响应面法优化一种营养面糊工艺

张涛，余林翠，吴鹏，许志诚，孙翌，葛静，田颖*

1(扬州大学 旅游烹饪学院，江苏 扬州，225000) 2(安徽科技学院 食品药品学院，安徽 滁州，233100)

本文针对老年人特殊生理状态设计一种面糊，配方主要包括：荞麦、玉米、山楂等原料。荞麦所含蛋白质、膳食纤维可以帮助对抗衰老[1]。玉米粉同样含有多种不饱和脂肪酸、丰富的膳食纤维，对人体具有良好的保健作用[2]。山楂具有健胃消食，改善口感的作用，含有大量的纤维素、果胶、半纤维素等物质[3]。香蕉，与荞麦等起到类似作用，且饱腹功效相当明显。同时，荞麦、玉米、香蕉等富含K+,有调节细胞渗透压等作用，脂肪含量较低，有利于老年人消化吸收。本文设计的营养面糊其加工工艺采用高温蒸制结合喷雾干燥的方法，可以有效地保留原料的营养成分，使用的原料营养素来源丰富，添加剂较少，口感区别于以往以粮谷类为主要的面糊类产品，有着良好的开发前景。

1 材料与方法

1.1 主要实验材料

食品罐50个；市售小麦面粉，玉米粉，胡萝卜粉，香蕉，中老年脱脂奶粉，山楂粉，荞麦粉，抗坏血酸，木糖醇；果胶酶，淀粉水解酶。

1.2 主要仪器设备

PRO SERIES型智能烤箱，瑞典雅士高家用电器公司；DHG9148型恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；BSSA224S型精密型电子天平，德国赛多利斯电子天平有限公司；Allegra X-22R型台式冷冻离心机,美国贝克曼公司；Hsx-250B型智能恒温恒湿箱,上海福玛实验设备有限公司；KINEXUS PRO+型旋转流变仪,英国马尔文仪器有限公司；SQ62型高速离心喷雾干燥机,无锡林州干燥器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 配方的初步确定方法

根据老年人的特殊生理状态，查阅有关的《中国居民膳食指南2016》[4]、《中国居民膳食营养素参考摄入量2013》[5]、《中国食物成分表2004》[6]、营养面糊原料营养成分表，确定该营养面糊的基础配方。

1.3.2 生产工艺流程

生产工艺流程如图1所示。

首先，荞麦粉、小麦面粉、玉米粉蒸入蒸箱，条件100 ℃，2 h，再放入恒温鼓风干燥箱中，60 ℃，2 h，得到熟制粉。

香蕉粉制作：(1)鲜香蕉切片，每1片保持在0.5 cm厚度，然后把切片浸入浓度为0.05%的抗坏血酸溶液中，85 ℃，浸入时间保持在9 min进行护色；(2)然后用料理机进行香蕉片的破碎匀浆过程；(3)在调制好的匀浆中加入果胶酶、α-淀粉水解酶置于室温状态下进行酶处理，去除果胶和淀粉成分；(4)利用离心机3 000 r/min进行离心分离，去掉上清液，再进行压滤操作；(5)最后再利用喷雾干燥器，设置进风温度170 ℃，出风口温度60 ℃，得到含纤维的香蕉粉。

最后进行混合均匀密封，得到成品。

图1 技术路线图Fig.1 Technical roadmap

1.3.3 产品的感官评价方法

设置一个10个人的感官评定小组，进行感官评定，感官评分标准见表1。

1.3.4 模糊综合评价法[8]

模糊综合评价法是可以根据各指标对感官评分的影响程度，运用数学的方法进行计算各指标权重，其主要的原理是根据因素和评语的隶属度关系，将定性的问题定量化，例如将评语“很好”、“好”等转化为数学数据得到计算结果。其优势在于可以解决难以制定界定标准的问题，比如营养面糊的指标“色泽”、“气味”等通过转换的方法减少了直观上的误差。逻辑性强，得到结果也会比较清晰。

