响应面法优化高粱沙琪玛配方工艺研究

岳忠孝，张瑞栋，杨成元，侯东辉，陈丽红，李婧，郭鹏燕，岳茂林，冯耐红

（山西农业大学经济作物研究所，山西太原030031）

沙琪玛是一种著名的甜型中国传统糕点，以色泽米黄，入口香甜酥软，营养丰富著称。沙琪玛具有食用方便、包装精致、适合居家旅行携带等特点，因此成为逢年过节礼物市场上的常客，糕点的口味和质地受到各个年龄段人们的青睐[1]。

高粱是我国的一种传统作物，具有丰富的营养价值及药用价值，曾作为主粮在我国广泛种植[2]。明代李时珍的《本草纲目》中有记载，高粱味甘，性温，有和胃、健脾、消食、止霍乱的功效[3-4]。某些西方国家更是将它视为高级理疗食物，亚洲及非洲的一些国家主要利用高粱制作面条以及日常的粗粮制品[5]，高粱籽粒中含有多种功能活性成分，如多酚类物质、膳食纤维、植物固醇等[6]，在保健食品方面具有重要的应用价值[7]。随着人们生活质量的提高，粗粮在饮食结构中的摄入比重大幅度下降，油脂和钠的大量摄入使得居民心脑血管的发病率不断上升。杂粮在对“富贵病”的防治方面具有诸多益处，高粱籽粒内含有丰富的抗性淀粉，抗性淀粉对于防治糖尿病和降低胆固醇发挥着重要作用。传统高粱食品的加工多以馒头和面条为主，随着生活节奏的加快，开发便携、富含功能营养的杂粮产品符合时代需求且具有广泛的市场前景。

为了推广粗粮的食用方式，拓宽沙琪玛的生产领域，丰富沙琪玛类食品品种，同时实现高粱的价值提升，本研究通过对高粱沙琪玛的原料配方工艺研究，旨为开发出更多花样、食用方便、粗粮细制的沙琪玛系列食品提供一种新的途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验原料

高粱粉、高筋粉：荆县宝源科技有限公司；新鲜的鸡蛋：市售；安琪酵母、沙琪玛专用改良剂：广州沃昌生物技术有限公司；谷朊粉（食用级）：浙江华之元食品有限公司；绵白糖：山东庆达通生物科技有限公司；蜂蜜饴糖、果葡糖浆：济南兴庚商贸有限公司；金龙鱼植物油：山西金龙油脂有限公司；淀粉（扑粉）、碳酸氢铵、食盐：石家庄宁诺商贸有限公司。

1.1.2 试验仪器

PX4202ZH 电子分析天平：奥豪斯电子仪器股份公司；DMT-5 和面机：青岛市郎兴机械有限公司；HY-36 电热油炸锅：河南汇利-永康机电设备有限公司；HRF 型智能恒温醒发箱：浙江安联科技仪器有限公司；HH-4 数显恒温水浴锅：金坛市科技仪器设备有限公司；PF-076 打蛋器：永康市乐工有限公司；C21-WK2102 电磁炉：美的集团有限公司；XJ-160 压面机：河北邢台钢器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 工艺要点

1）混粉：取混合粉（高粱粉、高筋粉、谷朊粉）与适当比例的酵母粉、沙琪玛专用改良剂在容器内混合均匀，匀速搅拌5 min。

2）打蛋：新鲜鸡蛋去壳置于干净容器中，加入适量的碳酸氢铵和少量食盐，使用打蛋器搅打至蛋液乳化，出现很多细密均匀的气泡时即可停止。

3）和面：将上述材料放置于和面机中，调制成光滑的面团。

4）醒面：用保鲜膜将面团封好，放置于40 ℃，湿度80%的恒温恒湿醒发箱内开始第一次醒发，时间为2 h。

5）压条：将醒发好的面团均匀切分成小面块，用压面机将其压制成厚约1.5 mm 的薄面片，整个过程中要注意扑粉（食用级淀粉），防止沙琪玛切条的粘连。压好后进行切条，长宽约70 mm×3.5 mm。

