Plackett-Burman设计及响应面法优化速冻糕团配方工艺

2020-03-03卢芸周莹董雪萌黄宁宁戴阳军

食品工业 2020年1期

卢芸，周莹，董雪萌，黄宁宁，戴阳军*

1. 扬州大学旅游烹饪学院（扬州 225127）；2. 常熟理工学院生物与食品工程学院（常熟 215500）

糕团是中国传统点心的代表之一，历史颇为悠久，消费市场广阔。糕团通常以糯米粉为主料，配以多种果仁、果干等辅料，香甜可口，广受消费者喜爱。糕团精美的造型寓意吉祥，是逢年过节的馈赠佳品。随着食品工业化进程的加快，速冻糕团因具有长期储存、运输方便的优点，趋于成为糕团销售的主要途径。然而糯米制品随着储存时间的增长和温度的下降，淀粉易出现老化现象，持水性逐渐下降，感官品质下降[1]。在糕团冷冻和解冻过程中，易发生固液分离，使糯米淀粉的凝胶结构发生变化，造成面团开裂和煮制后糊汤、塌陷等问题。因此，对于速冻糕团制品的优化一直是近年来研究的热点。

王娟等[2]研究发现，乳酸能对糯米粉的结构和性质产生一定程度的改变，在对淀粉抗老化方面具有显著作用。采用乳酸改性工艺浸泡糯米后制成水磨糯米粉，可有效减缓糯米淀粉老化进程。王小英等[3]研究发现，利用熟芡法，即取部分糯米粉团制熟后与剩余粉料揉搓均匀，制得的糕团面团紧密不易破裂。

在产品制作过程中通过添加改良剂，可优化速冻糕团的储藏和食用的品质特征。研究表明添加小分子糖能保持和提高淀粉凝胶的性质[4]。蔗糖的添加可提高淀粉凝胶的冻融稳定性，且糖的浓度对糯米粉凝胶品质的影响更为显著[5]。海藻糖对淀粉具有良好的保水作用，能有效延缓糯米淀粉的老化回生进程，提高淀粉的冻融稳定性[6]。海藻糖的甜度为蔗糖的45%，在与原料调和后，其淡爽的甜度可突出原料的风味。添加一定量的乳化剂可阻止直链淀粉的结晶，抑制直链淀粉的老化[7]。淀粉酶同样可以缩短直链淀粉及支链淀粉直线分支的长度，减少其重结晶趋势，对粉团起到一定抗老作用[8-9]。大豆多糖可提高淀粉分子的亲水能力，干扰直链淀粉分子自身的聚合，从而改善产品的组织结构，增强产品的特有风味，同时赋予产品良好的营养功能特性[10-11]。变性淀粉具有较高的冷冻稳定性和冻融稳定性，非常适于冷冻食品中应用[12]。目前大多数糕团类产品仍停留在小作坊制作阶段。试验通过探讨不同工艺配方参数对速冻糕团品质的影响，优化糕团制品的冻融稳定性，以达到较好控制糕团制品老化进程的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

糯米、乳酸粉、碳酸氢钠、海藻糖、单甘油脂肪酸酯、可溶性大豆多糖、木薯变性淀粉、糖浆、红豆沙、水等（食品级，市售）。

1.1.2 试验设备

FE 20-K精密pH计（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；Blixer 3法国Robot Coupe食品粉碎机（上海金淳酒店设备有限公司）；三足式离心机（张家港凯迪机械有限公司）；101-2电热鼓风干燥箱（上海市实验仪器总厂）；AWH-30-SA电子天平（上海仪田精密仪器有限公司）；ATY 224分析天平（上海英展机电企业有限公司）；C 21-SK 210多功能电磁炉（广东美的生活电器制造有限公司）；SDX-全自动风冷速冻箱（天津市特斯达食品机械科技有限公司）；Y1-05 B-L 2风冷台式冰箱（上海跃纳实业有限公司）；HV-20 KZC 100 C电磁蒸炉（山东省博兴县海为厨具厂）；SF-400多功能薄膜连续封口机（苏州肖卡特自动化设备有限公司）；HH-11-1 数显恒温水浴锅（上海助蓝仪器科技有限公司）；TA-XT Plus质构仪（英国Stable Micro System公司）；自封袋、80目粉筛、蒸笼等（市售）。

1.2 制作工艺

1.2.1 基础配方

经预试验，确定速冻糕团的基础配方（以糯米粉质量计）为：4%海藻糖、0.4%单甘油脂肪酸酯、1%可溶性大豆多糖、6%木薯变性淀粉、8%糖浆、0.015%α-淀粉酶、50%水。

