响应面法优化压缩饼干基础配方的研究

罗蕾蕾，吴学凤，吴俊，*，操丽丽

（1.中国人民解放军陆军勤务学院军需采购系，重庆400030；2.合肥工业大学食品科学与工程学院，安徽合肥230009）

压缩饼干是以小麦粉、油脂、糖为主要原料，添加蛋白粉、维生素、矿物质以及功能性物质[1]，焙烤后粉碎，经机械压制而成的一类食品，具有体积小、能量密度高、耐饥饿、贮存期长、携带食用方便等特点，是一种方便快捷应用广泛的应急食品[2]，目前主要用于军需配备。世界各国军队压缩饼干的消费量在逐年上升，压缩饼干己成为各个国家军队后勤物资中必不可少的组成部分，同时对压缩饼干的品质质量要求也越来越高[3]。我军目前装备的压缩干粮主要存在口味单一，连食性差，不易消化吸收等问题[4]。

全麦粉是指直接将清洗干净的小麦经过特殊粉碎研磨加工达到一定粗细度且包含皮层、胚芽和胚乳全部组成部分的面粉[5]，由于其保留了麸皮中大量的维生素（如B族维生素和VE）、矿物质（如钾、硒、铁等）、酚酸等[6-7]，营养价值较高，且全麦食品中富含膳食纤维，可促进肠胃蠕动，改善胃肠道功能[8-10]。油脂的多少对压缩饼干质量影响很大。油脂过少，产品变形严重，口感硬，表面干燥无光泽，面筋形成多；油脂过多，面团的黏性和弹性降低，使饼干抗裂能力及面团黏力差，甚至松散不易成型。常用的油脂有各种植物油、人造奶油、起酥油等，而军用压缩干粮生产则应采用稳定性良好的棕榈油。全脂奶粉的加入能提高产品的营养价值，延迟老化，使产品保持柔软，同时赋予产品优良的风味并改善产品色泽[11]。

本研究主要对压缩饼干基础配方展开研究，通过研究全麦粉、棕榈油以及全脂奶粉的不同添加量进行优化，从而实现对压缩干粮品质的提高和改善。

1 材料与方法

1.1 材料

棕榈油、小麦粉、全麦粉、全脂奶粉、白砂糖、食盐、小苏打、姜粉水、葡萄糖、牛磺酸、大豆蛋白、复合维生素、复合矿物质、抗氧化剂均为食品级：市售。

1.2 设备及仪器

TR32S型烤箱：佛山市伟仕达电器实业有限公司；TS2023B型烘箱：昆山台顺测试科技有限公司；YRH-150F型恒温培养箱：上海姚氏仪器设备厂；SOX406型索氏提取器、K9840型凯氏定氮仪：山东海能科学仪器有限公司；75MA型高压灭菌锅：上海锐风仪器制造有限公司。

1.3 工艺流程[12]

原辅料预处理→配料→调粉→成型→焙烤→冷却→粉碎→拌料→压缩→成品

1.4 操作要点

1.4.1 原辅料预处理

液化棕榈油。用水溶解白砂糖，食盐和小苏打，加入液化过的棕榈油，充分打发。

1.4.2 调粉

将称好的小麦粉，全麦粉，全脂奶粉，姜粉倒入（1.4.1）中，混合均匀，和成面团[13]。

1.4.3 成型

将和好的面团压成厚度均匀的片状，用模具压出饼干。

1.4.4 焙烤

上火180℃，下火150℃，时间8 min。

1.4.5 粉碎

焙烤后冷却，粉碎制成饼干粉末。

1.4.6 拌料

向粉末中倒入棕榈油，牛磺酸，大豆蛋白，复合维生素，复合矿物质，抗氧化剂，葡萄糖，充分混合。

1.4.7 压缩

将搅拌均匀的压缩饼干粉末放在压缩机中，其中压缩机压力为200 kg/cm2，真空度为0.09 MPa，压缩程度到为1.6 cm。

1.5 感官评定方法

选择10名感官评价员依据感官评分标准[14-15]，对试验产品进行打分，结果取平均值。主要评价指标为形态、色泽、滋味与口感、组织状态、杂质，满分为100分[16-17]，见表 1。

表1 感官鉴定标准Table 1 Standards of sensory evaluation

1.6 指标的测定和方法

1.6.1 饼干物性的测定

用TA.XTplus物性仪对饼干的硬度、脆度、咀嚼度进行测定，采用P50探头，测试前速率1.00 mm/s，测试速率0.50 mm/s，测试后速率0.50 mm/s，压缩程度90%，数据采集速率为200 p/s[18]。

