響應(yīng)面法優(yōu)化青稞焙烤工藝

易曉成，聶 慶，李雄波，楊 爽，萬 萍

（1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 酒類與食品工程系，四川 都江堰 611830；2.釀酒生物技術(shù)及應(yīng)用四川省重點實驗室，四川 自貢 643000；3.成都大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106）

青稞（Hordeum vulgare）是一種禾谷類作物，又稱大麥，盛產(chǎn)地是中國西藏、青海等高原以及四川盆地地區(qū)。因富含支鏈淀粉、蛋白質(zhì)、維生素、膳食纖維、氨基酸、β-葡聚糖及微量元素等對人體有益的營養(yǎng)成分和重要的保健功能，青稞不僅作為藏族人民的主糧之一，還可以制作成青稞酒、青稞炒面、青稞饅頭、青稞餅干、青稞蛋糕以及青稞面條等，以其獨特的口感而深受歡迎[1-3]，青稞不僅是藏族人民的一種物質(zhì)文化，還是一種精神文化。青稞作為酒類加工的原料，首先必須要進行糊化，傳統(tǒng)的方法主要是通過浸泡和蒸煮[4]，糊化后的青稞必須馬上進行后續(xù)的加工，不便于保存。

焙烤又稱為烘烤、烘焙，是指在物料燃點之下通過干熱的方式使淀粉產(chǎn)生糊化、蛋白質(zhì)變性等一系列化學(xué)變化后，使物料達到熟化和干燥的目的，是面包、蛋糕類產(chǎn)品制作不可缺少的步驟，通過焙烤在物料熟化的同時，由于高溫下的淀粉和蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物間發(fā)生劇烈的美拉德反應(yīng)而賦予產(chǎn)品特殊的香味，而廣受歡迎[5-6]。目前國內(nèi)對谷物焙烤的研究主要集中在焙烤谷物產(chǎn)品的開發(fā)：如大麥茶飲料[7]、玉米茶[8]、焙烤米粉[9]等，焙烤對谷物含有的生理活性物質(zhì)及抗氧化活性的影響[10-11]，以及焙烤谷物的食品糖基化產(chǎn)物的定性、定量評價方法[12]等，國外對焙烤谷物對健康的影響也進行了相關(guān)的研究，如LUZARDO-OCAMPO I等[13]研究發(fā)現(xiàn)，食用焙烤玉米能夠減少慢性結(jié)腸炎。經(jīng)過焙烤后的青稞，淀粉達到一定程度的糊化，有利于后續(xù)加工中淀粉酶的作用[14]，可作為酒類生產(chǎn)和加工食品的原料。而有關(guān)青稞焙烤工藝的研究鮮見報道。

本研究采用單因素試驗考察浸泡時間、浸泡溫度、焙烤時間、焙烤溫度對青稞糊化率的影響，并在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以糊化率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法優(yōu)化青稞焙烤工藝，旨在為青稞熟化的新方法和新工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞：青海新綠康食品有限責任公司；糖化酶（酶活10萬U/g）：北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司；鹽酸、硫酸銅（均為分析純）：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

SK2-623型電烤箱：新麥機械（無錫）有限公司；FW-100型高速萬能粉碎機：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；BSA124S型分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；PE20型精密pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；LD型電子分析天平：沈陽龍騰電子有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 焙烤青稞的制備

挑選優(yōu)質(zhì)且顆粒飽滿、均勻、無霉變、無破碎的青稞，用清水淘洗去灰塵和雜質(zhì)，溫水浸泡，瀝去水分，攤涼20 min左右，再將青稞均勻鋪在烤盤中，放入已經(jīng)預(yù)熱并達到規(guī)定溫度的烤箱中，按照設(shè)置的溫度和時間進行焙烤，得到焙烤青稞。

1.3.2 焙烤工藝優(yōu)化

（1）單因素試驗

試驗選取浸泡溫度（20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃）、浸泡時間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、焙烤溫度（250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃、290 ℃）、焙烤時間（9.0 min、9.5 min、10.0 min、10.5 min、11.0 min、11.5 min、12.0 min）因素分別進行試驗，以青稞糊化率作為評價指標，探討各因素對焙烤的影響。

（2）響應(yīng)面法試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原則，以浸泡溫度（A）、浸泡時間（B）、焙烤溫度（C）、焙烤時間（D）為響應(yīng)因子，以糊化率（Y）為響應(yīng)值，運用響應(yīng)面軟件Design-Expert.V.8.0.6設(shè)計4因素3水平試驗組，Box-Behnken試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.3 理化分析方法