6）二次醒发：同第一次醒发的温度和湿度，即分别为40 ℃和80%，时间为2 h。

7）熬糖：白砂糖∶蜂蜜饴糖∶果葡糖浆三者的质量比为3 ∶1 ∶1，在炸锅内将糖浆熬煮至可拉出细软淡黄色的糖丝样的黏稠态即可。

8）炸条：炸条前进行过筛处理（弹去条表面多余的扑粉），观察电热油炸锅中气泡的情况以及条的颜色变化情况。

9）拌糖：将炸好的沙琪玛条控干油分，趁热加入炒锅中，翻炒均匀，使每个沙琪玛条都基本可以裹上糖浆，以保证口感。

10）压型：将裹好糖浆的高粱沙琪玛炸条放在模具里，用适当的力压平，待冷却后切块。

1.2.3 单因素试验设计

为了研究高粱粉与谷朊粉、酵母粉、鸡蛋和沙琪玛专用改良剂添加量的适宜范围，分别设置各个因素不同水平的添加量试验（表1），混合粉（高粱粉、谷朊粉和高筋粉）的添加量均设置为500 g，酵母粉、鸡蛋和沙琪玛专用改良剂的添加量均以混合粉为基准。通过评定不同处理后沙琪玛的感官评分，进一步明确各因素的最佳范围。

表1 单因素试验设计Table 1 The single factor test design

1.2.4 响应面试验设计

基于单因素试验的结果，确定各主要原料的大致区间，通过Box-Behnken 设计[8]，将混合粉的比例、酵母粉添加量、鸡蛋添加量和沙琪玛专用改良剂量添加分别设置不同的梯度，以感官评价的得分为响应值，通过响应面分析方法，将配方条件进一步优化，明确高粱沙琪玛各因素的最佳加入量。

1.3 感官评价标准

感官评分前要将所有的样品进行随机编号，操作员要记录好高粱沙琪玛样品与对应的编号，且做好保密工作。参照GB/T 22475—2008《沙琪玛》，根据表2的感官评分标准，品鉴人员轮流进行打分。

1.4 数据处理

利用Design-Expert 8.0.6 软件对数据进行处理，按照软件设计结果进行试验，每组试验重复3 次，采用Origin 9.0 进行作图。

表2 感官评分标准Table 2 Criteria for sensory evaluation

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 高粱粉添加量对沙琪玛品质的影响

将高粱粉、谷朊粉和高筋粉按不同比例制成混合粉，将高粱粉添加量作为单因素变量，以感官评分为指标，结果如图1 所示。

图1 高粱粉添加量对成品评分的影响Fig.1 The response of sorghum powder addition on sensory scores of product

油炸时面筋的变化也会影响到面团的膨胀能力及持气性，进而影响后期沙琪玛的疏松度[9]。高粱是一种粗粮，其面筋含量较低，醇溶蛋白含量为2%～5%[10]，因此，高粱粉添加量也是试验研究中一个重要的变量，它的添加量对沙琪玛疏松度的影响至关重要。高粱中微量元素、膳食纤维、矿物质的含量都较高。所以，其添加量在保证不影响口感的前提上，越多越好。为确保面团的高面筋含量，保证食物的醒发效果，市售沙琪玛所使用的专用粉一般是用高筋粉与一定比例（15%～25%）的谷朊粉配比制成的。谷朊粉的添加能提高面粉的拉伸特性，并能够改善面条的硬度和适口性[11-12]。因此本试验以高粱粉、谷朊粉、高筋粉为主要原料，分别改变不同混合粉比例（包括高粱粉与谷朊粉的添加量）进行研究，研究发现高粱粉添加量在25%～30%比较适宜，在此区间制成的沙琪玛的颜色金黄，口感较好。随着高粱粉添加量的增加，感官评分先上升后下降。高粱粉和谷朊粉添加量分别为30%和20%时，产品的评分最高（49 分）。当高粱粉添加量超过30%，沙琪玛炸条的膨胀性下降，组织结构皮实，酥松度减少，炸出的沙琪玛条颜色变深，硬度变大、变脆且容易折断，质量变差。而当高粱粉添加量较低、谷朊粉添加量较高时，沙琪玛品质也较差。这主要因为油炸时面条的体积迅速膨大，膨胀性直线上升，沙琪玛条的体积超出了正常沙琪玛的规格标准，易造成压缩切分后外观品质的下降，同时，沙琪玛的松软度也在增加，口感变得绵软，没有嚼劲。

