Plackett-Burman設(shè)計(jì)及響應(yīng)面法優(yōu)化速凍糕團(tuán)配方工藝

盧蕓，周瑩，董雪萌，黃寧寧，戴陽軍*

1. 揚(yáng)州大學(xué)旅游烹飪學(xué)院（揚(yáng)州 225127）；2. 常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院（常熟 215500）

糕團(tuán)是中國傳統(tǒng)點(diǎn)心的代表之一，歷史頗為悠久，消費(fèi)市場廣闊。糕團(tuán)通常以糯米粉為主料，配以多種果仁、果干等輔料，香甜可口，廣受消費(fèi)者喜愛。糕團(tuán)精美的造型寓意吉祥，是逢年過節(jié)的饋贈(zèng)佳品。隨著食品工業(yè)化進(jìn)程的加快，速凍糕團(tuán)因具有長期儲(chǔ)存、運(yùn)輸方便的優(yōu)點(diǎn)，趨于成為糕團(tuán)銷售的主要途徑。然而糯米制品隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增長和溫度的下降，淀粉易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，持水性逐漸下降，感官品質(zhì)下降[1]。在糕團(tuán)冷凍和解凍過程中，易發(fā)生固液分離，使糯米淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成面團(tuán)開裂和煮制后糊湯、塌陷等問題。因此，對(duì)于速凍糕團(tuán)制品的優(yōu)化一直是近年來研究的熱點(diǎn)。

王娟等[2]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸能對(duì)糯米粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生一定程度的改變，在對(duì)淀粉抗老化方面具有顯著作用。采用乳酸改性工藝浸泡糯米后制成水磨糯米粉，可有效減緩糯米淀粉老化進(jìn)程。王小英等[3]研究發(fā)現(xiàn)，利用熟芡法，即取部分糯米粉團(tuán)制熟后與剩余粉料揉搓均勻，制得的糕團(tuán)面團(tuán)緊密不易破裂。

在產(chǎn)品制作過程中通過添加改良劑，可優(yōu)化速凍糕團(tuán)的儲(chǔ)藏和食用的品質(zhì)特征。研究表明添加小分子糖能保持和提高淀粉凝膠的性質(zhì)[4]。蔗糖的添加可提高淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性，且糖的濃度對(duì)糯米粉凝膠品質(zhì)的影響更為顯著[5]。海藻糖對(duì)淀粉具有良好的保水作用，能有效延緩糯米淀粉的老化回生進(jìn)程，提高淀粉的凍融穩(wěn)定性[6]。海藻糖的甜度為蔗糖的45%，在與原料調(diào)和后，其淡爽的甜度可突出原料的風(fēng)味。添加一定量的乳化劑可阻止直鏈淀粉的結(jié)晶，抑制直鏈淀粉的老化[7]。淀粉酶同樣可以縮短直鏈淀粉及支鏈淀粉直線分支的長度，減少其重結(jié)晶趨勢(shì)，對(duì)粉團(tuán)起到一定抗老作用[8-9]。大豆多糖可提高淀粉分子的親水能力，干擾直鏈淀粉分子自身的聚合，從而改善產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)產(chǎn)品的特有風(fēng)味，同時(shí)賦予產(chǎn)品良好的營養(yǎng)功能特性[10-11]。變性淀粉具有較高的冷凍穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性，非常適于冷凍食品中應(yīng)用[12]。目前大多數(shù)糕團(tuán)類產(chǎn)品仍停留在小作坊制作階段。試驗(yàn)通過探討不同工藝配方參數(shù)對(duì)速凍糕團(tuán)品質(zhì)的影響，優(yōu)化糕團(tuán)制品的凍融穩(wěn)定性，以達(dá)到較好控制糕團(tuán)制品老化進(jìn)程的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

糯米、乳酸粉、碳酸氫鈉、海藻糖、單甘油脂肪酸酯、可溶性大豆多糖、木薯變性淀粉、糖漿、紅豆沙、水等（食品級(jí)，市售）。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

FE 20-K精密pH計(jì)（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；Blixer 3法國Robot Coupe食品粉碎機(jī)（上海金淳酒店設(shè)備有限公司）；三足式離心機(jī)（張家港凱迪機(jī)械有限公司）；101-2電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠）；AWH-30-SA電子天平（上海儀田精密儀器有限公司）；ATY 224分析天平（上海英展機(jī)電企業(yè)有限公司）；C 21-SK 210多功能電磁爐（廣東美的生活電器制造有限公司）；SDX-全自動(dòng)風(fēng)冷速凍箱（天津市特斯達(dá)食品機(jī)械科技有限公司）；Y1-05 B-L 2風(fēng)冷臺(tái)式冰箱（上海躍納實(shí)業(yè)有限公司）；HV-20 KZC 100 C電磁蒸爐（山東省博興縣海為廚具廠）；SF-400多功能薄膜連續(xù)封口機(jī)（蘇州肖卡特自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；HH-11-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海助藍(lán)儀器科技有限公司）；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀（英國Stable Micro System公司）；自封袋、80目粉篩、蒸籠等（市售）。