表1 感官评分标准[7]

(1)确定因素集：U=(a色泽，a气味，a组织形态，a溶解性，a口感)；

(2)确定评语集合100分为非常好，80～100分为好，60～80分为一般，40～60分为差，20～40分以下为很差，则U′表示为：U′=(b很好，b好，b一般，b差，b很差)；

(3)权重确定：口感>溶解性=组织状态>色泽=气味，因素权重表示为：X=(0.1，0.2，0.1，0.2，0.4)；

(4)模糊矩阵建立与结果计算：统计每个感官指标的评语类别和数量，再分别除以10得到5个因素对5项评语的隶属度，然后成行排列即得到隶属度矩阵，根据模糊变换公式Z=XR(R表示隶属度矩阵)，最后根据评语集进行加和得到每个产品的综合评分。

1.3.5 单因素实验设计

对于营养面糊的设置的因素水平表如表2所示。

1.3.6 响应面实验设计

响应面实验设计方案如表3所示。

1.3.7 产品黏度测定方法

取30 g产品加入70 mL水(水温60 ℃)搅拌均匀后，放入保温箱待测。黏度测定方程[9-11]：

表2 因素水平表

表3 响应面因素水平表

η=κ·γn-1

此处η为表观黏度；κ为相关性指数；γ为剪切速率；n为流动指数。

测定并绘制产品的表观黏度与时间变化的关系曲线，样品剪切时间为5 min，剪切速率100 s-1，每隔20 s取1个点，温度25 ℃。

1.3.8 吸湿性测定

根据响应面得到的最佳配方，测定其固特粉末吸湿特性。利用干燥器，其中底部含有饱和NaCl溶液，放置于25 ℃的恒温培养24 h，此时相对湿度为75%。将响应面优化的产品放置于鼓风干燥箱中，102 ℃干燥3 h至衡重。分别称取已经达到衡重的各粉末3 g于干燥器中的平板上。每隔24 h称重，直至吸湿平衡为止[12]。式(1)为吸湿率的计算公式。

(1)

式中：m1为吸湿前质量；m2为吸湿后质量。

以相对湿度75%吸湿平衡时的吸湿百分率表示粉末的吸湿性，做3次平行实验。

1.3.9 数据分析

所有数据均用SPSS 16.0、Excel 2007、Design-Expert 8.0.6进行处理，显著水平取p<0.05。

2 结果与分析

2.1 产品配方设计结果

根据老年人特殊生理状态查阅资料，遵循低脂肪、高膳食纤维等原则得到营养面糊基础配方：小麦面粉10 g、玉米粉5 g、胡萝卜粉5 g、香蕉粉4 g、脱脂奶粉(4、6、8、10、12 g)、山楂粉(4、6、8、10、12 g)、荞麦粉(2、4、6、8、10 g)、木糖醇(1、2、3、4、5 g)、抗坏血酸0.05 g。各配方营养素含量如表4所示。

表4 各配方营养素含量

2.2 单因素实验结果

固定山楂粉8 g、荞麦粉6 g、木糖醇6 g，将脱脂奶粉按梯度加入，结果如图2所示。

图2 脱脂奶粉添加量对面糊感官性状影响Fig.2 Effect of skim milk powder content on sensory quality of batter

由图2可以得出随着脱脂奶粉加入量增加，感官评分越高，直到加入量达到10 g，感官性状达到最佳(p<0.05)，之后出现下降趋势可能是口味过于浓郁的原因。

固定脱脂奶粉10 g、荞麦粉6 g、木糖醇6 g，将山楂粉按梯度加入，进行模糊综合感官评分，结果如图3所示。

图3 山楂粉添加量对面糊感官性状的影响Fig.3 Effect of hawthorn powder content on sensory quality of batter

