响应面法优化淮山药荞麦蛋糕的工艺研究

田林双，吴存兵，吴君艳，张钰涓，周莹

（1.江苏财经职业技术学院，江苏淮安223003；2.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安223001）

响应面法优化淮山药荞麦蛋糕的工艺研究

田林双1，吴存兵1，吴君艳2，张钰涓1，周莹1

（1.江苏财经职业技术学院，江苏淮安223003；2.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安223001）

采用响应面分析法对蛋糕工艺进行优化，为其开发利用提供技术参考。在单因素试验基础上，选择淮山药浆用量、荞麦粉用量、打蛋时间为影响因素，感官评分为响应值，采用Box-Behnken试验设计方法，研究各自变量及其交互作用对蛋糕感官评分的影响。结果表明：蛋糕产品感官评分对淮山药浆、荞麦粉、打蛋时间的二次多元模型为：Y=96.40+4.14A-1.24B-0.65C-1.37AB-0.85AC-1.10BC-7.29A2-5.09B2-4.86C2（R2=0.997 0），该模型拟合程度较好，其中淮山药浆、荞麦粉、打蛋时间对蛋糕产品感官评分有极显著影响（P＜0.01），淮山药浆与荞麦粉交互作用对其有极显著的影响，淮山药浆与打蛋时间、荞麦粉与打蛋时间的交互作用对其有显著的影响。淮山药荞麦蛋糕的最佳工艺配方为：面粉 50 g、荞麦粉 14 g、淮山药浆 106 g、鲜鸡蛋 140 g、泡打粉 1.8 g、白砂糖 50 g、色拉油 20 g、蛋糕油 10 g、水 10 g、打蛋时间17 min，此条件下蛋糕产品感官评分为96.6，与理论预测值相比，其相差约为0.64%。通过响应面建立的蛋糕工艺模型拟合效果较好，说明该优化结果是有效的。优化后的方法制得的蛋糕感官评价最高，色泽金黄、口感细腻，可为食品焙烤工艺提供理论参考。

淮山药；荞麦；蛋糕；配方

淮山药是一种草本植物，在北方叫“山药”，在南方则称为“淮山”，为了科研方便而统称为“淮山药”[1]，淮山药不仅有较高的营养价值而且还有较高的药用价值，其富含蛋白质、淀粉、多糖和丰富的维生素等，而且含有人体所不可缺少的无机盐及钙、铁等矿物质，有良好的保健功能。因淮山药老少皆宜且单位面积产量高及其较高的营养价值，随着人们生活水平的提高和对膳食营养要求的提高，近年来在种植和加工业发展迅速[2]。

荞麦又称之为三角麦、乌麦，是我国亟待开发的保健品之一。荞麦同淮山药一样作为药食同源的食物具有良好的营养价值和药用价值，所含蛋白质在谷物中居高，尤其是其中的赖氨酸，它作为第一限制性氨基酸对人体特别是婴幼儿有重要意义，食用含荞麦的食品能预防“赖氨酸缺乏症”，有利于婴幼儿的健康成长[3]；所含的膳食纤维也丰富，约为大米的十倍；荞麦所含的矿物质同样十分丰富，钾、钙、镁、铜、锌、铁等含量都是高于一般的禾谷类作物。经科学研究发现，荞麦具有抑制血中胆固醇和减少胆固醇、预防和改善便秘等功效，而且还能有效预防高血压等[4]。

蛋糕作为焙烤食品，因其拥有金黄的外表、焦香的气味、柔软的质地而深受消费者的喜爱。但一般的蛋糕都已经不能满足消费者的需求，随着人们生活水品的提高，对于食物的要求也有所提高。然而在蛋糕中加入淮山药和荞麦则能使产品具有一定的营养价值，更重要的是其具有一定的保健功能。淮山药荞麦蛋糕含有丰富的蛋白质、维生素、矿物质、脂肪和微量元素，能有效预防高血压和心脑血管疾病，还可防止便秘，具有抗癌和抗衰老的功效[5-7]。

