响应面法优化酸面团馒头的加工工艺

韩冰，朱宗涛，孟祥晨，张鲁冀，管靖玮

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

响应面法优化酸面团馒头的加工工艺

韩冰，朱宗涛，孟祥晨，张鲁冀*，管靖玮

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

通过响应面试验设计对酸面团馒头加工工艺进行优化。通过单因素试验、Plackett-Burman试验和最陡爬坡试验筛选出发酵时间、发酵温度、加面碱量为显著影响因素以及最佳响应区域，采用Box-Behnken设计进行响应面试验，以酸面团馒头感官评分为响应值得到最佳工艺参数。各因素对酸面团馒头感官评分的影响顺序为：发酵温度＞发酵时间＞加面碱量，最佳工艺条件为：发酵时间4.25 h，发酵温度30℃，加面碱量1.0%。响应面法可以较好地对酸面团馒头加工工艺进行优化。

酸面团；馒头；感官评分；响应面法

馒头是一种中国传统发酵面食[1]，其基本成分包括小麦面粉，酵母/酸面团和水[2]。酸面团是由多菌种混合发酵而成，富含乳酸菌、酵母菌及其他微生物菌群。在面团发酵过程中，酸面团中微生物分解大分子营养物质产生酸、醇、酯、氨基酸等风味化合物[3]，赋予酸面团馒头独特的风味和质构，并能提高馒头的营养价值[4]。由于酸面团中微生物种群具有地域性差异,并且大多应用于北方农村地区和家庭作坊[5]，其产酸程度控制困难，容易造成馒头品质不稳定，难以实现工业化和标准化。

响应面法能同时对多因子水平及其交互作用进行评价和预测，并能快速有效地确定多因子系统的最优条件[6]。因此，本研究通过单因素试验和Plackett-Burman（PB）试验筛选出对酸面团馒头感官评分有显著性影响的因素，利用最陡爬坡试验逼近最大响应区域，最后采用响应面试验对酸面团馒头加工工艺进行优化，得到酸面团馒头的最佳工艺条件，为酸面团馒头的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

特制精粉（小麦粉）：沈阳香雪面粉股份有限公司；酸面团：哈尔滨市家庭自制；颗粒面碱：哈尔滨市呼兰区三金碱厂。

1.2 仪器与设备

AL104型电子天平：瑞士梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；Bagmixer 400型拍打式匀质器：北京五洲东方科技发展有限公司；HM730型食品加工机：青岛汉尚电器有限公司；BPH9272型恒温恒湿培养箱：上海一恒科技有限公司；JJ01221型双层蒸锅：浙江苏泊尔股份有限公司；TA.XT plus型质构仪：英国Stable Micro Systems公司；ZE-6000型色差计：日本Nippon Denshoku公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 制作方法

采用传统二次发酵工艺制作酸面团馒头[7]。向酸面团中加入温水，搅拌2 min后静置。将处理后的酸面团与面粉和水在揉面机中混匀，使面团DY值（面团重量×100/面粉重量，Dough Yield）达到 150[5]。在湿度85%RH（相对湿度，Relative Humidity）、特定温度和时间进行发酵。向发酵好的面团中加入面碱和少量面粉揉至不粘手，醒发10 min，将面团分割成100 g/块，搓圆整形后置于培养箱中二次醒发，蒸制40 min即得成品馒头。

1.3.3 酸面团馒头加工工艺的单因素试验及响应面优化

1.3.3.1 单因素试验设计

在前期确定的工艺参数基础上，研究酸面团的添加量（10%、15%、20%、25%、30%），发酵温度（20、25、30、35 ℃） 和时间（4、6、8、10 h），面碱的添加量（0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%），二次醒发的时间（20、30、40、50、60 min） 对成品馒头感官评分的影响，确定Plackett-Burman试验设计中各因素的水平。

1.3.3.2 Plackett-Burman试验设计

使用Design Expert 8.0.6软件对酸面团添加量（A）、发酵时间（B）、发酵温度（C）、加碱量（D）、醒发时间（E）进行主因子分析，利用N=11的Plackett-Burman设计，以酸面团馒头感官评分为响应值（Y）进行试验设计。

1.3.3.3 最陡爬坡试验设计

根据PB试验得到的回归方程和方差分析，以回归系数的符号确定最陡爬坡的方向，以方差分析结果确定的最显著因素设计第一个步长，其余显著因素步长依据回归系数绝对值的大小进行换算[8]，非显著因素则根据各因素效应的正负，正效应均取较高值，负效应均取较低值，从而最大程度逼近响应值区域[6]。

1.3.3.4 Box-Behnken Design试验设计

在Plackett-Burman试验和最陡爬坡试验结果的基础上，选取发酵时间（B）、发酵温度（C）、加碱量（D）为因素，以最陡爬坡试验结果的最大值为中心点，以感官评分（Y）为响应值，使用Design Expert 8.0.6软件的Box-Behnken Design进行响应面优化试验，优化酸面团馒头的加工工艺参数。

