響應面法優(yōu)化花生曲奇制作工藝的研究

白 建，閆陸飛

(1.呂梁學院生命科學系，山西 呂梁 033001； 2.陜西省榆林市農業(yè)科學研究院，陜西 榆林 719000)

花生營養(yǎng)豐富，不僅含有8種人體必需氨基酸，而且還含有脂肪、碳水化合物、維生素、類胡蘿卜素和多種微量元素，可抗衰老、補虛、延年益壽，故而有“長生果”之稱[1]。花生兼具藥食兩用的效果，有助于消化和營養(yǎng)吸收[2]。

隨著人們生活水平的提高，人們越來越關注健康食品，更加喜歡低糖、低脂、高纖維食品[3]?；ㄉ嫣妓衔锖扛?，可以給人們提供大量能量和豐富營養(yǎng)。如今，來自工作和家庭的壓力日益增加，快節(jié)奏的生活使得人們往往顧不得吃早餐和晚餐，僅僅吃一些餅干和水果以代之。本研究的花生曲奇就是一款可代餐食品。在單因素研究基礎上采用Plackett-Burman設計結合Box-Behnken響應面法，基于主成分分析法優(yōu)化花生曲奇的制作工藝。該方法比以往單純的單因素研究試驗更具有先進性和創(chuàng)新性。

花生曲奇的研發(fā)是對餅干生產(chǎn)工藝的一次創(chuàng)新，對曲奇生產(chǎn)提供了新的思路，有利于花生的深加工，可提高曲奇加工企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

花生仁，石樓縣冠通食品有限公司；低筋面粉，山西供銷農芯樂電子商務有限公司；黃油、全脂奶粉、白砂糖和雞蛋均購于呂梁市家家利超市。

1.2 主要儀器設備

CWJZ-30粉碎機，旭朗機械工廠；SD-38電子打蛋器，杭州九陽生活電器有限公司；BCD-170TA冰箱，歐雪制冷設備公司；JJBC電子分析天平，廣州市寶之域科學儀器有限公司；K42烤箱，廣東格萊士有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

黃油+白砂糖+奶粉+低筋面粉+花生碎+雞蛋+泡打粉→面團揉制→靜置冷藏→模具成型→焙烤→取盤冷卻→成品。

1.3.2 操作要點

① 花生碎的制備：花生仁100 ℃烘烤10 min，冷卻后粉碎成5 mm3左右的碎塊備用。

② 攪拌：將黃油放入烤箱內加熱形成半融化狀態(tài)，加入白砂糖，用打蛋器打發(fā)至發(fā)白，雞蛋分兩次加入，繼續(xù)攪拌至發(fā)白，再加入稱量好的低筋面粉、泡打粉、花生碎、全脂奶粉，攪拌均勻。

③ 成型：面團放入模具，入冰箱冷卻5～6 min，冷卻后切片成型放入烤盤中。

④ 烘烤：烤箱上火130 ℃、下火110 ℃，焙烤15 min。烘烤至成熟，表面金黃，有濃郁的香味。

⑤ 冷卻：從烤箱取出曲奇餅干，冷卻至室溫，即為成品。

1.4 指標測定

1.4.1 感官評價

由經(jīng)過正規(guī)培訓的10 名食品感官品評師進行感官評分，方式參照已有參考文獻[4-7]，并稍作改動。感官評分標準見表1。

1.4.2 質構特性測定

參照曹麗萍等[8]方法，采用美國Brookfield質構分析儀對樣品的硬度和咀嚼性進行測試，評價餅干的品質，測試條件：TA39探頭，測試速率2.00 mm/s，測定速度5 mm/s，返回速度5 mm/s， 壓縮程度90 %，數(shù)據(jù)頻率100 Hz。在室溫(25 ℃)下測定。通過儀器分析，從數(shù)據(jù)顯示屏上獲得硬度和咀嚼性2個TPA參數(shù)。每組樣品測量3次，最后取平均值。

1.4.3 色差測定

取焙烤好的花生曲奇，填充到比色皿內，保證比色皿表面不透光。用色差儀測定樣品的亮度值(L*)和黃度值(b*)作為本試驗主要測定參數(shù)，每組樣品變換角度測3次，取平均值。

1.4.4 理化指標測定

酸價測定采用GB 5009.229-2016 《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》；過氧化值測定采用GB 5009.227-2016 《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》。

1.5 試驗設計

1.5.1 單因素試驗

參照已有文獻[9-12]，并做修改。得到基礎配方：低筋面粉80 g、花生碎20 g、白砂糖45 g、黃油60 g、雞蛋25 g、奶粉7 g，泡打粉1 g，烘焙15 min。在基礎配方不變的情況下，將影響花生曲奇的幾個因素：花生碎、白砂糖、黃油、奶粉、雞蛋做單因素設計試驗，并進行質構檢測和色差測定。