1.6.2 其他测定方法

水分含量：按GB5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》第一法直接干燥法进行测定；灰分测定：按GB5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》进行测定；蛋白质含量测定：按GB5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》第一法凯氏定氮法进行测定；脂肪含量测定：按GB5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》索氏抽提法进行测定；过氧化值：按GB5009.227-2016《食品安全国家标准食用植物油卫生标准的分析方法》进行测定；酸价：按GB5009.229-2016《食品安全国家标准食用植物油卫生标准的分析方法》进行测定；菌落总数：按GB4789.2-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》进行测定；大肠菌群：按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》进行测定；沙门氏菌：按GB 4789.4-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验沙门氏菌检验》进行测定。

1.7 压缩饼干基础配方的单因素试验及响应面优化

1.7.1 单因素试验

原基础配方为：面粉（全麦粉30%，小麦粉70%）100%，全脂奶粉10%，白砂糖6%，食用盐1%，小苏打1%，水16%，姜粉0.35%，棕榈油22%。本试验在原基础配方基础上选择不同的棕榈油添加量（按18%、20%、22%、24%、26%）、全麦粉添加量（按 25%、30%、35%、40%、45%）、全脂奶粉添加量（按7%、8%、9%、10%、11%）进行单因素试验设计，对制作得到的压缩饼干进行感官评价。

1.7.2 Box-Behnken Design-响应面优化分析

在单因素试验基础上，以棕榈油添加量、全麦粉添加量、全脂奶粉添加量为考察因素，在单因素优化的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计方法，以感官评价总分（Y）为响应值，进行三因素三水平的响应面试验，确定产品最佳感官质量，响应面试验因素水平见表2。

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

1.8 数据分析

利用Excel 2007和Design Expert8.6版软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 优化压缩饼干基础配方单因素试验

棕榈油添加量、全麦粉添加量和全脂奶粉添加量对饼干感官质量的影响见图1。

图1 棕榈油添加量、全麦粉添加量和全脂奶粉添加量对饼干感官质量的影响Fig.1 The sensory evaluation effect of the amount of palm oil addition，flour addition，whole milk powder addition on compressed biscuit

由图1知，随着棕榈油用量的增加，面团延伸性、可塑性不断上升，色泽不断变亮，由于油脂的作用主要是在面粉蛋白质和淀粉粒的表面形成一层不透性的隔离层，限制了面团吸水力，面筋难以形成，从而提高了面团性能，使得饼干容易成型，不易干裂，酥松性好[19]。棕榈油用量超过18%时，饼坯均容易成型，产品饼干内部结构、层次感、口感、色泽、香味不断朝着好的方向变化，感官评分不断升高，说明在一定范围内棕榈油用量越多越好，但是当棕榈油的用量超过24%时，其咀嚼性下降，适口性逐渐下降，感官评分也随着下降，所以棕榈油的最佳添加范围是20%～24%。

随着全麦粉的添加，饼干的圆整度良好，无显著变化，孔隙度无显著性变化；上表面纹络减弱，裂纹逐渐增多，但当全麦粉添加量超过35%时，饼干裂纹逐渐增多，口感酥脆度下降，所以全麦粉添加的最适范围是30%～40%。

随着全脂奶粉的增加，饼干的评分值先增加后减小，所以全脂奶粉的最适添加范围是8%～10%。

2.2 优化压缩饼干基础配方响应面试验

在单因素试验结果的基础上，比较选用较显著因素，进行三因素三水平试验，对压缩饼干的基础配方进行优化。响应面试验设计方案及结果见表3。

表3 响应面试验设计方案及结果Table 3 Experimental design and resuls for response surface optimization

2.3 回归模型的建立与检验

应用DesignExpert 8.6版软件对响应面试验结果进行分析，得到3个因素之间的响应方程：Y=-1 376.6+40.91A+22B+115.78C-0.225AB-0.65BC-0.625BC-0.437A2-0.233B2-4.32C2。对响应面设计的试验结果拟合的模型进行方差分析和显著性检验，由回归方程的方差分析中概率P值判定各个变量对感官评分分值Y影响的显著性，模型的回归方程和显著性见表4。

表4 回归模型方差分析Table 4 Regression model analysis of variance

由表可知，模型达到显著水平，判定系数R2为0.952 0，说明评价值的变异中有95.2%是由变量（A、B、C）引起。校正后的判定系数R2adj为0.890 3，表明模型方程很好地拟合指标与配方比例关系。一次项B高度显著，交互项AC显著，平方项A2和C2高度显著。各因素对饼干粉的影响程度依次为：B＞A＞C，即棕榈油添加量＞全麦粉加入量＞全脂奶粉加入量。F模型=15.43，P＜0.001，表明二次多元回归模型回归效果高度显著；F失拟=0.66，P=0.661 6＞0.05，失拟项不显著，回归模型无失拟因素存在[20]。回归模型与实际试验拟合良好。可用该模型对饼干品质进行进行分析和预测[21]。