在当前的相关研究中，段春红[8]在蛋糕中同时加入荞麦和番茄，对番茄荞麦蛋糕的制作工艺进行了研究，由此制得的蛋糕在形状、色泽、气味和滋味及弹韧性等方面都取得了满意的结果。师文添[9]对山药红枣蛋糕的研制进行了研究，制得的蛋糕营养丰富，市场前景广阔。禹配琴[10]研究的荞麦蛋糕的研制及其保质期的研究，生产出来的蛋糕具有纯正的蛋香味、独特的荞麦味，无苦涩味，形状完整，组织结构柔软而有弹性。陈日春[11]在荞麦蛋糕工艺的研究中制得的蛋糕美味营养。淮山药含有丰富的维生素等，荞麦含有丰富的矿物质等，两者都是药食同源具有保健作用的食品，所以同时将淮山药和荞麦作为原料，研制淮山药荞麦蛋糕，有利于人体的健康。本试验以淮山药和荞麦作为原料，通过单因素试验研究淮山药浆用量、荞麦粉用量、白砂糖用量、蛋糕油用量及打蛋时间对产品品质的影响，在单因素试验基础上，选择淮山药浆用量、荞麦粉用量、打蛋时间为影响因素，感官评分为响应值，采用Box-Behnken试验设计方法，研究各自变量及其交互作用对蛋糕感官评分的影响，确定产品的最佳配方，为蛋糕的制作工艺提供技术指导[12-13]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

淮山药：市售，无霉变损伤和病虫害；荞麦：市售，颗粒饱满、完好无损伤霉变；面粉：淮安市新丰面粉厂；鲜鸡蛋、泡打粉、蛋糕油、色拉油、白砂糖：市售，食用级。

1.2 试验仪器

BSA-CW电子精密天平：北京赛多利斯天平有限公司；WFJ-15粉碎机：江阴市龙昌机械制造有限公司；JML胶体磨：温州市兴盛轻工机械有限公司；XZ-gyddj打蛋机：徐州凯悦食品机械有限公司；VFM-20搅拌机：杭州萧山商业机械有限公司；SM-603T型电烤炉：新麦机械（无锡）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 荞麦粉制备

将荞麦洗净，在80℃的烘箱中烘6 h至干，取出冷却，用粉碎机粉碎至过80目筛。

1.3.2 淮山药浆制备

1.3.2.1 制备流程

淮山药→清洗→热烫→去皮→切片→护色→打浆→胶磨→淮山药浆

1.3.2.2 操作要点

热烫：将淮山药置于75℃的热水中热烫10 min，以钝化酶的活性。

去皮：要求用不锈钢的刀去皮，并快速放入已准备好的护色液中以防变色。

切片：切片厚度要求为3 mm～4 mm。

护色：护色处理采用无硫护色，护色液配方为植酸 0.15 g/kg、L-抗坏血酸 0.2 g/kg、柠檬酸 10 g/kg、EDTA-2Na 0.2 g/kg。

打浆、胶磨：将护色液和山药片按1∶1的（质量比）比例打浆，再用胶体磨将打好的淮山药浆磨细，冷藏备用。

1.3.3 工艺流程

1.3.4 工艺流程操作要点

搅打蛋液：将鸡蛋及白砂糖等置于搅拌容器中，用搅拌器快速搅打至蛋液呈浓稠状且色泽呈淡黄色，最终至勾起2 s滴一滴为止。

搅打起发：将面粉、荞麦粉和泡打粉混匀加到蛋液中慢速搅拌，再加蛋糕油后快速搅打至体积膨胀到最大，其次加入色拉油、淮山药浆和水缓慢搅拌。

装模：将制好的面糊立即装模。

烘烤：将装好的模具放入烘箱中，在180℃下烘30 min至蛋糕成熟。

冷却、脱模：将蛋糕取出后冷却，再小心将蛋糕从模具中取出。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验设计

