响应面法优化板栗膨化食品配方的研究

魏宗烽，邵 颖，魏明奎

（信阳农林学院 食品科学系，河南 信阳 464000）

0 前言

传统的膨化食品通常被戏称为“垃圾食品”，因为它能量高、粗纤维少，若长期食用人体会摄入过量的热能，很容易引起肥胖[1].健康食品已经成为消费时尚，越来越受消费者喜爱.如何将膨化食品研制成比较健康的时尚消费食品就成为研究的课题之一.

信阳是我国板栗的主要产区之一.板栗营养丰富，除含有大量的淀粉外，还含有蛋白质、胡萝卜素、核黄素、少量酚类物质、多种维生素及钙、钾、铁、镁、磷等微量元素，许多化学成分既是营养物质，又具有保健治疗作用[2-4].木糖醇是一种低热量的非糖甜味剂，在人体中的代谢不受胰岛素控制，因此广泛应用于糖尿病患者的食品中，替代蔗糖，同时木糖醇还具有防龋齿及减肥的功能[5].大豆粉富含有蛋白质、脂肪，可以弥补玉米糁和板栗粉混合物料蛋白质及脂肪含量少的缺陷，改善膨化食品的膨化特性.目前，对板栗膨化食品的报道较少.因此，作者从信阳当地富有资源产品板栗出发，把板栗制粉添加到传统玉米膨化食品中，再辅助添加木糖醇和大豆粉，采用单螺杆膨化技术及原理，研究板栗粉、大豆粉、木糖醇等因素对板栗膨化食品感官指标及膨化特性的影响，根据Box-Beheken 响应面分析法优化三因素最佳组合，寻求营养板栗膨化食品的最佳配方，为板栗资源的综合利用开发提供理论支撑.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米糁、大豆粉、木糖醇均购于信阳沃尔玛超市；板栗粉：信阳农林学院食品科学系自制.

1.2 仪器与设备

单螺杆挤压膨化机：山东曲阜泰丰机械厂；JC101 型电热鼓风干燥箱：上海成顺仪器设备有限公司；FA1004N 型电子天平：上海菁海仪器设备有限公司；干燥器：郑州化玻仪器有限公司；NXL-500物性测定仪：北京中慧天诚科技有限公司.

1.3 膨化板栗产品制作工艺

板栗粉→称量→混合物料→调配→挤压膨化→切分→冷却→包装→成品.

将物料与玉米糁按试验设计的不同比例称量并混合均匀（水分含量不宜太多，否则易成团堵塞膨化机机头）.打开膨化机提前预热30 s 后，加入玉米糁100 g 连续进料开始膨化，膨化过程中要注意给膨化机降温，否则容易出现焦糊现象.膨化后的产品根据实际需要选用高速切刀切成大约0.5 m长的膨化制品，冷却至室温后包装即得成品.

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验

以硬度、膨化度和感官评分为评价指标，采用单因素试验依次对板栗粉、木糖醇、大豆粉进行考察，试验水平分别选择板栗粉为0、10%、20%、30%、40%；木糖醇添加量为0、1%、3%、5%、7%；大豆粉的添加量为0、3%、5%、7%、10%.

1.4.2 响应面设计试验

根据单因素试验结果确定板栗粉、大豆粉、木糖醇为试验因素，选取三者较优添加剂量.采用三因素三水平进行响应面分析，共取17 个试验点，5个中心点重复试验，其因素水平编码见表1.

表1 响应面试验因素水平编码Table 1 Level and code of BBD

该试验的试验设计、模型建立及数据分析，利用Design Expert 8.0.5.0 软件辅助完成.

1.5 膨化食品质量评价

1.5.1 膨化产品感官评定

评分小组成员由10 名有感官鉴评经验的人员组成，分别对板栗膨化食品的形态、色泽、组织、滋味、气味、口感等项目做出感官评价.评价标准依据表2 进行.

