響應面法優(yōu)化黑小米代餐粉配方

陳靜，丁潔，沙芮，牛犇*，王明遠，馬文智

1. 甘肅省商業(yè)科技研究所（蘭州 730010）；2. 山丹縣治鷹農(nóng)業(yè)科技有限公司（張掖 734100）

黑小米營養(yǎng)豐富，每百克黑小米含9.7 g蛋白質、3.5 g脂肪、72～76 g淀粉、29 mg鈣、240 mg磷和7.8 mg鐵，與大米相比，維生素B1高1.5倍，維生素B2高1倍，粗纖維高4～7倍。黑小米還含有豐富的氨基酸，特別是人體必需的色氨酸、亮氨酸、精氨酸，含量比其他糧食都高。黑小米無論是煮飯或熬粥都容易被人體消化吸收，消化吸收率高達97.4%。目前市售黑小米數(shù)量較少，且市售種類僅為原材料，新技術、新產(chǎn)品開發(fā)市場空白，其營養(yǎng)優(yōu)勢和資源價值未能有效釋放。同時，黑小米在甘肅省山丹縣有地域種植優(yōu)勢，為了提升黑小米的經(jīng)濟價值，推動甘肅省農(nóng)業(yè)競爭力，滿足人們對黑小米產(chǎn)品綠色、無公害、高營養(yǎng)價值的需求，推動黑小米產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，此次試驗以黑小米為主要原料進行開展。

蕎麥營養(yǎng)豐富，是一種藥食兩用植物，蕎麥含有豐富的膳食纖維、氨基酸、脂肪酸、有機酸等。此外，蕎麥中含有的蘆丁和黃酮類化合物具有預防心腦血管疾病和清除自由基等保健功效。同時，蕎麥中所含的高膳食纖維具有良好的預防便秘作用，經(jīng)常食用對預防大腸癌和肥胖癥有益[1-4]。玉米含有多種天然維生素，經(jīng)常食用可降低膽固醇、降血壓、降血脂、降血糖、調(diào)節(jié)便秘、護膚養(yǎng)顏[5]。黑芝麻營養(yǎng)豐富，作為藥食同源物質具有保護肝腎、抗腫瘤、消炎殺菌、抗氧化、抗衰老、防止動脈粥樣硬化、調(diào)節(jié)血脂、保護神經(jīng)等功效[6]。

代餐粉是由一種或多種原輔料，按照一定的方法、配比混合調(diào)配而成的沖調(diào)粉劑產(chǎn)品[7]，由于其食用方便快捷、適用人群廣泛、低熱量、高纖維、易飽腹等優(yōu)點而受到消費者青睞，在現(xiàn)代快節(jié)奏的社會生活中成為頗受人們歡迎的食品之一，現(xiàn)也常作為一種新型的手段應用于糖尿病、高脂血癥等疾病的臨床干預[8-10]。目前市場上有單一原料的代餐粉，如：蔣勇等[11]開發(fā)的豆腐渣代餐粉，具有低鈉鹽、低能量、營養(yǎng)均衡等特點；也有多種復合原料的代餐粉，如藜麥南瓜復合粉，營養(yǎng)豐富，沖調(diào)性好[12]。復合代餐粉能夠將原料各自的活性成分互相結合、取長補短，協(xié)同增效的作用遠比單個營養(yǎng)素更加有利于人體健康[13]。我國傳統(tǒng)膳食結構是以谷物為主，谷物早餐中營養(yǎng)含量比較多，有很好的口感，衛(wèi)生水平比較高，而且能夠很好地被人們吸收，老少皆宜[14]。隨著人們生活水平日益提高，保健意識逐漸增強，谷物代餐粉市場前景十分廣闊，近年來，基于全谷物營養(yǎng)的雜糧主食化加工受到食品企業(yè)的熱愛。

綜上，此次試驗主要利用營養(yǎng)豐富的黑小米作為主要原料，利用擠壓膨化技術，通過快速加壓升溫，促使淀粉糊化，瞬間減弱壓力使雜糧組織結構發(fā)生變化，改善其質地和口感[15]，再搭配玉米粉、蕎麥粉等雜糧粉，研究調(diào)配出口感優(yōu)良、沖調(diào)性好的代餐粉。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