根据初步试验的分析和资料的查找，将淮山药浆用量、荞麦粉用量、白砂糖用量、蛋糕油用量及打蛋时间选定为5个因素，设计单因素试验。

1.4.1.1 淮山药浆用量单因素试验设计

准确称取面粉50 g，鸡蛋140 g，色拉油20 g，泡打粉 1.8 g，水 10 g，淮山药浆 60、80、100、120、140 g，荞麦粉20 g，白砂糖60 g，蛋糕油10 g，在打蛋时间17 min的条件下，根据加工工艺流程和操作要点进行单因素试验，并对产品分别进行感官评价。

1.4.1.2 荞麦粉用量单因素试验设计

准确称取面粉50 g，鸡蛋140 g，色拉油20 g，泡打粉 1.8 g，水 10 g，荞麦粉 10、15、20、25、30 g，淮山药浆100 g，白砂糖60 g，蛋糕油10 g，在打蛋时间17 min的条件下，根据加工工艺流程和操作要点进行单因素试验，并对产品分别进行感官评价。

1.4.1.3 白砂糖用量单因素试验设计

准确称取面粉50 g，鸡蛋140 g，色拉油20 g，泡打粉 1.8 g，水 10 g，白砂糖 30、40、50、60、70 g，淮山药浆100 g，荞麦粉20 g，蛋糕油10 g，在打蛋时间17 min的条件下，根据加工工艺流程和操作要点进行单因素试验，并对产品分别进行感官评价。

1.4.1.4 蛋糕油用量单因素试验设计

准确称取面粉50 g，鸡蛋140 g，色拉油20 g，泡打粉 1.8g，水 10g，蛋糕油 7、8、9、10、11g，淮山药浆 100g，荞麦粉20 g，白砂糖60 g，在打蛋时间17 min的条件下，根据加工工艺流程和操作要点进行单因素试验，并对产品分别进行感官评价。

1.4.1.5 打蛋时间单因素试验设计

准确称取面粉50 g，鸡蛋140 g，色拉油20 g，泡打粉 1.8 g，水 10 g，蛋糕油 10 g，淮山药浆 100 g，荞麦粉20 g，白砂糖 60 g，以 11、14、17、20、23 min 的打蛋时间，根据加工工艺流程和操作要点进行单因素试验，并对产品分别进行感官评价。

1.4.2 响应面试验设计

根据Box-Benhnken8.0设计原理，确定中心组合试验的因素与水平。以蛋糕产品的感官评分为响应值，通过响应面设计对加工工艺条件进行优化，并确定各因素条件的最佳组合。试验以感官评分为响应值，分别用A、B、C表示淮山药浆用量、荞麦粉用量和打蛋时间等3个自变量，每一变量的低中高水平分别以-1、0、1进行编码。中心组合设计的因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken8.0设计试验因素水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken8.0 design

1.5 品质评定

1.5.1 感官评价

选取25位对于食品具有专业知识的人员，依据蛋糕的品尝项目和评分标准对产品进行评分，总分100分，其中色泽20分，外观形状20分，内部结构20分，弹韧性20分，气味和滋味20分，具体蛋糕品尝项目和评分标准[14]，见表 2。

表2 蛋糕品尝项目和评分标准Table 2 Cake tasting items and scoring criteria

1.5.2 比容的测定

从蛋糕中切一小块进行测定，蛋糕比容的计算公式为：

式中：v为蛋糕比容，mL/g；V 为蛋糕体积，mL；m为蛋糕质量，g。

1.5.3 理化卫生指标的测定

水分含量测定采用GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》；蛋白质含量测定采用GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；总糖含量测定采用GB 5009.7-2016《食品安全国家标准食品中还原糖的测定》；酸值（以脂肪计）含量测定采用LS/T6105-2012《粮油检验谷物及制品脂肪酸值的测定自动滴定分析仪法》；过氧化值（以脂肪计）含量测定采用GB 5009.227-2016《食品安全国家标准食品中过氧化值的测定》；铅（以Pb计）含量测定采用GB 5009.12-2010《食品安全国家标准食品中铅的测定》；砷（以As计）含量测定采用GB 5009.76-2014《食品安全国家标准食品添加剂中砷的测定》；细菌总数测定采用GB 4789.2-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》；大肠菌群数测定采用GB 4789.3-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》；致病菌测定采用GB 29921-2013《食品安全国家标准食品中致病菌限量》。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 淮山药浆用量对蛋糕品质的影响

