基于主成分分析法的泡菜風味馬鈴薯餅干研制

崔妍，楊丹璐，陳姍姍，吳金鴻*，王正武，孫志棟，張林楠

（1.上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，上海 200240；2.寧波市農(nóng)業(yè)科學研究院，浙江 寧波 315040；3.寧波飛潤海洋生物科技股份有限公司，浙江 寧波 315731）

馬鈴薯是全球第四大重要的糧食作物，僅次于小麥、稻谷和玉米[1-3]。馬鈴薯富含蛋白質(zhì)、淀粉、維生素和礦物質(zhì)等各類營養(yǎng)物質(zhì)，其必需氨基酸的平衡優(yōu)于其他植物蛋白，淀粉幾乎可以完全被人體消化[4]，因此，極具開發(fā)和利用潛力。我國是世界馬鈴薯總產(chǎn)量最多的國家，但是只有少數(shù)地區(qū)把馬鈴薯作為主食，更多的是作為菜來食用。我國已于2015年提出馬鈴薯主食化戰(zhàn)略，推進把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食，馬鈴薯將成為小麥、稻米、玉米外又一主糧[5-7]。除了饅頭、面條等主食之外，餅干是休閑食品中的主打產(chǎn)品，隨著生活水平的提高，休閑食品的市場需求逐漸增大，餅干更是迎來黃金發(fā)展的時期，追求低卡路里、高纖維、口感更豐富的“健康餅干”已成為趨勢[8-9]。此外，餅干因為其獨特的性能，可作為旅行、登山、航海時的儲存食品，甚至戰(zhàn)爭時期的備用食品。將馬鈴薯添加入餅干中，研制馬鈴薯餅干，不論從國家發(fā)展戰(zhàn)略，還是經(jīng)濟角度來看都是利國利民的。

本研究擬開發(fā)一款泡菜風味的馬鈴薯餅干。一方面，添加適量的馬鈴薯粉，可以提升餅干的營養(yǎng)價值[10-11]，改變其原有的感官品質(zhì)，滿足人們對健康食品的追求。另一方面，泡菜集聚酸、辣、甜、咸等形成了獨特的風味[12-13]，添加至馬鈴薯餅干中可以豐富口感，增加風味。本研究通過配方優(yōu)化以及感官評價、質(zhì)構(gòu)分析和營養(yǎng)評價等，研制泡菜風味的馬鈴薯餅干，旨在為馬鈴薯加工產(chǎn)品的研發(fā)和資源利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

泡菜粉：新鮮青芥菜經(jīng)乳酸菌發(fā)酵和超高壓改性膳食纖維后打漿凍干，保存于上海交通大學淀粉加工與工程實驗室；低筋面粉：新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；奶粉、牛奶：內(nèi)蒙古伊利實業(yè)股份有限公司；雞蛋：市售；黃油：新加坡商永紐股份有限公司；白砂糖：江西巧廚食品有限公司；馬鈴薯粉：內(nèi)蒙古希森馬鈴薯全粉有限公司；泡打粉：上海楓未實業(yè)有限公司；面粉篩（80、100、120、140目 4種）：承澤絲網(wǎng)加工廠；一次性杯子：新源（福建）塑膠有限公司。

1.2 試驗設備

ME 104E電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；英潤20 mm壓面機：永康市五瑞工貿(mào)有限公司；DC-18S烤箱：新麥機械（無錫）有限公司；Universal TA質(zhì)構(gòu)儀：上海騰拔儀器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 泡菜風味馬鈴薯餅干的配方設計

根據(jù)文獻報道的配方[14]進行了摸索與優(yōu)化，確定了泡菜風味馬鈴薯餅干的初步配方：低筋面粉145 g、奶粉 15 g、雞蛋 15 g、牛奶 40 g、黃油 35 g、白砂糖 30 g、泡菜粉10 g、馬鈴薯粉15 g、泡打粉4 g。

1.3.2 泡菜風味馬鈴薯餅干的制作工藝

1）全部黃油切成小塊，隔水融化成液態(tài)；2）在黃油中加入打散的雞蛋液；3）加入牛奶，并攪拌均勻，成為混合液體；4）在混合液體中，加入白砂糖、奶粉，繼續(xù)攪拌均勻；5）稱取低筋面粉、泡菜粉、馬鈴薯粉和泡打粉，過篩后加入到混合液體中，并用手揉成光滑的面團，蓋上保鮮膜放置0.5 h；6）用壓面機將面團壓成0.3 cm厚的面皮，用模具制作成好看的形狀，并用牙簽的反面戳成間隔均勻的小孔，孔徑大小為2 mm，最后送入預熱好的上下火180℃烤箱，烘烤10 min。

