响应面法优化马铃薯泥面包的加工工艺
2018-01-22,,,,,*,
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(1.甘肃省轻工研究院,甘肃兰州 730000; 2.陕西科技大学,陕西西安 710000)
马铃薯在我国种植面积广,产量高,2014年，我国马铃薯种植面积达8277.3万亩,鲜薯产量9500万吨[1]。在我国，马铃薯主要作为蔬菜鲜食,而在加工方面以速冻马铃薯、淀粉、粉丝、粉皮、粉条、酒精等生产为主[2],马铃薯主食的加工比较鲜见。因此,2015年，国家农业部提出马铃薯主食化战略,使其成为我国第四大主粮。目前，我国马铃薯主食化研究已完成对马铃薯面条[3]、馒头[4]、面包[5]等主食产品的第一代产品研发,研究了全粉添加对马铃薯面团的流变特性影响[6]。对于马铃薯主食化产品的开发均以马铃薯全粉为原料,而利用马铃薯泥加工主食产品鲜有报道。鲜薯薯泥与全粉相比,营养风味物质保存比较完整[7],而且减少烘干环节,降低能耗成本[8-9]。
面包营养成分全面,易于消化利用[10],食用携带方便,工业面包的消费市场越来越广阔[11]。目前国内外对面包的研究主要在延缓面包老化、延长货架期、提高面包品质、开发功能性面包及花色面包等方面[12]。在主食化以前,马铃薯已经以添加剂的形式被加入到面包中。本研究以马铃薯泥代替全粉,采用一次发酵法[13]制作马铃薯面包,为马铃薯主食化研究和马铃薯泥面包的工业化生产提供技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
马铃薯鲜薯 品种:新大坪,干物质含量27.8%,淀粉20.19%,粗蛋白2.67%(供应商)，产地:定西;小麦面粉 新疆新世纪面粉有限公司生产;高活性干酵母 湖北安琪酵母股份有限公司;植物油、鸡蛋、黄油、食盐等 市售。
C21S47型电磁炉 浙江苏泊尔股份有限公司;DS-1电动高速捣碎机 德州润昕实验仪器有限公司;HM800和面机 青岛汉尚电器有限公司;BCD-225AG海信冰箱 海信集团有限公司;KBF115恒温恒湿箱 德国Binder公司;ACL-1DH烘焙电烤箱 广州爱厨乐烘焙设备有限公司;EZ-S多功能质构仪 日本岛津公司;PB203-N型分析天平 Metler-Toledo公司;湿度计 上海精密仪器仪表有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 马铃薯泥加工工艺 新鲜马铃薯→清洗→蒸煮→自然冷却→去皮→捣泥→马铃薯泥
筛选新鲜、无腐烂、大小适合、形状圆整的马铃薯,用清水刷洗清洁后沥干,然后在100 ℃条件下,蒸煮40 min,再将蒸煮冷却后马铃薯捣碎制成薯泥,冷藏备用。
1.2.2 马铃薯泥面包制作工艺 马铃薯泥面包的加工采用一次发酵法,加工流程如下:
马铃薯泥、高筋粉、其他辅料→面团调制→发酵→分割成型→醒发→整形→烘烤→冷却→马铃薯泥面包成品
按配方称取各原辅料,先将马铃薯泥、小麦高筋粉投入搅面机搅拌混合均匀,用30 mL 30 ℃的自来水将白砂糖、食盐、奶粉溶解完全,并用30 mL 30 ℃的自来水活化酵母,即将酵母粉加入30 ℃温水,搅拌5 min使其完全溶解,然后保持水温静置至酵母菌液液面有气泡产生为止。将活化的酵母和溶解完全的白砂糖、食盐、奶粉溶液加入到充分混匀的马铃薯泥与高筋粉中,搅拌至面筋基本形成后,再加入植物油和黄油搅拌直至面筋完全扩展即可,即面团可拉至薄膜纸样且轻弹不破。将面团在温度为(36±2) ℃,相对湿度为80%～90%的恒温恒湿箱中发酵2～4 h。发酵后的面团室温静置20 min,然后以每个面胚50.0 g进行分割,将分割后的面胚滚揉成圆形,使其表面光滑。将成型后的面团送入醒发箱内醒发,控制醒发室温度为35～37 ℃,相对湿度为80%～90%,醒发45 min。将醒发后的面胚装盘送入烘焙炉开始烘焙,设定烘焙上火温度为190 ℃,下火温度为170 ℃,焙烤10 min后,将上火和下火温度互换,再烘焙5 min后可出炉。最后将完成烘焙的面包置于常温自然降温1.5 h后封装,即马铃薯泥面包。
