响应面法优化冷冻面团馒头冷冻工艺

胡家勇，秦先魁*，郑革，邱燕霞，陈淑平（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430000）

响应面法优化冷冻面团馒头冷冻工艺

胡家勇，秦先魁*，郑革，邱燕霞，陈淑平
（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430000）

为确定冷冻面团馒头最佳冷冻工艺参数，在单因素试验基础上，选择冷冻时间，冷冻温度为自变量，馒头感官评分、馒头比容、馒头硬度为响应值，利用Box-Benhnken中心组合试验和响应面分析法，研究各自变量及其交互作用对冷冻面团馒头感官评分、比容、硬度的影响。通过回归分析和响应面曲面图，得到最优工艺参数并进行验证试验。结果表明，冷冻温度为-30℃，冷冻时间为30 min时，馒头感官评分（85.2分）、比容（2.45 cm3/g）及硬度（485.47 g/kg）均达到最佳值。

冷冻面团；馒头；冷冻时间；冷冻温度；响应面法

馒头作为我国人民的传统主食，一般用小麦粉经发酵蒸制而成，具有色白、皮软、光滑、蓬松等特点，比容一般在2.3～3.0 cm3/g[1]之间。馒头是我国发酵面食中最大的一类品种，据调查统计，在我国北方，用于制作馒头的小麦粉占面粉总用量的70%[2]左右，而南方虽以大米为主食，但用于制作馒头、包子等食品的小麦粉仍占较大比例。

馒头要实现工业化生产，就必须解决产品的保藏问题。馒头因水分含量高，极易受微生物污染而腐败变质，另外，面团中糊化淀粉的老化问题也较严重。速冻面团技术有望解决这一难题。速冻技术在保持食品色、香、味、形及营养方面的显著效果是其得以迅速发展、倍受世人青睐的最主要原因。速冻馒头口味清淡，适合中国人的消费习惯，与中式的菜系、粥品、汤类搭配适宜可口[3]。面团通过低温速冻，可迅速通过-5～-1℃[4]的最大冰晶生成区，使自由水变成大量细而密的冰晶，抑制酶的活性且不会破坏面筋网络结构，同时，在一定程度上抑制了淀粉的老化，使其在冷藏环境中得以长期保存。

目前冷冻面团产品的整体感官品质与现制现售品还有一段距离，在生产中还容易出现萎缩、变色、裂纹等质量问题，如冷冻面团经长期冷冻贮藏会导致面团品质下降，醒发时间增加、面包硬度增加、比容减小等[5]；FUKUNAGA J等[6]研究表明，由于冷冻系统（冷冻、冻藏、解冻）的影响导致冷冻面团食品在生产过程中品质发生变化，随着冷冻面团冷藏时间的延长，产品质量不断降低。

冷冻面团冷冻参数的研究可以从一定程度上改善冷冻面团萎缩、裂纹等质量问题，为冷冻面团工业化生产提供一定的参数支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

面粉：益康面粉有限公司；耐低温酵母：安琪酵母股份有限公司。

1.2 仪器与设备

DW-40L医用低温速冻冰箱、BCD-539WT海尔冰箱：青岛海尔集团股份有限公司；TA-XT2i物性测试仪：英国Stable Micro System公司。

1.3 试验方法

1.3.1 冷冻面团馒头制作

先将干料低速搅匀，加水后低速搅拌至成团，再高速搅拌7 min。面团稍作整理后放入醒发箱（温度30℃，湿度80%）内发酵45 min，取出面团压面10次赶气，然后将面团分割成100 g/块，手揉成型（成型高度6 cm），-30℃速冻30 min，真空包装，-18℃冷藏保存，解冻，醒发，蒸制20 min。

1.3.2 馒头品质感官评价方法

冷冻面团馒头感官评分标准（满分100分）见表1。

表1 冷冻面团馒头感官评分标准[7]Table 1 Sensory evaluation criteria of steamed bread

1.3.3 TPA质构仪硬度、咀嚼性测定[8]

用菜刀将馒头从竖直方向切成厚度1.5 cm的均匀薄片，取中部两片，采用质构仪进行质地剖面分析（texture profile analysis，TPA）测试，测试采用P100探头，双试验取平均值。参数设定：测试前速率1.00 mm/s；测试速率1.00 mm/s；测试后速率2.00 mm/s；下压程度50.00%；距离25.000 mm；测试力5.0 g。