1.3.3 單因素試驗

以泡菜粉添加量（10、15、20 g），馬鈴薯粉添加量（10、15、20 g）和復配粉的過篩目數(shù)（80、100、120目）作為3個因素，按1.3.2的工藝制作出餅干。根據(jù)GB/T 20980—2007《餅干》進行感官評定，由6位具有食品專業(yè)背景并受過專業(yè)感官訓練的評定人員對餅干進行感官評價，取平均值即為餅干感官得分，具體的評價標準見表1。

表1 餅干感官評分標準Table 1 The criterion of sensory evaluation for the biscuits

1.3.4 正交試驗

選出單因素試驗中得分最高的3個水平，建立三因素三水平的正交試驗，并對餅干再次進行感官評定。

1.3.5 質(zhì)構(gòu)測定

用質(zhì)構(gòu)儀對正交試驗中的餅干進行測定。選擇壓縮試驗模式，P5探頭，測前速度1.7 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度2.0 mm/s，壓縮比17%。測定因素包括硬度、脆度、咀嚼性和黏著性[15]。

1.3.6 餅干營養(yǎng)評價

綜合感官評定的得分以及質(zhì)構(gòu)儀的測定結(jié)果，選出最優(yōu)的泡菜風味馬鈴薯餅干配方，并對其進行營養(yǎng)成分分析，指標包括脂肪（GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》）、蛋白質(zhì)（GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》）、膳食纖維（GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》）、水分（GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》）、灰分（GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》）、碳水化合物和能量（GB 28050—2011《食品安全國家標準預包裝食品營養(yǎng)標簽通則》）。

1.3.7 主成分分析

用SPSS進行主成分分析，基本步驟為：1）將原始數(shù)據(jù)標準化，以消除變量對量綱和數(shù)量級的影響；2）根據(jù)標準化的數(shù)據(jù)矩陣得到相關系數(shù)矩陣R；3）求出R的特征根和特征向量；4）確定主成分；5）合成主成分，并得到綜合評分Y。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)均測定3次，取平均值。采用SPSS軟件和Excel軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

以泡菜粉添加量、馬鈴薯粉添加量和復配粉的過篩目數(shù)作為3個因素制作餅干。以泡菜粉添加量15 g，馬鈴薯粉添加量20 g，復配粉過篩目數(shù)140目的制作條件為例，最終產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 泡菜馬鈴薯餅干成品圖Fig.1 The photograph of kimchi-flavored potato biscuits

泡菜粉添加量、馬鈴薯粉添加量、復配粉過篩目數(shù)對餅干品質(zhì)的影響見圖2～圖4。

圖2 泡菜粉添加量對餅干品質(zhì)的影響Fig.2 The effect of the amount of kimchi powder on the taste of biscuits

圖3 馬鈴薯粉添加量對餅干品質(zhì)的影響Fig.3 The effect of the amount of potato powder on the taste of biscuits

圖4 復配粉過篩目數(shù)對餅干品質(zhì)的影響Fig.4 The effect of the grinding degree on the taste of biscuits

由感官評定結(jié)果可知，隨著泡菜粉添加量的增加，餅干感官評分先上升后下降，且增減幅度較大（圖2），這表明添加適量的泡菜粉能夠有效增加餅干的風味，但是一旦過量，使得餅干的異味過重，餅干風味會大幅度下降。馬鈴薯粉添加量對餅干品質(zhì)的影響卻恰好相反，隨著馬鈴薯量增加，餅干感官評分先下降后上升（圖3），說明馬鈴薯粉和低筋面粉之間的配比對餅干的品質(zhì)影響較大。餅干感官評分下降可能由餅干硬度下降所導致，馬鈴薯粉不含面筋蛋白[16]，加入一定量的馬鈴薯粉導致面團面筋比例降低，使餅干產(chǎn)生了松散的口感[17]，而后隨著馬鈴薯粉的繼續(xù)添加，面筋蛋白與油脂的結(jié)合力下降，促進了水合作用，使得餅干硬度得以回升。隨著復配粉過篩目數(shù)的增加，餅干感官評分逐漸增加，且120目時餅干的評分遠大于另外兩個目數(shù)條件下的評分（圖4）。過篩目數(shù)增加使餅干在口感上變得越來越細膩，并在一定程度上提高了餅干的酥脆度。綜合單因素試驗結(jié)果，最終選擇泡菜粉添加量15 g，馬鈴薯添加量20 g，復配粉過篩目數(shù)120目進行正交試驗設計。

