響應(yīng)面結(jié)合主成分分析優(yōu)化面片配方

黃婷婷，白羽嘉，馮作山，付文欠

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

隨著生活節(jié)奏的加快，大眾對(duì)方便食品的需求日益增加，市面上逐漸出現(xiàn)各色方便食品，為加工方便地區(qū)特色美食產(chǎn)品提供了市場(chǎng)。湯飯是新疆地區(qū)的一種特色美食，以菱形面片為主，配料使用羊肉、西紅柿和各種蔬菜等，口味酸辣，深受本地消費(fèi)者的喜愛。作為面食，面片對(duì)于整體的影響不言而喻。添加改良劑是提高面粉及面制品品質(zhì)的有效手段[1]，面制品中改良劑的添加種類頗多，主要有磷酸鹽類、食用膠類和淀粉類等。Rombouts 等[2]和Yada 等[3]研究發(fā)現(xiàn)鹽類能增加面條的蒸煮特性和感官品質(zhì)。查春月[4]和盧丹妮[5]研究發(fā)現(xiàn)淀粉能增加面團(tuán)的形成時(shí)間，改善面制品咀嚼性。谷朊粉和膠類還能改變面制品的流變性，增加光滑性和韌性[6?7]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于面片的研究較少，但針對(duì)面制品品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系眾多，如面團(tuán)流變學(xué)特性[8?9]、糊化特性[10?11]、感官特性[12?13]、質(zhì)構(gòu)特性[14]等，只采用單一體系評(píng)價(jià)面片的品質(zhì)，很難看出不同比例改良劑對(duì)面片品質(zhì)特性影響的差異，采用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析方法顯得至關(guān)重要。響應(yīng)面作為科學(xué)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用方法，組合試驗(yàn)?zāi)軌蚍治龈鲾?shù)據(jù)間的相關(guān)性，得到最佳試驗(yàn)組合；主成分分析（principal component analysis，PCA）是一種多變量統(tǒng)計(jì)工具，通過數(shù)學(xué)降維的方法簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)集，用幾個(gè)綜合變量來(lái)替代原來(lái)眾多的變量，并保持?jǐn)?shù)據(jù)集對(duì)方差貢獻(xiàn)最大的特征[15?16]。通過主成分分析對(duì)響應(yīng)面組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)降維，再結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化主成分分析后所得的綜合評(píng)分，能夠科學(xué)有效地得出試驗(yàn)最優(yōu)條件。目前利用響應(yīng)面結(jié)合主成分分析方法優(yōu)化試驗(yàn)在面制品[17?21]、發(fā)酵制品[22?25]中應(yīng)用廣泛，說明此方法能夠作為科學(xué)的方法對(duì)面制品品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。而關(guān)于改良劑添加量對(duì)方便湯飯中面片質(zhì)構(gòu)特點(diǎn)和蒸煮特性間多變量指標(biāo)的響應(yīng)面結(jié)合主成分分析則沒有相關(guān)研究。

本文通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定面片中添加的四種改良劑，包括三聚磷酸鹽、黃原膠、馬鈴薯變性淀粉、谷朊粉，以面片質(zhì)構(gòu)和蒸煮特性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素的基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面結(jié)合主成分分析優(yōu)化面片配方，研究不同添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響，為湯飯中面片產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

市售小麥面粉（蛋白質(zhì)11%） 新疆天山面粉（集團(tuán)）有限公司；三聚磷酸鹽、黃原膠、馬鈴薯變性淀粉、谷朊粉 盛達(dá)食品添加劑有限公司；其它試劑均為分析純及以上。

