基于主成分分析法的泡菜风味马铃薯饼干研制

崔妍，杨丹璐，陈姗姗，吴金鸿*，王正武，孙志栋，张林楠

（1.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；2.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；3.宁波飞润海洋生物科技股份有限公司，浙江 宁波 315731）

马铃薯是全球第四大重要的粮食作物，仅次于小麦、稻谷和玉米[1-3]。马铃薯富含蛋白质、淀粉、维生素和矿物质等各类营养物质，其必需氨基酸的平衡优于其他植物蛋白，淀粉几乎可以完全被人体消化[4]，因此，极具开发和利用潜力。我国是世界马铃薯总产量最多的国家，但是只有少数地区把马铃薯作为主食，更多的是作为菜来食用。我国已于2015年提出马铃薯主食化战略，推进把马铃薯加工成馒头、面条、米粉等主食，马铃薯将成为小麦、稻米、玉米外又一主粮[5-7]。除了馒头、面条等主食之外，饼干是休闲食品中的主打产品，随着生活水平的提高，休闲食品的市场需求逐渐增大，饼干更是迎来黄金发展的时期，追求低卡路里、高纤维、口感更丰富的“健康饼干”已成为趋势[8-9]。此外，饼干因为其独特的性能，可作为旅行、登山、航海时的储存食品，甚至战争时期的备用食品。将马铃薯添加入饼干中，研制马铃薯饼干，不论从国家发展战略，还是经济角度来看都是利国利民的。

本研究拟开发一款泡菜风味的马铃薯饼干。一方面，添加适量的马铃薯粉，可以提升饼干的营养价值[10-11]，改变其原有的感官品质，满足人们对健康食品的追求。另一方面，泡菜集聚酸、辣、甜、咸等形成了独特的风味[12-13]，添加至马铃薯饼干中可以丰富口感，增加风味。本研究通过配方优化以及感官评价、质构分析和营养评价等，研制泡菜风味的马铃薯饼干，旨在为马铃薯加工产品的研发和资源利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

泡菜粉：新鲜青芥菜经乳酸菌发酵和超高压改性膳食纤维后打浆冻干，保存于上海交通大学淀粉加工与工程实验室；低筋面粉：新乡良润全谷物食品有限公司；奶粉、牛奶：内蒙古伊利实业股份有限公司；鸡蛋：市售；黄油：新加坡商永纽股份有限公司；白砂糖：江西巧厨食品有限公司；马铃薯粉：内蒙古希森马铃薯全粉有限公司；泡打粉：上海枫未实业有限公司；面粉筛（80、100、120、140目 4种）：承泽丝网加工厂；一次性杯子：新源（福建）塑胶有限公司。

1.2 试验设备

ME 104E电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；英润20 mm压面机：永康市五瑞工贸有限公司；DC-18S烤箱：新麦机械（无锡）有限公司；Universal TA质构仪：上海腾拔仪器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 泡菜风味马铃薯饼干的配方设计

根据文献报道的配方[14]进行了摸索与优化，确定了泡菜风味马铃薯饼干的初步配方：低筋面粉145 g、奶粉 15 g、鸡蛋 15 g、牛奶 40 g、黄油 35 g、白砂糖 30 g、泡菜粉10 g、马铃薯粉15 g、泡打粉4 g。

1.3.2 泡菜风味马铃薯饼干的制作工艺

1）全部黄油切成小块，隔水融化成液态；2）在黄油中加入打散的鸡蛋液；3）加入牛奶，并搅拌均匀，成为混合液体；4）在混合液体中，加入白砂糖、奶粉，继续搅拌均匀；5）称取低筋面粉、泡菜粉、马铃薯粉和泡打粉，过筛后加入到混合液体中，并用手揉成光滑的面团，盖上保鲜膜放置0.5 h；6）用压面机将面团压成0.3 cm厚的面皮，用模具制作成好看的形状，并用牙签的反面戳成间隔均匀的小孔，孔径大小为2 mm，最后送入预热好的上下火180℃烤箱，烘烤10 min。

