D-最优混料设计优化方便粥粉配方

吴练军，贺稚非,2，张东，邓大川，李洪军,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

大米是全球最主要的粮食作物之一，是世界50%以上人口，我国60%以上的人口的主食[1-3]。玉米作为一种重要的谷物原料，常用于食品、饲料和工业应用，富含VB1、VB2，VE，胡萝卜素，烟酸和微量元素硒、镁等[4-5]。并且玉米中含有的玉米黄素具有抗氧化、预防多种老年疾病、减少心血管疾病和癌症发病的独特生理功能[6-7]。燕麦米具有增强免疫力、预防癌症和抗衰老等作用，燕麦胚乳细胞壁的重要成分β-葡聚糖是降血脂的有效成分[8]。

本实验通过D-最优混料设计实验对大米(雪粳稻)、玉米粉和燕麦米的比例进行优化，为动植物复合健康营养早餐的产品开发，研究食用品质良好，加工性能优秀的方便粥粉提供配方数据。目前评价淀粉内食品的食用品质主要是通过感官评价，而随着研究深入，国内外许多学者使用质构仪和黏度测定仪等仪器，分析仪器测得的数据与感官评价的相关性，试图通过客观指标量化食品品质[9-11]。而在实验设计中将以溶解度、膨胀度、崩解值和碘蓝值这一类能够反应淀粉制品食用品质和加工特性的指标作为评价，不依赖主观的感官评定，而通过客观的量化指标，研究出一种新型方便粥粉配方。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料

大米(雪粳稻)、玉米粉、燕麦米均购买于重庆北碚永辉超市，所有原料经粉碎后过60目筛备用。

1.1.2 药品试剂

I2、KI、HCl，以上试剂均为分析纯。

1.1.3 实验设备

电热恒温鼓风干燥箱(DGG-9240A型),上海森信实验仪器有限公司;可见分光光度计(722型),海元析仪器有限公司;快速黏度分析仪(RVA),波通瑞华科学仪器(北京)有限公司。

1.2 试验设计

根据预试验得到雪粳稻、玉米粉和燕麦米的比例范围，然后采用辅助软件Design Expert(V.10.0.3)中的D-最优混料试验(D-optimal)设计。以雪粳稻、玉米粉和燕麦米的添加比例为变量，以混合原料粉的溶解度、膨胀度、崩解值和碘蓝值作为响应值。参考文献资料[12]及预试验结果，以原料粉总量为1，设计混料试验的因素及水平见表1，雪粳稻、玉米粉和燕麦米组合配方见表2。

表1 混料试验因素和水平Table 1 Factors and levels of experimental mixture design

表2 方便粥粉配方的混料设计组合设计表Table 2 Mixture design matrix for instant porridgepowder formulations

1.3 实验方法

1.3.1 溶解度和膨胀度的测定

取适量粉碎后过60目筛的各原料粉，按混料设计组合设计表准确称量复合原料粉2.5 g作为样品，将称量的样品倒置离心管中，向离心管内加水，加水量为50 mL。将处理好的样品置入沸水浴中，间隔5 min振荡1次，沸水浴30 min后，将样品放置室内，待其冷却至室温后离心。设置离心转速为3 000 r/min，时间为15 min，离心后样品的上清液和沉淀物分开，分别放入烘箱烘至恒重。对上清液中干物质烘干后的质量和沉淀物烘干后的质量分别进行称量[13]。并按公式(1)和式(2)计算溶解度和膨胀度。

(1)

(2)

式中:m，样品质量，g；m1,溶解样品重量，g；m2，膨胀样品质量，g。

1.3.2 快速黏度测定仪(RVA)测定糊化特性

参照GB/T 24853—2010的方法。准确量取25 mL水，加入(3.00±0.1)g混合原料粉，用旋转浆搅拌均匀，然后放入快速黏度仪中测定。最初10 s内旋转速度为960 r/min，保持160 r/min至结束，50 ℃开始升温，3.75 min内加热至95 ℃，并保温2.5 min，3.85 min内冷却至50 ℃，并保温1.4 min[14]。

在规定的测试条件下，试样的水悬浮物在加热和内源性淀粉酶的协同作用下逐渐糊化，这种变化由快速黏度分析仪连续监测。根据所获得的黏度变化曲线，即可确定其糊化温度、峰值黏度、峰值温度、最低黏度、最终黏度并计算其崩解值和回生值等特征数据。

1.3.3 碘蓝值的测定

根据王肇慈的方法进行修改[15]。准确称量1 g混合原料粉倒置入离心管内，加入25 mL水，在80 ℃下热水浴20 min。取出冷却至室温，设置离心转速为6 000 r/min，时间为5 min。离心后取样品的上清液1 mL，加入0.1 mol/L盐酸和0.2 g/100mL碘试剂各0.5 mL，定容至10 mL，静置15 min后，于620 nm波长下测吸光值。