YP2002 型電子天平 上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司；TU-1810 分析天平 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；RT-350 型壓面機(jī) 寶優(yōu)尼公司；9109-1 型面片機(jī) 華商廚房電器有限責(zé)任公司；101-E 型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；TA-XT Plus 型物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro Systems 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 面片的制作 將一定量的改良劑分別混入面粉中（三聚磷酸鹽、黃原膠、馬鈴薯變性淀粉、谷朊粉），加水量為44 g/100 g（按面粉質(zhì)量計(jì)算），和面溫度為（25±2）℃，時(shí)間為15 min，面團(tuán)常溫下密封熟化30 min，用壓面機(jī)反復(fù)壓延10 次，形成1 mm 厚的面帶，再把面帶切成2 cm×2 cm 的小方片，沸水蒸煮10 min，撈出過涼水10 s，熱風(fēng)80 ℃干燥90 min，裝袋備用。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 三聚磷酸鹽對(duì)面片品質(zhì)的影響 以質(zhì)構(gòu)和蒸煮特性為指標(biāo)，固定黃原膠添加量0.3%，馬鈴薯變性淀粉添加量10%，谷朊粉添加量1.5%，三聚磷酸鹽添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，考察三聚磷酸鹽添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響。

1.2.2.2 黃原膠對(duì)面片品質(zhì)的影響 以質(zhì)構(gòu)和蒸煮特性為指標(biāo)，固定三聚磷酸鹽添加量0.3%，馬鈴薯變性淀粉添加量10%，谷朊粉添加量1.5%，黃原膠0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，考察黃原膠添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響。

1.2.2.3 馬鈴薯變形淀粉對(duì)面片品質(zhì)的影響 以質(zhì)構(gòu)和蒸煮特性為指標(biāo)，固定三聚磷酸鹽添加量0.3%，黃原膠添加量0.3%，谷朊粉添加量1.5%，馬鈴薯變性淀粉2%、6%、10%、14%、18%，考察馬鈴薯變形淀粉添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響。

1.2.2.4 谷朊粉對(duì)面片品質(zhì)的影響 以質(zhì)構(gòu)和蒸煮特性為指標(biāo)，固定三聚磷酸鹽添加量0.3%，黃原膠添加量0.3%，馬鈴薯變性淀粉添加量10%，谷朊粉0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，考察谷朊粉添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用 Box-Benhnken 的中心組合設(shè)計(jì)安排四因素三水平試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.4 面片復(fù)水時(shí)間的測(cè)定 取面片置于容器中，加入約5 倍于面片質(zhì)量的沸水，立即加蓋，同時(shí)用秒表記時(shí)，當(dāng)用玻璃片夾緊軟化面條，觀察糊化狀態(tài)無(wú)明顯硬心時(shí)，記錄所用復(fù)水時(shí)間，試驗(yàn)重復(fù)5 次。

1.2.5 面片蒸煮損失率的測(cè)定 稱取30 g 左右面片，放入盛有500 mL 沸水中，立即加蓋，為充分浸泡在第3 min 攪拌面片，使之松散，再立即加蓋泡至復(fù)水時(shí)間，撈出置于漏網(wǎng)上，用50 mL 蒸餾水淋洗30 s，蒸煮水與洗滌液一并轉(zhuǎn)入燒杯中，放入烘箱（105 ℃）干燥至燒杯恒重，計(jì)算蒸煮損失率[26]。

1.2.6 面片質(zhì)構(gòu)的測(cè)定 稱取30 g 左右面片，放入500 mL 沸水中，立即加蓋，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，復(fù)水4 min，避免測(cè)定時(shí)熱面還處在糊化狀態(tài)，需立即撈出并放入冷水中浸泡冷卻30 s，用濾網(wǎng)稍微甩去表面部分水，面片測(cè)定過程中保證每個(gè)樣品2 min 內(nèi)完成，同時(shí)避免自然風(fēng)干造成面片失水發(fā)粘測(cè)定數(shù)據(jù)重現(xiàn)性不佳。

測(cè)定參數(shù)：采用TA-XT Plus 型物性測(cè)試儀A/LKB 探頭測(cè)定面片質(zhì)構(gòu)（硬度、咀嚼性、延展性）；測(cè)定前速度：1.0 mm/s，測(cè)定速度：0.17 mm/s；測(cè)定后速度：10.0 mm/s；應(yīng)變：90%。