由图3可知随着山楂粉的加入，感官评分呈现先上升后不断降低的趋势，当山楂粉加入6 g时，感官评分最高(p<0.05)，山楂粉有明显的酸味，当加入少量如4 g时没有明显的酸味，更多的是面粉以及奶粉味道，但是加入量超过6 g时，产品呈现出不和谐的酸味，导致酸味太浓。所以其添加量为6 g最适宜。

固定脱脂奶粉10 g、山楂粉8 g、木糖醇6 g，荞麦粉按照梯度加入，进行感官评分，结果如4所示。

图4 荞麦粉添加量对面糊感官性状的影响Fig.4 Effect of buckwheat flour content on sensory quality of batter

由图4可知，荞麦粉添加量对感官影响是先上升后下降的趋势，当添加量达到8 g的时候，感官性状为最好(p<0.05)，所以选用的最优条件为8 g。

控制脱脂奶粉10 g、山楂粉8 g、荞麦粉6 g，将木糖醇按照梯度加入，结果如图5所示。

图5 木糖醇添加量对面糊感官性状的影响Fig.5 Effect of vcontent on sensory quality of batter

由图5可知，显著性分析p>0.05，木糖醇添加量对面糊感官性状评分影响不大，可能是因为木糖醇对产品除了口味之外的指标影响不大，其次可能由于木糖醇作为一种食品添加剂，添加量较少，对其感官性状改变不大，所以该因素对产品影响不大，考虑到老年人特殊生理状态，所以可以设为固定添加量2 g。

2.3 响应面实验结果[13]

用Design-Expert 8.0.6对表5数据进行二次多项式拟合，获得的关于中老年脱脂奶粉添加量、荞麦粉添加量、山楂粉添加量的二次回归方程。

X=92.30+8.24A+4.25B-1.84C+10.02AB-1.35AC-2.33BC-23.60A2-9.82B2-3.95C2，由方程可知A、B项系数为正，说明该2个变量正向变化可以使得响应值增加，C项系数为负，说明有极大值存在，故能够进行最优值分析。分析对数据进行多元回归分析，得到表6。

表6 多元回归模型分析

注:R2=0.996 5，S2=1.45，CV(%)=1.94。

由表6可以看出回归模型p<0.000 1，说明模型极显著，说明该种方法符合实验要求，数据合理可靠。R2=0.996 5则表明预测值与实际值之间的相关性非常高，误差非常小。表中AB、BC项对感官评分影响显著，表明他们之间存在交互作用。其中A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2项显著，由于二次项系数绝对值大小反应影响的显著程度，则：脱脂奶粉>荞麦粉>山楂粉。同时可以用回归方程来反映，并且可以估算出最优配方值。

将数据在Design-Expert 8.0.6进行三维绘制，得到响应曲面如下：

由图6可知：以脱脂奶粉添加量和荞麦粉交互作用为例进行降维分析，固定其他因素。脱脂奶粉的添加量变化会是的坡面显著变化，而荞麦粉添加量的变化，坡面变化较缓，说明响应值受到脱脂奶粉添加量影响较大，两者添加量呈一个典型的椭圆形状，说明两者的交互作用明显。脱脂奶粉和山楂粉的交互作用同样表现为脱脂奶粉对响应值影响较大，山楂粉的添加量变化几乎不引起坡面的变化，两者交互作用不显著。荞麦粉和山楂粉的交互作用表现为荞麦粉添加量引起坡面变化较显著，山楂粉的影响较小，可以观察到两者的交互呈现出的形状非明显的椭圆形状，说明两者的交互作用显著性较低。通过该软件进行预测值估算，得到中老年脱脂奶粉添加量10.54 g、荞麦粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，感官评分为94.635 3。