2.4 因素间的交互作用

从响应面分析图上可以直观的反映出各自变量对响应值的影响，以及各自变量之间的交互作用[22]。根据回归方程得出不同因素的响应面分析图结果见图2～图4。全麦粉添加量与棕榈油添加量对饼干感官质量的影响见图2，全麦粉添加量与全脂奶粉添加量对饼干感官质量的影响见图3，棕榈油添加量与全脂奶粉添加量对饼干感官质量的影响见图4。

等高线的形状可以比较直观反映各个因素间交互作用的大小，等高图趋向椭圆，交互作用显著，反之，则不显著[23]，由图2～图4可知，AC两项的交互作用比较显著，其它交互作用不显著，这与方差分析的结果是一致的。

由图2可以看出，等高线沿B轴的变化比沿A轴要密集，说明因素B显著性要比A的大，即棕榈油添加量对饼干粉的影响要比全麦粉对其的影响要大；由图3可以看出等高线沿A轴的变化要比C轴密集，说明A的显著性要比C的大，即全麦粉对压缩饼干感官质量的影响要比全脂奶粉加入量大；由图4可以看出，等高线沿B轴的变化要比沿C轴的密集，说明因素B的显著性要比C大，即棕榈油添加量对压缩饼干感官质量的影响要比全脂奶粉大，这些分析结果都与方差分析的结果是相一致的。

图2 全麦粉添加量与棕榈油添加量对压缩饼干感官质量的影响Fig.2 The sensory evaluation effect of the amount of flour addition and palm oil addition on compressed biscuit

图3 全麦粉添加量与全脂奶粉添加量对压缩饼干感官质量的影响Fig.3 The sensory evaluation effect of the amount of flour addition and whole milk powder addition on compressed biscuit

图4 棕榈油添加量与全脂奶粉添加量对压缩饼干感官质量的影响Fig.4 The sensory evaluation effect of the amount of palm oil addition and whole milk powder addition on compressed biscuit

2.5 验证性试验

采用Design Expert 8.6版软件对响应面结果进行优化，得到压缩饼干的最佳基础配方为：面粉（全麦粉35%，小麦粉65%）100%，棕榈油20%，全脂奶粉9%，白砂糖6%，食用盐1%，小苏打1%，水32%，姜粉0.35%，预测值为84.37。此条件下进行试验验证，设置3次平行试验，得到压缩饼干平均感官评分为85，与理论预测值较为接近，偏差为0.74%，说明模型的拟合程度较好，具有实用价值。

2.6 压缩饼干产品的质量指标

2.6.1 质构特性

硬度41 890 g；黏性26 485.7；咀嚼性13 393.8均在较为合理的范围内[24]。

2.6.2 理化指标

水分含量：5.2%；蛋白质：13.57%；脂肪：18.6%；碳水化合物：60.43%；灰分：2.3%；过氧化值：0.631 5 g/100 g；酸价：0.193 5 mg/g均符合国家标准。

2.6.3 微生物指标

细菌总数≤100 CFU/g；大肠菌群≤3 MPN/100 g；致病菌未检出[25]。

3 结论

通过单因素试验及响应面分析方对全麦粉、棕榈油、全脂奶粉添加量进行优化，得出全麦粉35%、棕榈油20%、全脂奶粉9%时感官评分最高，此时饼干的最佳配比为：（以面粉为基准）面粉（全麦粉35%小麦粉65%）100%，棕榈油20%，全脂奶粉9%，白砂糖6%，食用盐1%，小苏打1%，水32%，姜粉0.35%（总计153.35%）。由方差分析和各因素交互作用可知各因素对感官评分的影响主次顺序为棕榈油添加量＞全麦粉加入量＞全脂奶粉加入量。此条件下压缩饼干形态、组织较好，表面色泽非常均匀，有光泽，口感松脆，硬度适中，不黏牙，香味强，无异味。但本试验还只是对压缩饼干的基础配方进行研究，并没有对压缩过程中的配方进行优化，因此下一步的工作，还可在本试验基础配方的基础上，添加葡萄糖、大豆蛋白粉、牛磺酸、复合维生素、复合矿物质等营养强化剂，进行营养强化系列产品开发。

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