表2 板栗膨化食品感官评分标准Table 2 Puffed food of Chinese chestnut sensory evaluation criteria

1.5.2 硬度的测定方法

截取5 cm 长的板栗膨化样品，采用四分法沿膨化食品的横截面平均分成4 份，凸面朝上，按动“↓”操作按钮，当探头剪切完膨化食品时所用的剪切力，即为样品的硬度.每个试验组样品重复3次.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 板栗粉添加量的确定

板栗的主要成分与谷物类似，谷物挤压膨化技术已经得到推广，因此挤压膨化技术应用到板栗中也可行.板栗粉添加量的多少直接影响膨化食品的膨化特性，结果见图1、图2.

图1 板栗粉对膨化产品感官评分的影响Fig.1 The influence of Chinese chestnut powder on puffed products sensory evaluation

图2 板栗粉对膨化产品膨化度和硬度的影响Fig.2 The influence of Chinese chestnut powder on puffing degree and hardness of puffed products

板栗粉中含量较多的宏量营养素为淀粉，它是膨化食品的重要原料成分[6]，淀粉的种类对膨化度有重要影响，从理论上讲，支链淀粉更易于膨化，有利于提高膨化产品膨化度[7].淀粉在挤压膨化过程中主要发生糊化、水解及与其他物质相互作用；Sokney 等[8]研究表明了当玉米经膨化加工后，其糊化度由13.4% 提高到81.55%，同时还会伴随有分子降解反应，生成葡萄糖、麦芽糖等小分子物质.由图1、图2 可知，当板栗粉添加量为玉米糁混合物料质量的20% 时，板栗膨化食品的感官评分最高.板栗粉添加量过低时（＜20%），膨化产品的形态、组织结构及口感较差；过高时（＞20%），产品外形不够完整，香味较差.膨化产品的膨化度随板栗粉添加量的逐步增加，其膨化度和硬度先上升后下降；当板栗粉添加量为20% 时，膨化食品的径向膨化度最大，其原因有待于进一步研究.综合考虑感官评分、膨化度及硬度，板栗粉的添加量以10%～30%为宜.

2.1.2 木糖醇添加量的确定

木糖醇属于五碳糖醇，通常呈现为白色粉末或白色结晶体，具有清凉的甜味感.它是FAO、WHO 和JECFA 共同批准的A 类食品添加剂，是一种非常安全的食品添加剂，具有防龋齿、改善糖尿病病情、消除血酮症、改善肝功能等生理功能[9].因此，其添加到膨化食品中不但起到甜味剂的作用，而且具有很好的营养保健意义.木糖醇添加量对膨化食品特性的影响见图3、图4.

图3 木糖醇对板栗膨化产品感官评分的影响Fig.3 The influence of xylitol on sensory score of Chestnut puffed products

图4 木糖醇对板栗膨化产品膨化度和硬度的影响Fig.4 The influence of xylitol on puffing degree and hardness of Chestnut puffed products

从图3 和图4 看出，板栗膨化产品的感官评分随着木糖醇添加量的增加呈现先升高后降低的趋势.当木糖醇添加量为3%时，评分最高（91分），添加量增大到7%时，评分显著降低（74 分）；分析其原因在于当木糖醇添加量较大时，木糖醇对膨化食品的形态及组织结构产生了负面影响.膨化度和硬度随着木糖醇添加量的增加呈现下降趋势，其原因在于木糖醇可与混合物料竞争有限的水分（物料中水分均在10%以下），所以导致物料在模口处没有充足的水分使淀粉糊化，膨化产品的膨化度下降，硬度增加.以上研究结论与王思明[10]研究的结论一致.因此木糖醇的添加量以3%～5%为宜.

2.1.3 大豆粉添加量的确定

大豆粉富含蛋白质、脂肪，可以弥补玉米糁和板栗粉混合物料蛋白质及脂肪含量少的缺陷.有研究表明，在挤压膨化时，混合物料中的脂肪，一方面可以改善产品的口感和组织结构，另一方面也会影响到膨化产品的膨化效果[5].大豆粉添加量对膨化食品特性的影响见图5、图6.