1.2.3 马铃薯泥添加量的选择 以马铃薯泥和小麦粉质量之和为基准(100),在单因素实验中,使马铃薯泥的添加量分别为基准的10%、20%、30%、40%、50%,其余辅料添加量:白砂糖13%、黄油6.0%、酵母2.5%、食盐1.5%、鸡蛋6.0%、奶粉6.0%、植物油1.0%,添加适量水至形成面团即可;参照1.2.2方法制成马铃薯泥面包,研究马铃薯泥的添加量对面包发酵时间、比容、含水量、高径比和酸度的影响;同时进行感官评价。
1.2.4 马铃薯泥面包制作单因素实验 在确定马铃薯泥添加量的基础上,以马铃薯泥面包的比容为考核指标,固定酵母添加量3%、和面时间14 min、发酵温度32 ℃,按照表1中所列因素和水平进行单因素实验,其他辅料添加量参照1.2.3。
表1 单因素实验因素水平Table 1 Factors and levels of single-factor experiments
1.2.5 响应面实验 面包比容是面包质量的最直观的依据,以单因素实验结果为依据,以酵母含量(%),和面时间(min)及发酵温度(℃)为自变量,薯泥面包比容为响应值,依据Box-Behnken中心组合设计原理进行响应面实验,采用三因素三水平的响应面分析方法,对薯泥面包加工工艺进行优化,分析因素与水平见表2。
表2 响应面实验因素水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments
1.3 马铃薯泥面包考核指标的测定方法
1.3.1 马铃薯泥面包发酵时间的测定 面团发酵时间的测量利用量筒法[14],将分割为30.0 g的面胚置于大量筒底部并压实,置于相对湿度为80%～90%,温度36 ℃的恒温恒湿箱内发酵,记录量筒放入箱内的时间为T0,每间隔10 min观察一次体积变化情况,直到量筒内面团体积不再变化为止,此时时间记为T1,最长发酵时间计算如下:
马铃薯面团的最长发酵时间(min)=T1-T0
1.3.2 马铃薯泥面包比容的测定 参考GB/T 20981-2007面包中比容的测量方法-排米法测定面包比容[15]。
1.3.3 马铃薯泥面包含水量的测定 参考GB/T 20981-2007面包中水分的测量方法-恒重法[15]。
1.3.4 马铃薯泥面包高径比的测定 利用直尺和直角尺组合的方法测量马铃薯泥面包的直径和高度,计算出面包高度与直径的比值:面包高径比[16]。
1.3.5 马铃薯泥面包酸度的测定 参考GB/T 20981-2007面包酸度的检测方法-滴定法[15]。
1.3.6 马铃薯泥面包的感官评分 将烘烤后的面包样品自然降温1.5 h后,由20位食品专业人员组建的感官评价评估小组分别品尝,并对面包的形态、表皮色泽、组织结构、弹柔性、口感及风味等项目分别综合评价打分,总分是100分,取其均值形成最终感官评价分值。感官评分标准见表3。
表3 马铃薯泥面包感官评分标准 Table 3 Comprehensive evaluation of potato mud bread
表4 马铃薯泥添加量实验结果Table 4 Experimental results of potato mud addition
注：同一行不同小写字母表示差异性显著(p<0.05),相同小写字母表示差异不显著,表5～表7同。
1.4 数据处理
采用Design Expert 8.0软件、Microsoft Excel 2010软件对单因素实验的数据进行作图分析,利用t-test检验对各单因素实验的数据进行显著性分析,p<0.01为极显著,0.01
2 结果与讨论
2.1 马铃薯泥添加量选择实验
按照1.2.3的实验方法进行实验,得出马铃薯泥添加量对考核指标的影响结果如表4。
面团发酵时间是指面团通过酵母发酵膨大至最大体积所用的时间,发酵时间越短,周转次数增加,效能提高。面包比容是评价面包质量的最直观的依据,其值可直接反应面包体积的大小;面包的高径比大小客观反应了面包的起发与形状,其值越大面包起发越好,形状越饱满[17]。