按基礎配方制作花生曲奇，其他因素保持不變，分別設置花生碎(12、16、20、24、28 g)，白砂糖(25、35、45、55、65 g)，黃油(40、50、60、70、80 g)，奶粉(3、5、7、9、11 g)，雞蛋(15、20、25、30、35 g)。測定曲奇的質構和色差，并進行感官評分。

1.5.2 Plackett-Burman試驗

通過單因素試驗的5 個因素水平，進行Plackett-Burman 試驗，研究花生碎(m1)、白砂糖(m2)、黃油(m3)、奶粉(m4)和雞蛋(m5)的添加量對曲奇品質的影響，選出3個影響顯著的因素從而進行響應面分析試驗，因素水平見表2。

1.5.3 響應面試驗

運用單因素試驗和Placket-Burman(PB)試驗結果進行響應面試驗。以花生碎(A)、白砂糖(B)、黃油(C)的添加量為自變量，以質構特性(硬度、咀嚼性)，色差(L*、b*)和感官評分為評價指標。響應面試驗因素和水平見表3。

表2 Plackett-Burman試驗因素水平表 Table 2 Factors and levels of PB test

表3 響應面分析因素和水平 Table 3 Factors and levels of response surface analysis

響應面試驗中，對曲奇的質構特性(硬度、咀嚼性)，色差(L*、b*)和感官評分進行主成分分析。根據(jù)主成分分析，計算曲奇的綜合評分。

綜合評分按公式(1)～(3)計算：

F1=0.252X1+0.008X2+0.250X3+0.252X4+0.250X5…… ……………………………… (1)

F2=-0.008X1+X2-0.024X3-0.008X4+0.010X5………… ………………………… (2)

F=0.795F1+0.200F2………………… (3)

式中：F1是主成分1評分；F2是主成分2評分；F是綜合評分；X1是硬度；X2是咀嚼性；X3是L*；X4是b*；X5是感官評分。

規(guī)范化綜合評分按公式(4)計算：

Y=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin) ………… (4)

式中：F為綜合評分；Fmin為綜合評分最小值；Fmax為綜合評分最大值。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用微軟Excel 2011整理試驗數(shù)據(jù)，用Graphpad Prism 8.0繪制單因素試驗圖像，采用SPSS 22.0 進行數(shù)據(jù)分析，采用Design-Expert 10.0進行響應面設計及結果優(yōu)化，使用Photoshop 2019對圖片進行調整和美化。

2 結果和分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 花生碎添加量對曲奇品質的影響

圖1可知，花生碎的添加對曲奇的感官評分有顯著影響(P<0.05)?；ㄉ榈奶砑恿?2～28 g，感官評分先升后降，當添加量到20 g時，感官評分最高。這可能由于添加過多花生碎，導致曲奇變形，外表結構發(fā)生變化，外觀不美觀，且產(chǎn)生濃烈的花生氣味，顆粒感明顯，斷面有明顯的較大孔洞，影響曲奇的外觀、風味和口感?；ㄉ榈奶砑恿繉η嬗捕取⒕捉佬?、b*影響顯著(P<0.05)，添加量為20 g時各方面達到最好；對L*影響不顯著。從各方面考慮評定，花生碎的最優(yōu)添加量是20 g。

2.1.2 白砂糖添加量對曲奇品質的影響

圖2可知，白砂糖的添加對餅干的感官評分有顯著影響(P<0.05)。白砂糖的添加量25～65 g，感官評分先升后降，當白砂糖添加量到45 g時，感官評分最高。這可能由于添加過多白砂糖，會影響面團的延展性，進而影響曲奇酥脆感，還會導致餅干甜度過高，容易產(chǎn)生飽腹感，外表結構發(fā)生變化，表面會有明顯結晶，顆粒感明顯，外表不美觀，花生氣味平淡，有絲絲甜味，斷面會有明顯的較大孔洞，影響曲奇的風味和口感。白砂糖的添加量對曲奇硬度、咀嚼性、b*、 L*影響顯著(P<0.05)，添加量是45 g時各方面達到最好。從各方面考慮評定，白砂糖的最優(yōu)添加量是45 g。

2.1.3 黃油添加量對曲奇品質的影響

圖3可知，黃油的添加對餅干的感官評分有顯著影響(P<0.05)。黃油的添加量40～80 g，感官評分先升后降，當黃油添加量到60 g時，感官評分最高。這可能由于添加過多黃油，會影響曲奇酥脆感，還會影響曲奇的香味，黃油的氣味會遮蓋住花生味道，過多油脂使得曲奇產(chǎn)生油膩感，且黃油的顏色會遮蓋住花生本身的顏色。黃油如果放的少，曲奇的硬度會上升，影響曲奇的風味和口感。黃油的添加量對曲奇硬度、咀嚼性、L*影響顯著(P<0.05)，對b*影響不顯著，但呈上升趨勢。添加量為60 g時各方面達到最好。從各方面考慮評定，黃油的最優(yōu)添加量是45 g。

