響應(yīng)面法優(yōu)化小麥新品種百農(nóng)4199的饅頭加工工藝

王斌，趙吉順，姜小苓，張自陽，王科，劉明久，*

（1.河南科技學(xué)院河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南新鄉(xiāng)453003；2.濟(jì)源市財(cái)源種業(yè)有限公司，河南濟(jì)源459000）

饅頭是我國(guó)的傳統(tǒng)主食，主要有北方饅頭、南方饅頭和廣式饅頭3種類型，其質(zhì)地、配方和加工方法均不相同[1-2]。其中，北方饅頭在我國(guó)膳食結(jié)構(gòu)中占有重要的主導(dǎo)地位，約為北方人民膳食組成的2/3[3-4]。它主要以小麥粉、酵母和水為原料，經(jīng)發(fā)酵和蒸制而成[5-7]。隨著社會(huì)發(fā)展及生活水平的提高，人們對(duì)饅頭的需求量及品質(zhì)要求越來越高[8]。優(yōu)質(zhì)饅頭要求柔軟且有筋力，彈性好且不發(fā)黏，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，咀嚼爽口不粘牙，有麥清香味[9-10]。小麥籽粒性狀、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量及其組成、面團(tuán)品質(zhì)以及加工工藝等均影響?zhàn)z頭的最終品質(zhì)[11-14]。多數(shù)研究認(rèn)為，蛋白質(zhì)含量和面筋強(qiáng)度中等的面粉制作的饅頭品質(zhì)最好[12，15]。張劍等[4]也曾分析研究了主食饅頭專用小麥粉的最佳品質(zhì)指標(biāo)范圍，認(rèn)為蛋白質(zhì)含量13.2%～15.8%、面筋指數(shù)51.1%～81.5%、穩(wěn)定時(shí)間4.5min～7.1min的小麥粉適合制作優(yōu)質(zhì)饅頭。

百農(nóng)4199系河南科技學(xué)院小麥中心培育的小麥新品種，于2017年通過河南省審定（豫審麥2017003），具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病等優(yōu)點(diǎn)。百農(nóng)4199屬于中筋小麥（粗蛋白13.5%、濕面筋含量31.0%、面筋指數(shù)76.4%、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間6.9 min左右），適合制作優(yōu)質(zhì)饅頭。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該品種制作的饅頭麥香味濃，富含35種香氣物質(zhì)。因此，為了進(jìn)一步開發(fā)利用該小麥新品種，加快其推廣應(yīng)用，本研究以百農(nóng)4199小麥粉為材料，利用響應(yīng)面法對(duì)其饅頭加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為百農(nóng)4199及同類小麥品種的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百農(nóng)4199面粉：濟(jì)源市雪苗面粉有限公司；安琪高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

BS223S電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；JHMZ-200和面機(jī)：北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司；FX-15S高級(jí)面包發(fā)酵箱：廣州市鑫南方電熱設(shè)備有限公司；TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀：美國(guó)FTC公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 饅頭制作方法

稱取面粉100 g，加一定量的酵母和38℃溫水，隨后置于和面機(jī)中攪拌和面3 min，在一定的溫度和相對(duì)濕度條件下醒發(fā)，取出平均分割成兩個(gè)饅頭坯，手工揉制成型，室溫（25℃左右）放置15 min，大火氣蒸20 min（冒氣起計(jì)時(shí)）。

1.2.2 饅頭感官評(píng)價(jià)方法

蒸好的饅頭冷卻40 min～60 min后，用天平稱重（g），用游標(biāo)卡尺測(cè)量高度（mm），并用菜籽容積置換法測(cè)量體積（mL），饅頭比容為體積與質(zhì)量之比，記錄各組數(shù)據(jù)，由4～5名有經(jīng)驗(yàn)的人員組成品嘗小組，根據(jù)GB/T 35991-2018《糧油檢驗(yàn)小麥粉饅頭加工品質(zhì)評(píng)價(jià)》中饅頭鑒評(píng)項(xiàng)目和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)品嘗進(jìn)行打分。