从表4数据看出,随着面包中马铃薯泥添加量的增加,面包的发酵时间呈显著的(p<0.05)先降后升的趋势,在薯泥添加量接近40%时面团发酵时间最短,为100 min;相反面包高径比呈显著的(p<0.05)先增后降的趋势,在薯泥含量在40%时出现最大值,为0.57;面包的比容在薯泥添加量为0～40%时呈显著(p<0.05)下降趋势,大于40%时变化不明显;当薯泥添加量超过50%时,面包水分含量明显增加;面包酸度整体呈稳中有降趋势,但均符合GB/T 20981-2007[15]的要求；而马铃薯面包的感官评价随薯泥添加量的增加呈显著的(p<0.05)先增后降趋势,在薯泥添加量在40%时面包品质最好,评分最高,为75.2。马铃薯泥中含有较多的钾、镁、氯等元素,适量添加能刺激酵母生长,加速酵母发酵产气,面包发酵速度加快[18],同时马铃薯淀粉加热易被糊化,并能迅速水解为酵母的碳源,促使酵母快速发酵[11],使面包迅速完全起发,面包发酵时间缩短;但是马铃薯泥中不含面筋蛋白,如若面团中添加量过高,对面团中面筋蛋白有稀释作用,减弱面团中面筋网络结构的形成,削弱面团的强度,面团不能完全起发或者发酵时间增加,面团比容较小,高径比变小[19-20]。此外，马铃薯泥的持水性比小麦高筋粉的持水性强,薯泥的增加会提高面包中的含水量,提高面包出品率,但过量会造成面包品质下降[19]。在马铃薯面包的感官评价方面,面包中马铃薯泥的添加使面包具有马铃薯特有风味,提高面包感官品质,但薯泥含量超过40%左右时,会明显降低马铃薯泥面包的品质,面包感官评价明显降低,这与陈代园[14]的研究结果相同。
综合上述实验数据和分析,确定马铃薯泥面包中薯泥的适宜添加量为40%。
2.2 马铃薯鲜薯面包加工工艺优化
2.2.1 单因素实验
2.2.1.1 酵母含量对薯泥面包品质的影响 酵母的生存率及产气力是关系到薯泥面包面团品质的重要因素[21]。表5看出,随着酵母添加量的增加,面包比容呈显著的(p<0.05)先增后降的趋势,面包高径比呈显著增加(p<0.05)后微降的趋势,硬度呈现出显著下降(p<0.05)后微升的变化。在酵母含量为4%时,面包高径比和比容出现最大值,分别为0.57和3.70 mL/g,面包硬度出现最小值,为4.95 N,面包起发程度良好。主要原因是在一定范围内,酵母数量的增加可提高面团中酵母活细胞数和产气能力,提高面团发酵能力,使面包启发程度好,比容增大,高径比增加,硬度减小;但酵母含量的增加,会提高酵母死细胞产生的谷胱甘肽的含量,谷胱甘肽易将面筋结构中的二硫键还原为巯基,进而破坏面筋蛋白的网络结构[22],当谷胱甘肽对面团结构的影响大于酵母对面团起发的影响后,面包不能完全起发,会使面包高径比变小,比容降低,硬度增大。综合上述分析,确定最佳酵母添加量为4%。
表5 酵母添加量对面包品质的影响Table 5 Effect of yeast content on the quality of potato mud bread
表6 和面时间对面包品质的影响Table 6 Effect of dough making time on the quality of potato mud bread
表7 发酵温度对面包品质的影响Table 7 Effect of fermentation temperature on the quality of potato mud bread
2.2.1.2 和面时间对薯泥面包品质的影响 和面时间对面筋网络的形成有重要的作用,而面筋网络的形成好坏直接影响了面团质量和面包体积[21]。表6可看出,在10～16 min内,面包高径比和比容随和面时间增加呈显著(p<0.05)增加趋势,在16 min时,分别出现最大值0.57和3.72 mL/g,而硬度变化为先显著(p<0.05)下降,和面时间超过14 min后稍有上升,在14 min时出现最小值5.19 N;在14～18 min时,面包高径比、比容、硬度变化均不显著。究其缘由主要是适宜的和面时间能够让面筋蛋白跟水较好结合,组建比较稳定的面团网络结构,产生数量密集、均匀分布的孔洞,为面团充分发酵,储存大量CO2气体奠定基础;当和面时间过长时,已经形成的面团网络结构遭到机械破坏,已经形成的面团孔洞结构发生变化,不能均匀有效存储CO2气体,使薯泥面团硬度,面包高径比减小,比容减小,硬度增加[23-24]。综合和面时间对面包高径比、比容和硬度的影响后,确定最佳和面时间为14 min。