对比不同淮山药浆用量对蛋糕品质的影响，评定结果见图1。

图1 淮山药浆用量对蛋糕品质的影响Fig.1 The effect of adding quantity of Dioscorea opposita Thunb paste to the sense quality of cake

由图1可知，随着淮山药浆用量的不断增加，蛋糕的评定总分随之增加，但在用量为120 g时评分为最高，然后逐渐降低。而蛋糕的比容是随着淮山药浆用量的不断增加而逐渐降低。当淮山药浆用量低于80 g时，蛋糕过于疏松，色泽过于浅淡，口感不好，当淮山药浆用量为120 g时，虽然评定总分最高，但是比容低，蛋糕疏松度不够，当淮山药浆用量为100 g时，评定总分和比容都较合理。

2.1.2 荞麦粉用量对蛋糕品质的影响

对比不同荞麦粉用量对蛋糕品质的影响，评定结果见图2。

图2 荞麦粉用量对蛋糕品质的影响Fig.2 The effect of adding quantity of buckwheat flour to the sense quality of cake

由图2可知，荞麦粉用量10 g～15 g时评分增高，15 g以后，随着荞麦粉用量的增加蛋糕评定总分不断降低。蛋糕的比容随着荞麦粉用量的增加而不断升高，在用量为25 g时达到最大值，然后随之降低。当荞麦粉用量大于20 g时，蛋糕的疏松程度偏高，口感和风味较差。

2.1.3 白砂糖用量对蛋糕品质的影响

对比不同白砂糖用量对蛋糕品质的影响，评定结果见图3。

图3 白砂糖用量对蛋糕品质的影响Fig.3 The effect of adding quantity of sugar to the sense quality of cake

由图3可知，白砂糖用量在低于50 g时，评定总分随着用量的增加而增加，在高于50 g时，评定总分随着用量的增加而下降，蛋糕的比容随着白砂糖用量的增加而不断升高。当用量为50 g时，蛋糕评定总分最高且比容合理，蛋糕疏松程度正好，口感细腻，具有蛋糕特有的风味和香气，当用量低于或高于50 g时，蛋糕的感官品质都有相应的下降。

2.1.4 蛋糕油用量对蛋糕品质的影响

对比不同蛋糕油用量对蛋糕品质的影响，评定结果见图4。

图4 蛋糕油用量对蛋糕品质的影响Fig.4 The effect of adding quantity of cake oil to the sense quality of cake

由图4可知，随着蛋糕油用量的不断增加，蛋糕的评定总分比较平稳相差不大，在用量低于9 g时，蛋糕的比容不断增加，在9 g之后也趋于平稳，由此可见蛋糕油对蛋糕品质的影响不大。但是相对来说，在蛋糕油添加量为10 g时，蛋糕的感官品质是最好的，色泽金黄，有蛋糕特有的风味，柔软蓬松，口感细腻，因此蛋糕油用量在本次试验中选择10 g。

2.1.5 打蛋时间对蛋糕品质的影响

对比不同的打蛋时间对蛋糕品质的影响，评定结果见图5。

图5 打蛋时间对蛋糕品质的影响Fig.5 The effect of adding quantity of mixing time to the sense quality of cake