图5 大豆粉对板栗膨化食品感官评分的影响Fig.5 The influence of soybean power on sensory index of Chestnut puffed products

图6 大豆粉对板栗膨化产品膨化度和硬度的影响Fig.6 The influence of soybean meal on puffing degree and hardness of Chestnut puffed products

从图5 和图6 看出，板栗膨化产品的感官评分随大豆粉添加量的增加呈现先升高后降低的趋势.其原因在于添加少量大豆粉对板栗膨化产品的感官评分影响不太明显，当大豆粉添加量超过7%时，对板栗膨化食品的口感和气味产生了不良影响.板栗膨化食品的膨化度及硬度随大豆粉添加量的增加呈现先增加后下降的趋势，因此大豆粉添加量以6%～8%为宜.

2.2 响应面试验结果

根据单因素试验结果，确定选用板栗粉、大豆粉及木糖醇的添加量为试验因素.根据Box-Beheken 试验设计方案，采用三因素三水平响应面分析，结果见表3.

采用design expert 8.0.5.0 软件对表3 中的试验结果进行多项拟合回归，得到响应值R 膨化度与A 板栗粉、B 大豆粉和C 木糖醇的二次多项回归模型：R=－21.245＋0.107 50A＋6.038 75B＋1.121 25C ＋4.5×10-3AB－5.0×10-3AC－0.112 50BC－2.687 50×10-3A2－0.406 25B2－0.011 250C2.

该模型方差分析见表4.由表4 可知，对膨化度所建立的回归模型极显著（P<0.000 1）.试验中考察的3 个因素对膨化度的影响均显著（P<0.01），在对膨化度的交互影响的考察中，BC 交互作用显著；此外，在回归模拟的方程中，相关系数R2=0.987 7，R2Adj=0.965 1，信噪比为19.747，说明模型的拟合度和可信度非常高；变异系数（CV）为1.71，说明试验可靠性良好.

表3 响应面优化试验设计及结果Table 3 Response surface experimental design and results

为了更直观地反映响应因素对响应值的影响，对响应面图及等高线进行分析，结果见图7—图9.可见AB、AC 交互作用不明显，BC 交互作用显著，结果与方差分析一致.

2.3 回归模型的验证试验

通过响应面分析，获得3 种混合物料的最佳组合为：板栗粉24.44%、大豆粉6.96%、木糖醇4.24%，在此条件下，板栗膨化产品的膨化度可以达到为3.607.为了方便操作，选择添加板栗粉25%、大豆粉7%、木糖醇4%，平行做3 组试验，得出板栗膨化产品的膨化度平均值为3.6，与预测值接近，表明响应面法优化的板栗粉、大豆粉、木糖醇的复配比例准确可靠，具有可行性.此方法分析得到的板栗膨化产品的感官评分为92.5，酥脆度适口，具有一定的板栗香味.

3 结论

在本试验中，板栗粉、大豆粉、木糖醇对膨化食品的膨化度均产生显著影响，其显著性影响大小顺序为：大豆粉＞板栗粉＞木糖醇，在交互作用中发现，板栗粉与大豆粉、板栗粉与木糖醇之间交互作用不明显，而大豆粉与木糖醇之间交互作用显著.

表4 方差分析Table 4 Variance analysis on puffing degree

图7 板栗粉和大豆粉交互影响膨化度的曲面图和等高线Fig.7 Response surface and the contour plots of chestnut powder and soybean meal interaction on puffing degree

图8 板栗粉、木糖醇交互影响膨化度的曲面图和等高线Fig.8 Response surface and the contour plots of chestnut powder and xylitol interaction on puffing degree

图9 大豆粉、木糖醇交互影响膨化度的曲面图和等高线Fig.9 Response surface and the contour plots of soybean meal and xylitol interaction on puffing degree

通过单因素和Box-Behnken 试验得到板栗粉、大豆粉和木糖醇3 种物料最佳添加量：板栗粉24.44%、大豆粉6.96%、木糖醇4.24%，在此条件下，板栗膨化产品的膨化度可以达到3.607.经过修正后3 种物料的添加量分别为板栗粉25%、大豆粉7%、木糖醇4%.同时，在本试验范围内建立的回归模型可靠有效，可用来预测设定条件范围内板栗膨化食品配方的工艺参数的响应值，且试验拟合度较好，在此条件下，板栗膨化食品的感官评价为92.5，膨化度为3.6，硬度为10.18 N.研究结果可为板栗膨化食品的制作提供参数依据.

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