1.3.4 比容的测定

利用体积测量仪对样品进行质量、体积的测定，得出密度值及其与之对应的比容。

1.3.5 最佳冷冻参数的响应面试验设计

根据响应面分析软件提供的模型，设冷冻温度（x）、冷冻时间（y）因素为自变量，馒头感官评分、比容、硬度分别为响应值，设计2因素3水平的试验，并根据单因素试验结果选定二因素的零水平和波动区。试验因素及水平的取值见表2。

表2 响应面试验因素水平编码Table 2 Factors and levels of response surface methodology

1.3.6 数据分析

单因素试验：利用Origin 8.5绘制变化折线图。

响应面试验：采用Excel回归分析（regression analysis）得到显著性方程，然后规划求解，再应用Origin 8.5软件绘制相应的曲面图和等高线，并进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素分析

2.1.1 冷冻时间对馒头各项指标的影响

速冻冰箱温度设定为-30℃不变，将制作好的面团置于速冻冰箱中，分别冷冻15 min、25 min、30 min、35min、45min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d取出解冻、醒发、蒸制，测定不同冷冻时间下冷冻面团馒头的感官评分、比容、硬度，结果如图1所示。

图1 各项指标与冷冻时间的关系曲线图Fig.1 Relationship curve between each index and freezing time

由图1可知，当冷冻温度一定时，在15～45min范围内，随着冷冻时间的增长，感官评分、比容均呈现先上升，后下降的趋势，硬度值呈现先下降后上升的趋势，30 min左右为其转折点，此时冷冻面团馒头各项指标均表现最好，感官评分为84.2分，比容为2.43 cm3/g，硬度为482.4 g/kg。

2.1.2 冷冻温度对馒头各项指标的影响

将制作好的面团置于速冻冰箱中，分别于-20℃、-25℃、-30℃、-35℃、-40℃条件下冷冻30 min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d后取出解冻、醒发、蒸制，测定不同冷冻温度条件下冷冻面团馒头的感官评分、比容、硬度值，结果如图2所示。

图2 各项指标与冷冻温度的关系曲线图Fig.2 Relationship curve between each index and freezing temperature

由图2可知，当冷冻时间一定时，在-40～-20℃的温度范围内，随着冷冻温度的升高，感官评分、比容均呈现先上升，后下降的趋势，硬度值呈现先下降，后上升的趋势，-30℃左右为其转折点，此时冷冻面团馒头各项指标均表现最好，感官评分为85.3分，比容为2.43 cm3/g，硬度为482.5 g/kg。

2.2 冷冻条件对馒头品质的影响分析

根据Box-Benhnken设计组合试验的设计原理[9-15]，为确定最佳工艺参数，选择二元二次组合设计表作为试验操作方案，具体条件设置如表3所示，根据设计方案表进行试验操作，分别以比容、感官评分、硬度值和失水率为试验结果，对数据进行二次回归拟合，经过简化和优化后得到带交互项和平方项的二次方程，分析各因素的主效应和交互效应，在一定的水平范围内得出试验最佳值。试验测定结果见表3。

表3 响应面分析试验结果Table 3 Results of response surface methodology

2.2.1 感官评分分析

根据表3的感官评分结果，为分析各参数对感官评分结果的影响，对试验结果进行回归分析，结果如表4所示。

表4 馒头感官评分回归分析结果Table 4 Regression analysis results of steamed bread sensory evaluation score

从表4可以看出：x、y、xy的P＞0.05，冷冻温度和冷冻时间的交互作用对感官评分影响不显著，x2的0.01＜P＜0.05，说明其对感官评分有显著影响，y2的P值均＜0.01，对馒头感官评分的影响极显著。

