响应面分析在荞麦玛咖饼干研制中的应用

2013-07-22王德静李磊

食品研究与开发 2013年11期

王德静，李磊

（河南商业高等专科学校食品系，河南郑州 450044）

响应面分析法（Response Surface Methodology，RSM）是由Box[1]等于20 世纪50 年代提出的一种统计方法，用于确定各因素及其交互作用在加工过程中对非独立变量的影响，精确地表述因素和响应值之间的关系，是一种优化反应条件和加工工艺参数的有效方法，已经广泛应用于化学化工、生物工程、食品工程等方面。感官评价是一门用于指定、测量、分析和说明人类通过视觉、嗅觉、味觉、触觉和听觉而感知的感觉到科学[2]。通过响应面分析并把感官评价的综合得分作为响应面分析的指标，可以更好地优化工艺条件，确定最佳的工艺配方，以获得感官品质佳、节约生产成本的食品[3]。

玛咖（maca）植物学名为Lepidium.meyenii Walp，属于十字花科植物玛咖独行菜，原产于秘鲁中部基宁（Junin）及帕斯科（Pasco）附近4 000 m 以上的安第斯山区，为一年生栽培植物或野生植物。玛咖植株具有莲座状的叶片，叶丛形成垫子状，贴着地面生长，主根和下胚轴膨大成为地下部分，形状像萝卜或蔓菁，外皮颜色呈紫色、奶油色或黄色，食用部位为胚轴和主根膨胀形成的肉质贮藏根。玛咖中蛋白质、粗纤维、钙、铁、锌、VC等成分的含量较高[4-5]，具有增强人体免疫力、缓解体力疲劳[6-7]、改善记忆、治疗前列腺炎、提高男性性功能、抗氧化作用[8-9]，具有较高的营养价值。2008 年在我国云南引种成功。

荞麦是一种营养和药用价值都很高的小宗粮食作物，蛋白含量高达12%、膳食纤维含量为1.3%，同时含有多种人体必需氨基酸、微量元素和维生素。苦荞含有其他粮谷不具有的芦丁，是苦荞麦中黄酮类物质的主要成分之一，有扩张冠状血管和降低血管脆性的作用，在降低血胆固醇、防治心脑血管疾病及高血脂症等方面有较好的效果[10]，以荞麦面为原料已有多种保健饼干得以开发[11-14]。

国外玛咖相关食品非常多，主要有玛咖咖啡、玛咖饼干和玛咖饮料等。本实验利用新资源食品玛咖和杂粮荞麦作为饼干的主要原料，以饼干的感官分析结果作为响应面分析的指标进行响应面分析，从而确定荞麦玛咖饼干的最佳工艺配方。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

玛咖粉：沈阳伊人宝生化制品有限公司；荞麦粉：州市南阳路市场（产自内蒙古）；小麦粉：郑州金苑面业有限公司；脱脂奶粉：黑龙江完达山乳业；白砂糖：郑州市二七区喜红食品厂；食用盐：河南省盐业总公司；小苏打：郑州新源食品添加剂有限公司。

和面机：河南东方食品机械设备有限公司；烤箱（远红外电热食品烤炉）：广东多丽食品机械有限公司。

1.2 基本配方[11，15]

小麦粉100 g，荞麦粉25g，玛咖粉3 g，脱脂奶粉5 g，白砂糖25 g，盐1 g，小苏打1 g。

1.3 工艺流程

配料→预混→面团调制→静置→辊轧→成形→烘烤→冷却→包装→成品

1.4 试验方法

1.4.1 饼干感官评价

对饼干品质进行感官评定。评定时由10 名有感官评定经验的专业技术人员组成评定小组，在感官品质评定室内进行，按规定的评分标准对产品的感官品质进行综合评价，满分为100 分，取其平均值为最终结果。

表1 饼干的感官评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria of biscuits

1.4.2 单因素试验

荞麦粉添加量（20%、22.5%、25%、27.5%、30%），对玛咖粉添加量（2%、2.5%、3%、3.5%、4%），对白砂糖添加量（20%、22.5%、25%、27.5%、30%），对脱脂奶粉添加量（3%、4%、5%、6%、7%）分别取5 个水平，其他原料的使用量固定，分别分析荞麦粉添加量、玛咖粉添加量和白砂糖添加量三个因素单独对饼干的感官评价影响，做2 次重复试验，并通过10 为评委综合评定打分。

1.4.3 响应面实验

在单因素试验结果基础上，采用中心组合试验Box-Behnken 设计方案，以荞麦粉添加量、玛咖粉添加量、白砂糖添加量、脱脂奶粉添加量，分别用A、B、C、D来表示，并以+1、0、-1 分别代表变量的水平，试验因素与水平设计见表2。

表2 饼干试验的因素与水平Table 2 Factors and levels of Biscuits

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 荞麦粉添加量

荞麦蛋白质中醇溶蛋白含量较低，不具有面筋，不能单独与水形成面团。小麦面粉在加水过程能形成较好纤维状三维面筋网络，构成骨架结构，形成具有良好黏性、弹性和延展性的面团，还可掩蔽荞麦口感较差、颜色较深等不利因素[16]。故荞麦粉添加量是影响饼干感官质量的第一首要因素。荞麦粉添加量对感官评分的影响见图1。