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 主成分提取 通過響應(yīng)面試驗(yàn)組合對(duì)面片各指標(biāo)（延展性、硬度、咀嚼性、蒸煮損失率、復(fù)水時(shí)間）進(jìn)行主成分分析，得到原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率及特征值，將>1 的特征因子作為主成分提取標(biāo)準(zhǔn)[27?28]。面片各試驗(yàn)組按（2）式計(jì)算得綜合得分F，再按公式（3）得規(guī)范化得分。

式中，F(xiàn) 為綜合得分，Y1、Y2為面片主成分的特征值；F1、F2為面片的主成分1、2 的得分；C 為累積特征值；Z 為規(guī)范化綜合得分；Fmax為綜合得分中最大值；Fmin為綜合得分中最小值。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（x±s）表示，單因素方差分析ANOVA（one-way analysis of variance）、多重比較檢驗(yàn)分析Duncans 和主成分分析用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件分析處理，P<0.05 表示差異顯著，P<0.01 表示差異極顯著，Design Expert 8.0.6.1處理響應(yīng)面數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 三聚磷酸鹽添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響 質(zhì)構(gòu)儀作為能客觀評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的主要儀器，在食品行業(yè)中應(yīng)用廣泛[29]，質(zhì)構(gòu)是評(píng)價(jià)面制品品質(zhì)的重要依據(jù)，延展性、硬度和咀嚼性表示對(duì)面片口感的關(guān)聯(lián)性。由表2 可知，隨著三聚磷酸鹽的增加面片的延展性、硬度和咀嚼性總體呈上升趨勢(shì)，這是由于三聚磷酸鹽的添加有助于蛋白質(zhì)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善面片的質(zhì)構(gòu)性能，復(fù)水后能保持較好的口感[30?33]，但過量添加磷酸鹽會(huì)使面片蛋白質(zhì)交聯(lián)過度，導(dǎo)致品質(zhì)下降[34]。面片復(fù)水時(shí)間先降低再升高，添加量為0.3%時(shí)復(fù)水時(shí)間最小為385.00 s。隨著添加量的增加，蒸煮損失率也隨之上升，這與張磊等[35]、懷華麗等[36]的研究結(jié)論一致。綜合評(píng)價(jià)三聚磷酸鹽添加量為0.3%時(shí)效果較好，故選取0.2%、0.3%、0.4%的三聚磷酸鹽添加量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 三聚磷酸鹽添加量對(duì)面片剪切特性和蒸煮特性的影響Table 2 Influence of tripolyphosphate addition amount on the shear and cooking characteristics of the instant dough slice

2.1.2 黃原膠添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響 由表3 可知，隨著黃原膠添加量的增加，面片延展性、硬度和咀嚼性增大。黃原膠具有良好的凝膠性和成膜性，能增加面筋蛋白與淀粉顆粒的結(jié)合，與多種鹽類有很好的相容性，使面片結(jié)構(gòu)緊密，從而改善面片的品質(zhì)[37?38]。隨著黃原膠添加量的增加，面片復(fù)水時(shí)間先降低再升高，添加0.3%的黃原膠復(fù)水時(shí)間最短（341.00 s）。黃原膠是一種親水膠體，有很好的水溶性，但添加過多面片外層淀粉形成膠團(tuán)阻礙水分進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸水率下降，面片復(fù)水時(shí)間增加。隨黃原膠添加量的增加面片的蒸煮損失逐漸降低，由于黃原膠與小麥粉中的蛋白質(zhì)結(jié)合會(huì)形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此面筋和淀粉顆粒的黏結(jié)更加緊密牢固，可以有效地防止面條烹煮過程中淀粉的溶出。故選取0.2%、0.3%、0.4%黃原膠添加量進(jìn)一步優(yōu)化。

表3 黃原膠添加量對(duì)面片剪切特性和蒸煮特性的影響Table 3 Influence of xanthan gum supplemental amount on the shear and cooking characteristics of the instant dough slice

