網(wǎng)絡(luò),從而降低了餅干的抗裂能力,使面團(tuán)粘性差,不容易成型。當(dāng)黃油添加量較少時(shí),會(huì)使成品變形嚴(yán)重,表面無光澤,口感差。面筋形成多,減少內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生,使餅干的抗裂能力增加,不易使其破碎。當(dāng)黃油添加量過多時(shí),面團(tuán)的粘性較差,在整形時(shí)餅干表面會(huì)有少許裂紋,烘烤后口感粗糙。因此,適宜的黃油添加量為45%。

表4 黃油添加量對(duì)餅干質(zhì)構(gòu)特性和感官的影響Table 4 Effect of butter addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.3 白砂糖添加量對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)的影響 白砂糖的添加量對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)的影響如表5所示。由表5可知,隨著白砂糖添加量的增加,除脆度以外,硬度和韌性均逐漸上升。這是因?yàn)樘强梢越档兔鎴F(tuán)的吸水能力,延長面團(tuán)的形成時(shí)間,適量的糖也可增加面團(tuán)的延伸度、拉伸能力。當(dāng)白砂糖添加較多時(shí),糖的反水化作用會(huì)過量限制面筋的發(fā)展,使成品的口感過硬,無疏松的口感。當(dāng)白砂糖的添加量較少時(shí),糖的反水化作用不明顯。在餅干的制作中,要有足夠量的糖。一是為了使餅干的甜度適當(dāng),二是因?yàn)樘堑慕固腔饔门c美拉德反應(yīng),使餅干表面呈現(xiàn)黃色至金黃色,從而使餅干的色澤更加誘人。綜合感官評(píng)分,最終得出白砂糖的添加量為25%。

表5 白砂糖添加量對(duì)餅干質(zhì)構(gòu)特性和感官的影響Table 5 Effect of white granulated suger addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)原理,以感官評(píng)價(jià)的綜合評(píng)分為響應(yīng)值(Y),選取A(低筋面粉與馬鈴薯全粉質(zhì)量比)、B(黃油添加量)、C(白砂糖添加量)為試驗(yàn)因素,進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6。

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Box-Benhnken experimential design and results

2.3 馬鈴薯餅干的主成分分析

采用SPSS 17.0對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。根據(jù)大于85%的累計(jì)貢獻(xiàn)率原則,提取的2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.28%,解釋為提取的2個(gè)主成分的全部指標(biāo)為86.28%的信息,可以較全面反映馬鈴薯餅干的品質(zhì)信息。由餅干指標(biāo)特征向量絕對(duì)值的大小看出,決定第1主成分的主要指標(biāo)是感官評(píng)分、咀嚼性;決定第2主成分的主要指標(biāo)是硬度、韌性、脆度。

表7 馬鈴薯餅干品質(zhì)中主成分的貢獻(xiàn)率及特征值Table 7 Characteristic values and contribution rates of principal components in quality of potato biscuit

為消除變量自身數(shù)值大小的影響,對(duì)綜合評(píng)分進(jìn)行規(guī)范化處理后得到規(guī)范化評(píng)分,再以該評(píng)分作為響應(yīng)面的響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析,其結(jié)果如表8所示。

表8 主成分得分值與規(guī)范化綜合評(píng)分Table 8 Principal component scores and standardized score

2.4 規(guī)范化綜合評(píng)分的響應(yīng)面分析

2.4.1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 利用Box-Behnken 8.0.6軟件對(duì)表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到的回歸模型方程:

Y=0.83+0.059A-0.057B-0.013C+0.043AB-0.03AC+0.08BC-0.17A2-0.35B2-0.12C2

方程回歸分析及方差分析結(jié)果見表9。在所選取的因素水平范圍內(nèi),F值代表著各因素對(duì)馬鈴薯餅干綜合品質(zhì)影響的強(qiáng)度,F值越大,則表明影響作用越強(qiáng)。從表9可以看出,對(duì)馬鈴薯餅干建立的規(guī)范化綜合評(píng)分回歸模型p<0.01,極顯著，失擬項(xiàng)p=0.5000>0.05,說明失擬項(xiàng)不顯著,表明該方程可用,R2=0.9553,說明模型實(shí)際擬合效果較好,自變量與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系顯著,可以用此方程確定馬鈴薯餅干的最佳配方。表9中A、B、C的p<0.01,達(dá)到極顯著的影響水平,交互項(xiàng)AB的p<0.05,AC、BC的p<0.01,二次項(xiàng)A2、B2、C2的p<0.01,對(duì)響應(yīng)值都具有極顯著性。在試驗(yàn)所選取的因素范圍內(nèi),按照對(duì)產(chǎn)品影響排序:A>B>C。

表9 回歸模型方差分析Table 9 Analysis variance of regression model

響應(yīng)面能夠直接反應(yīng)各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系以及各因素間的交互作用,響應(yīng)面的坡度越陡,等高線密集形成橢圓形則表明兩個(gè)因素的交互作用的影響就越大。從圖1可以看出,3個(gè)響應(yīng)面均開口向下呈凸形曲線,表明響應(yīng)面有極大值,也說明最優(yōu)配方在所設(shè)計(jì)的因素范圍之內(nèi)。低筋面粉與馬鈴薯全粉的質(zhì)量比與黃油的添加量的響應(yīng)面坡度較陡峭,其等高線呈橢圓形,表明AB的交互作用變化明顯。低筋面粉與馬鈴薯全粉質(zhì)量比與白砂糖添加量的響應(yīng)曲面的坡度比較陡峭,其等高線也呈橢圓形,則表明BC的交互作用極顯著。由低筋面粉與馬鈴薯全粉質(zhì)量比與黃油添加量的響應(yīng)曲面的坡度陡峭程度可知,其坡度較明顯,表明兩者的交互作用變化明顯。由圖中的響應(yīng)面曲面的坡度可知,其坡度較明顯,等高線密集呈橢圓形,則表明AC的交互作用極顯著(p<0.01)。

圖1 各因素間的交互作用Fig.1 Interactions between the reaction factors

2.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn) 利用Design-Expert 8.6軟件對(duì)所得方程進(jìn)行計(jì)算,確定餅干的最佳配方參數(shù):低筋面粉與馬鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3，黃油添加量45.49%，白砂糖添加量24.75%。在此條件下,規(guī)范化綜合評(píng)分為0.7818。根據(jù)實(shí)際條件,將參數(shù)修正后的最佳配方:黃油添加量45%，白砂糖添加量25%，低筋面粉與馬鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3,得到的規(guī)范化綜合評(píng)分為0.7773,與預(yù)測(cè)的數(shù)值基本一致,則表明該模型基本準(zhǔn)確,響應(yīng)面分析法與主成分分析法相結(jié)合對(duì)馬鈴薯餅干的配方進(jìn)行優(yōu)化的方法確實(shí)可靠,有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本研究以低筋面粉和馬鈴薯全粉為主要原料,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過主成分分析結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化馬鈴薯餅干加工工藝,最優(yōu)參數(shù):低筋面粉與馬鈴薯全粉的質(zhì)量比為7∶3,黃油添加量45%,白砂糖添加量25%。在此條件下馬鈴薯餅干得到的理論綜合評(píng)分為0.7818，與實(shí)測(cè)值0.7773基本一致。在實(shí)驗(yàn)過程中,對(duì)馬鈴薯餅干品質(zhì)影響最大的是馬鈴薯全粉的添加量,影響較小的是白砂糖的添加量。