1.3.3 单因素试验

以泡菜粉添加量（10、15、20 g），马铃薯粉添加量（10、15、20 g）和复配粉的过筛目数（80、100、120目）作为3个因素，按1.3.2的工艺制作出饼干。根据GB/T 20980—2007《饼干》进行感官评定，由6位具有食品专业背景并受过专业感官训练的评定人员对饼干进行感官评价，取平均值即为饼干感官得分，具体的评价标准见表1。

表1 饼干感官评分标准Table 1 The criterion of sensory evaluation for the biscuits

1.3.4 正交试验

选出单因素试验中得分最高的3个水平，建立三因素三水平的正交试验，并对饼干再次进行感官评定。

1.3.5 质构测定

用质构仪对正交试验中的饼干进行测定。选择压缩试验模式，P5探头，测前速度1.7 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度2.0 mm/s，压缩比17%。测定因素包括硬度、脆度、咀嚼性和黏着性[15]。

1.3.6 饼干营养评价

综合感官评定的得分以及质构仪的测定结果，选出最优的泡菜风味马铃薯饼干配方，并对其进行营养成分分析，指标包括脂肪（GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》）、蛋白质（GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》）、膳食纤维（GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》）、水分（GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》）、灰分（GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》）、碳水化合物和能量（GB 28050—2011《食品安全国家标准预包装食品营养标签通则》）。

1.3.7 主成分分析

用SPSS进行主成分分析，基本步骤为：1）将原始数据标准化，以消除变量对量纲和数量级的影响；2）根据标准化的数据矩阵得到相关系数矩阵R；3）求出R的特征根和特征向量；4）确定主成分；5）合成主成分，并得到综合评分Y。

1.3.8 数据统计

试验数据均测定3次，取平均值。采用SPSS软件和Excel软件对数据进行处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果与分析

以泡菜粉添加量、马铃薯粉添加量和复配粉的过筛目数作为3个因素制作饼干。以泡菜粉添加量15 g，马铃薯粉添加量20 g，复配粉过筛目数140目的制作条件为例，最终产品如图1所示。

图1 泡菜马铃薯饼干成品图Fig.1 The photograph of kimchi-flavored potato biscuits

泡菜粉添加量、马铃薯粉添加量、复配粉过筛目数对饼干品质的影响见图2～图4。

图2 泡菜粉添加量对饼干品质的影响Fig.2 The effect of the amount of kimchi powder on the taste of biscuits

图3 马铃薯粉添加量对饼干品质的影响Fig.3 The effect of the amount of potato powder on the taste of biscuits

图4 复配粉过筛目数对饼干品质的影响Fig.4 The effect of the grinding degree on the taste of biscuits

由感官评定结果可知，随着泡菜粉添加量的增加，饼干感官评分先上升后下降，且增减幅度较大（图2），这表明添加适量的泡菜粉能够有效增加饼干的风味，但是一旦过量，使得饼干的异味过重，饼干风味会大幅度下降。马铃薯粉添加量对饼干品质的影响却恰好相反，随着马铃薯量增加，饼干感官评分先下降后上升（图3），说明马铃薯粉和低筋面粉之间的配比对饼干的品质影响较大。饼干感官评分下降可能由饼干硬度下降所导致，马铃薯粉不含面筋蛋白[16]，加入一定量的马铃薯粉导致面团面筋比例降低，使饼干产生了松散的口感[17]，而后随着马铃薯粉的继续添加，面筋蛋白与油脂的结合力下降，促进了水合作用，使得饼干硬度得以回升。随着复配粉过筛目数的增加，饼干感官评分逐渐增加，且120目时饼干的评分远大于另外两个目数条件下的评分（图4）。过筛目数增加使饼干在口感上变得越来越细腻，并在一定程度上提高了饼干的酥脆度。综合单因素试验结果，最终选择泡菜粉添加量15 g，马铃薯添加量20 g，复配粉过筛目数120目进行正交试验设计。