1.2.2 工艺流程

糯米→清洗→浸泡→中和→脱水→干燥→打粉→过筛→称料→调制→分团→蒸制→包馅→搓圆→包装→速冻

1.2.3 操作要点

清洗：糯米用清水冲净，去除原料中灰尘、杂质。

浸泡：糯米使用0.45%浓度乳酸液体浸泡5 h后清水洗净，浸泡时料液比1∶3（g/mL），浸泡后用清水冲净。

中和：使用碳酸氢钠浸泡15 min进行中和，调节至pH 7.0左右，浸泡时料液比1∶2（g/mL），浸泡结束后用清水洗净。

干燥：使用三足式离心机，以3 000 r/min转速脱水至无水滴出，使用电热鼓风干燥箱50 ℃下干燥至水分12%左右。

打粉、过筛：使用食品粉碎机进行粉碎后用80目筛过筛。

称料、调制、分团、蒸制：采用熟芡法，称量原料并揉匀，取部分分团入蒸锅蒸制15 min后取出，同生粉揉合均匀。

包馅、搓圆、包装：取45 g粉团包入10 g豆沙馅，搓圆后进行塑封包装。

速冻：放入-33 ℃速冻箱中冷冻2 h，使糕团中心温度降至-18 ℃。放入-18 ℃冰箱中进行冷藏。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉凝胶制备

准确称取样品6.00 g，加入60 mL蒸馏水，配成10 g/100 mL[13]的淀粉乳，在95 ℃水浴中加热糊化，再冷却。将样品倒入特制的容器中（直径4 cm×高2 cm），测试时凝胶样品用细线分成均等的4份[14]。

1.3.2 冻融循环处理

将样品加盖置于-33 ℃冰箱中冻结2 h使中心温度迅速降低，移至-18 ℃冰箱中进行冷冻存储12 h后取出，室温下解冻1 h，此为1个冻融处理[15]。1 h后再次将样品放入-18 ℃冰箱中冷冻12 h后进行第2次试验。

1.3.3 凝胶强度分析

随着形变的增加，探头所受的力随之增加，形变达到一定程度时，出现一个最大力（即屈服力），这个最大的力定义为样品的硬度，即破坏速冻糕团凝胶所需的力，形变与破坏力即硬度的乘积定义为凝胶强度[16]。采用TA.XT plus质构仪测定凝胶样品冻融4次后硬度的变化。测试参数：P50探头；测试前速度2 mm/s；测试后速度1 mm/s；测试速度1 mm/s；测定间隔时间5 s；压缩距离8 mm。

1.3.4 速冻糕团感官评分

感官评分在食品感评室内完成。评定小组由10名食品专业经验丰富成员组成，男女各5人，对色、香、味有较强的分辨力和较高的灵敏度[17]。品评时评价员单独评价，相互之间无接触和交流，每份样品在评价前用清水漱口。由感官评定人员讨论：对从4次冻融循环后的糕团外观、气味、色泽、风味4个方面进行感官评定，以各项总分的平均值作为产品评价指标的结果。感官评分标准见表1。

表1 感官评定表

1.3.5 Plackett-Burman试验设计

Plackett-Burnan设计是一种有效的两水平试验设计方法，可利用较少的试验次数，从众多考察因素中快速筛选出最为重要的影响因素，为进一步研究奠定良好基础[18]。

通过前期单因素试验，选取影响速冻糕团的冻融稳定性的7项因素，并确定各因素水平。此试验结果的基础之上，利用Plackett-Burman试验设计法，对熟粉团添加量（A）、海藻糖添加量（B）、单甘油脂肪酸酯添加量（C）、木薯变性淀粉添加量（D）、糖浆添加量（E）、可溶性大豆多糖添加量（F）和α-淀粉酶添加量（G）这7个因素进行筛选试验。每个因素取高（+1）和低（-1）2个水平，以速冻糕团的综合感官评价为主，凝胶强度为辅作为响应值，共进行12组试验，Plackett-Burman试验设计的自变量、编码水平及因素见表2。

表2 Plackett-Buman试验设计的因素水平

1.3.6 最陡爬坡试验

根据Plackett-Buman试验的结果设计爬坡方向和步长，对筛选得出的显著因子进行合理设计，按一定梯度改变显著因子，测定速冻糕团的感官评分和凝胶强度，并将以此结果进行后续响应面试验，从而确定速冻糕团的最佳工艺配方[19]。

1.3.7 响应面试验设计

单因素试验只能考察各因素在某一范围内的优势，无法比较未选定水平的信息，响应面分析法是一种用于在多因素系统中寻找最佳测试条件的统计方法，常用的是Box-Behnken设计[20]。通过响应面试验能以较少的试验次数在指定的整个区域获得试验因素和响应目标之间的明确函数表达式，从而获得设计变量的最优组合和响应目标的最优值，并研究几种因素之间的交互作用[21]。在Plackett-Burman试验设计基础上，利用响应面法优化速冻糕团冻融稳定性工艺参数，采用Box-Behnken法建立三因素三水平的数学模型。

1.4 数据处理

采用SPSS 16.0对数据进行统计学分析，用Minitab 16进行Plackett-Burman试验设计，采用软件Design-Expert 8.0进行制图和数据分析，所有试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 Plackett-Burman试验