由图5可知，蛋糕评定总分在打蛋时间为17 min前随着打蛋时间的增加而增加，在17 min后随之下降，蛋糕的比容在打蛋时间为20 min前不断增高，随后稍微下降。在打蛋时间为11 min时，蛋液的膨胀度极低，虽然具有蛋糕特有的色泽，但是流动性太高，使蛋糕的膨胀系数变小，感官品质明显下降。但是当打蛋时间为23 min时，制得的蛋糕口感较粗糙，质地不均匀。当打蛋时间为14 min～20 min时，蛋液的膨胀程度适中，制得的蛋糕富有弹性，口感细腻，色泽金黄，感官品质最佳。

2.2 响应面试验

2.2.1 模型建立及其显著性检验

根据单因素试验结果，选择对蛋糕感官品质影响较大的淮山药浆用量、荞麦粉用量和打蛋时间等3个因素设计中心组合试验。根据Box-Behnken8.0设计原理，安排设计15个处理组合，试验设计及结果见表3。

表3 试验设计与结果Table 3 Results of response surface analysis

根据表3结果，利用Design Expert软件建立的蛋糕产品的感官评分对淮山药浆用量、荞麦粉用量和打蛋时间二次方程模型为：Y=96.40+4.14A-1.24B-0.65C-1.37AB-0.85AC-1.10BC-7.29A2-5.09B2-4.86C2。对该模型进行方差分析，结果见表4。

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

由表4可知，模型的F＝195.81和P＜0.01，表明该模型是显著的。模型失拟项P=0.079 3＞0.05，相关系数R2=0.997 0＞0.800 0，即模型失拟项不显著，表明该模型具有极显著的统计学意义，该模型拟合程度良好，因此可用此模型对试验进行模拟和预测。

由回归模型系数显著性检验结果可知，该模型一次项 A、B、C（P＜0.01）极显著；二次项 A2、B2、C2极显著（P＜0.01）。交互项AB对提取率的影响极显著P＜0.01），交互项 AC、BC 对提取率的影响显著（P＜0.05）。

从表4还可以看出，对蛋糕感官评价影响的大小依次为淮山药浆用量、荞麦粉用量和打蛋时间。

2.2.2 因素交互作用分析

淮山药浆用量、荞麦粉用量和打蛋时间3个因素之间的交互作用对蛋糕感官评价的影响的三维空间响应面图如图6、图7、图8所示。

图6 淮山药浆用量、荞麦粉用量对蛋糕感官评分交互影响的三维曲面和等高线Fig.6 Surface and contour plots of mutual-influence of Dioscorea opposita Thunb paste and buckwheat flour on the cake sensory score

图7 荞麦粉用量、打蛋时间对蛋糕感官评分交互影响的三维曲面和等高线Fig.7 Surface and contour plots of mutual-influence of buckwheat flour and mixing time on the cake sensory score

图8 淮山药浆用量、打蛋时间对蛋糕感官评分交互影响的三维曲面和等高线Fig.8 Surface and contour plots of mutual-influence of Dioscorea opposita Thunb paste and mixing time on the cake sensory score

图6显示，淮山药浆用量、荞麦粉用量对蛋糕感官评价的交互影响。其3D图曲线最陡，淮山药浆用量、荞麦粉用量的交互效应最显著。图7显示，荞麦粉用量、打蛋时间对蛋糕感官评价的交互影响。其3D图曲线较陡，荞麦粉用量、打蛋时间的交互效应较为显著。图8显示，淮山药浆用量、打蛋时间对蛋糕感官评价的交互影响。其3D图曲线也陡，淮山药浆用量、打蛋时间的交互效应也较为显著。这与表4方差分析结果一致。

2.3 验证试验

在最佳加工工艺条件下淮山药浆用量106.18 g，荞麦粉用量14.21 g，打蛋时间16.76 min，蛋糕的感官评分的预测值为97.22。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，考虑到实际操作的便利，将提取工艺参数修正为：淮山药浆用量106 g，荞麦粉用量14 g，打蛋时间17 min，实际加工蛋糕的感官评分为96.6，与理论预测值相比，其相差约为0.64%。说明该方程和实际的情况比较相符，试验结果充分验证了模型的正确性，响应面法对淮山药荞麦蛋糕工艺的优化结果是有效的。