2.2 正交试验结果与分析

根据单因素试验结果，对泡菜粉添加量、马铃薯粉添加量、复配粉过筛目数进行了正交试验设计，因素水平见表2，正交试验结果见表3。

表2 正交试验因素与水平Table 2 The factors and levels of the orthogonal test

表3 正交试验设计及方差分析结果Table 3 The design of the orthogonal test and the results of range and variance analysis

由结果确定产品的最佳配方为：泡菜粉添加量13g，马铃薯添加量22 g，复配粉过筛目数140目，与感官评分最高的3号样品结果相一致。说明产品配方中泡菜粉添加量的增加会导致产品感官品质降低，而适当提高马铃薯粉添加量和降低粉末粒度，可以提高产品感官品质。有研究表明，降低马铃薯粉末粒度可以导致颜色强度的增加，以及溶解度和溶胀力的提升[18]，可以有效改善饼干的感官品质。此外，结果显示，各因素对饼干的感官影响的主次排序为泡菜粉添加量＞马铃薯粉添加量＞复配粉过筛目数。

2.3 质构测定结果与分析

对饼干样品的硬度、脆度、咀嚼性和黏着性等质构特性进行分析，结果见表4。

表4 饼干质构特性分析结果Table 4 The analyzed results of the textural properties of biscuits

硬度是评价饼干口感的重要指标，表示的是第一次压缩时的最大峰值，也就是食物变形所需的力[19]。结合感官评价可知，感官评分超过80分的饼干，其硬度都低于2 500 g，表明硬度大于2 500 g的饼干超出了普通消费者的可接受水平。脆度是评价饼干质地的重要指标，反映的是饼干质地的疏松程度[20]。从表3和表4可知，脆度大的饼干其感官评定评分也相对较高。咀嚼性指的是咀嚼半固体的样品至可吞咽状态时所需要作的功[21]。感官上是指牙齿将食物从固体的状态咀嚼成可吞咽的状态所需要作的功。咀嚼性的大小反映了饼干对牙齿咀嚼的抵抗力。咀嚼性越大，说明饼干越难被嚼碎，也越不酥脆。黏着性是指为了克服探头和样品间的黏着力所作的功[22]。在感官上指的是样品表面对牙齿表面的黏附能力。如果黏着性的绝对值很大，饼干则易粘在牙齿和口腔壁上。样品7、8、9的咀嚼性和黏着性都较高，而由配方可知这3个样品的泡菜粉含量较高，说明泡菜粉含量在一定程度上可以影响饼干的咀嚼性和黏着性。

2.4 基于主成分分析的感官评定和质构测定

感官评定相关系数矩阵见表5。

表5 感官评定相关系数矩阵Table 5 Correlation coefficient matrix of sensory evaluation

国内外学者对食品质量评价主要是对感官指标的评价，也有感官评分和理化指数相结合的方法。然而，由于评分标准不统一，对品质的综合评价还有待进一步探讨。主成分分析法（principal component analysis，PCA）是一种目前较为常用的评价方法，它的主要思想是降维。由于不同指标之间存在一定的相关性，因此在一定程度上，测得的数据会有所重叠。可以用少量的指数代替原始指标中包含的信息，同时客观地确定每个指标的权重，避免主观随意性[23-24]。感官评定方差贡献率和累积贡献率见表6，主成分评分系列矩阵见表7。

表6 感官评定方差贡献率和累积贡献率Table 6 Variance contribution rate and cumulative contribution rate of sensory evaluation

