響應(yīng)面優(yōu)化海綿蛋糕的蒸烤箱烹飪工藝研究

熊明洲 石磊 汪春節(jié) 丁濼火 王鐘黎 趙娟紅

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著人們健康意識(shí)的日益加強(qiáng)，越來(lái)越多的人選擇自己在家動(dòng)手制作各種健康美食。蒸烤箱是一款集蒸、烤功能于一體的廚房電器，近兩年，電蒸烤箱的市場(chǎng)普及率迅速提升，逐漸成為消費(fèi)者選購(gòu)廚電的新寵[1]。蒸烤箱將蒸烤功能合二為一，不僅能烹飪出美食佳肴，還能節(jié)省大量空間，使廚房更加整潔，帶給用戶更加優(yōu)質(zhì)的烹飪體驗(yàn)。據(jù)中怡康統(tǒng)計(jì)，2019年上半年嵌入式一體機(jī)零售額為10.0億元，同比增長(zhǎng)27.2%，零售量為16.7萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)35.1%。

烤箱在食品加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一般為自然、強(qiáng)制對(duì)流電加熱烤箱。蒸汽烤箱由于蒸汽的加入可有效抑制食物水分的散失，保證其口感[2]，其較高的比熱可強(qiáng)化傳熱過(guò)程，減少加熱時(shí)間，而且?guī)追N典型烤箱的對(duì)比研究表明蒸汽輔助烤箱產(chǎn)生的丙烯酰胺濃度最低[3]，具有最高的安全性。因此將蒸汽加熱與先進(jìn)烤箱技術(shù)結(jié)合成為一個(gè)重要的發(fā)展方向[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于蒸烤箱烹飪過(guò)程中的烹飪工藝控制，尤其是蒸汽控制的研究較少。海綿蛋糕作為烘焙食品中的一個(gè)主要品種，具有質(zhì)地口感柔軟、甜度適中、氣味色澤誘人、老少皆宜等特點(diǎn)，備受人們喜愛(ài)[5]。本文對(duì)海綿蛋糕的制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，以質(zhì)構(gòu)、色澤、感官評(píng)分、丙烯酰胺的含量為指標(biāo)，選出較優(yōu)的參數(shù)。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法Box-behnken中心組合設(shè)計(jì)，以烘烤溫度、烘烤時(shí)間、蒸汽使用量三個(gè)因素為自變因素，海綿蛋糕的質(zhì)構(gòu)、色澤、感官評(píng)分和丙烯酰胺為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)海綿蛋糕的蒸烤工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期對(duì)蒸烤箱的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供參考。

2 原料與方法

2.1 材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

低筋面粉、細(xì)砂糖、雞蛋、牛奶、玉米油、檸檬片：購(gòu)自格力南沙灣新友誼超市。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

蒸烤箱：某市售蒸烤一體機(jī)；質(zhì)構(gòu)儀：TMS-Touch質(zhì)構(gòu)儀，美國(guó)FTC公司；色差儀：CM-600d型，日本美能達(dá)儀器有限公司；JA5003N電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DDQ-A01G1打蛋器：小熊電器股份有限公司。

2.2 方法

2.2.1 海綿蛋糕制作方法

在無(wú)水無(wú)油的盆中打入3個(gè)雞蛋，加入細(xì)砂糖80g，擠入少許檸檬汁除蛋腥，將打蛋盆坐浴在50℃的熱水中，用打蛋器先中速后高速打發(fā)蛋液，蛋液打發(fā)至提起打蛋器時(shí)滴落下的蛋糊不會(huì)馬上消失；依次加入玉米油30g，牛奶30g，繼續(xù)攪打均勻；加入過(guò)篩的低筋面粉，用刮刀輕柔的從底部向上部翻拌至無(wú)干粉顆粒；蛋糕糊倒入模具，用力震出氣泡；置于蒸烤箱內(nèi)第三層烤架進(jìn)行烘烤[6]，烘烤結(jié)束，晾涼后脫模，對(duì)其感官、質(zhì)構(gòu)、色澤丙烯酰胺進(jìn)行測(cè)定。