2.1.2 酵母粉添加量对沙琪玛品质的影响

酵母粉添加量对成品评分的影响见图2。

图2 酵母粉添加量对成品评分的影响Fig.2 The response of yeast addition on sensory scores of product

酵母粉也是高粱沙琪玛加工过程中的一个重要变量[13-14]，当酵母粉太少时，影响醒面和发面效果，沙琪玛产品组织内气孔较小，产品不够疏松，产品质构较差；酵母粉太多，外形变得不规整且开始起泡开裂，随着酵母粉添加量的增多碱味也变得较重。高粱粉由于面筋含量较低，在与高筋粉和谷朊粉复配后与酵母粉具有较强的互作效应，经试验得出酵母粉的添加量最优为0.37%。由图2 可以看出，随着酵母粉添加量的升高，沙琪玛评分呈现先增加后降低的变化趋势。酵母粉添加量为0.37%时，沙琪玛感官评分值达到最大。这时炸条的膨胀体积适中，组织状态细腻，适口性较好。

2.1.3 鸡蛋添加量对沙琪玛品质的影响

鸡蛋添加量对成品评分的影响见图3。

图3 鸡蛋添加量对成品评分的影响Fig.3 The response of egg addition on sensory scores of product

在沙琪玛制作过程中，鸡蛋的加入可使面团呈现蓬松多孔的结构，质地变得柔软且口感酥松。油炸时，沙琪玛条也有较好的急剧膨胀性，炸出的沙琪玛条体积适宜，色泽纯正[15]。但鸡蛋添加过量时，切条变化不明显，沙琪玛条外观疏松易散，形不成细腻的组织状态，进而影响到后面的压型和切分，色泽也从金黄色变成了深黄色，而且切条油炸时蛋腥味较重[16]。由图3可得，高粱沙琪玛的品质随鸡蛋添加量的增加，呈先升高后下降的变化趋势。鸡蛋添加量为50%时，沙琪玛感官评分最高，在55%处急剧下降。前期随着鸡蛋添加量上升，产品的质量变得优良，有淡淡的鸡蛋香，组织状态大大改善，而在添加至55%时，沙琪玛条外观疏松易散，形成的组织状态不细腻，进而影响感官评分。

2.1.4 沙琪玛专用改良剂添加量对沙琪玛品质的影响

沙琪玛专用改良剂添加量对成品评分的影响见图4。

图4 沙琪玛专用改良剂添加量对成品评分的影响Fig.4 The response of special modifier addition on sensory scores of product