1.2.3 制作饅頭的單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 酵母添加量的確定

稱取面粉100 g，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別加0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%的酵母，加38℃溫水48%，和面3 min，在發(fā)酵溫度38℃和相對(duì)濕度70%的條件下醒發(fā)60 min，取出平均分割成兩個(gè)饅頭坯，揉制成型，室溫（25℃）放置 15 min，大火氣蒸 20 min（冒氣起計(jì)時(shí)）。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.2.3.2 加水量的確定

稱取面粉100 g，加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.75%的酵母，分別按體積分?jǐn)?shù)添加38℃溫水40%、44%、48%、52%、56%，其它步驟同1.2.3.1。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.2.3.3 發(fā)酵溫度的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面 3 min，分別在 30、34、38、42、46 ℃條件下醒發(fā)，其它步驟同1.2.3.1。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.2.3.4 發(fā)酵時(shí)間的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面3 min，隨后在發(fā)酵溫度38℃、相對(duì)濕度為70%條件下分別醒發(fā) 40、50、60、70、80 min，其它步驟同1.2.3.1。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.2.3.5 相對(duì)濕度的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面3 min，發(fā)酵溫度38℃，在相對(duì)濕度分別為60%、65%、70%、75%和80%條件下醒發(fā)60 min，其它步驟同1.2.3.1。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.2.4 饅頭生產(chǎn)工藝響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、發(fā)酵溫度（X3）、發(fā)酵時(shí)間（X4）和相對(duì)濕度（X5）5個(gè)對(duì)饅頭品質(zhì)影響較大的因素作為響應(yīng)因素，以感官評(píng)分（Y）作為響應(yīng)值，根據(jù)Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design-響應(yīng)面優(yōu)化分析原理，采用五因素三水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定百農(nóng)4199小麥粉饅頭加工的最佳工藝。試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平表Table 1 Factors and levels of the response surface design

1.2.5 饅頭質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定

利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定饅頭樣品的質(zhì)構(gòu)參數(shù)，方法參照姜小苓等[16]。具體操作方法為：將饅頭縱向切成厚度25 mm的薄片，用75 mm圓盤擠壓探頭進(jìn)行TPA壓縮模式測(cè)試，參數(shù)分別設(shè)定為：測(cè)前速度50 mm/s、測(cè)試速度 30 mm/s、測(cè)后速度 50 mm/s、起始力0.8 N和形變量30%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007處理數(shù)據(jù)，結(jié)果取3次重復(fù)的平均值；采用Design-Expert7.0軟件中的CentralComposite Design（CCD）中心組合試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 饅頭加工單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 酵母添加量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響

酵母添加量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響如圖1所示。

圖1 酵母添加量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響Fig.1 Effect of yeast concentration on sensory score of steamed bread

從圖1可看出饅頭感官評(píng)分隨酵母添加量的增加而逐漸升高，添加量為0.75%時(shí)達(dá)到最高，隨后急劇下降。原因可能是酵母添加量較少，酵母產(chǎn)氣量少，面團(tuán)發(fā)酵不充分、較硬，饅頭比容較小，口感不好；添加量過多，饅頭色澤變差，表面不光滑，挺立度差易塌陷，縱剖面氣孔較大，氣味和口感變差。因此，酵母添加量為0.75%時(shí)，饅頭評(píng)分最高。

2.1.2 加水量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響

不同加水量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響如圖2所示。

圖2 加水量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響Fig.2 Effect of water volume on sensory score of steamed bread

由圖2可知，饅頭感官評(píng)分隨加水量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)加水量48%時(shí)，感官評(píng)分達(dá)最高。原因可能是加水量較少，面團(tuán)較硬，不宜成型，饅頭體積較小，口感不好；加水過多，面團(tuán)膠粘，饅頭高度偏低、挺立度差、內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙不均勻。因此，加水量為48%時(shí)感官評(píng)分最高。

2.1.3 發(fā)酵溫度對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響

發(fā)酵溫度對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響見圖3。

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on sensory score of steamed bread