黑小米，產(chǎn)地甘肅省山丹縣；玉米、黑芝麻、蕎麥、黑豌豆，購于蘭州市城關區(qū)張?zhí)K灘糧油市場。

1.2 試驗儀器

XS225A型電子分析天平（普利塞斯，瑞士）；UPH-1-40L優(yōu)普系列超純水器（四川優(yōu)普超純科技有限公司）；篩子；燒杯；量筒；攪拌棒；紙杯。

2 試驗方法

2.1 黑小米代餐粉的制備方法

黑小米、玉米、黑豌豆、黑芝麻、蕎麥擠壓膨化后粉碎過0.600 mm（30目）孔徑篩標準化。按照不同配比將各種配料稱重后混合均勻即可。

2.2 單因素試驗設計

固定黑小米粉添加量10.0 g，選取黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量4個因素，保持其中3個固定因素不變，對另外1個變量進行單因素試驗。請3位評委按照表1對黑小米代餐粉感官指標進行評分，確定3個因素的配方量。單因素試驗中各因素水平分別為：黑豌豆粉添加量1，2，3，4和5 g；黑芝麻粉添加量1，2，3，4和5 g；蕎麥粉添加量1，2，3，4和5 g；玉米粉添加量1，2，3，4和5 g。將所有原料混勻后，添加6倍量的60 ℃溫開水攪拌均勻（黑小米粉開水沖調(diào)結塊現(xiàn)象嚴重，選擇溫水沖調(diào)，根據(jù)前期小試試驗確定，黑小米粉在60 ℃溫水下溶解性最好。水量添加過多會導致代餐粉過于稀釋，水量添加過少又導致溶解不充分，根據(jù)前期小試試驗，確定添加6倍水后沖調(diào)口感最好），由評委對代餐粉進行感官評價。

表1 黑小米代餐粉感官評價表

2.3 響應面試驗優(yōu)化黑小米代餐粉配方

在前期單因素試驗的基礎上，以感官評價得分為指標，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理，利用Design-Expert 8.0.6軟件對黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量設計四因素三水平的響應面試驗，見表2；根據(jù)代餐粉制備方法2.1配制黑小米代餐粉，每組重復3次，將所有原料混勻后加入6倍60 ℃溫水攪拌均勻，對其進行感官評分。

表2 Box-Behnken 中心組合設計 單位：g

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 黑豌豆粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

黑豌豆粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響見圖1。

由圖1可知，隨著黑豌豆粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當添加量為3 g時，感官評分最高，為85.7分。黑豌豆粉有天然豌豆的香味，添加量少時香味較淡，添加量多時略微帶有豆腥味，因此選擇黑豌豆粉的添加量2～4 g為響應面設計因素水平。

圖1 黑豌豆粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

3.1.2 黑芝麻粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

黑芝麻粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響見圖2。

由圖2可知，隨著黑芝麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當添加量為3 g時，感官評分最高，為86.5分。黑芝麻粉有濃厚的芝麻香味，但黑芝麻粉油性比較大，溶解性較差，添加量過多會導致沖調(diào)時結塊較多，且黑芝麻粉末顆粒較為粗糙，添加過多會使代餐粉色澤整體不均勻有雜質，因此選擇黑芝麻粉的添加量2～4 g為響應面設計因素水平。

圖2 黑芝麻粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

3.1.3 蕎麥粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

蕎麥粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響見圖3。

由圖3可知，隨著蕎麥麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當添加量為4 g時，感官評分最高，為86.4分。蕎麥粉有淡淡的蕎麥清香味，但添加量多后會有略微的苦澀味，因此選擇蕎麥粉的添加量3～5 g為響應面設計因素水平。

圖3 蕎麥粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

3.1.4 玉米粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

玉米粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響見圖4。

由圖4可知，隨著玉米粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當添加量為3 g時，感官評分最高，為86.9分。玉米粉有其獨特的香味，但玉米粉顆粒較粗糙，且添加量多后會掩蓋其他配料的香味，影響代餐粉整體感官，因此選擇玉米粉的添加量2～4 g為響應面設計因素水平。