2 结果与分析

2.1 模型及回归方程的建立

表3 混料设计实验安排及结果Table 3 Arrangement and results of mixture design

选用分析模型Cubic和Special Quartic回归方程分析法分析，可得预测方程，如表4所示。根据 Design Expert建议，溶解度和膨胀度选用特殊四次分析模型，崩解值和碘蓝值采用立方分析模型。

表4 响应值的预测模型Table 4 Predictive models in terms of actual components for the response values

表5 溶解度方差分析Table 5 Analysis of variance for the fitted regression model of solubility

注：*：差异显著，p<0.05； **：差异极显著，p<0.01。

从表8可知，以碘蓝值为响应值，模型p=0.000 1<0.010 0，说明该立方模型极其显著，雪粳稻、玉米粉和燕麦米具有极显著的交互作用。失拟项p=0.145 7>

表6 膨胀度方差分析Table 6 Analysis of variance for the fitted regressionmodel of swelling power

注：*：差异显著，p<0.05； **：差异极显著，p<0.01。

2.2 原料粉不同配比对理化性质的影响

在最优混料设计中，各因素的变化对指标的影响可以在等高线图及3D效应面图谱表示，在实验中，雪粳稻、玉米粉和燕麦米3者的交互作用下，对整个原料粉体系的溶解度、膨胀度、崩解值和碘蓝值等理化指标产生的作用可以通过分析得出。而在本次实验设计中，将不依赖于感官分析，而是通过分析理化指标的变化，反应产品的食用品质和加工性能。

表7 崩解值方差分析Table 7 Analysis of variance for the fitted regression model of breakdown value

注：**：差异极显著，p<0.01。

表8 碘蓝值方差分析Table 8 Analysis of variance for the fitted regression model of iodine blue value

注：*：差异显著，p<0.05； **：差异极显著，p<0.01。

图1描述了3种原料粉不同配比对溶解度的影响作用，响应图为曲面，说明雪粳稻、玉米粉和燕麦米三者之间具有交互作用。结合等高线图及3D效应面图谱可以发现，3种原料对于溶解度都具有显著的影响，其中在玉米粉添加的一定范围内，具有更高的溶解度。淀粉溶解度与淀粉粒的大小、形态和直链支链比例有关，淀粉的颗粒越大，结构越疏松，直链淀粉含量越高溶解度越大[16-17]。燕麦米淀粉颗粒较小，形态差异大，平均粒径在1～5 μm，玉米和大米淀粉粒形态单一，粒径分别为10～50 μm和1～10 μm[18-19]。玉米淀粉粒径最大，溶解度也相应的更高，其对混合原料粉整体溶解度的贡献也最大，这与实验结果一致，溶解度与玉米添加量呈正相关，当玉米添加量取最大时，溶解度达到顶点。

图1 3种配料配比对溶解度影响的等高线图及3D效应面图谱
Fig.1 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on solubility

图2描述了3种原料粉不同配比对膨胀度的影响作用，响应图为曲面，说明雪粳稻、玉米粉和燕麦米三者之间具有交互作用。膨胀度受颗粒内部化学键交联程度、直链淀粉含量、颗粒形态大小和非碳水化合物等多方面因素的影响。从3D效应面图可以看出，在玉米粉添加的一定范围内，具有更高的膨胀度，这是由于玉米淀粉具有更大的粒径[16-17]。同时LI在研究大麦淀粉的颗粒形态、成分和淀粉结构时，发现淀粉的膨胀度与直链淀粉含量呈负相关[20]。而雪粳稻的添加量超过65%以后，随着添加量的增加，膨胀度整体呈下降趋势，这一实验结果可能是因为直链淀粉含量的增加而导致的，这一猜测需要通过对原料的淀粉理化性质做进一步研究进行验证。

图2 3种配料配比对膨胀度影响的等高线图及3D效应面图谱
Fig.2 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on swelling power

图3描述了3种原料粉不同配比对崩解值的影响作用，响应图为曲面，说明雪粳稻、玉米粉和燕麦米三者之间具有交互作用。从3D效应图可以看出，在雪粳稻添加的一定范围内，具有更高的崩解值。燕麦米的添加量与崩解值呈显著性负相关，这与顾军强[21]对42个燕麦品种糊化特性研究结果相符，而胡培松[22]的研究表明崩解值与直链淀粉含量呈极显著负相关，但却对直链淀粉的含量却没有完全的决定作用，这也解释了燕麦米添加量对膨胀度影响不显著。燕麦米含量超过15%后，随添加量的增加，混合原料粉崩解值急剧下降，这会对熟化成型后产品的食味值造成较大的负面影响，因此优化后的配方燕麦米的含量不宜超过15%。在燕麦米处于低水平含量的情况下，玉米粉的添加量对整个混合原料粉体系崩解值的影响呈先增加后减小趋势，这与预实验中玉米粉-雪粳稻二元混合粉的趋势相同。

图3 3种配料配比对崩解值影响的等高线图及3D效应面图谱
Fig.3 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on breakdown value