2.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

保持蛋糕的制作配方不變，探討蒸烤箱蒸汽量（0%、3%、13%、22%、31%、40%）、烹飪溫度（140℃、155℃、170℃、185℃、200℃）、烹飪時(shí)間（15min、25min、35min、45min、55min）3個(gè)因素對(duì)海綿蛋糕感官品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性、色度和丙烯酰胺的影響。

2.2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

響應(yīng)面分析法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法。

在單因素實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取溫度、時(shí)間、蒸汽量3個(gè)因素為自變量，感官評(píng)分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）、丙烯酰胺（B）為響應(yīng)值，根據(jù)Design-Expert Software 8.0.6軟件中的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行3因素三水平共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化海綿蛋糕的烹飪工藝。實(shí)驗(yàn)因素及水平編碼如表1所示。

2.3 海綿蛋糕品質(zhì)測(cè)定

2.3.1 感官的測(cè)定

選取10位對(duì)于食品具有專業(yè)知識(shí)的人員，依據(jù)蛋糕的品嘗項(xiàng)目和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)分，總分100分，其中色澤20分，外觀形狀20分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)20分，彈韌性20分，氣味和滋味20分，具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[7]。

2.3.2 質(zhì)構(gòu)的測(cè)定

將蛋糕切成2×2×2cm的正方塊，置于質(zhì)構(gòu)儀載物臺(tái)上進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試探頭選擇TMS-50mm型圓柱形壓縮探頭。采用TPA模式，形變量50%，起始力0.2N，測(cè)試速度60mm/min。每個(gè)樣品做6個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

2.3.3 色度的測(cè)定

L*的測(cè)定用手持色差儀，測(cè)定前先進(jìn)行白板校正。

2.3.4 海綿蛋糕丙烯酰胺的測(cè)定

參考GB 5009.204-2014第二法。

2.3.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)由SPSS 17.0和Design-Expert 8.0軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸烤箱單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 蒸汽量對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

由圖1可知，在蒸汽量0%～40%中，海綿蛋糕感官得分先增加后減小，當(dāng)蒸汽量為22%時(shí)，感官評(píng)分最高（86.8分），且彈性最大硬度最低，此時(shí)的蛋糕內(nèi)部結(jié)構(gòu)良好，香味純正，有蛋糕特有的風(fēng)味。與不加蒸汽量相比，海綿蛋糕在烘焙過(guò)程中加了蒸汽，硬度顯著降低（置信概率p<0.05），彈性顯著增加（p<0.05），其原因可能是蛋糕表面吸收了水分，從而變得濕潤(rùn)，蛋糕的水分蒸發(fā)形成疏松結(jié)構(gòu)，彈性變大。當(dāng)蒸汽量超過(guò)22%時(shí)，蛋糕表面粗糙，感官評(píng)分降低，品質(zhì)逐漸變差。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

表2 海綿蛋糕感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 蒸汽量對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖3 溫度對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖2 蒸汽量對(duì)海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

圖4 溫度對(duì)海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

在富含脂肪的體系中，丙烯酰胺的形成主要通過(guò)油脂熱解產(chǎn)生的丙烯醛或丙烯酸與游離氨反應(yīng)或者是一些羰基化合物與3-氨基丙烯酰胺反應(yīng)產(chǎn)生[8]。由圖2可知，蛋糕在不加蒸汽的情況下烘焙之后，丙烯酰胺的含量為0.0549mg/kg，隨著蒸汽量的增加，丙烯酰胺的生成量逐漸減少，可能的原因是水蒸氣具有洗脫食物中油脂的作用，因此也降低了食物中丙烯酰胺的含量。綜上所述，選擇蒸汽量為22%。

3.1.2 烹飪溫度對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

由圖3可知，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），彈性逐漸降低，硬度先減小后增大（p<0.05），蛋糕在烘焙過(guò)程中糖類發(fā)生焦糖化反應(yīng)生成深色物質(zhì)，色澤變暗，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的表面開(kāi)始發(fā)生焦糊，亮度逐漸降低。打發(fā)好的蛋糕糊置入烤箱，黏稠狀的乳化液會(huì)轉(zhuǎn)變成固相的膠體，蛋糕內(nèi)部組織形成多孔結(jié)構(gòu)，使蛋糕的彈性逐漸增加，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蛋糕質(zhì)地堅(jiān)韌，彈性逐漸降低，硬度變大。