由圖3可知，饅頭感官評(píng)分隨發(fā)酵溫度的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)酵溫度為38℃時(shí)感官評(píng)分達(dá)最高。發(fā)酵溫度較低時(shí)，酵母的活動(dòng)受到限制，面團(tuán)發(fā)酵不充分，饅頭體積較??；發(fā)酵溫度過高時(shí)，酵母活性受到抑制，饅頭的氣味和口感變差，導(dǎo)致饅頭感官品質(zhì)下降。38℃可能是酵母的最適反應(yīng)溫度，該溫度下發(fā)酵的饅頭比容、氣味及口感較好，評(píng)分較高。

2.1.4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響

發(fā)酵時(shí)間對(duì)感官評(píng)分的影響如圖4所示。

圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.4 Effect of fermentation time on sensory score of steamed bread

隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，饅頭感官評(píng)分呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為60 min時(shí)，感官評(píng)分達(dá)最高；隨后評(píng)分呈下降趨勢(shì)。發(fā)酵時(shí)間太短，面團(tuán)發(fā)酵不充分，饅頭高度、比容較??；發(fā)酵時(shí)間太長(zhǎng)，面團(tuán)產(chǎn)氣增多，超過了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的延伸限度，造成饅頭塌陷、饅頭縱剖面氣孔不均勻，嚼勁差，氣味和口感不好[17]。醒發(fā)60 min，饅頭飽滿挺立，評(píng)分最高。

2.1.5 相對(duì)濕度對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響

相對(duì)濕度對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響見圖5。

圖5 相對(duì)濕度對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.5 Effect of relative humidity on sensory score of steamed bread

由圖5可知，饅頭感官評(píng)分隨相對(duì)濕度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)濕度為70%左右時(shí)，感官評(píng)分達(dá)最高，隨后逐漸下降。相對(duì)濕度較小，饅頭表皮較厚、有裂紋；濕度較大，饅頭易起泡、變形，高度偏小。相對(duì)濕度為70%時(shí)感官評(píng)分最高。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

本試驗(yàn)利用Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design（CCD），選取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、發(fā)酵溫度（X3）、發(fā)酵時(shí)間（X4）和相對(duì)濕度（X5）為響應(yīng)因素，感官評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，按照生產(chǎn)饅頭的響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平表進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)共46個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中40個(gè)為析因子，6個(gè)為零點(diǎn)。零點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行6次，以估計(jì)誤差。響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results for response surface analysis

利用Design-Expert 7.0軟件對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立以感官評(píng)分Y為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程：

對(duì)百農(nóng)4199小麥粉饅頭加工工藝數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of the regression equation for extraction efficiency of trypsin inhibitor

二次多項(xiàng)模型具有較高的F值（12.88）和較低的P值（P＜0.000 1），表明該模型極顯著，失擬項(xiàng)的F值和P值分別為2.86和0.124，在α=0.05水平上不顯著，說明殘差主要由隨機(jī)誤差引起。經(jīng)方差分析，預(yù)測(cè)擬合度（0.764 4）與校正擬合度（0.890 8）相差不大，R2為0.911 5，說明該模型能解釋91.15%響應(yīng)值的變化，僅有總變異的8.85%不能用此模型來解釋。

同時(shí)，變異系數(shù)（CV=2.12）和信噪比（Adeq Precision=14.94，大于4）也說明該試驗(yàn)方法可靠。因此，利用該模型對(duì)百農(nóng)4199小麥粉饅頭加工工藝進(jìn)行優(yōu)化可行。

對(duì)上述方程回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)表明，從F值可看出影響因素的主次順序?yàn)椋篨3＞X1＞X4＞X2＞X5。另外，交互項(xiàng) X1X3、X2X4、X3X4均表現(xiàn)出高度顯著水平，說明酵母添加量和發(fā)酵溫度、加水量和發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的交互作用對(duì)饅頭的感官品質(zhì)具有顯著影響。

2.2.2 響應(yīng)面分析

在其他因素固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響，對(duì)模型進(jìn)行降維分析。經(jīng)Design-Expert 7.0分析所得的響應(yīng)曲面及等高線圖見圖6a～j，響應(yīng)曲面圖及等高線圖可以分析并評(píng)價(jià)任何兩個(gè)因素的交互作用對(duì)感官評(píng)分的影響程度，確定最佳因素水平的范圍。等高線的形狀可直觀反映各因素間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，形狀越圓，兩因素的交互作用越不顯著；越不圓（呈橢圓形），交互作用越顯著，且橢圓排列越緊密代表因素對(duì)響應(yīng)值變化影響越大[18-19]。

