响应面法在豆纤维橙味曲奇饼干研制中的应用

周晓洁,王秋普,赵良忠,*,尹玲红,夏璜金,黄玉平

(1.邵阳学院食品与化学工程学院,湖南邵阳 422000; 2.豆制品加工技术湖南省应用基础研究基地,湖南邵阳 422000;3.湖南省果蔬清洁加工工程技术研究中心,湖南邵阳 422000)

豆纤维是豆制品加工的副产品,每年产量可达2.8×109kg[1]。豆纤维富含膳食纤维,具有一定的生理和保健功能,能够有效降低血液中胆固醇含量[2-3],有利于血糖和胰岛素维持在正常水平,并促进肠胃的蠕动[4],对便秘、结肠癌、痔疮等有一定的预防作用[5-6]。豆纤维水分含量高,营养丰富且容易发酸发臭,水分减少时容易发粘结团[7],目前豆纤维除少部分作为饲料外,绝大部分作为废料丢掉,在食品中的利用率低,既造成了资源的浪费,同时污染了环境[8]。橙皮是柑橘类脐橙或香橙的果皮,其化学成分含有橙皮香精油、橙皮苷、橙皮素、果胶寡糖等[9],橙皮可入药,主要起化痰止咳的作用,其煎剂能够有效地抑制肠道、胃和子宫的运动[10]。少量的橙皮油(含量约为0.93%～1.95%)对慢性咽炎有着良好的治疗效果,且对肾脏无刺激作用;橙皮苷和橙皮素可以有效地防止心血管疾病和预防癌症[11-12];酸橙素可降低胆甾醇的含量[13]。

曲奇是一种高糖、高油脂的饼干,其口感酥松,但由于曲奇热量高,且油脂易氧化变质,不符合现代人营养健康的消费理念[14]。为了改善曲奇产品的滋味与口感,同时增加饼干的膨松度,国内外学者做了很多相关研究,吴德智等[15]采用发酵法制备葛根渣膳食纤维及其酥性饼干的研制中将葛根渣经发酵后添加,膳食纤维的纯度和物化性质均得到一定的提高,其饼干感官品质良好,硬度明显提升。李素芬[16]在甘薯渣对曲奇饼干品质的影响研究中发现,当薯渣粉添加量为20%时,与对照(未添加)相比,曲奇饼干的硬度、酥脆性、黏着性、咀嚼性分别下降了76.3%、73.5%、76.7%和88.4%,且饼干的感官评价得分为75.3分。

本研究以面粉、豆纤维粉、橙皮糖等作为主要原料,采用响应面法优化设计确立豆纤维橙味曲奇饼干最佳工艺配方。利用橙皮的特殊气味,赋予饼干独特的清香;利用豆纤维的特性,可减少曲奇饼干的能量,改善它油腻的口感,并有效的增加橙皮与豆纤维的经济附加值,从而丰富人类的膳食结构,以期为拓宽豆纤维粉、橙皮的利用范围提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低筋面粉 湖南幸福厨食品公司;橙皮、豆纤维粉 由湖南省应用基础研究基地提供;氯化钙 湖北鑫恒业生物科技有限公司;CMC-Na 无锡市百瑞多化工产品有限公司;鸡蛋、食盐、黄油、白砂糖、小苏打等 均市售;其他试剂均为分析纯 购自国药化学试剂有限公司;市售饼干 卜珂牌蔓越莓曲奇饼干。

YXD-40型烘烤箱 上海红联机械电器制造有限公司厂;FW177型粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;GZX-9140型电热鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;C20-SK2002型电磁炉 天津市泰斯特仪器有限公司;EL204型电子天平 梅特勒-托利多公司;6GXD-13型削皮机 广州达桥食品设备有限公司;LS-5型质构仪 美国阿美特克(AMETEK)有限公司;CA-HM型热量成分检测仪 日本JWP有限公司。

1.2 制作工艺

1.2.1 工艺流程 见图1。

图1 豆纤维橙味曲奇饼干的制作工艺流程

1.2.2 操作要点 原料预处理:将橙皮用4%食盐、0.4%明矾、1%氯化钙等预处理后,再经清水漂洗2 h、沥干、渗糖(橙皮∶糖液=1∶2,糖液以100 mL为计:蔗糖40 g、柠檬酸为0.2 g,食盐为0.7 g)、烘干(80 ℃,2 h)得到橙皮糖;将干豆纤维、白糖用中草药粉碎机粉碎后,得到白糖粉和粗豆纤维粉,粗豆纤维粉再经超微粉碎机粉碎,过筛(100目)得到实验用豆纤维粉[17-18]。

油糖混合料制备:黄油装于容器内置于热水中软化后,用打蛋器将其乳化,以面粉和豆纤维粉的总量为基准(即固定不变),将0.5%小苏打、1%食盐、20%鸡蛋液、油糖(黄油+白糖=100 g)、橙皮糖加入乳化后的黄油中,搅匀,得到油糖等混合料;