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，對泡菜粉添加量、馬鈴薯粉添加量、復配粉過篩目數(shù)進行了正交試驗設計，因素水平見表2，正交試驗結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素與水平Table 2 The factors and levels of the orthogonal test

表3 正交試驗設計及方差分析結(jié)果Table 3 The design of the orthogonal test and the results of range and variance analysis

由結(jié)果確定產(chǎn)品的最佳配方為：泡菜粉添加量13g，馬鈴薯添加量22 g，復配粉過篩目數(shù)140目，與感官評分最高的3號樣品結(jié)果相一致。說明產(chǎn)品配方中泡菜粉添加量的增加會導致產(chǎn)品感官品質(zhì)降低，而適當提高馬鈴薯粉添加量和降低粉末粒度，可以提高產(chǎn)品感官品質(zhì)。有研究表明，降低馬鈴薯粉末粒度可以導致顏色強度的增加，以及溶解度和溶脹力的提升[18]，可以有效改善餅干的感官品質(zhì)。此外，結(jié)果顯示，各因素對餅干的感官影響的主次排序為泡菜粉添加量＞馬鈴薯粉添加量＞復配粉過篩目數(shù)。

2.3 質(zhì)構(gòu)測定結(jié)果與分析

對餅干樣品的硬度、脆度、咀嚼性和黏著性等質(zhì)構(gòu)特性進行分析，結(jié)果見表4。

表4 餅干質(zhì)構(gòu)特性分析結(jié)果Table 4 The analyzed results of the textural properties of biscuits

硬度是評價餅干口感的重要指標，表示的是第一次壓縮時的最大峰值，也就是食物變形所需的力[19]。結(jié)合感官評價可知，感官評分超過80分的餅干，其硬度都低于2 500 g，表明硬度大于2 500 g的餅干超出了普通消費者的可接受水平。脆度是評價餅干質(zhì)地的重要指標，反映的是餅干質(zhì)地的疏松程度[20]。從表3和表4可知，脆度大的餅干其感官評定評分也相對較高。咀嚼性指的是咀嚼半固體的樣品至可吞咽狀態(tài)時所需要作的功[21]。感官上是指牙齒將食物從固體的狀態(tài)咀嚼成可吞咽的狀態(tài)所需要作的功。咀嚼性的大小反映了餅干對牙齒咀嚼的抵抗力。咀嚼性越大，說明餅干越難被嚼碎，也越不酥脆。黏著性是指為了克服探頭和樣品間的黏著力所作的功[22]。在感官上指的是樣品表面對牙齒表面的黏附能力。如果黏著性的絕對值很大，餅干則易粘在牙齒和口腔壁上。樣品7、8、9的咀嚼性和黏著性都較高，而由配方可知這3個樣品的泡菜粉含量較高，說明泡菜粉含量在一定程度上可以影響餅干的咀嚼性和黏著性。

2.4 基于主成分分析的感官評定和質(zhì)構(gòu)測定

感官評定相關系數(shù)矩陣見表5。

表5 感官評定相關系數(shù)矩陣Table 5 Correlation coefficient matrix of sensory evaluation

國內(nèi)外學者對食品質(zhì)量評價主要是對感官指標的評價，也有感官評分和理化指數(shù)相結(jié)合的方法。然而，由于評分標準不統(tǒng)一，對品質(zhì)的綜合評價還有待進一步探討。主成分分析法（principal component analysis，PCA）是一種目前較為常用的評價方法，它的主要思想是降維。由于不同指標之間存在一定的相關性，因此在一定程度上，測得的數(shù)據(jù)會有所重疊?？梢杂蒙倭康闹笖?shù)代替原始指標中包含的信息，同時客觀地確定每個指標的權(quán)重，避免主觀隨意性[23-24]。感官評定方差貢獻率和累積貢獻率見表6，主成分評分系列矩陣見表7。

表6 感官評定方差貢獻率和累積貢獻率Table 6 Variance contribution rate and cumulative contribution rate of sensory evaluation

表7 主成分評分系列矩陣Table 7 Series matrix of principal component analysis

用SPSS軟件只提取前兩個主成分，這兩個主成分的累積方差貢獻率為80.817%（表6），在一定程度上能較好地反映感官評定的結(jié)果。

根據(jù)表7可以得到各主分的表達式。

將各個變量代入公式（1）和公式（2），分別得出F1和F2的兩個主成分得分。

按照各主成分所對應的方差貢獻率，按公式（3）來計算綜合評分Y，結(jié)果如表8所示。

表8 餅干感官評定的主成分特征值及綜合評分Table 8 Principal component eigenvalues and comprehensive scores of sensory evaluation of biscuits