1.3.3.5 优化模型验证

根据响应面试验预测的最佳工艺参数进行试验，重复3次，测定其感官评分，色泽以及质构，以验证优化结果的可靠性，并确定最终优化工艺。

1.4 酸面团馒头品质评定方法

蒸制好的馒头冷却30 min后进行品质评定。

1.4.1 感官评价

馒头的感官评价标准见表1。

表1 酸面团馒头感官评分标准Table 1 Sensory evaluation system of sourdough steamed bread

由10名经过培训的人员组成感官评价小组，参照LS/T 3204-1993《馒头用小麦粉》的评价体系，对酸面团馒头进行感官评价。

1.4.2 色泽测定

采用色差计测定酸面团馒头的表面色泽，结果由亮度（L*）、红度（a*）、黄度（b*）3个指标表示，每个样品重复测定3次，结果取平均值。

1.4.3 质构测定

采用TA.XT Plus型质构仪的TPA程序测定馒头的质构[9]。使用P/100探头，具体测试参数为：测前速度1.00 mm/s，测试速度 5.00 mm/s，测后速度 5.00 mm/s，测应量：strain，压缩率75.00%，两次压缩时间间隔5.00 s。用切片机将馒头沿纵向切成厚度均为12.5 mm的薄片，取中间两片进行测试，每个样品重复测定3次，结果取平均值。

1.5 数据分析

采用Design Expert 8.0.6软件进行Plackett-Burman试验及Box-Behnken Design试验设计，用统计软件SPSS对试验进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果及分析

单因素试验结果见图1。

图1 单因素试验结果Fig.1 The results of mono-factorial experiment

如图1所示，5个试验因素对酸面团馒头感官评分的影响呈现先增加后降低的趋势。

酸面团的添加量对感官品质影响见图1a。酸面团添加量20%时馒头感官评分达到最高。其原因可能是酸面团添加量较少时，面团发酵力不足，馒头的比容偏小，质构较差；但是过量的添加酸面团影响面团的流变特性，馒头易开裂塌陷，色泽和风味变差[10]。

由图1b可知，发酵时间6 h时感官评分达到最高。其原因可能是随着发酵时间的延长，酵母菌产气量增加，各种风味物质产生，提高了馒头的感官评分；但是发酵时间过长，破坏了面筋的三维网状结构，面团持气性下降，导致馒头质构不均一，口感差，降低馒头的感官评分[11]。

由图1c可知，发酵温度30℃时感官评分达到最高。其原因可能是发酵温度低时，微生物代谢以及酶的活力受到抑制，面团发酵不充分，影响感官评分；发酵温度过高时，杂菌大量繁殖成为优势菌种，使馒头色泽和风味异常[10]。

由图1d可知，加面碱量0.7%时感官评分达到最高。其原因可能是加面碱量不足，面团酸度大，馒头酸味过重；加面碱量过多，馒头色泽发黄，表皮开裂，有面碱味。

由图1e可知，醒发时间40 min时感官评分达到最高。其原因可能是醒发过程能调整面筋网络结构，使面筋达到最终长度[12]，随着醒发时间的延长，馒头弹韧性降低，内部结构松散，掉渣或粘牙，降低感官评分。

2.2 Plackett-Burman试验结果与分析

在单因素试验结果的基础上，采用PB试验对影响酸面团馒头感官品质的5个因素进行考察，确定显著影响因素，为最陡爬坡试验因素的确定和步长设计提供依据。PB试验因素水平设计见表2，试验设计及结果见表3。利用Design Expert 8.0.6软件对表3中的试验结果进行方差分析，结果见表4。

表2 PB试验因素水平设计表Table 2 Factors and levels for PB test

表3 Placket-Burman试验设计及结果Table 3 Placket-Burman experiment design and results

表4 Placket-Burman试验方差分析Table 4 Analysis of variance for Placket-Burman experiment

续表4 Placket-Burman试验方差分析Continue table 4 Analysis of variance for Placket-Burman experiment

对各因素回归拟合后，得到回归方程：

方程的决定系数R2=0.989 0，表明该回归方程拟合较好。根据F值的大小[13]，各因素对酸面团馒头感官评分的影响顺序为：发酵温度＞发酵时间＞加面碱量＞酸面团添加量＞醒发时间，根据回归方程的系数可知，B和C为负作用，即发酵时间和发酵温度的值越大，馒头感官评分越低，D为正作用，即加面碱量越大感官评分越高。因此要提高感官评分，应适当降低发酵时间和温度，提高加面碱量。

2.3 最陡爬坡试验结果与分析

根据PB试验的回归方程及方差分析可知，发酵温度对感官评分的影响最显著，所以首先设发酵温度的爬坡步长为5℃，依据方程式系数的绝对值计算可知，发酵时间的步长为2 h，加面碱量的步长为0.15%，试验设计及结果见表5。

表5 最陡爬坡试验设计及结果Table 5 The steepest ascent experiment design and results

从试验结果可以看出，随着发酵温度和发酵时间的降低，加面碱量的增加，感官评分先增大再逐渐减小。当发酵时间为30℃，发酵温度为6 h，加面碱量为0.85%时感官评分最高，则最佳响应区域在第二组试验设定的条件附近，故以此条件为中心点设计Box-Behnken Design试验。