油糖料与面料混合:将一定量豆纤维粉和低筋面粉添加入油糖混合物中,搅匀至无白心为止;

再经曲奇饼干模型固型、-18 ℃冷冻1 h、烘烤(180 ℃,烘烤20 min)、自然冷却、真空包装等得到成品。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素实验

1.3.1.1 研究不同豆纤维粉添加量对曲奇饼干品质的影响 以面粉与豆纤维粉总量为基准,固定橙皮糖添加量15%、油糖(100 g)质量比为2∶1,分别添加20%、25%、30%、35%、40%的豆纤维粉制成饼干,并对其感官评分和硬度进行综合评定,研究豆纤维粉添加量对产品品质的影响。

1.3.1.2 研究不同橙皮糖添加量对曲奇饼干品质的影响 以面粉与豆纤维粉总量为基准,固定豆纤维粉添加量25%、糖油(100 g)质量比为2∶1,分别添加5%、10%、15%、20%、25%的橙皮糖制成饼干,并对其感官评分和质构进行综合评定,研究橙皮糖添加量对产品品质的影响。

1.3.1.3 研究不同油糖质量比对曲奇饼干品质的影响 以面粉与豆纤维粉总量为基准,固定豆纤维粉添加量25%、橙皮糖添加量25%、分别按4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的糖油(100 g)质量比制成饼干,并对其感官评分和质构进行综合评定,研究糖油质量比对产品品质的影响。

1.3.2 响应面设计试验 根据单因素试验结果,利用Design-Expert 8.0.6b Box-Behnken 方法进行响应曲面优化试验,优化豆纤维橙味曲奇饼干配方。因素水平见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平表

1.4 评价方法

1.4.1 感官评价标准 由10名有一定品评经验的食品专业人员按照表2的标准进行评定,并保持每次感官测定人数不变,参照GB 7100-2015[19]中饼干的感官标准,从外观、色泽、滋味与口感、组织结构四个方面评定,每次感官评定的最终得分取10人评判分数的平均值。

表2 感官评分标准表

1.4.2 硬度测定 将曲奇饼干于室温下进行二次压缩试验。测定条件为:探头型号P/35,测试前、中、后速率分别为40、30、40 mm/s,触发力0.05 N,压缩形变率40%,中间停留时间5 s。同一批次饼干选择3块,进行测定,取其平均值[20]。

1.4.3 理化指标的测定 蛋白质含量的测定:参照GB 5009.5-2016[21];水分含量的测定:参照GB 5009.3-2016[22];脂肪含量的测定:参照GB 5009.6-2016[23];饼干中的碱度的测定:根据GB/T 20980-2007[24]。

1.4.4 豆纤维橙味曲奇饼干与市售饼干热量对比 研究用热量成分检测仪对最优配方条件下曲奇饼干与卜珂牌蔓越莓曲奇饼干进行测定并对比。

1.5 数据处理

运用Design-Expert 8.0.6 b软件进行方差分析,采用Excel 2003软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验及其结果分析

2.1.1 豆纤维粉添加量对饼干品质的影响 由图2可以看出,豆纤维粉的添加量对饼干的感官评分和硬度等都有很大的影响。随着豆纤维粉添加量的增加,饼干感官评分先增大,当达到25%时感官评分最高，之后呈下降趋势,而硬度随着豆纤维粉添加量的增加而增大,而豆纤维粉比例太高,饼干硬度太大,咀嚼费劲,口感变粗糙。黄益前[25]在豆渣膳食纤维饼干的研制,也得出当豆纤维量添加到一定量时,产品不易成型且口感粗糙。因此,豆纤维粉添加量为25%时,饼干口感略微粗糙、组织结构好、硬度适中、色泽金黄,综合考虑响应面试验豆纤维粉最适添加量为25%左右。

图2 豆纤维粉对饼干品质的影响

2.1.2 橙皮糖添加量对饼干品质的影响 由图3可知,当橙皮糖添加量低于15%时,饼干感官评分和硬度随着橙皮糖的添加而增加;当橙皮糖添加量超过15%时,饼干感官评分随橙皮糖的添加量增加而下降,但硬度随橙皮糖的添加而缓慢上升,其主要由于橙皮糖添加量超过一定比例,其组织结构欠佳,硬度大,产品不抗震、不利于产品的包装运输,且会掩盖豆纤维独特的口感。因此,橙皮糖添加量为15%,其橙香味协调、口感清新无腻味感、组织结构较好、硬度适中,饼干的感官品质最佳。