2.1.4 奶粉添加量對曲奇品質的影響

圖4可知，奶粉的添加對餅干的感官評分有顯著影響(P<0.05)。奶粉的添加量3～11 g，感官評分先升后降，當奶粉添加量為7 g時，感官評分最高。這可能由于添加過多奶粉，會影響曲奇的松脆感，餅干不太硬，影響曲奇的質地，讓餅干過于松軟，拿起時會掉餅屑；雖然會讓曲奇有濃郁的奶香味，但是會掩蓋住花生味，影響曲奇的風味和口感。奶粉的添加量對曲奇硬度、咀嚼性影響顯著(P<0.05)，對L*、b*影響不顯著，但b*呈現(xiàn)下降趨勢。添加量是7 g時各方面達到最好。從各方面考慮評定，奶粉的最優(yōu)添加量是7 g。

2.1.5 雞蛋添加量對曲奇品質的影響

圖5可知，雞蛋的添加對餅干的感官評分有顯著影響(P<0.05)。雞蛋的添加量15～35 g，感官評分先升后降，當雞蛋添加量為25 g時，感官評分最高。這可能由于添加過多雞蛋，會影響花生的外表結構，導致油水分離，進而影響花紋成型，蛋清添加過多，使曲奇過于蓬松，成品外表不美觀；蛋黃可增加顏色，導致曲奇金黃，遮蓋住花生的顏色，會導致影響曲奇的風味和口感。雞蛋的添加量對曲奇硬度影響顯著(P<0.05)，對咀嚼性、L*、b*影響不顯著，但b*呈現(xiàn)下降趨勢，咀嚼性呈上升趨勢。添加量是25 g時各方面達到最好。從各方面考慮評定，雞蛋的最優(yōu)添加量是25 g。

2.2 Plackett-Burman試驗結果與分析

PB試驗設計及結果見表4。表5可知，P=0.003<0.01，該模型顯著。花生碎添加量(m1)(P=0.001)、白砂糖添加量(m2)(P=0.006)、黃油添加量(m3)(P=0.009)對花生曲奇感官評分的影響顯著，擬進一步優(yōu)化其工藝參數(shù)；奶粉添加量(m4)和雞蛋添加量(m5)對曲奇感官評分影響不顯著(P>0.05)。因此選擇m1、m2、m33個顯著性因素設計三因素三水平Box-Behnken響應面試驗。

表4 Plackett-Burman試驗設計及結果 Table 4 Plackett-Burman experiment design and results

2.3 Box-Behnken Design(BBD)響應面設計與分析

2.3.1 響應面試驗結果

采用Design-Expert 10.0軟件進行BBD響應面試驗設計，試驗設計如表6所示。

表6 響應面試驗設計與結果 Table 6 Response surface test design and results

2.3.2 主成分分析

采用SPSS 22.0軟件對表6中花生曲奇的各指標進行主成分分析。結果見表7、表8。

由表7可知，主成分1、主成分2的累計貢獻率達到99.508 %(>85 %)，符合要求，說明可以從該主成分中了解原始數(shù)據(jù)的大部分信息。

表7 各主成分的特征根、貢獻率及累計方差貢獻率Table 7 Characteristic root, contribution rate and cumulative variance contribution rate of each principal component

表8 成分載荷矩陣 Table 8 Component load matrix

由表8數(shù)據(jù)可得，硬度、黃度值(b*)、亮度值(L*)和感官評價決定第1主成分，咀嚼性決定第2主成分。將計算出的綜合得分標準化后，以標準化綜合得分作為響應值進行響應面分析，規(guī)范化綜合評分見表9。

將所得的綜合評分通過SPSS 22.0軟件進行處理，得出規(guī)范化綜合評分，將規(guī)范化綜合評分作為響應值Y，通過Box-Behnken Design(BBD)響應面軟件分析，得出的17組試驗的規(guī)范化綜合評分見表9。

表9 不同試驗組規(guī)范化綜合評分 Table 9 Standardized comprehensive scores of different experimental groups

2.3.3 BBD試驗結果分析

運用Design-Expert 10.0軟件對表6與表9數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，并進行模型優(yōu)化，得到回歸方程如下：