2.1.3 馬鈴薯變性淀粉添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響由表4 可知，隨著馬鈴薯變性淀粉的增加，面片延展性、硬度和咀嚼性也隨之減小。一方面，馬鈴薯變性淀粉增加，全粉中膳食纖維的量也隨著增加，膳食纖維在水合作用時(shí)，導(dǎo)致淀粉與蛋白質(zhì)膨脹受到限制[39]，另一方面，淀粉含量增多全粉中淀粉支鏈上的磷酸基團(tuán)之間產(chǎn)生排斥力，減弱了結(jié)晶區(qū)分子間氫鍵的締合程度，隨著淀粉在混合粉中含量的增加，淀粉的吸水性強(qiáng)于面粉面筋蛋白，面粉吸水不完全，不能充分膨脹，使面片的延展性、硬度和咀嚼性降低[40?41]。復(fù)水時(shí)間增加，蒸煮損失先減小后增加，是因?yàn)榈矸墼龃罅嗣鎴F(tuán)粘性，使面片再?gòu)?fù)水后的渾濁度降低[42]，但隨著馬鈴薯變性淀粉含量的增多，面粉中的面筋蛋白被稀釋，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被弱化，最終導(dǎo)致面片蒸煮損失升高[43]。當(dāng)馬鈴薯淀粉添加量為10%時(shí)，面片蒸煮損失率最低為1.53%。故選取6%、10%、14%馬鈴薯變性淀粉添加量進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

表4 馬鈴薯變性淀粉添加量對(duì)面片剪切特性和蒸煮特性的影響Table 4 Effect of the amount of modified starch added in potato on the cutting and cooking characteristics of instant dough slice

2.1.4 谷朊粉添加量對(duì)面片品質(zhì)的影響 由表5 可知，隨谷朊粉添加量的增加，面片硬度、咀嚼性呈上升趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樘砑庸入梅凼姑鎴F(tuán)形成緊密連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化面筋，能夠改善面片的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)[44]。谷朊粉的添加對(duì)面片延展性影響不顯著（P>0.05），復(fù)水時(shí)間和蒸煮損失率先降低后增加，谷朊粉添加為1.5%，復(fù)水時(shí)間最小為362 s，蒸煮損失率最小為1.91%。雖然隨著谷朊粉的添加面片質(zhì)構(gòu)指標(biāo)隨之增加，但過量谷朊粉導(dǎo)致面片復(fù)水時(shí)間和蒸煮損失率增加，故選取1%、1.5%、2%的谷朊粉添加量進(jìn)行優(yōu)化。

表5 谷朊粉添加量對(duì)面片剪切特性和蒸煮特性的影響Table 5 Effect of gluten addition amount on shear and cooking characteristics of instant dough slice

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.2 面片主成分分析 采用SPSS 20.0 對(duì)表6 中面片的延展性、硬度、咀嚼性、蒸煮損失率和復(fù)水時(shí)間進(jìn)行主成分分析[45]。主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率見表7。

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 6 Design results of response surface experiment

表7 面片品質(zhì)主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 7 Principal component characteristic value and contribution rate of instant dough slice quality

根據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于85%原則，面片前兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.717%，說明提取的前兩個(gè)主成分能夠全面地反映面片的品質(zhì)信息。由表8 可知，決定第一主成分的指標(biāo)為硬度、咀嚼性、延展性；決定第二主成分的是復(fù)水時(shí)間、蒸煮損失率。進(jìn)一步計(jì)算出主成分的主成分?jǐn)?shù)及規(guī)范化綜合得分，以規(guī)范化綜合得分值為響應(yīng)值做響應(yīng)面分析，結(jié)果如表9 所示。

表8 主要指標(biāo)的特征向量表Table 8 Characteristic vector scale of main indicators

表9 主成分得分值與規(guī)范化綜合得分Table 9 Principal component score value and standardized comprehensive score