由綜合評分Y值分析結(jié)果可以看出，第2組試驗樣品和第3組試驗樣品的綜合評分較高。同理可以分析得到餅干質(zhì)構(gòu)特性分析結(jié)果的主成分特征值及綜合評分，結(jié)果見表9。

表9 餅干質(zhì)構(gòu)測定的主成分特征值及綜合評分Table 9 Principal component eigenvalues and comprehensive scores of texture determination of biscuits

如表9所示，第3組樣品的質(zhì)構(gòu)特性綜合評分最高。因此，綜合餅干產(chǎn)品的感官品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性的分析結(jié)果，可以確定最優(yōu)的泡菜風味馬鈴薯餅干配方為第3組樣品，其配方組成中泡菜粉添加量為13 g，馬鈴薯粉添加量為22 g，復配粉過篩目數(shù)為140目，這與極差分析的結(jié)果一致。

2.5 最優(yōu)配方營養(yǎng)成分分析結(jié)果

在最優(yōu)餅干產(chǎn)品配方基礎上，對最優(yōu)化的餅干產(chǎn)品的營養(yǎng)成分進行綜合的分析，并與市場上知名的市售餅干進行對比。營養(yǎng)素參考值（nutrient reference values，NRV）為能量和營養(yǎng)素在食物中的相對含量，其專門用于食品營養(yǎng)標簽，標示每日合理的能量與營養(yǎng)攝入[25]。最優(yōu)配方餅干的營養(yǎng)成分見表10，市售餅干的營養(yǎng)成分見表11。

表10 最優(yōu)配方餅干的營養(yǎng)成分Table 10 Nutritional composition of the optimal formula for biscuits

表11 市售餅干的營養(yǎng)成分Table 11 Nutritional composition of commevcial biscuits

由表10和表11可知，與市售餅干相比，最優(yōu)配方所制作成的餅干具有更高的蛋白質(zhì)含量和膳食纖維含量，更低的脂肪含量、碳水化合物含量和熱量。一種更加專業(yè)的判斷方法，即利用稱為蛋白質(zhì)質(zhì)量指數(shù)（index of nutrition quality，INQ），即蛋白質(zhì)的 NRV 除以能量的NRV，來判斷食品營養(yǎng)價值的高低[25]。最優(yōu)配方餅干INQ=0.68，市售餅干INQ=0.36，說明最優(yōu)配方餅干較市售餅干而言有更高的營養(yǎng)價值。此外，最優(yōu)配方餅干的脂肪NRV質(zhì)量百分比為25%，而市售餅干為38%，顯然，具有更低的脂肪含量。在碳水化合物方面，最優(yōu)配方餅干的NRV質(zhì)量百分比為17%，市售餅干的為22%。這兩個數(shù)值與大多數(shù)高碳水化合物的主食類食物相差不多，因此這兩款餅干都可以作為主食食用。最優(yōu)配方餅干膳食纖維的NRV為63.2%，市售餅干為50%，說明食用100 g最優(yōu)配方餅干可以補充將近2/3每日所需的膳食纖維含量?？偟膩碚f，按照最優(yōu)配方烘焙制得的泡菜風味馬鈴薯餅干和市場上商品化的產(chǎn)品相比，不但更加營養(yǎng)，而且更加健康。

3 結(jié)論

本研究通過正交試驗優(yōu)化配方工藝制作泡菜風味的馬鈴薯餅干，并結(jié)合主成分分析方法對其進行感官評價和質(zhì)構(gòu)特性分析及營養(yǎng)評價，通過統(tǒng)計數(shù)學模型分析，進行科學的配方設計和工藝優(yōu)化。最終確定泡菜風味馬鈴薯餅干的最優(yōu)配方為低筋面粉145 g、奶粉 15 g、雞蛋 15 g、牛奶 40 g、黃油 35 g、白砂糖 30 g、泡菜粉13 g、馬鈴薯粉22 g、泡打粉4 g。同時復配粉過140目篩有利于提高產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)。與市售餅干相比，本研究設計的泡菜風味馬鈴薯餅干在營養(yǎng)方面具有更高的蛋白質(zhì)含量和膳食纖維含量，更低的脂肪含量、碳水化合物含量和熱量。因此，最優(yōu)配方所制作成的餅干具有較高的營養(yǎng)價值，是一種更符合飲食健康需求的新產(chǎn)品，具有市場推廣價值。