1.2 制作工藝

1.2.1 基礎(chǔ)配方

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)，確定速凍糕團(tuán)的基礎(chǔ)配方（以糯米粉質(zhì)量計(jì)）為：4%海藻糖、0.4%單甘油脂肪酸酯、1%可溶性大豆多糖、6%木薯變性淀粉、8%糖漿、0.015%α-淀粉酶、50%水。

1.2.2 工藝流程

糯米→清洗→浸泡→中和→脫水→干燥→打粉→過篩→稱料→調(diào)制→分團(tuán)→蒸制→包餡→搓圓→包裝→速凍

1.2.3 操作要點(diǎn)

清洗：糯米用清水沖凈，去除原料中灰塵、雜質(zhì)。

浸泡：糯米使用0.45%濃度乳酸液體浸泡5 h后清水洗凈，浸泡時(shí)料液比1∶3（g/mL），浸泡后用清水沖凈。

中和：使用碳酸氫鈉浸泡15 min進(jìn)行中和，調(diào)節(jié)至pH 7.0左右，浸泡時(shí)料液比1∶2（g/mL），浸泡結(jié)束后用清水洗凈。

干燥：使用三足式離心機(jī)，以3 000 r/min轉(zhuǎn)速脫水至無水滴出，使用電熱鼓風(fēng)干燥箱50 ℃下干燥至水分12%左右。

打粉、過篩：使用食品粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎后用80目篩過篩。

稱料、調(diào)制、分團(tuán)、蒸制：采用熟芡法，稱量原料并揉勻，取部分分團(tuán)入蒸鍋蒸制15 min后取出，同生粉揉合均勻。

包餡、搓圓、包裝：取45 g粉團(tuán)包入10 g豆沙餡，搓圓后進(jìn)行塑封包裝。

速凍：放入-33 ℃速凍箱中冷凍2 h，使糕團(tuán)中心溫度降至-18 ℃。放入-18 ℃冰箱中進(jìn)行冷藏。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉凝膠制備

準(zhǔn)確稱取樣品6.00 g，加入60 mL蒸餾水，配成10 g/100 mL[13]的淀粉乳，在95 ℃水浴中加熱糊化，再冷卻。將樣品倒入特制的容器中（直徑4 cm×高2 cm），測試時(shí)凝膠樣品用細(xì)線分成均等的4份[14]。

1.3.2 凍融循環(huán)處理

將樣品加蓋置于-33 ℃冰箱中凍結(jié)2 h使中心溫度迅速降低，移至-18 ℃冰箱中進(jìn)行冷凍存儲(chǔ)12 h后取出，室溫下解凍1 h，此為1個(gè)凍融處理[15]。1 h后再次將樣品放入-18 ℃冰箱中冷凍12 h后進(jìn)行第2次試驗(yàn)。

1.3.3 凝膠強(qiáng)度分析

隨著形變的增加，探頭所受的力隨之增加，形變達(dá)到一定程度時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)最大力（即屈服力），這個(gè)最大的力定義為樣品的硬度，即破壞速凍糕團(tuán)凝膠所需的力，形變與破壞力即硬度的乘積定義為凝膠強(qiáng)度[16]。采用TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀測定凝膠樣品凍融4次后硬度的變化。測試參數(shù)：P50探頭；測試前速度2 mm/s；測試后速度1 mm/s；測試速度1 mm/s；測定間隔時(shí)間5 s；壓縮距離8 mm。

1.3.4 速凍糕團(tuán)感官評(píng)分

感官評(píng)分在食品感評(píng)室內(nèi)完成。評(píng)定小組由10名食品專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富成員組成，男女各5人，對(duì)色、香、味有較強(qiáng)的分辨力和較高的靈敏度[17]。品評(píng)時(shí)評(píng)價(jià)員單獨(dú)評(píng)價(jià)，相互之間無接觸和交流，每份樣品在評(píng)價(jià)前用清水漱口。由感官評(píng)定人員討論：對(duì)從4次凍融循環(huán)后的糕團(tuán)外觀、氣味、色澤、風(fēng)味4個(gè)方面進(jìn)行感官評(píng)定，以各項(xiàng)總分的平均值作為產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果。感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 感官評(píng)定表