2.2.3 響應(yīng)面回歸分析 利用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)表10 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多元回歸擬合分析[46]，得到規(guī)范化綜合得分對(duì)A（谷朊粉添加量）、B（三聚磷酸鹽添加量）、C（黃原膠添加量）、D（馬鈴薯變形淀粉添加量）的二次多項(xiàng)回歸模型為：Z=0.85?0.046A+0.035B+0.01C+4.02E?0.3D?0.18A B?0.23AC?0.14AD?0.25BC?0.061BD?0.13CD?0.25A2?0.24B2?0.3C2?0.17D2，分析結(jié)果見表10。由表10 可知，模型P值<0.01，表明此模型極顯著，失擬項(xiàng)P值為0.8736>0.05，失擬項(xiàng)不顯著，表明該回歸方程擬合度較好，與實(shí)際預(yù)測(cè)值能較好地?cái)M合。該模型的復(fù)決定系數(shù)為R2=0.935，校正決定系數(shù)R2Adj=0.87，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可用來(lái)進(jìn)行面片配粉規(guī)范化綜合得分（響應(yīng)值）的預(yù)測(cè)；由顯著性檢驗(yàn)可知，一次項(xiàng)A、B、C、D 不顯著（P>0.05），交互項(xiàng)AB、AC、BC 的交互作用對(duì)規(guī)范化綜合得分影響極顯著（P<0.01），AD、CD 為顯著（P<0.05），BD 影響不顯著。二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2均為極顯著（P<0.01）。通過F值，確定各因素對(duì)面片配粉規(guī)范化綜合得分的影響大小為：A（谷朊粉添加量）>B（三聚磷酸鹽添加量）>C（黃原膠添加量）>D（馬鈴薯變性淀粉添加量）。

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

2.2.4 交互分析 響應(yīng)面可直接反應(yīng)各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系以及各因素間的交互作用，響應(yīng)面的坡度越陡，等高線密集形成橢圓形則表明2 個(gè)因素的交互作用的影響就越大[47]。各因素間的交互作用見圖1，由圖1 可知，AB、AC、BC 等高線圖為橢圓形，表明AB、AC、BC 交互作用極顯著（P<0.01），AD 交互作用顯著（P<0.05），BD 等高線圖趨于圓形，說明BD 的交互作用不顯著（P>0.05）。各因素對(duì)規(guī)范化綜合得分的影響A>B>C>D。

圖1 各因素間交互作用圖Fig.1 Interaction diagram of various factors

2.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn) 通過二次非線性回歸方程，預(yù)測(cè)出面片最佳配方為：谷朊粉1.42%，三聚磷酸鹽0.31%，黃原膠0.3%，馬鈴薯變性淀粉10.19%，此時(shí)模型面片規(guī)范化綜合得分為0.8541 分，測(cè)得面片延展性69.03 g·s、硬度769.24 g、咀嚼性3298.56 g·s、蒸煮損失率1.9%、復(fù)水時(shí)間345 s。考慮實(shí)際生產(chǎn)，調(diào)整配方：谷朊粉1.4%，三聚磷酸鹽0.3%，黃原膠0.3%，馬鈴薯變性淀粉10%。在此工藝條件下，測(cè)得面片延展性（69.81±8.73）g·s、硬度（766.94±58.90）g、咀嚼性（3227.44±263.14）g·s、蒸煮損失率1.95%、復(fù)水時(shí)間350 s，與理論值基本一致，說明模型的擬合程度較好，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過響應(yīng)面結(jié)合主成分分析的方法確定了面片品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型，極大限度地簡(jiǎn)化了分析過程并能更好的體現(xiàn)谷朊粉，三聚磷酸鹽，黃原膠，馬鈴薯變性淀粉對(duì)面片品質(zhì)的影響。

本實(shí)驗(yàn)以小麥粉為主要原料，其目的是為了研發(fā)方便湯飯產(chǎn)品中面片配方，通過響應(yīng)面分析得出最佳配方：谷朊粉1.4%，三聚磷酸鹽0.3%，黃原膠0.3%，馬鈴薯變性淀粉10%。在此工藝條件下，測(cè)得面片延展性（69.81±8.73）g·s、硬度（766.94±58.90）g、咀嚼性（3227.44±263.14）g·s、蒸煮損失率1.95%±0.03%、復(fù)水時(shí)間（350±7.51）s，與預(yù)測(cè)數(shù)值基本接近。經(jīng)驗(yàn)證，該模型合理可靠，能夠較好的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此方法優(yōu)化面片配方，更具有實(shí)際生產(chǎn)意義。