沙琪玛专用改良剂在面团的调制过程中发挥着很大的作用，一方面，它可以提高面团的吸水能力，缩短成型时间，提高出品率；再者还可以改善面团的耐挤压性和搅拌性[17-18]。更重要的是，沙琪玛专用改良剂和面筋蛋白以及淀粉都有较强的结合能力，可以有效降低不饱和油脂的酸败，进而改善产品的口感，使高粱沙琪玛变得酥脆爽口，使成品的组织结构疏松细腻，膨松度良好，风味独特[19-21]。由图4 可知，随着沙琪玛专用改良剂添加量的增加，其感官评分呈先增加后降低的趋势，沙琪玛专用改良剂添加量为0.20%时分值最高。沙琪玛专用改良剂添加量偏低时，成品色泽、组织状态以及口感都比较一般，而继续加入改良剂，沙琪玛条的持气性得到改善，条在油炸后的外形变得规整，切条上分布的气泡均匀，色泽呈金黄，口感酥软细腻。而再增加沙琪玛专用改良剂添加量，沙琪玛炸条口感偏皮软，炸条表面出现凹凸不平的回缩状态。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 高粱沙琪玛配方优化的回归分析

响应面优化试验见表3。

表3 响应面优化试验Table 3 Response surface optimization experiment

按照表3 试验结果，以感官评分（Y）为因变量，高粱粉添加量（A）、酵母粉添加量（B）、鸡蛋添加量（C）和沙琪玛专用改良剂添加量（D）为自变量，进行回归拟合，得到方程为：Y=47.31-0.80A+0.069B+1.76C+0.46D -0.51AB -0.11AC +0.058AD +1.01BC +0.34BD +0.39CD-1.07A2-1.82B2-3.83C2-2.81D2。

回归方程的方差分析见表4。

表4 回归方程的方差分析Table 4 Significance test of regression equation

对方程进行显著性检验，感官评价回归模型P＜0.000 1，表明回归方程拟合较好，失拟项P=0.763 6＞0.05，可知失拟项差异不显著。方差分析表明，该方程可充分反映本试验的具体实际状况，因此可以用该模型进一步分析及预测高粱沙琪玛的感官评分。回归方程各项的方差分析表明：一次项A、C、D 的P 值均小于0.01，说明高粱粉、鸡蛋以及沙琪玛专用改良剂这三者的添加量对产品品质影响较大；方程一次项系数能够反映自变量本身的效应值大小，由此可得各因素对响应值影响的主次排序为鸡蛋添加量、高粱粉添加量、沙琪玛专用改良剂添加量、酵母粉添加量。二次项A2、B2、C2、D2的P 值均小于0.01，说明鸡蛋添加量、高粱粉添加量、沙琪玛专用改良剂添加量、酵母粉添加量对高粱沙琪玛的感官评分的影响非线性变化。AB、BC、CD 的P 值小于0.01，说明鸡蛋添加量、高粱粉添加量、沙琪玛专用改良剂添加量、酵母粉添加量对感官评分存在极显著的交互作用。

图5 各因素交互作用对高粱沙琪玛品质影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour map of the effects of interaction of various factors on sensory score of sorghum caramel treats

2.2.2 响应面分析

为了明确各因素间的交互作用对高粱沙琪玛品质的影响，使用Design Expert 8.0.6 将表4 感官评分的回归结果绘制响应面三维图形，分析AB、BC、CD 这3组因素间的交互作用，具体如图5 所示。

因素间交互效应的强弱可由等高线图的形状来分析。等高线图越近于椭圆，表明因素之间的交互作用越强烈[22]。由图5 中的等高线图可以看出，本研究的3 组交互作用中，酵母粉添加量和鸡蛋添加量的交互作用最强，其次是高粱粉添加量与酵母粉添加量的交互作用，而沙琪玛专用改良剂添加量和鸡蛋添加量的交互作用最弱。