图3 橙皮糖添加量对饼干品质的影响

2.1.3 黄油与白糖的比值对饼干品质的影响 由图4可以看出,随着黄油与白糖的比值降低,橙皮豆纤维饼干感官评分值呈先上升后下降变化趋势,当糖油质量比高于2∶1时,饼干油味较重,易破裂,硬度小易形变,并且甜味小甚至无甜味;当糖油质量比低于2∶1时,饼干表面出现裂缝、气泡,口感偏硬,不脆,过甜,感官指标得分相应的下滑。因此,选择响应面试验糖油质量比为2∶1左右。

图4 糖油质量比对饼干品质的影响

2.2 豆纤维橙味曲奇饼干响应面试验

2.2.1 响应面试验设计与结果分析 在单因素实验的基础上,根据Box-Behnken试验设计原理,以感官评价总分(Y)为响应值,选取A(橙皮糖添加量)、B(糖油质量比)、C(豆纤维粉添加量)三个因素,进行三因素三水平响应面优化试验,共17个实验点,响应面试验结果见表3。

2.2.2 回归模型的建立与显著性分析 运用Design-Expert 8.0.6对表3进行多元回归拟合,得到豆纤维橙味曲奇饼干感官评价总分(Y)对自变量橙皮糖添加量(A)、糖油质量比(B)、豆纤维粉添加量(C)的多元回归方程:

表3 响应面试验设计方案及结果

Y=86.36+4.13A+2.60B+3.50C-0.95AB+1.15AC-0.45BC-6.48A2-4.48B2-5.93C2。

对回归模型进行方差分析,结果见表4。

表4 豆纤维橙味曲奇饼干研究结果的方差分析

2.2.3 响应面分析 响应面图形是响应值(感官评分分值Y)对各个试验因素所构成的三维的曲面图,从图上可以找出最佳参数以及各个参数之间的相互作用。感官评分分值Y对橙皮糖添加量(A)、油糖质量比(B)、豆纤维粉添加量(C)所构成的三维的曲面图见图5～图7。

由图5～图7可知,响应面图形是凸起、开口朝下的曲面,说明感官评分分值Y存在极值,该值为响应面的最高点,各个试验因素的最佳作用点都位于试验设计值范围内。在豆纤维粉添加量一定的条件下,随豆纤维粉的增大,橙皮糖添加的增加,感官评分呈先上升后下降趋势,由此可见适当的豆纤维粉和橙皮糖可以改善橙皮豆纤维曲奇饼干的口感。等高图可判定交互作用的显著性,等高图趋向椭圆,交互作用显著,反之,则不显著,AB、AC、BC的等高图均趋于圆形,说明AB、AC、BC之间的交互作用不显著。等高线的疏密程度可判定各因素对感官评分的影响大小,等高线越密,影响越大,反之则越小,故A对饼干感官品质的影响比B、C的影响大,C对饼干感官品质的影响比B的影响大,这与方差分析的结果是一致的。

图5 Y=f(A,B)的响应面图

图6 Y=f(A,C)的响应面图

图7 Y=f(B,C)的响应面图

2.2.4 响应面优化结果 通过Design-Expert 8.0.6软件分析,预测出豆纤维橙味曲奇饼干最佳配方:豆纤维粉添加量25.87%,橙皮糖添加量为16.08%,油糖质量比为2.22∶1,此时模型预测橙皮豆纤维曲奇饼干感官评价总分为87.7分,考虑到生产实际所需,调整配方:豆纤维粉添加量26%,橙皮糖添加量为16%,油糖质量比为2∶1。在此工艺条件下,进行了3次验证性试验,测得橙皮豆纤维曲奇饼干感官评价总分为(87.3±1.1)分,与理论预测值较为接近,偏差为0.4%,说明模型的拟合程度较好,具有实用价值。

3 产品品质性能检测

对最佳配方下研制的豆纤维橙味曲奇饼干进行感官指标评定,理化指标和硬度测量和热量对比分析(8个平行样),实验结果表明,曲奇饼干感官指标(外观、色泽、滋味、口感和组织结构)(见表5)、理化指标(见表6)不仅符合国家标准,且有独特的豆香味和橙皮清香味,热量(见图8)均比市售饼干低。

表5 感官指标

表6 理化指标

图8 产品与市售饼干的热量对比分析

4 结论

本实验在单因素实验的基础上,采用响应面分析法建立多元二次非线性回归方程,以感官评分为指标,优化豆纤维橙味曲奇饼干配方。得到各因素对豆纤维橙味曲奇饼干的感官评分的影响大小依次为:橙皮糖添加量、豆纤维粉添加量、油糖质量比。将预测出的豆纤维橙味曲奇饼干最佳配方与实际生产结合,以面粉与豆纤维粉总量为基准,豆纤维粉26%、橙皮糖16%、油糖质量比2∶1的配方做验证性实验,得到与理论预测值较为接近的(87.3±1.1)分的感官评分,说明模型的拟合程度较好。通过将副产物豆纤维与橙皮利用起来制作成饼干,符合科学、健康、营养的膳食，同时也增加了企业的经济效益,具有较好的市场前景。