表7 主成分评分系列矩阵Table 7 Series matrix of principal component analysis

用SPSS软件只提取前两个主成分，这两个主成分的累积方差贡献率为80.817%（表6），在一定程度上能较好地反映感官评定的结果。

根据表7可以得到各主分的表达式。

将各个变量代入公式（1）和公式（2），分别得出F1和F2的两个主成分得分。

按照各主成分所对应的方差贡献率，按公式（3）来计算综合评分Y，结果如表8所示。

表8 饼干感官评定的主成分特征值及综合评分Table 8 Principal component eigenvalues and comprehensive scores of sensory evaluation of biscuits

由综合评分Y值分析结果可以看出，第2组试验样品和第3组试验样品的综合评分较高。同理可以分析得到饼干质构特性分析结果的主成分特征值及综合评分，结果见表9。

表9 饼干质构测定的主成分特征值及综合评分Table 9 Principal component eigenvalues and comprehensive scores of texture determination of biscuits

如表9所示，第3组样品的质构特性综合评分最高。因此，综合饼干产品的感官品质和质构特性的分析结果，可以确定最优的泡菜风味马铃薯饼干配方为第3组样品，其配方组成中泡菜粉添加量为13 g，马铃薯粉添加量为22 g，复配粉过筛目数为140目，这与极差分析的结果一致。

2.5 最优配方营养成分分析结果

在最优饼干产品配方基础上，对最优化的饼干产品的营养成分进行综合的分析，并与市场上知名的市售饼干进行对比。营养素参考值（nutrient reference values，NRV）为能量和营养素在食物中的相对含量，其专门用于食品营养标签，标示每日合理的能量与营养摄入[25]。最优配方饼干的营养成分见表10，市售饼干的营养成分见表11。

表10 最优配方饼干的营养成分Table 10 Nutritional composition of the optimal formula for biscuits

表11 市售饼干的营养成分Table 11 Nutritional composition of commevcial biscuits

由表10和表11可知，与市售饼干相比，最优配方所制作成的饼干具有更高的蛋白质含量和膳食纤维含量，更低的脂肪含量、碳水化合物含量和热量。一种更加专业的判断方法，即利用称为蛋白质质量指数（index of nutrition quality，INQ），即蛋白质的 NRV 除以能量的NRV，来判断食品营养价值的高低[25]。最优配方饼干INQ=0.68，市售饼干INQ=0.36，说明最优配方饼干较市售饼干而言有更高的营养价值。此外，最优配方饼干的脂肪NRV质量百分比为25%，而市售饼干为38%，显然，具有更低的脂肪含量。在碳水化合物方面，最优配方饼干的NRV质量百分比为17%，市售饼干的为22%。这两个数值与大多数高碳水化合物的主食类食物相差不多，因此这两款饼干都可以作为主食食用。最优配方饼干膳食纤维的NRV为63.2%，市售饼干为50%，说明食用100 g最优配方饼干可以补充将近2/3每日所需的膳食纤维含量。总的来说，按照最优配方烘焙制得的泡菜风味马铃薯饼干和市场上商品化的产品相比，不但更加营养，而且更加健康。

3 结论

本研究通过正交试验优化配方工艺制作泡菜风味的马铃薯饼干，并结合主成分分析方法对其进行感官评价和质构特性分析及营养评价，通过统计数学模型分析，进行科学的配方设计和工艺优化。最终确定泡菜风味马铃薯饼干的最优配方为低筋面粉145 g、奶粉 15 g、鸡蛋 15 g、牛奶 40 g、黄油 35 g、白砂糖 30 g、泡菜粉13 g、马铃薯粉22 g、泡打粉4 g。同时复配粉过140目筛有利于提高产品质构和感官品质。与市售饼干相比，本研究设计的泡菜风味马铃薯饼干在营养方面具有更高的蛋白质含量和膳食纤维含量，更低的脂肪含量、碳水化合物含量和热量。因此，最优配方所制作成的饼干具有较高的营养价值，是一种更符合饮食健康需求的新产品，具有市场推广价值。