图1 荞麦粉添加量对感官评分的影响Fig.1 Effects the buckwheat content on sensory evaluation score

荞麦粉的添加量在60%以上时面片质量较差，低于30%时添加量对面片影响不大。从图1 可知，当荞麦粉添加量达到25%的时候，感官评分最高。

2.1.2 玛咖粉添加量

玛咖粉味微苦，玛咖粉添加量对感官评分的影响，见图2。

图2 玛咖粉添加量对感官评分的影响Fig.2 Effects the maca content on sensory evaluation score

由图2 可知，当玛咖添加量为3%时感官评分最高，以每天食用200 g 荞麦玛咖饼干来算，玛咖粉含量远远低于推荐食用量25 g/d[17]。

2.1.3 白砂糖添加量

糖在面团调制过程中起反水化作用，造成面筋形成程度降低，弹性减弱。糖的反水化作用不仅使面团容易操作，而且可防止饼干的收缩变形，使其外形美观，内部结构疏松。白砂糖添加量对感官评分的影响，见图3。

图3 白砂糖添加量对感官评分的影响Fig.3 Effects the white sugar content on sensory evaluation score

白砂糖添加量超过20%时，在饼干焙烤过程中发生的焦糖化反应和美拉德反应，饼干色泽和口感都较好，甜味适当。但是当白砂糖添加量为32%时，色泽偏深且口感太甜[14]。考虑上述综合因素，白砂糖添加量为22.5%左右即可。

2.1.4 脱脂奶粉添加量

脱脂奶粉可以增加饼干的口感，脱脂奶粉添加量对感官评分的影响，见图4。

由表4 可知，随着脱脂奶粉添加量的增加，饼干的感官评分增加。因此选择脱脂奶粉选择7%的添加量。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 试验结果

按1.4.3 因素与水平设计试验方案，试验结果见表3。

图4 脱脂奶粉添加量对感官评分的影响Fig.4 Effects the Skimmed milk powder content on Sensory evaluation score

表3 试验方案与试验结果Table 3 Test designs and extraction results of biscuits

2.2.2 模型的建立及其显著性检验

利用Design-Expert 软件对表3 试验数据进行多元回归拟合，得到感官评分对荞麦粉添加量（A）、玛咖粉添加量（B）、白砂糖添加量（C）和脱脂奶粉添加量（D）的二元多次回归模型为：

对该模型进行显著性检验，结果见表4，回归模型系数显著性检验结果见表5。

表4 回归模型的方差分析结果Table 4 Analysis of variance of quadratic polynomial model

表5 回归模型系数的显著性检验结果Table 5 Result of significance test of regression coefficient

从该模型的方差分析（表4）可见，模型的F=188.24＞F0.01（14，4）=14.2，P＜0.000 1＜0.01，失拟项的F=2.20＜F0.05（14，4）=5.96，本试验所选用的二次多项模型具有高度的显著性，失拟项在p=0.05 水平上不显著（p=0.233 1＞0.05），其校正决定系数（R2Adj）为0.973 0，表明此模型拟合优度好，仅有约2.7%的感官评分不能由此模型进行解释。可以用此模型来分析和预测荞麦玛咖饼干的感官评分。

由表5 回归模型系数显著性检验结果可知，模型的一次项A、B、C 在0.01 水平上非常显著，D 在0.05水平上显著；二次项A2、B2在水平上非常显著，C2和D2不显著；交互项都不太显著。

2.2.3 饼干配方的响应面分析与优化

根据回归分析结果（表4）作出相应曲面图，结果见图5～图10。

由图5～图10 可知，AB 和CD 之间交互作用显著，AD、AC、BC 和BD 之间交互作用较小。从图5 可知，荞麦粉添加量对饼干感官评分影响最大。

优化后的荞麦玛咖饼干配方为荞麦粉添加量为26.40%，玛咖粉添加量为2.63%，白砂糖添加量为22.12%，脱脂奶粉添加量为5.49%。在此条件下，荞麦玛咖饼干的感官分析评分为85.77。

图5 Y=f（A，B）的响应面Fig.5 Response surface plot of Y=f（A，B）

图6 Y=f（A，C）的响应面Fig.6 Response surface plot of Y=f（A，C）

图7 Y=f（A，D）的响应面Fig.7 Response surface plot of Y=f（A，D）

图8 Y=f（B，C）的响应面Fig.8 Response surface plot of Y=f（B，C）

图9 Y=f（D，B）的响应面Fig.9 Response surface plot of Y=f（D，B）

图10 Y=f（D，C）的响应面Fig.10 Response surface plot of Y=f（D，C）

3 结论

由单因素试验可知，优化的荞麦玛咖饼干配方为荞麦粉添加量25%，对玛咖粉添加量3%，对白砂糖添加量22.5%，对脱脂奶粉添加量7%。经响应面分析优化后，配方为荞麦粉添加量为26.40%，玛咖粉添加量为2.63%，白砂糖添加量为22.12%，脱脂奶粉添加量为5.49%。在此条件下，荞麦玛咖饼干的感官分析评分为85.77，所得饼干的表面呈金黄色且色泽均匀；厚薄一致，外形完整，无变形和起泡现象，风味纯正，无苦味和异味，口感酥脆，无粗粒感，内部结构呈致密均匀的多孔性，层次分明。

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