以评分结果为目标值，感官评分（z）与冷冻温度（x）、冷冻时间（y）之间的回归方程如下：

其中，R2=0.923 6，R2Adj=0.828 1，P=0.023 6＜0.05，表明建立的回归方程显著。

根据回归方程，应用规划求解得出：当冷冻温度x= -30.35℃，冷冻时间y=28.51 min时，制备的馒头的感官评分达到最大值，为85.65分；考虑到实际操作的可行性，选择最佳参数为冷冻温度x=-30℃，冷冻时间y=30 min，所制备的馒头的感官评分为85.26分。

响应面分析各因素与感官评分之间的变化关系，绘制响应面的三维表面图如图3所示。

图3 温度与时间对馒头感官评分影响的响应曲面及等高线Fig.3 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread sensory evaluation

由图3可以看出，冷冻温度和冷冻时间对馒头的感官评分影响较大，曲面很好的反应了两两因素对感官评分的双重影响。在固定冷冻温度下，样品感官评分随冷冻时间的增长，呈现先增加后减小的趋势，当冷冻温度固定时，感官评分随冷冻温度的上升也呈现先增加后减小的变化趋势。从等高线的形状可以看出，冷冻温度和冷冻时间二者的交互作用对样品感官评分结果影响不显著。

2.2.2 比容分析

根据表3比容的测定结果，为分析各参数的显著性，采用回归分析，结果如表5所示。

表5 馒头比容回归分析结果Table 5 Regression analysis results of steamed bread specific volume

从表5可以看出，冷冻温度x和冷冻时间y的P值均＞0.05，冷冻温度和冷冻时间对比容的影响不显著，x2和xy的0.01＜P＜0.05，说明其对比容有显著影响，y2的P＜0.01，对比容的影响极显著。

以测得的比容作为试验结果，比容（z）与冷冻温度（x）、冷冻时间（y）之间的回归方程如下：

z=1.764-0.030x+0.015y-0.00067x2-0.0004y2-0.00034xy

其中R2=0.916 2，R2Adj=0.811 6，P=0.028 2＜0.05，表明建立的回归方程显著。

根据回归方程，应用规划求解得出：当冷冻温度x=-30.43℃，冷冻时间y=31.68 min时，制备的馒头的比容达到最大值，为2.46 cm3/g；考虑到实际操作的可行性，选择最佳参数为冷冻温度x=-30℃，冷冻时间y=30 min，所制备的馒头的比容为2.44 cm3/g。

响应面分析各因素与比容之间的变化关系，绘制响应面三维表面图如图4所示。

由图4可知，在固定冷冻温度下，样品比容随冷冻时间的增长，呈现先增加后减小的趋势，当冷冻温度固定时，比容随冷冻温度的上升也呈现先增加后减小的变化趋势。从等高线的形状可以看出，冷冻温度和冷冻时间二者的交互作用对样品比容有显著影响。

图4 温度与时间对馒头比容影响的响应曲面及等高线Fig.4 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread specific volume

2.2.3 硬度

根据表3中的硬度值，为分析各参数对硬度值的影响，对试验结果进行回归分析，其结果如表6所示。

表6 硬度回归分析结果Table 6 Hardness’regression analysis

从表6可以看出：y、x2及y2的P值均＜0.01，说明这些因素对比容的影响极显著；xy的P＞0.05，冷冻温度和冷冻时间的交互作用对硬度的影响不显著。

以硬度值为目标值进行回归分析，硬度值（z）与冷冻温度（x）、冷冻时间（y）之间的回归方程如下：

其中：R2=0.990 1，R2Adj=0.977 6，P=0.004＜0.01，表明建立的回归方程非常显著根据回归方程，应用规划求解得出：当冷冻温度x=-30.58℃，冷冻时间y=28.57 min时，制备的馒头的硬度达到最小值，为483.56 g/kg；考虑到实际操作的可行性，选择最佳参数为冷冻温度x=-30℃，冷冻时间y=30 min，所制备的馒头的硬度值为482.37 g/kg。

利用响应面分析各因素与馒头硬度之间的变化关系，绘制响应面的三维表面图如图5所示。

由图5可知，在固定冷冻温度条件下，样品硬度值随冷冻时间的增长，呈现先减小后增加的趋势，当冷冻温度固定时，硬度随冷冻温度的上升也呈现先减小后增加的变化趋势。从等高线的形状可以看出，冷冻温度和冷冻时间二者的交互作用对样品的硬度影响不显著。