2.4 Box-Behnken Design试验结果与分析

根据最陡爬坡试验确定的中心点进行响应面试验，试验因素水平设计见表6，试验设计及结果见表7，回归分析结果见表8。

表6 响应面试验因素水平表Table 6 Factors and levels for response surface experiment

表7 响应面试验设计及结果Table 7 Design and results for response surface experiment

表8 响应面试验方差分析Table 8 Analysis of variance for response surface design

所得回归方程为：Y=87.54-4.65A-1.01B+0.41C-1.60AB-0.30AC-0.10BC-2.90A2-2.15B2+0.41C2

由表8可知，该多元回归模型P＜0.000 1，模型极显著，失拟项P值为0.717 8大于0.05，失拟项不显著，表明该回归方程拟合度较好；模型的相关性系数R2=0.976 3，校正决定系数R2adj=0.945 9，说明94.59%的响应值能由此模型解释，可用来预测酸面团馒头的感官评分[14]；由显著性检验可知，一次项A、B，二次项A2、B2，交互项AB均对酸面团馒头的感官评分有显著影响（P＜0.05）；而一次项 C，二次项 C2，交互项 AC、BC 对感官评分影响不显著。由此可知，各试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系[15]。

由响应面回归方程绘制响应面图像见图2～图4。

图2 Y=f（A，B）的响应面图Fig.2Responsive surface plot of Y=f（A，B）

图3 Y=f（A，C）的响应面图Fig.3Responsive surface plot of Y=f（A，C）

图4 Y=f（B，C）的响应面图Fig.4Responsive surface plot of Y=f（B，C）

响应面及等高线能直观反映各因素及其交互作用对酸面团馒头感官评分的影响。等高线的形状可判断交互作用的强弱，等高线趋于椭圆交互作用强，等高线趋于圆形交互作用弱。等高线的疏密可判断各因素的重要性，等高线越密，对感官评分的影响越显著，反之，影响小[16]。由图2～图4中可以看出，AB交互作用强，AC和BC交互作用弱，则A和B对感官评分有显著性影响，C对感官评分影响不显著，这与方差分析结果对应。利用Box-Behnken Design设计对响应面试验结果进行优化，得出最佳工艺参数为发酵时间4.25h，发酵温度30℃，加面碱量1.0%，模型预测酸面团馒头的感官评分为90.48。为验证预测结果的准确性，进行3 次重复试验，感官评分分别为 90.15，92.74，93.52，平均感官评分为92.14，在预测值88.33～92.63（PI=95%）之间，表明响应面法优化酸面团馒头加工工艺的可靠性较高[17]。

2.5 响应面优化结果的验证

根据响应面试验预测的最佳加工工艺条件，进行3次重复性验证试验，测得其感官评分的平均值为92.14，接近预测值90.48。说明通过响应面法优化得到的最佳工艺参数可靠有效[18]，应用响应面回归方程能较好预测产品的感官评分，色泽及质构测定结果见表9～表 10。

表9 优化结果对馒头色泽的影响Table 9 Effects of optional result on colour of steamed bread

表10 优化结果对质构特性的影响Table 10 Effects of optional result on textural characteristics of steamed bread

3 结论

在单因素试验的基础上，通过Plackett-Burman试验确定影响酸面团馒头感官评分的因素顺序为：发酵温度＞发酵时间＞加面碱量，利用最陡爬坡试验确定响应面试验的中心点，再利用响应面法建立了发酵时间，发酵温度，加面碱量对酸面团馒头感官评分的二次回归方程，优化出最佳加工工艺：发酵时间4.25 h，发酵温度30℃，加面碱量1.0%。在此条件下进行优化结果的验证，得到酸面团馒头感官评分为92.14，说明该数学模型合理可靠，可用于酸面团馒头感官评分的预测。

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Optimization of Sourdough Steamed Bread Processing with Response Surface Methodology

HAN Bing，ZHU Zong-tao，MENG Xiang-chen，ZHANG Lu-ji*，GUAN Jing-wei
（College of Food Science and Technology，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

The processing of sourdough steamed bread was optimized by response surface design.Through the mono-factorial test，Plackett-Burman test and steepest ascent test，the significant influencing factors including the fermentation time and temperature，the concentration of sodium carbonate decahydrate and the optimal response region were selected.Response surface experiment was conducted using Box-Behnken design，with the sensory score of the sourdough steamed bread as response value，the optimal process parameters were obtained.The order of the factors effecting on the sensory score of the sourdough steamed bread was：fermentation temperature＞fermentation time＞the concentration of sodium carbonate decahydrate，the optimal process condition was：fermentation time 4.25 h，fermentation temperature 30 ℃，the concentration of sodium carbonate decahydrate 1.0%.Response surface methodology could optimize the processing of sourdough steamed bread relatively better.

sourdough；Chinese steamed bread；sensory score；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.025

2017-07-09

韩冰（1995—），女（汉），本科，食品科学与工程专业。

*通信作者：张鲁冀（1982—），男（汉），讲师，博士，研发方向：食品微生物与生物技术。