响应面法优化黑小米代餐粉配方

陈静，丁洁，沙芮，牛犇*，王明远，马文智

1. 甘肃省商业科技研究所（兰州 730010）；2. 山丹县治鹰农业科技有限公司（张掖 734100）

黑小米营养丰富，每百克黑小米含9.7 g蛋白质、3.5 g脂肪、72～76 g淀粉、29 mg钙、240 mg磷和7.8 mg铁，与大米相比，维生素B1高1.5倍，维生素B2高1倍，粗纤维高4～7倍。黑小米还含有丰富的氨基酸，特别是人体必需的色氨酸、亮氨酸、精氨酸，含量比其他粮食都高。黑小米无论是煮饭或熬粥都容易被人体消化吸收，消化吸收率高达97.4%。目前市售黑小米数量较少，且市售种类仅为原材料，新技术、新产品开发市场空白，其营养优势和资源价值未能有效释放。同时，黑小米在甘肃省山丹县有地域种植优势，为了提升黑小米的经济价值，推动甘肃省农业竞争力，满足人们对黑小米产品绿色、无公害、高营养价值的需求，推动黑小米产业向前发展，此次试验以黑小米为主要原料进行开展。

荞麦营养丰富，是一种药食两用植物，荞麦含有丰富的膳食纤维、氨基酸、脂肪酸、有机酸等。此外，荞麦中含有的芦丁和黄酮类化合物具有预防心脑血管疾病和清除自由基等保健功效。同时，荞麦中所含的高膳食纤维具有良好的预防便秘作用，经常食用对预防大肠癌和肥胖症有益[1-4]。玉米含有多种天然维生素，经常食用可降低胆固醇、降血压、降血脂、降血糖、调节便秘、护肤养颜[5]。黑芝麻营养丰富，作为药食同源物质具有保护肝肾、抗肿瘤、消炎杀菌、抗氧化、抗衰老、防止动脉粥样硬化、调节血脂、保护神经等功效[6]。

代餐粉是由一种或多种原辅料，按照一定的方法、配比混合调配而成的冲调粉剂产品[7]，由于其食用方便快捷、适用人群广泛、低热量、高纤维、易饱腹等优点而受到消费者青睐，在现代快节奏的社会生活中成为颇受人们欢迎的食品之一，现也常作为一种新型的手段应用于糖尿病、高脂血症等疾病的临床干预[8-10]。目前市场上有单一原料的代餐粉，如：蒋勇等[11]开发的豆腐渣代餐粉，具有低钠盐、低能量、营养均衡等特点；也有多种复合原料的代餐粉，如藜麦南瓜复合粉，营养丰富，冲调性好[12]。复合代餐粉能够将原料各自的活性成分互相结合、取长补短，协同增效的作用远比单个营养素更加有利于人体健康[13]。我国传统膳食结构是以谷物为主，谷物早餐中营养含量比较多，有很好的口感，卫生水平比较高，而且能够很好地被人们吸收，老少皆宜[14]。随着人们生活水平日益提高，保健意识逐渐增强，谷物代餐粉市场前景十分广阔，近年来，基于全谷物营养的杂粮主食化加工受到食品企业的热爱。

综上，此次试验主要利用营养丰富的黑小米作为主要原料，利用挤压膨化技术，通过快速加压升温，促使淀粉糊化，瞬间减弱压力使杂粮组织结构发生变化，改善其质地和口感[15]，再搭配玉米粉、荞麦粉等杂粮粉，研究调配出口感优良、冲调性好的代餐粉。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

黑小米，产地甘肃省山丹县；玉米、黑芝麻、荞麦、黑豌豆，购于兰州市城关区张苏滩粮油市场。

1.2 试验仪器

XS225A型电子分析天平（普利塞斯，瑞士）；UPH-1-40L优普系列超纯水器（四川优普超纯科技有限公司）；筛子；烧杯；量筒；搅拌棒；纸杯。

2 试验方法

2.1 黑小米代餐粉的制备方法

黑小米、玉米、黑豌豆、黑芝麻、荞麦挤压膨化后粉碎过0.600 mm（30目）孔径筛标准化。按照不同配比将各种配料称重后混合均匀即可。

2.2 单因素试验设计

固定黑小米粉添加量10.0 g，选取黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、荞麦粉添加量、玉米粉添加量4个因素，保持其中3个固定因素不变，对另外1个变量进行单因素试验。请3位评委按照表1对黑小米代餐粉感官指标进行评分，确定3个因素的配方量。单因素试验中各因素水平分别为：黑豌豆粉添加量1，2，3，4和5 g；黑芝麻粉添加量1，2，3，4和5 g；荞麦粉添加量1，2，3，4和5 g；玉米粉添加量1，2，3，4和5 g。将所有原料混匀后，添加6倍量的60 ℃温开水搅拌均匀（黑小米粉开水冲调结块现象严重，选择温水冲调，根据前期小试试验确定，黑小米粉在60 ℃温水下溶解性最好。水量添加过多会导致代餐粉过于稀释，水量添加过少又导致溶解不充分，根据前期小试试验，确定添加6倍水后冲调口感最好），由评委对代餐粉进行感官评价。