图5 温度与时间对馒头硬度影响的响应曲面及等高线Fig.5 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread hardness

分析冷冻温度和冷冻时间对馒头品质产生此种影响的原因是：当冷冻温度偏低时，会造成酵母的大量死亡，从而使馒头比容较小，评分偏低，硬度值增加，失水率升高；当冷冻温度偏高时，面团内部自由水结成冰晶的速度过慢，从而导致形成大量形状不规则的大冰晶，这些冰晶的形成会破坏面团的面筋网络，从而破坏面团品质[26]。当冷冻时间过长时，面团失水严重，面团持水性下降，从而导致面团龟裂，同时还破坏了面筋网络结构，导致面团品质下降，评分降低，硬度值增加；冷冻时，面团内的自由水在冷冻过程中形成较大的冰晶，体积增大，同时，由于空气的热胀冷缩，使得面团内部空气所占的体积减少，冷冻时间过短，冰晶体积的扩大量小于空气体积的减少量，面团表皮出现皱纹，从而对馒头品质产生负面影响。

2.2.4 验证试验

出于可操作性考虑，参考规划求解所得的最佳工艺参数，选取冷冻温度-30℃，冷冻时间30 min进行试验验证。3次重复试验测定结果如表7所示。

表7 验证试验测定结果Table 7 Determination result of verification test

对比验证试验结果与理论值，可见试验值与模型理论值非常接近，重现性良好。因此，冷冻温度-30℃，冷冻时间30 min可作为冷冻面团工业化生产的冷冻参数指导。

3 结论

根据单因素试验结果分析：当冷冻温度为-30℃保持不变时，在15～45 min的冷冻时间范围内，制作的冷冻面团馒头比容、感官评分均随着时间的增长呈现先上升后下降的趋势，30 min左右达到最大值。当冷冻时间为30 min保持不变时，在-40～-20℃的冷冻温度范围内，制作的冷冻面团馒头比容、感官评分均随着温度的上升呈现先上升后下降的趋势，-30℃左右达到最大值；硬度先下降后上升，-30℃左右达到最小值。故冷冻温度为-30℃、冷冻时间为30 min制作的冷冻面团馒头品质最佳。

回归分析及响应面分析结果显示：冷冻温度和冷冻时间对馒头比容的影响不显著；冷冻温度对馒头感官评分和硬度有显著影响，冷冻时间对馒头感官评分和硬度影响非常显著；另外，冷冻温度和冷冻时间二者的交互作用对样品比容有显著影响，对样品感官评分和硬度影响不显著。响应面分析结果表明，-30℃、30 min制作冷冻面团馒头品质最佳，与单因素结果基本一致。

选取最佳工艺参数为冷冻温度x=-30℃，冷冻时间为y=30 min，结合验证试验结果，说明本试验分析得到的最佳工艺参数具有实际参考价值。

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Optimization of frozen steamed bread dough freezing process by response surface methodology

HU Jiayong,QIN Xiankui*,ZHENG Ge,QIU Yanxia,CHEN Shupin
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430000,China)

Inordertodeterminethe optimumfreezingparametersoffrozendough,onthebasisofsinglefactorexperiment,using freezing time and freezing temperature as the independent variable,sensory score,specific volume and hardness as the response value,based on single factor test,through Box-Benhnken center composite design and response surface methodology,the independent variable and the interaction effect on sensory evaluation score,specific volume and hardness of the steamed bread was studied.Through regression analysis and response surface plot,the optimal process parameters were acuqired and verification test was conducted.The results showed that when the freezing temperature was-30℃,freezing time was 30 min,the sensory score,specific volume and hardness achieved the optimum value(which were 85.2,2.45 cm3/g and 485.47 g/kg,respectively).

frozen dough;steamed bread;freezing time;freezing temperature;response surface methodology

TS219

A

0254-5071（2014）07-0063-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.014

2014-05-29

湖南金霞粮食产业科技服务项目（532100711025）

胡家勇（1990-），男，硕士研究生，研究方向为粮食工程。

*通讯作者：秦先魁（1962-），男，副教授，硕士，研究方向为粮食工程。