Plackett-Burman试验设计结果见表3，方差分析结果见表4。从方差分析表中可看出，试验模型的p值均小于0.05，说明回归方程关系显著，Plackett-Burman试验设计因素在各自水平范围内对速冻糕团的影响显著，模型的调整确定系数分别为凝胶强度R2adj=85.65%，感官评分R2adj=93.54%，说明两方程能解释85.65%和93.54%的响应值变化，拟合程度较好，试验设计可靠[22-23]。以感官指标为主，凝胶强度为辅，对因素进行筛选，得到木薯变性淀粉添加量，糖浆添加量，α-淀粉酶添加量为影响速冻糕团的最主要因素，3因素对速冻糕团凝胶品质均有较大的改善作用。以这3个因素为研究对象，做最陡爬坡试验。对结果无显著影响的因素，根据因素的正负效应并结合单因素试验结果，确定添加量为熟粉团15%、海藻糖4%、单甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%。

表3 Plackett-Burman试验设计及响应值

表4 Plackett-Buman试验设计的方差分析

2.2 最陡爬坡试验

根据Plackett-Buman试验结果，最陡爬坡试验设计及结果如表5所示。随着木薯变性淀粉添加量、糖浆添加量、α-淀粉酶添加量的变化，感官评分呈先增加后减小趋势，凝胶强度处在合理范围内。木薯变性淀粉添加量8%、糖浆添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%时，感官评价最高，凝胶强度合理，说明此时比较接近最佳响应区域。因此以木薯变性淀粉添加量8%、糖浆添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%作为试验的中心点，进行Box-Behnken试验。

表5 最陡爬坡试验设计及结果

2.3 Box-Behnken试验

2.3.1 Box-Behnken试验设计

通过Box-Behnken法对木薯变性淀粉添加量（A）、糖浆添加量（B）、α-淀粉酶添加量（C）3个因素进行分析，响应值以感官评分为主，凝胶强度为辅，得到试验方案见表6，试验结果见表7，方差分析见表8。

经多元回归分析后，可以得出各因素与因变量之间的多元回归方程：凝胶强度=626.18+46.99A+0.64B-15.40C-1.30AB-17.83AC-36.41BC+6.13A2+41.30B2+41.90C2；感官评分=91.16+1.79A-0.030B+1.95C+0.40AB+2.16AC-0.58BC-5.40A2-6.66B2-3.36C2。

从表8可以看出，模型p值显著（p＜0.01），而失拟项不显著（p＞0.05），说明拟合程度良好，方程可以很好地描述各因素和凝胶强度、感官评分的关系，调整确定系数凝胶强度R2adj=0.923 0，感官评分R2adj=0.917 0，说明该模型分别可以解释响应面中92.30%和91.70%的可变性，方程预测值与真实值间的相关性很高，可以用该方程确定最佳速冻糕团工艺。

表6 Box-Behnken试验因素与水平

表7 Box-Behnken试验设计及响应值

表8 Box-Behnken试验方差分析

2.3.2 交互作用分析

响应面可直观反应各因素与响应值之间的关系，等高线排列的密集程度可反映各因素间的交互作用，响应面的坡度越陡，等高线密集形成椭圆形，则表明2个因素的交互作用的影响越大[24]。为确定木薯变性淀粉添加量、糖浆添加量、α-淀粉酶添加量的交互作用对冷冻糕团感官评分和凝胶强度的影响，通过Design Expert 8.0.6软件对响应面试验结果进行分析，得到各因素交互作用对感官评分和凝胶强度影响的等高线和响应曲面图（见图1）。

图1 因素交互作用对产品品质的响应图

从速冻糕团的凝胶强度来看，图1（c）中响应面坡度最陡峭，等高线最为密集且成椭圆形，说明糖浆添加量和α-淀粉酶添加量对凝胶强度的交互作用最为显著。凝胶强度随着糖浆添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈现出先增大后减小的趋势，与表8结果一致。谢新华等[25]研究显示，糖浆添加量较多时，凝胶强度将会出现下降趋势，与试验结果一致。

从感官评分来看，图1（e）中响应面坡度最陡峭，等高线最为密集且成椭圆形，说明木薯变性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量对感官评分的交互作用较显著。感官评分随着木薯变性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈现出先增大后减小的趋势。研究表明随着变性淀粉增多，糕团的冻融稳定性增强，但会因口感过硬而感官品质下降[26]，与表8结果一致。

2.3.3 最佳工艺确定及验证试验

确定最佳工艺为：木薯变性淀粉添加量8.48%、糖浆添加量7.98%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此条件下，回归模型预测的速冻糕团感官评分可达91.73分，凝胶强度为636.37 g。为验证试验结果的真实性和可靠性，结合实际生产需要，优化最佳工艺配方为：熟粉团15%、海藻糖4%、单甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%、木薯变性淀粉添加量8.5%、糖浆添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此条件下进行3次平行验证试验，测得感官评分为89.17分，与理论值91.73分相对误差为2.79%，凝胶强度为609.23 g，与理论值636.37 g相对误差为4.26%，试验所得模型与实际情况拟合程度良好，采用Box-Behnken法得到的优化工艺可行性强，结果可靠[27]。可采用此模型对速冻糕团工艺进行实际应用。