由图5 可知，鸡蛋添加量为50%，沙琪玛专用改良剂添加量为0.20%，当高粱粉添加量较少时，感官评分随酵母粉添加量的增大先急剧升高后缓慢下降，当高粱粉添加量较多时，感官评分随酵母粉添加量的增大无明显变化；当酵母粉添加量较小时，感官评分随高粱粉添加量的增加先升高后下降，上升与下降幅度变化不明显。酵母粉添加量和高粱粉添加量的交互作用对响应值的影响极其显著。当高粱粉添加量为30%，沙琪玛专用改良剂添加量为0.20%时，酵母粉添加量在0.35%～0.37%之间，固定酵母粉添加量，感官评分随着鸡蛋添加量的增加先升高后降低，上升和下降幅度都很明显；当酵母粉添加量高于0.37%以后，随着鸡蛋添加量的增加，感官评分先迅速升高后缓慢下降，且升高幅度很明显；当鸡蛋添加量较少时，酵母粉添加量的增多对感官评分影响不大，鸡蛋添加量在51%时，感官评分随酵母粉添加量的增加而上升幅度逐渐变小，达到最大后稍有下降，但下降的幅度不明显。酵母粉添加量和鸡蛋添加量的交互作用对响应值的影响极其显著。高粱粉添加量为30%，酵母粉添加量为0.37%时，当鸡蛋添加量较少时，增大沙琪玛专用改良剂的添加量对感官评分影响也不大，整体变化幅度不明显；当鸡蛋添加量在51%～52%时，沙琪玛专用改良剂添加量在0.15%～0.21%之间，感官评分随着沙琪玛专用改良剂添加量的升高逐渐上升并且趋于平稳状态，沙琪玛专用改良剂添加量在0.21%之后，感官评分随沙琪玛专用改良剂添加量的增加而略微下降；沙琪玛专用改良剂添加量和鸡蛋添加量的交互作用对响应值的影响较为显著。

2.2.3 最优参数的确定

以感官评分为目标变量，利用响应面法对高粱沙琪玛的配方工艺条件进行优化，得到高粱沙琪玛最优制作条件为：高粱粉添加量27.88%，酵母粉添加量0.37%，鸡蛋添加量51.31%，沙琪玛专用改良剂添加量0.21%，预测模型的感官评分为47.74 分。为了进一步检验响应面方法优化工艺的可靠性，使用改进条件开展具体验证操作，即高粱粉∶谷朊粉∶高筋粉三者质量比为27.8∶22.2∶50，酵母粉添加量0.37%，鸡蛋添加量51.3%，沙琪玛专用改良剂添加量0.21%，在此条件下测得高粱沙琪玛的感官均分为47.69，与理论值47.74 较为接近，表明本试验经响应面法优化所得的模型参数具有较高的可靠性。

2.3 质构测定

将运用最优工艺条件所制得的高粱沙琪玛进行质构测定，进而更客观更灵敏地反映成品的适口性和组织状态，结果如表5。

表5 成品高粱沙琪玛的质构特性Table 5 Textural properties of sorghum caramel treats

由表5 可知，高粱沙琪玛与市售沙琪玛的黏附性、弹性以及内聚性没有太大的差距，而高粱沙琪玛硬度和咀嚼性较大。

3 结论

通过试验可以得出，各因素对高粱沙琪玛感官评分的影响主次顺序为鸡蛋量、高粱粉添加量、沙琪玛专用改良剂添加量、酵母粉添加量。借鉴前人沙琪玛的制作方法及响应面研究方法[23-26]，对高粱沙琪玛配方进行优化。优化后高粱沙琪玛的工艺参数为高粱粉∶谷朊粉∶高筋粉三者质量比27.8 ∶22.2 ∶50，酵母粉添加量0.37%，鸡蛋添加量51.3%，沙琪玛专用改良剂添加量0.21%，两次醒发时间均为2 h，两次醒发温度都恒定设置为40 ℃，油炸温度170 ℃，白砂糖∶蜂蜜饴糖∶果葡糖浆三者的质量比为3 ∶1 ∶1。在此基础上所得高粱沙琪玛色泽乳黄，酥软细腻，入口即化，组织状态良好，切口整齐，气泡数量适中，且具有高粱香味和粗粮特有的营养价值以及保健功能，符合预期结果。本研究为具有功能性质的健康类休闲食品加工和高粱附加值提升提供了一定的理论和应用基础，具有很好的研究和推广价值。