糊化率的測定：按照參考文獻[15]中的方法進行。

式中：m1為青稞浸泡前的質(zhì)量，g；m2為青稞浸泡前的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 浸泡溫度對糊化率的影響

通常青稞的含水量為11.4%～14.0%[16-17]，直接焙烤的青稞淀粉糊化率不高，通過浸泡增加青稞水分含量，進而提高其淀粉的糊化率[18]。不同浸泡溫度對青稞吸水率和淀粉糊化率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 浸泡溫度對糊化率和吸水率的影響Fig.1 Effect of soaking temperature on gelatinization ratio and water absorption ratio

由圖1可知，當浸泡溫度在20～40 ℃時，青稞的吸水率和糊化率均隨著浸泡溫度的升高呈上升趨勢；浸泡溫度達到40 ℃時，糊化率達到最高值92.71%，此時的吸水率為63.85%；浸泡溫度高于40 ℃之后，隨著浸泡溫度的升高，青稞吸水率幾乎趨于穩(wěn)定而糊化率則呈下降趨勢。這主要是因為青稞淀粉的糊化溫度在58.8～65.2 ℃[19]，當溫度高于50 ℃后浸泡會造成部分淀粉在此溫度條件下糊化而溶出，進而使得糊化率降低，另外，浸泡溫度超過40 ℃后，雖然吸水率增加但是明顯出現(xiàn)了青稞粒吸水不均而崩裂的現(xiàn)象，經(jīng)焙烤后，出現(xiàn)較多青稞粉，使原料損失，也是造成糊化率低的原因。由此可見，并不是吸水率越高對青稞的糊化越有利。因此，確定最適浸泡溫度為40 ℃。

2.1.2 浸泡時間對糊化率的影響

在確定浸泡溫度的前提下，不同浸泡時間對青稞吸水率和淀粉糊化率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 浸泡時間對糊化率及吸水率的影響Fig.2 Effect of soaking time on gelatinization ratio and water absorption ratio

由圖2可知，青稞吸水率隨著浸泡時間在1～5 h范圍的延長而增大，而淀粉的糊化率呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。在浸泡時間3 h時，吸水率為63.85%，糊化率達到最大值92.71%。這是由于隨浸泡時間增加，青稞的吸水率緩慢升高，但超過3 h，由于吸水過度，造成青稞粒脹破，經(jīng)焙烤后出現(xiàn)較多青稞粉，造成青稞的質(zhì)量損失，糊化率反而下降，同時，過度浸泡使得青稞中的可溶性糖類溶出，也會使得糊化率降低。因此，確定最適浸泡時間為3 h。

2.1.3 焙烤溫度對糊化率的影響

不同焙烤溫度對青稞糊化率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 焙烤溫度對糊化率的影響Fig.3 Effect of baking temperature on gelatinization ratio

由圖3可知，隨著焙烤溫度在250～290 ℃范圍內(nèi)的升高，糊化率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在焙烤溫度270 ℃時，糊化率達到最高值92.71%。這是因為隨著焙烤溫度升高，青稞被快速加熱，使青稞溫度超過淀粉的熔點進入熔融狀態(tài)，破壞淀粉粒的原有結(jié)構(gòu)糊化率逐漸增大[20]；但是當溫度繼續(xù)升高超過270 ℃后，青稞出現(xiàn)了焦化的現(xiàn)象，繼續(xù)升高溫度甚至出現(xiàn)部分青稞炭化的現(xiàn)象，造成糊化率降低。因此，確定最適焙烤溫度為270 ℃。

2.1.4 焙烤時間對糊化率的影響

不同焙烤時間對青稞淀粉糊化率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 焙烤時間對糊化率的影響Fig.4 Effect of baking time on gelatinization ratio

由圖4可知，隨著焙烤時間在9.0～12.0 min范圍內(nèi)的延長，青稞中淀粉的糊化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在焙烤時間為11.5 min時，糊化率達到最大值為92.71%。這是因為隨著焙烤時間延長，淀粉在高溫下溶脹、分裂、熟化程度增加，糊化率也就增加，但是隨著焙烤時間繼續(xù)延長，高溫糊化使青稞粒中的水量含量急劇減少，從而促進了青稞中的糖類和蛋白質(zhì)間的美拉德反應(yīng)[21]，其產(chǎn)物不能被糖化酶作用或抑制了糖化酶的作用，從而表現(xiàn)出糊化率降低，且焙烤時間過長出現(xiàn)焦化甚至是炭化現(xiàn)象，從而造成糊化率降低。因此，確定最適焙烤時間為11.5 min。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以浸泡溫度（A）、浸泡時間（B）、焙烤溫度（C）、焙烤時間（D）為響應(yīng)因子，以糊化率（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken 試驗設(shè)計的統(tǒng)計學(xué)要求，設(shè)計了29組試驗，Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果見表2，對模型進行方差分析，結(jié)果見表3。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