1.3.5 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Plackett-Burnan設(shè)計(jì)是一種有效的兩水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可利用較少的試驗(yàn)次數(shù)，從眾多考察因素中快速篩選出最為重要的影響因素，為進(jìn)一步研究奠定良好基礎(chǔ)[18]。

通過前期單因素試驗(yàn)，選取影響速凍糕團(tuán)的凍融穩(wěn)定性的7項(xiàng)因素，并確定各因素水平。此試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，利用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)熟粉團(tuán)添加量（A）、海藻糖添加量（B）、單甘油脂肪酸酯添加量（C）、木薯變性淀粉添加量（D）、糖漿添加量（E）、可溶性大豆多糖添加量（F）和α-淀粉酶添加量（G）這7個(gè)因素進(jìn)行篩選試驗(yàn)。每個(gè)因素取高（+1）和低（-1）2個(gè)水平，以速凍糕團(tuán)的綜合感官評(píng)價(jià)為主，凝膠強(qiáng)度為輔作為響應(yīng)值，共進(jìn)行12組試驗(yàn)，Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的自變量、編碼水平及因素見表2。

表2 Plackett-Buman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平

1.3.6 最陡爬坡試驗(yàn)

根據(jù)Plackett-Buman試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)爬坡方向和步長，對(duì)篩選得出的顯著因子進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，按一定梯度改變顯著因子，測定速凍糕團(tuán)的感官評(píng)分和凝膠強(qiáng)度，并將以此結(jié)果進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)，從而確定速凍糕團(tuán)的最佳工藝配方[19]。

1.3.7 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)只能考察各因素在某一范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)，無法比較未選定水平的信息，響應(yīng)面分析法是一種用于在多因素系統(tǒng)中尋找最佳測試條件的統(tǒng)計(jì)方法，常用的是Box-Behnken設(shè)計(jì)[20]。通過響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)芤暂^少的試驗(yàn)次數(shù)在指定的整個(gè)區(qū)域獲得試驗(yàn)因素和響應(yīng)目標(biāo)之間的明確函數(shù)表達(dá)式，從而獲得設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)組合和響應(yīng)目標(biāo)的最優(yōu)值，并研究幾種因素之間的交互作用[21]。在Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化速凍糕團(tuán)凍融穩(wěn)定性工藝參數(shù)，采用Box-Behnken法建立三因素三水平的數(shù)學(xué)模型。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，用Minitab 16進(jìn)行Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用軟件Design-Expert 8.0進(jìn)行制圖和數(shù)據(jù)分析，所有試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗(yàn)

Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，方差分析結(jié)果見表4。從方差分析表中可看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膒值均小于0.05，說明回歸方程關(guān)系顯著，Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素在各自水平范圍內(nèi)對(duì)速凍糕團(tuán)的影響顯著，模型的調(diào)整確定系數(shù)分別為凝膠強(qiáng)度R2adj=85.65%，感官評(píng)分R2adj=93.54%，說明兩方程能解釋85.65%和93.54%的響應(yīng)值變化，擬合程度較好，試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠[22-23]。以感官指標(biāo)為主，凝膠強(qiáng)度為輔，對(duì)因素進(jìn)行篩選，得到木薯變性淀粉添加量，糖漿添加量，α-淀粉酶添加量為影響速凍糕團(tuán)的最主要因素，3因素對(duì)速凍糕團(tuán)凝膠品質(zhì)均有較大的改善作用。以這3個(gè)因素為研究對(duì)象，做最陡爬坡試驗(yàn)。對(duì)結(jié)果無顯著影響的因素，根據(jù)因素的正負(fù)效應(yīng)并結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定添加量為熟粉團(tuán)15%、海藻糖4%、單甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%。

表3 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值

表4 Plackett-Buman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析

2.2 最陡爬坡試驗(yàn)

根據(jù)Plackett-Buman試驗(yàn)結(jié)果，最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表5所示。隨著木薯變性淀粉添加量、糖漿添加量、α-淀粉酶添加量的變化，感官評(píng)分呈先增加后減小趨勢(shì)，凝膠強(qiáng)度處在合理范圍內(nèi)。木薯變性淀粉添加量8%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%時(shí)，感官評(píng)價(jià)最高，凝膠強(qiáng)度合理，說明此時(shí)比較接近最佳響應(yīng)區(qū)域。因此以木薯變性淀粉添加量8%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%作為試驗(yàn)的中心點(diǎn)，進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)。