圖4 玉米粉添加量對黑小米代餐粉感官評分的影響

3.2 響應面試驗結果分析

3.2.1 響應面試驗設計結果

在單因素試驗的基礎上，以黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量為自變量，以感官評分值為響應值，運用Design-Expert 8.0.6進行四因素三水平的試驗設計，共包括29個試驗點，其中24個為析因點，5個為零點以估計誤差。試驗結果見表3。

表3 Box-Behnken 試驗設計與結果

3.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對結果進行分析，擬合得到四個因素與感官評分之間的二次回歸方程：

Y=92.24-2.28A-1.04B-0.21C+0.067D-7.15AB-1.43AC-1.03AD-1.55BC-6.22BD-1.60CD-7.15A2-4.79B2-3.96C2-4.32D2

對回歸模型進行方差分析，結果見表4，模型p值＜0.01，說明回歸模型極顯著。失擬項p值＞0.05，p為不顯著，說明回歸模型顯著。試驗中的決定系數(shù)R2=0.984 5，R2adj=0.969 0，說明回歸模型與試驗值擬合得較好，可用于黑小米代餐粉感官評分的理論推測和分析。

由表4中各因素p值的大小可知，黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、黑豌豆粉添加量與黑芝麻粉添加量相互作用、黑芝麻粉與蕎麥粉添加量相互作用、黑芝麻粉添加量與玉米粉添加量相互作用、蕎麥粉與玉米粉添加量的相互作用影響極顯著，黑豌豆粉和蕎麥粉添加量相互作用顯著。同時，四個因素對黑小米代餐粉感官評價影響排序為黑豌豆粉添加量＞黑芝麻粉添加量＞蕎麥粉添加量＞玉米粉添加量。

表4 二次回歸模型的方差分析結果

3.2.3 因素交互作用分析

為了進一步研究相關變量之間的交互作用以及確定最優(yōu)點[16-17]，利用Design-Expert軟件分析二次回歸模型，繪制響應面分析立體圖和等高線圖。圖5為響應面分析立體圖和等高線圖。

圖5 各因素相互作用對黑小米代餐粉感官評分的影響

等高線呈橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反，響應曲線能直觀地反映各因素對響應值的影響。圖6為兩種因素水平為0時，另外兩因素對黑芝麻黑色素得率的交互作用。由圖6可看出，圖6中（a，d，e和f）的等高線均呈橢圓形，其中圖6（a）和圖6（e）的3D曲面坡度最大，所以黑豌豆粉與黑芝麻粉添加量、蕎麥粉與黑芝麻粉的添加量、玉米粉與黑芝麻粉的添加量、玉米粉與蕎麥粉的添加量交互作用對黑小米代餐粉感官評分影響極顯著，而黑豌豆粉與玉米粉添加量對感官評分交互作用影響不顯著。

3.3 驗證試驗結果

對試驗模型進行分析得出黑小米代餐粉最佳口感的各配料配比：黑小米粉添加量10 g，黑豌豆粉添加量3 g，黑芝麻粉添加量3 g，蕎麥粉添加量4 g，玉米粉添加量3 g，即W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W蕎麥粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3，加入60 ℃ 6倍溫水攪拌均勻，實際測得黑小米代餐粉感官評分為92.43分，與理論值92.24分相比，誤差為0.21%。因此，試驗得到的最優(yōu)條件準確可靠，具有一定的參考價值。

4 結論

研究綜合考慮黑小米代餐粉的風味、口感、沖調(diào)性以及色澤，通過單因素試驗和響應面試驗對黑小米代餐粉配方進行優(yōu)化，確定影響黑小米代餐粉感官評分的因素主次順序為：黑豌豆粉添加量＞黑芝麻粉添加量＞蕎麥粉添加量＞玉米粉添加量。對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立預測模型，得到黑小米代餐粉最佳工藝配方為：W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W蕎麥粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3。在此配方下沖調(diào)出的黑小米代餐粉外觀細膩均勻，沖泡后口感清香怡人。本試驗建立的指標模型預測能力較好，可用于黑小米代餐粉配方優(yōu)化研究。