2.4 理化卫生指标

产品的理化卫生指标检验结果，水分44.2%；蛋白质9.8%；总糖40%＜42%；酸值（以脂肪计）2.0 mg/g≤5（KOH）/（mg/g）；过氧化值（以脂肪计）0.13 mg/kg≤0.25 mg/kg；铅（以 Pb计）0.01 mg/kg≤0.5 mg/kg；砷（以As计）0.02 mg/kg≤0.5 mg/kg；细菌总数80 cfu/g≤1 500 cfu/g；大肠菌群数 2 MPN/100 g≤30 MPN/100 g；致病菌未检出。

3 小结

通过单因素和响应面试验确定了淮山药荞麦蛋糕的最佳配方为：面粉50 g、荞麦粉14 g、淮山药浆106 g、鲜鸡蛋 140 g、泡打粉 1.8 g、白砂糖 50 g、色拉油20 g、蛋糕油10 g、水10 g、打蛋时间17 min。在此配方下制得的淮山药荞麦蛋糕不仅色泽金黄、质地柔软、口感细腻、具有蛋糕特有的风味和香气，而且营养丰富，有一定的保健功能，具有最佳品质。

在本研究中，淮山药浆用量和荞麦粉用量对蛋糕品质的影响较大，打蛋时间次之。此外，本试验并未对鸡蛋添加量对蛋糕品质的影响进行研究，如何通过鸡蛋的添加量实现产品的风味、质地改变有待进一步研究。

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Optimization of Processing Method of Cake with Buckwheat and Dioscorea opposita Thunb with Response Surface Analysis

TIAN Lin-shuang1，WU Cun-bing1，WU Jun-yan2，ZHANG Yu-juan1，ZHOU Ying1
（1.Jiangsu Vocational and Technical College of Finace&Economics，Huai'an 223003，Jiangsu，China；2.Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huai'an 223001，Jiangsu，China）

To optimize the technologh of cake with buckwheat and Dioscorea opposita Thunb.Effects of Dioscorea opposita Thunb paste，buckwheat flour and mixing time on the technologh of cake were investigated in this study，and the optimum technologh of cake was obtained through response surface method.The result showed that：quadratic regression model of cake sensory score on Dioscorea opposita Thunb paste，buckwheat flour and mixing time was Y=96.40+4.14A-1.24B-0.65C-1.37AB-0.85AC-1.10BC-7.29A2-5.09B2-4.86C2（R2=0.997 0），which showed good fitting degree．Dioscorea opposita Thunb paste，buckwheat flour and mixing time had extremely significant effects on cake sensory score （P<0.01，the same as below）．The interactive role between Dioscorea opposita Thunb pastet and buckwheat flour had extremely significant influence，Dioscorea opposita Thunb paste and mixing time，buckwheat flour and mixing time had significant influence.The optimum technologh was as follows：wheat flour 50 g，buckwheat flour 14 g，Dioscorea opposita Thunb paste 106 g，fresh eggs 140 g，baking powder 1.8 g，sugar 50 g，salad oil 20 g，cake oil 10 g，water 10 g，mixing time 17 min.Under this condition，the practical cake sensory score was 96.6，compared with the predictive value，the difference was about 0.64%.The model of technologh of the cake fitted well.The results showed that the response surface method to cake production was effective.The optimum technologh of cake would provide reference for the effective utilization.The optimized method has the highest sensory evaluation，golden color and delicate taste，which can provide a theoretical reference for food baking process.

Dioscorea opposita Thunb；buckwheat；cake；formulation

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.016

江苏高校“青蓝工程”；江苏省饲料（食品）营养分析与质量安全检测公共服务平台（HAP201429）；江苏财经职业技术学院课题；江苏省科技厅项目（BM2009831）

田林双（1982—），男（汉），讲师，副院长，在读博士研究生，研究方向：食品加工与检测分析。

2017-08-25