2.2.1.3 发酵温度对薯泥面包品质的影响 发酵温度影响酵母的活性,从而影响面包起发程度和发酵时间。从表7看出,在24～36 ℃范围内,随着发酵温度的增加,面包高径比和比容呈显著(p<0.05)增加趋势,并在36 ℃时分别出现最大值,为0.56和3.71 mL/g,并趋于稳定微降的趋势,而面包硬度表现出显著下降趋势,温度超过36 ℃后变化不明显。原因一方面是当温度较低时,酵母活性较低,在一定时间内产生的气体较少,面包不能完全起发,面团比较坚实,高径比和比容较小,硬度较大,可延长发酵时间,但从规模化生产的角度出发,效率过低;原因二是当温度过高时,酵母活性增加,部分酵母会出现早衰或者死亡,加速谷胱甘肽的产生,破坏面团中面筋网络架构,致使面包比容和高径比稍有降低,硬度变化微小[22]。综合上述分析,确定最佳发酵温度为36 ℃。
2.2.2 响应面分析
2.2.2.1 响应面结果 响应面实验结果见表8。
表8 响应面分析实验结果Table 8 Result of response surface design methodology
2.2.2.2 回归方程的建立与分析 采用Design Expert 8.0对实验值采取二元回归拟合,模拟出马铃薯泥面包的比容对酵母添加量、和面时间和发酵温度的二次多项回归方程为:Y=3.94+0.018A+0.024B+0.046C-0.013AB-0.018AC-0.010BC-0.33A2-0.19B2-0.023C2。
表9 ANOVA分析结果Table 9 Results of ANOVA analysis
注：**表示差异极显著(p<0.01);*表示差异显著(p<0.05)。
由表9数据分析结果显示,p<0.0001表示所得回归方程的模型极显著。失拟检测p=0.5413>0.05不显著,表明此回归的模型比较理想,可信度较高。复相关系数R2=0.9987,表示该模型与实际拟合程度好,能说明99.87%响应值的变化,结果误差小。信噪比为67.318>4,说明实验精度很高。综合以上分析得知,该模型可较准确的模拟酵母含量、和面时间以及发酵温度三个因素对马铃薯面包比容值的影响。
由表9看出,拟合方程的一次项A、B、C及二次项A2、B2、C2为极显著(p<0.01),二次项AB、AC交互作用表现为显著,表示其对马铃薯面包比容有交互影响,各因素对面包比容影响的大小排序依次为C(发酵温度)>B(发酵时间)>A(酵母含量)。
2.2.2.3 马铃薯面包制作工艺优化 依据所建立的二元回归拟合方程所建立的模型对影响因素进行优化分析,得出马铃薯面包最优加工条件:酵母的添加量为4.0%,和面时间为14.07 min,发酵温度为38 ℃。对模型计算出的加工参数进行修正为酵母添加量为4.0%,和面时间为14 min,发酵温度为38 ℃;在最优条件下模型预测的马铃薯面包比容值为3.96 mL/g。
2.2.2.4 验证性实验 为检验该实验优化条件的可靠性,采用计算出的最优条件制作马铃薯面包进行验证性实验,做3组平行实验,得到实验结果为3.93、3.95、3.95 mL/g,最终比容平均值为3.94 mL/g,与模型计算出的预测值的误差仅为0.51%。因此,利用二元回归拟合对马铃薯面包制作的工艺优化的条件具有可靠性。
3 结论
本研究通过单因素实验,得出马铃薯泥在面包中最佳含量为40%,在此含量时,面团相对发酵用时较短,感官品质最佳;同时利用响应面分析法和Design Expert 8.0软件对马铃薯面包制作工艺进行优化,确定最佳条件为:酵母含量4.0%,和面时间14 min,发酵温度为38 ℃。并通过验证性实验,在此参数下的面包比容为3.94 mL/g,与模型计算出的预测值的相对误差仅为0.51%,说明采用响应面法对马铃薯面包制作参数的优化准确可行。通过本实验所用方法加工马铃薯泥面包简单,相对于马铃薯全粉,风味保留更完全,耗能更低,对马铃薯主食化研究和马铃薯泥面包的工业化生产提供技术参考。
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