丙烯酰胺是高碳水化合物食物加熱到120℃以上逐漸發(fā)生美拉德反應(yīng)形成的，由圖4可知，隨著烘焙溫度的增加，海綿蛋糕丙烯酰胺的含量顯著增加（p<0.05），當(dāng)烘焙溫度控制的較低時(shí)，蛋糕中生成的丙烯酰胺的量很少，當(dāng)溫度升高到一定階段時(shí)，蛋糕表面的水分減少，表面溫度越來(lái)越高，生成的丙烯酰胺的量也越來(lái)越多。因此在一定范圍內(nèi)，丙烯酰胺的生成量與烘焙溫度成正比。

綜上所述，當(dāng)蒸烤箱溫度設(shè)定為170℃時(shí)，蛋糕質(zhì)地均勻，感官評(píng)分最高，因此蒸烤箱溫度設(shè)定為170℃。

3.1.3 烹飪時(shí)間對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖5 時(shí)間對(duì)海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖6 時(shí)間對(duì)海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

由圖5可知，感官評(píng)分隨著烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小，當(dāng)烘焙時(shí)間為35min時(shí)感官評(píng)分最高，此時(shí)蛋糕的彈性最大、硬度最小。當(dāng)繼續(xù)烘焙時(shí)，蛋糕的水分逐漸蒸發(fā)，蛋糕的表面開(kāi)始發(fā)生焦糊，蛋糕變干硬，因此硬度顯著增大（p<0.05）。隨著烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），蛋糕表面越來(lái)越糊，顏色也越來(lái)越難以接受。烘焙時(shí)間為35min時(shí)蛋糕的色澤適中，口感松軟細(xì)膩，不干硬，感官評(píng)分最高，因此選擇烘焙時(shí)間為35min。

由圖6可知，烘焙時(shí)間越長(zhǎng)，蛋糕中丙烯酰胺的含量越高；水分含量是影響丙烯酰胺形成的重要因素，烘焙時(shí)間越長(zhǎng)，水分減少越多，丙烯酰胺生成越多。

3.2 蒸烤箱響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由Box-Behnken設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如表3所示，選擇溫度、時(shí)間、蒸汽量為實(shí)驗(yàn)因素，設(shè)置感官評(píng)分、硬度、彈性、亮度和丙烯酰胺含量為響應(yīng)值來(lái)篩選最佳工藝。17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分為析因點(diǎn)和零點(diǎn)，1～12號(hào)是析因?qū)嶒?yàn)，13～17號(hào)是中心實(shí)驗(yàn)。其中析因點(diǎn)為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)；零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

利用Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)擬合回歸。研究一個(gè)因變量與一個(gè)或多個(gè)自變量間多項(xiàng)式的回歸分析方法，稱為多項(xiàng)式回歸（Polynomial Regression）。由于任一函數(shù)都可以用多項(xiàng)式逼近，因此多項(xiàng)式回歸有著廣泛應(yīng)用。如果自變量只有一個(gè)時(shí)，稱為一元多項(xiàng)式回歸；如果自變量有多個(gè)時(shí)，稱為多元多項(xiàng)式回歸。在一元回歸分析中，如果依變量y與自變量x的關(guān)系為非線性的，但是又找不到適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)曲線來(lái)擬合，則可以采用一元多項(xiàng)式回歸。以感官評(píng)分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）和丙烯酰胺（B）為因變量，溫度（X1）、時(shí)間（X2）、蒸汽量（X3）為自變量，建立回歸方程如下：

表3 Box-Bchnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表4 回歸方程可信度分析

回歸方程可信度分析如表4所示，其中感官評(píng)分、亮度和丙烯酰胺的R2分別為93.23%、83.42%和91.39%。表明超過(guò)90%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用該模型進(jìn)行解釋，說(shuō)明方程可靠性較高。CV值越低，顯示實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性越好，本實(shí)驗(yàn)中CV值分別為4.28%、6.70%和13.35%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)操作可信度較高。綜上說(shuō)明了該回歸方程為優(yōu)化海綿蛋糕工藝條件提供了一個(gè)良好的模型。