图6 响应曲面及等高线Fig.6 Response surface and contour plot

2.4 验证实验

取响应面预测值中老年脱脂奶粉添加量10.54 g、荞麦粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，小麦粉10 g、玉米粉5 g、胡萝卜粉5 g、香蕉粉4 g、木糖醇2 g、抗坏血酸0.05 g，做3组平行实验，进行模糊综合感官评价。结果表明，感官评分为94.7，与预测值有良好的吻合性，说明模型可行。其最优配方具备了色泽均匀、气味浓郁、颗粒干燥疏松无结块、口感顺滑等特点。取最优配方根据GB 28050—2011预包装食品营养标签通则[14]和表4计算得到营养面糊的营养成分表如表7所示。

表7 营养成分表

注：NRV表示营养素参考值；NRV%表示每100g产品中所含营养成分占营养素参考值(NRV)的百分比。

根据表7，并查阅《中国居民膳食营养素参考摄入量2013》相关内容可以得出营养面糊每100 g所含的营养素如蛋白质、脂肪、碳水化合物等均小于老年人每日营养素需求量，由于其作为一种辅食，同时考虑到老年人对脂肪和碳水化合物的耐受能力和每日的其他正常饮食外，该营养面糊具有百分比含量相对较高的膳食纤维、钾、蛋白质，较低的脂肪、能量和钠。有研究表明膳食纤维具有饱腹，吸收体内胆固醇，促进胃肠道蠕动等作用；钾较高有利于老年人血压的稳定。所以最优配方的营养面糊具有良好的营养素分布的特点，符合老年人的膳食摄入规则，该最优配方面糊营养素含量对膳食标准具有依从性。

2.5 产品黏度测定结果

由图7可知随着时间推移，产品黏度下降的趋势放缓，查阅配料表可以得知，主产品要成分是大米淀粉和粗粮面粉类，当产品与水搅拌后，无规则的直链淀粉和支链淀粉相互缠绕形成一种较为稳定的三维结构[15]，但是也不会像化学键那样有很稳定的作用力来维持结构，所以当随着时间变化的时候，剪切速率为100 s-1，流体阻力慢慢降低，其表观结构会慢慢受到破坏，面糊流体就会随着转子的方向流动，当到一定时间后，聚集的分子结构被打开越来越多，黏度变化就变得缓慢趋于稳定。在剪切速率恒定情况下，产品表观黏度随时间不断地下降，具有触变性，产品的触变性越低，那么流体的稳定性就越高，这样的话就可以很好地防止面糊久置发生沉淀[16]。产品表观黏度变化曲线不是平滑下降，这可能是由于没有形成一种非常稳定的体系，所以它的优势在于口感比较的顺滑，由于产品具有触变性，体系不稳定，所以是一种即食不能久置的辅食。

图7 自制实验样品表观黏度随时间变化曲线Fig.7 Self-made experimental sample apparent viscosity with time curve

2.6 吸湿性实验结果

经过邓肯实验分析，图8中标的字母表示存在显著性差异 (p<0.05)，96 h时该面糊达到了一个吸湿平衡状态。粉末由之前的细腻状态逐渐聚集在一起，形成团状，颜色也逐渐加深，有黏性。在25 ℃下、相对湿度为75%的环境下贮藏时，即食面糊在24～48 h时间内，水分吸收率急剧增大，在48～96 h内吸附速率逐渐减小，96 h后逐渐趋于平衡。

图8 吸湿性图Fig.8 Hygroscopic map

3 结论

通过单因素实验确定了中老年脱脂奶粉、山楂粉、荞麦粉添加量的范围、并排除对结果影响不大的因素木糖醇。通过响应面实验得到产品的最优配方为：老年脱脂奶粉添加量10.54 g、荞麦粉添加量8.80 g、山楂粉添加量5.20 g，小麦粉10 g、玉米粉5 g、胡萝卜粉5 g、香蕉粉4 g、木糖醇2 g、抗坏血酸0.05 g。是一种具有触变性的流体，口感顺滑，黏度适中，色泽均匀，营养素来源丰富，含量合理，在吸湿性测定中，产品在24～48 h吸湿速率迅速增加，96 h时吸湿速率趋于稳定，需密封贮藏，可以考虑作为一种新的辅食进行推广，进行深加工。

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