图4描述了3种原料粉不同配比对碘蓝值的影响作用，响应面响应曲面图为曲面，说明雪粳稻、玉米粉和燕麦米三者之间具有交互作用。从3D效应图可以看出，碘蓝值随玉米粉添加量的增加而上升，即玉米粉的添加量与指标之间是显著正相关的。直链淀粉是由葡萄糖残基组成的双螺旋结构，与碘反应生成蓝色络合物，吸光值较高；支链淀粉存在较多外链分支，与碘络合呈紫红色，吸光值较低，因此直链淀粉含量与碘蓝值呈正相关。而和大米淀粉相比，玉米的直链淀粉含量相对较高[24]。在燕麦米添加的一定范围内，碘蓝值是随燕麦米的添加量增加而减小的，而添加量接近20%时却有部分实验点出现了碘蓝值上升的情况。这可能是由于碘蓝值是表示溶解在米汤中的直链淀粉浓度的，与淀粉的溶解度有一定的关系。燕麦米淀粉颗粒小[18-19]，溶解度较低，而随着燕麦米添加量接近20%，溶出的直链淀粉含量增加，所以出现了碘蓝值上升。玉米淀粉直链含量高，同时淀粉颗粒大，溶解度相对较大，因此对碘蓝值具有显著的影响。

图4 3种配料配比对崩解值影响的等高线图及3D效应面图谱
Fig.4 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on iodine blue value

2.3 配方的优化及验证实验

溶解度和膨胀度是淀粉链在淀粉无定形区和结晶区结合强弱程度的表征，在一定程度上反应了淀粉颗粒内部相互结合能力和持水力，对淀粉类制品的性质有很大影响[25-26]。邹铁对粉丝加工工艺进行研究时发现，在实际生产中溶解度过高会使制成的粉丝容易糊汤，蒸煮损失也较大，膨胀度过低会导致粉丝容易出现断条的现象[27]，因此淀粉的溶解度和膨胀度在食品加工中具有重要的意义。而在实验中过程中发现溶解度过低，会导致汤体分层，膨胀度的变化范围相对其测定值的大小并不显著，且影响不明显。

RVA特征值特别是崩解值和峰值黏度与直链淀粉含量、胶稠度有显著相关性，也可以定量分析大米的食味品质，同时也有研究表明食味较好的大米也具有较高的崩解值[22-23]，这一结论也与预实验结果一致。碘蓝值与大米食用品质具有显著相关性的指标，普遍被认为可以用以衡量大米食用品质[28]，大米食用品质的劣变，包括淀粉结构的变化，反应到理化性质则是碘蓝值的下降。

综上所述，期望溶解度、崩解值和碘蓝值在水平范围内同时达到最大，膨胀度影响并不显著，因此设定膨胀度的水平在范围以内。运用软件多目标同时优化，得到2个组合配方，即：66.4%雪粳稻、23.4%玉米粉和10.2%燕麦米(配方1)；66%雪粳稻、24%玉米粉和10%燕麦米(配方2)，如表10所示。分析优化结果可知，期望值越接近1综合评价越好，但两组配方期望值相同，且各响应值之间无显著性差异。考虑到之后实验和生产，在此实验结果下选择选择更易于实验和生产的实验点(0.66,0.24,0.10)。

得到优化配方后进行验证实验，对配方1和配方2进行验证实验，结果见表11。配方1和配方2中膨胀度指标与预测值差异显著(p<0.05)，但膨胀度指标只要求在水平范围内，并未对其提出要求进行优化，且其他指标与预测值差异不显著(p>0.05)。说明得到的目标配方和预测值可靠，与实验值一致。

表9 方便粥粉响应值最优点的参数、预测值和期望值 Table 9 Optimal instant porridge powder formulationswith predicted Response values for solubility, swellingpower, breakdown value and iodine blue value andoverall expected values

表10 优化配方验证实验的响应值Table 10 Actual Response values for solubility, swellingpower, breakdown value and iodine blue value of optimalrice blends formulations

3 结论

配方中不同的雪粳稻、玉米粉和燕麦米比例对混合原料粉的崩解值具有一定的交互作用，在雪粳稻的一定添加范围内，具有较高的崩解值；不同的雪粳稻、玉米粉和燕麦米比例对混合原料粉的溶解度、膨胀度和碘蓝值具有一定的交互作用，而且总的趋势是玉米粉添加比例越大，各指标值越高。

有别于通过主观的感官评价，本实验通过客观的理化指标，对方便粥粉的配方进行优化。通过回归方程和多目标优化分析，得到组合配方为66%雪粳稻、24%玉米粉和10%燕麦米，经验证，优化的配方溶解度、膨胀度、崩解值和碘蓝值分别为5.28%、86.16%、770 cp和0.627，各指标与预测值相符，达到了通过理化指标优化配方的目的，优化后的配方具有良好的食用品质和加工特性。