表5 感官評(píng)分回歸模型的方差分析

表6 硬度回歸模型的方差分析

表7 彈性回歸模型的方差分析

表8 亮度回歸模型的方差分析

采用Design Expert 8.0程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表5-表9所示。表中的Pr為置信概率，Pr＞F值項(xiàng)表示大于F值的概率，從中可以看出感官評(píng)分X2、X32對(duì)G值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X1X2、X12對(duì)G值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕感官評(píng)分的3個(gè)因素的主次因素依次為: 時(shí)間（X2）＞蒸汽量（X3）＞溫度（X1）；硬度和彈性的模型不顯著；亮度X1、X2、X3對(duì)Y值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕亮度的3個(gè)因素的主次因素依次為：時(shí)間（X2）＞溫度（X1）＞蒸汽量（X3）；丙烯酰胺X1、X3、X2X3、X22對(duì)B值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X2對(duì)B值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005），影響海綿蛋糕丙烯酰胺含量的3個(gè)因素的主次因素依次為：溫度（X1）＞時(shí)間（X2）＞蒸汽量（X3）。

溫度和時(shí)間、溫度和蒸汽量、時(shí)間和蒸汽量分別對(duì)感官評(píng)分的影響如圖7-圖9所示；對(duì)彈性的影響如圖10-圖12所示；對(duì)丙烯酰胺的影響如圖13-圖15所示。

應(yīng)用design expert 8.0中Box-Behnken中Optimization Choises的Numerical Optimization對(duì)感官評(píng)分（maximize）、亮度（maximize）和丙烯酰胺（minimize）進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。得到在同一烹飪條件下，感官評(píng)分、亮度和丙烯酰胺最佳的烹飪工藝條件，如表10所示。

烹飪溫度為167.11℃，時(shí)間為25min，蒸汽量為16.74%時(shí)，海綿蛋糕的烹飪效果達(dá)到最好，感官評(píng)分的理論值可達(dá)83.0638，亮度的理論值可達(dá)到51.3438，丙烯酰胺的理論值可達(dá)0.0308783mg/kg，其合意性（Desirability）為0.853665。各因素對(duì)海綿蛋糕的綜合影響的合意性（Desirability），可見(jiàn)圖16。但考慮到實(shí)際情況，將最佳烹飪工藝條件修正為烹飪溫度為167℃，時(shí)間為25min，蒸汽量為17%。分別按以上最優(yōu)條件，重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此條件下實(shí)際測(cè)得的海綿蛋糕感官評(píng)分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg，與理論預(yù)測(cè)值相比接近，由此證明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶侠恚Y(jié)果理想。

圖7 溫度和時(shí)間對(duì)感官評(píng)分的影響

圖8 溫度和蒸汽量對(duì)感官評(píng)分的影響

圖9 時(shí)間和蒸汽量對(duì)感官評(píng)分的影響

圖11 溫度和蒸汽量對(duì)彈性的影響

4 結(jié)論

圖10 溫度和時(shí)間對(duì)彈性的影響

圖12 時(shí)間和蒸汽量對(duì)彈性的影響

本實(shí)驗(yàn)采用蒸烤雙能機(jī)對(duì)海綿蛋糕的烹飪工藝進(jìn)行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)烤箱烹飪方法不同，本實(shí)驗(yàn)在烹飪過(guò)程中引入了蒸汽因素。采用響應(yīng)面優(yōu)化方法，對(duì)蒸烤雙能機(jī)烹飪溫度、時(shí)間和蒸汽量進(jìn)行了優(yōu)化，最終優(yōu)化工藝參數(shù)為溫度167℃，時(shí)間25min，蒸汽量17%。在此條件下海綿蛋糕的品質(zhì)感官較好，實(shí)際測(cè)得的海綿蛋糕感官評(píng)分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg。

圖13 溫度和時(shí)間對(duì)丙烯酰胺的影響

圖14 溫度和蒸汽量對(duì)丙烯酰胺的影響

圖15 時(shí)間和蒸汽量對(duì)丙烯酰胺的影響

圖16 各因素對(duì)海綿蛋糕感官評(píng)分、亮度和丙烯酰胺的合意性的響應(yīng)面和等高線

表9 丙烯酰胺回歸模型的方差分析

表10 最優(yōu)設(shè)計(jì)推薦方案