由響應(yīng)曲面圖6可知，隨每個(gè)因素的增大，響應(yīng)值增大；當(dāng)響應(yīng)值增大到極值后，隨因素增大，響應(yīng)值逐漸減小。其中，酵母添加量和發(fā)酵溫度（X1X3）、加水量和發(fā)酵時(shí)間（X2X4）、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間（X3X4）對(duì)感官評(píng)分的影響顯著。另外，由圖可知該模型在試驗(yàn)范圍內(nèi)存在穩(wěn)定點(diǎn)，且穩(wěn)定點(diǎn)是最大值。

2.2.3 提取工藝條件優(yōu)化

采用軟件中Optimization的Numerical功能，使用最大值優(yōu)化，優(yōu)化得到百農(nóng)4199小麥粉饅頭加工的理論工藝條件為：酵母添加量0.73%、加水量46.54%、醒發(fā)時(shí)間60.20 min、發(fā)酵溫度41.79℃、相對(duì)濕度68.58%，該條件下饅頭感官評(píng)分為93.33。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行饅頭加工驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到實(shí)際操作的便利，將提取工藝參數(shù)修正為酵母添加量0.75%，加水量48%，醒發(fā)時(shí)間60min，發(fā)酵溫度40℃，相對(duì)濕度70%，在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，實(shí)際感官評(píng)分為93.36，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差約為0.03%。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提取條件準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

圖6 各因素交互作用對(duì)饅頭感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effects of pairwise interactions among various variables on sensory score of steamed bread

2.3 不同感官評(píng)分饅頭的質(zhì)構(gòu)參數(shù)比較

在46次響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)中，選取其中感官評(píng)分最低、最高以及參照國(guó)標(biāo)方法GB/T 35991-2018《糧油檢驗(yàn)小麥粉饅頭加工品質(zhì)評(píng)價(jià)》制作的饅頭，利用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試其質(zhì)構(gòu)參數(shù)，多重比較結(jié)果見表4。饅頭的硬度、膠黏性和咀嚼度在不同樣品間存在顯著差異（P<0.05），其他質(zhì)構(gòu)參數(shù)的差異不顯著。其中，感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)最低的饅頭，其硬度、膠黏性和咀嚼性均最高，顯著高于其他兩個(gè)饅頭樣品；感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)最低的饅頭，其硬度和咀嚼性均最低。

表4 不同感官評(píng)分饅頭的質(zhì)構(gòu)特性Table 4 Texture property of steamed bread with different sensory score

3 討論與結(jié)論

饅頭品質(zhì)是我國(guó)小麥品質(zhì)改良的重要目標(biāo)，評(píng)價(jià)方法主要有感官評(píng)價(jià)和質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試評(píng)價(jià)。其中，感官評(píng)價(jià)主要根據(jù)饅頭的比容、表觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、彈韌性、黏性和氣味等來評(píng)分，按總評(píng)分高低分類[20]；質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試評(píng)價(jià)的參數(shù)主要有：硬度、黏附性、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性和咀嚼度等，其中硬度和咀嚼度是衡量制品品質(zhì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)，兩者值越小，制品越柔軟，適口性越好[16]。本研究主要通過饅頭的感官評(píng)價(jià)對(duì)小麥新品種百農(nóng)4199的最佳饅頭制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出較優(yōu)工藝條件為：酵母添加量0.75%、加水量48%、醒發(fā)時(shí)間60min、醒發(fā)溫度40℃、相對(duì)濕度70%，在較優(yōu)的提取條件下，饅頭感官評(píng)分可達(dá)93.36。另外，本研究還得到饅頭感官評(píng)分與各因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，有一定應(yīng)用價(jià)值。

本研究還進(jìn)一步分析了不同感官評(píng)分饅頭樣品的質(zhì)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)感官評(píng)分最高的饅頭具有最低的硬度和咀嚼度，說明該樣品質(zhì)地柔軟、適口性最好；相反，感官評(píng)分最低的饅頭樣品硬度和咀嚼性均最高，適口性較差，該結(jié)果與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果相吻合。