用Design-Expert.V.8.0.6統(tǒng)計軟件對表3的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到試驗因素對糊化率影響的多元二次回歸方程如下：

由表3可知，回歸方程模型P＜0.000 1，表明模型極顯著，說明方程對試驗的擬合度好、誤差小，因此該模型可以真實地擬合和推測實際情況；失擬項P=0.122 0＞0.05，不顯著，表示試驗結(jié)果和數(shù)學(xué)模型擬合良好，可用該數(shù)學(xué)模型推測試驗結(jié)果；模型的決定系數(shù)R2=0.995 8，調(diào)整決定系數(shù)R2Adj=0.991 5，說明實際值與預(yù)測值高度相關(guān)；變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）=0.28%，說明本試驗有較高的置信度，試驗穩(wěn)定結(jié)果可靠。綜上，該模型可以用作最佳試驗條件的推測。

由表3回歸模型顯著性檢驗結(jié)果可以看出，一次項A、D，二次項A2、B2、C2、D2，交互項AB、AC、AD、BC、CD對糊化率的影響極顯著（P＜0.01），一次項B、C對糊化率的影響顯著（P＜0.05），而交互項BD則影響不顯著（P＞0.05）。由此可見，試驗設(shè)計的四個因素均不同程度的對響應(yīng)值產(chǎn)生極顯著或顯著的影響，說明該試驗設(shè)計的因素選擇是成功的。

利用Design-Expert.V.8.0.6對表3的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得出響應(yīng)面圖及等高線圖，能直觀地反映出各因素兩兩間交互作用對糊化率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 浸泡溫度、浸泡時間、焙烤溫度和焙烤時間交互作用對糊化率影響的響應(yīng)面及其等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between soaking temperature,soaking time,baking temperature and baking time on gelatinization ratio

由圖5a可知，當浸泡溫度不變時，隨著浸泡時間不斷延長，糊化率呈先增后減的趨勢；當浸泡時間不變時，隨著浸泡溫度的升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度較大，說明浸泡溫度和浸泡時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5b可知，當浸泡溫度不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；當焙烤溫度不變時，隨著浸泡溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤溫度的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5c可知，當浸泡溫度不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；而焙烤時間不變時，隨著浸泡溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5d可知，當焙烤溫度保持不變時，隨著浸泡時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；而浸泡時間不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖的橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5e可知，當焙烤時間保持不變時，隨著浸泡時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢，但變化趨勢不明顯；而浸泡時間不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢，但變化趨勢不明顯；等高線圖的橢圓度較小，說明浸泡時間和焙烤時間顯交互作用對糊化率的影響不顯著；由圖5f可知，當焙烤時間保持不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；當焙烤溫度不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明焙烤時間和焙烤溫度的交互作用對糊化率的影響極顯著。

2.3 最佳工藝條件的驗證

通過Design-Expert.V.8.0.6 軟件得出青稞焙烤最佳工藝條件為浸泡溫度34.94℃，浸泡時間3.50h，焙烤溫度267.54℃，焙烤時間11.59 min，在此條件下青稞糊化率的預(yù)測值為93.36%，為驗證焙烤的最佳條件，并考慮試驗的可操作性，修改條件為浸泡溫度35.0 ℃，浸泡時間3.5 h，焙烤溫度268.0 ℃，焙烤時間12.0 min。在此優(yōu)化條件下，進行3組平行試驗結(jié)果取其平均值，青稞糊化率實際值為93.18%，與預(yù)測值僅相差0.19%，兩者結(jié)果高度相符。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化后得到的青稞焙烤工藝條件是可行的。

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法對青稞焙烤工藝進行優(yōu)化得出最佳工藝條件為浸泡溫度35 ℃，浸泡時間3.5 h，焙烤溫度268 ℃，焙烤時間12 min，該優(yōu)化條件下青稞糊化率可達到93.18%。經(jīng)焙烤后的青稞產(chǎn)品具有獨特的香味，可以作為釀酒、發(fā)酵飲品的原料，也可以直接作為青稞茶泡飲，還可經(jīng)磨粉后沖調(diào)食用或添加到各類沖調(diào)食品中，具有廣泛的用途。