表5 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.3 Box-Behnken試驗(yàn)

2.3.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過Box-Behnken法對(duì)木薯變性淀粉添加量（A）、糖漿添加量（B）、α-淀粉酶添加量（C）3個(gè)因素進(jìn)行分析，響應(yīng)值以感官評(píng)分為主，凝膠強(qiáng)度為輔，得到試驗(yàn)方案見表6，試驗(yàn)結(jié)果見表7，方差分析見表8。

經(jīng)多元回歸分析后，可以得出各因素與因變量之間的多元回歸方程：凝膠強(qiáng)度=626.18+46.99A+0.64B-15.40C-1.30AB-17.83AC-36.41BC+6.13A2+41.30B2+41.90C2；感官評(píng)分=91.16+1.79A-0.030B+1.95C+0.40AB+2.16AC-0.58BC-5.40A2-6.66B2-3.36C2。

從表8可以看出，模型p值顯著（p＜0.01），而失擬項(xiàng)不顯著（p＞0.05），說明擬合程度良好，方程可以很好地描述各因素和凝膠強(qiáng)度、感官評(píng)分的關(guān)系，調(diào)整確定系數(shù)凝膠強(qiáng)度R2adj=0.923 0，感官評(píng)分R2adj=0.917 0，說明該模型分別可以解釋響應(yīng)面中92.30%和91.70%的可變性，方程預(yù)測值與真實(shí)值間的相關(guān)性很高，可以用該方程確定最佳速凍糕團(tuán)工藝。

表6 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平

表7 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值

表8 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析

2.3.2 交互作用分析

響應(yīng)面可直觀反應(yīng)各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，等高線排列的密集程度可反映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2個(gè)因素的交互作用的影響越大[24]。為確定木薯變性淀粉添加量、糖漿添加量、α-淀粉酶添加量的交互作用對(duì)冷凍糕團(tuán)感官評(píng)分和凝膠強(qiáng)度的影響，通過Design Expert 8.0.6軟件對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到各因素交互作用對(duì)感官評(píng)分和凝膠強(qiáng)度影響的等高線和響應(yīng)曲面圖（見圖1）。

圖1 因素交互作用對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的響應(yīng)圖

從速凍糕團(tuán)的凝膠強(qiáng)度來看，圖1（c）中響應(yīng)面坡度最陡峭，等高線最為密集且成橢圓形，說明糖漿添加量和α-淀粉酶添加量對(duì)凝膠強(qiáng)度的交互作用最為顯著。凝膠強(qiáng)度隨著糖漿添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，與表8結(jié)果一致。謝新華等[25]研究顯示，糖漿添加量較多時(shí)，凝膠強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

從感官評(píng)分來看，圖1（e）中響應(yīng)面坡度最陡峭，等高線最為密集且成橢圓形，說明木薯變性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量對(duì)感官評(píng)分的交互作用較顯著。感官評(píng)分隨著木薯變性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。研究表明隨著變性淀粉增多，糕團(tuán)的凍融穩(wěn)定性增強(qiáng)，但會(huì)因口感過硬而感官品質(zhì)下降[26]，與表8結(jié)果一致。

2.3.3 最佳工藝確定及驗(yàn)證試驗(yàn)

確定最佳工藝為：木薯變性淀粉添加量8.48%、糖漿添加量7.98%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此條件下，回歸模型預(yù)測的速凍糕團(tuán)感官評(píng)分可達(dá)91.73分，凝膠強(qiáng)度為636.37 g。為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，優(yōu)化最佳工藝配方為：熟粉團(tuán)15%、海藻糖4%、單甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%、木薯變性淀粉添加量8.5%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得感官評(píng)分為89.17分，與理論值91.73分相對(duì)誤差為2.79%，凝膠強(qiáng)度為609.23 g，與理論值636.37 g相對(duì)誤差為4.26%，試驗(yàn)所得模型與實(shí)際情況擬合程度良好，采用Box-Behnken法得到的優(yōu)化工藝可行性強(qiáng)，結(jié)果可靠[27]?？刹捎么四Ｐ蛯?duì)速凍糕團(tuán)工藝進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)論

運(yùn)用Plackett-Burman試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)，結(jié)合Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)速凍糕團(tuán)工藝配方參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，致力于開發(fā)具有良好凍融穩(wěn)定性和軟糯口感的速凍糕團(tuán)，增加糯米糕團(tuán)抵御劣變能力，為糯米制品的工業(yè)化發(fā)展提供依據(jù)。