Y=0.926-0.206A-0.065B+0.060C+

0.237AB-0.035AC-0.067BC-0.400A2-

0.183B2-0.082C2

對該模型進行顯著性檢驗，通過表10可看出，模型P<0.01，說明擬合檢驗顯著，失擬值P=0.286>0.05，說明失擬值不顯著。表明模型擬合檢驗良好，模型能很好地預測結果。表10表明，A項、交互項AB、二次項A2和B2表現(xiàn)極顯著(P<0.01)。B、C、二次項C2表現(xiàn)顯著(P<0.05)，交互項AC、BC表現(xiàn)不顯著(P>0.05)。在BBD響應面試驗中，因素A、B、C的F值分別是102.03、10.21、8.63，說明三個因素對花生曲奇規(guī)范化綜合評分的貢獻率為：A(花生碎添加量)>B(白砂糖添加量)>C(黃油添加量)。

表10 回歸模型方差分析 Table 10 Analysis of variance of regression model

2.3.4 花生碎、白砂糖與黃油添加量交互作用分析

圖6可知，花生碎與白砂糖的相互作用3D曲面彎曲度大，坡度大，說明花生碎和白砂糖兩因素間交互作用對曲奇的規(guī)范化綜合評分影響顯著。白砂糖添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響小于花生碎添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響，說明在花生碎與白砂糖兩因素中，規(guī)范化綜合評分的分值主要受花生碎添加量的影響。當因素A(花生碎添加量)為20 g(0)，因素B(白砂糖添加量)為45 g(0)時，規(guī)范化綜合評分達最佳值。

圖7可知，花生碎與黃油的相互作用3D曲面彎曲程度小，坡度平緩，輪廓近似于圓形，說明花生碎和黃油兩個因素之間的交互作用對曲奇的規(guī)范化綜合評分影響不顯著。黃油添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響小于花生碎添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響，說明在花生碎與黃油兩因素中，規(guī)范化綜合評分的分值主要受花生碎添加量的影響。當因素A(花生碎添加量)為20 g(0)，因素C(黃油添加量)為60 g(0)時，規(guī)范化綜合評分達到最佳值。

圖8可知，白砂糖和黃油的相互作用3D曲面彎曲度小，坡度平緩，輪廓近似于圓形，說明白砂糖和黃油兩個因素之間的交互作用對曲奇的規(guī)范化綜合評分影響不顯著。黃油添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響小于白砂糖添加量的變化對規(guī)范化綜合評分的影響，說明在黃油與白砂糖兩因素中，規(guī)范化綜合評分的分值主要受白砂糖添加量的影響。當因素B(白砂糖添加量)為45 g(0)，因素C(黃油添加量)為60 g(0)時，規(guī)范化綜合評分達到最佳值。

2.4 驗證試驗

使用Design-Expert 10.0軟件計算回歸方程， 將花生碎添加量、白砂糖添加量和黃油添加量的取值范圍分別設定為16～24 g、35～55 g、50～70 g，并將目標值擬定為最大值，最終獲得的最優(yōu)組合為花生碎添加量18.69 g、白砂糖添加量40.47 g、黃油添加量64.75 g，按此最優(yōu)組合制得的曲奇餅干規(guī)范化綜合評分為0.9948 分。根據(jù)實際條件將最優(yōu)組合調整為花生碎添加量20 g、白砂糖添加量45 g、黃油添加量60 g，改進原料配比后的曲奇餅干規(guī)范化綜合評分為0.9264 分，與試驗預測值接近。表明計算得到的回歸模型準確，響應面法結合主成分分析優(yōu)化曲奇加工工藝的評價方法準確可行。

表11 酸價、過氧化值的測定結果 Table 11 Determination of acid value and peroxide value

2.5 理化指標的測定結果

根據(jù)表11可知，花生曲奇符合GB7100-2015《食品安全國家標準 餅干》 規(guī)定，是合格產(chǎn)品。

3 結 論

本研究先進行單因素試驗以確定各因素的水平，利用響應面法對花生曲奇進行分析后，得出了影響花生曲奇的規(guī)范化綜合評分的順序依次為：花生碎添加量>白砂糖添加量>黃油添加量，并在單因素試驗和Plackett-Burman試驗的基礎上，對花生曲奇的各項指標進行主成分分析，得出規(guī)范化綜合評分，以規(guī)范化綜合評分為響應值，用Box-Behnken Design設計試驗方案，通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到回歸方程如下：

Y=0.926-0.206A-0.065B+0.060C+0.237AB-0.035AC-0.067BC-0.400A2-0.183B2-0.082C2

通過響應面分析，得到花生曲奇的最佳制作工藝為：低筋面粉80 g、花生碎20 g、白砂糖45 g、黃油60 g、雞蛋25 g、奶粉7 g、泡打粉1 g。上火130 ℃、下火110 ℃條件下，焙烤15 min。在此制作工藝條件下規(guī)范化綜合評分最高為0.9264。研發(fā)的花生曲奇顏色金黃，味道純正，有濃郁的花生味道，甜度適中，口感酥松，不粘牙，表面有花生碎的顆粒。