表1 黑小米代餐粉感官评价表

2.3 响应面试验优化黑小米代餐粉配方

在前期单因素试验的基础上，以感官评价得分为指标，根据Box-Behnken中心组合设计原理，利用Design-Expert 8.0.6软件对黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、荞麦粉添加量、玉米粉添加量设计四因素三水平的响应面试验，见表2；根据代餐粉制备方法2.1配制黑小米代餐粉，每组重复3次，将所有原料混匀后加入6倍60 ℃温水搅拌均匀，对其进行感官评分。

表2 Box-Behnken 中心组合设计 单位：g

3 结果与分析

3.1 单因素试验

3.1.1 黑豌豆粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

黑豌豆粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响见图1。

由图1可知，随着黑豌豆粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官评分呈现先上升后下降的趋势，当添加量为3 g时，感官评分最高，为85.7分。黑豌豆粉有天然豌豆的香味，添加量少时香味较淡，添加量多时略微带有豆腥味，因此选择黑豌豆粉的添加量2～4 g为响应面设计因素水平。

图1 黑豌豆粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

3.1.2 黑芝麻粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

黑芝麻粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响见图2。

由图2可知，随着黑芝麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官评分呈现先上升后下降的趋势，当添加量为3 g时，感官评分最高，为86.5分。黑芝麻粉有浓厚的芝麻香味，但黑芝麻粉油性比较大，溶解性较差，添加量过多会导致冲调时结块较多，且黑芝麻粉末颗粒较为粗糙，添加过多会使代餐粉色泽整体不均匀有杂质，因此选择黑芝麻粉的添加量2～4 g为响应面设计因素水平。

图2 黑芝麻粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

3.1.3 荞麦粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

荞麦粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响见图3。

由图3可知，随着荞麦麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官评分呈现先上升后下降的趋势，当添加量为4 g时，感官评分最高，为86.4分。荞麦粉有淡淡的荞麦清香味，但添加量多后会有略微的苦涩味，因此选择荞麦粉的添加量3～5 g为响应面设计因素水平。

图3 荞麦粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

3.1.4 玉米粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

玉米粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响见图4。

由图4可知，随着玉米粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官评分呈现先上升后下降的趋势，当添加量为3 g时，感官评分最高，为86.9分。玉米粉有其独特的香味，但玉米粉颗粒较粗糙，且添加量多后会掩盖其他配料的香味，影响代餐粉整体感官，因此选择玉米粉的添加量2～4 g为响应面设计因素水平。

图4 玉米粉添加量对黑小米代餐粉感官评分的影响

3.2 响应面试验结果分析

3.2.1 响应面试验设计结果

在单因素试验的基础上，以黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、荞麦粉添加量、玉米粉添加量为自变量，以感官评分值为响应值，运用Design-Expert 8.0.6进行四因素三水平的试验设计，共包括29个试验点，其中24个为析因点，5个为零点以估计误差。试验结果见表3。

表3 Box-Behnken 试验设计与结果

3.2.2 回归模型的建立与显著性分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对结果进行分析，拟合得到四个因素与感官评分之间的二次回归方程：

Y=92.24-2.28A-1.04B-0.21C+0.067D-7.15AB-1.43AC-1.03AD-1.55BC-6.22BD-1.60CD-7.15A2-4.79B2-3.96C2-4.32D2

对回归模型进行方差分析，结果见表4，模型p值＜0.01，说明回归模型极显著。失拟项p值＞0.05，p为不显著，说明回归模型显著。试验中的决定系数R2=0.984 5，R2adj=0.969 0，说明回归模型与试验值拟合得较好，可用于黑小米代餐粉感官评分的理论推测和分析。

由表4中各因素p值的大小可知，黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、黑豌豆粉添加量与黑芝麻粉添加量相互作用、黑芝麻粉与荞麦粉添加量相互作用、黑芝麻粉添加量与玉米粉添加量相互作用、荞麦粉与玉米粉添加量的相互作用影响极显著，黑豌豆粉和荞麦粉添加量相互作用显著。同时，四个因素对黑小米代餐粉感官评价影响排序为黑豌豆粉添加量＞黑芝麻粉添加量＞荞麦粉添加量＞玉米粉添加量。

表4 二次回归模型的方差分析结果

3.2.3 因素交互作用分析

为了进一步研究相关变量之间的交互作用以及确定最优点[16-17]，利用Design-Expert软件分析二次回归模型，绘制响应面分析立体图和等高线图。图5为响应面分析立体图和等高线图。

图5 各因素相互作用对黑小米代餐粉感官评分的影响

等高线呈椭圆形表示两因素交互作用显著，圆形则与之相反，响应曲线能直观地反映各因素对响应值的影响。图6为两种因素水平为0时，另外两因素对黑芝麻黑色素得率的交互作用。由图6可看出，图6中（a，d，e和f）的等高线均呈椭圆形，其中图6（a）和图6（e）的3D曲面坡度最大，所以黑豌豆粉与黑芝麻粉添加量、荞麦粉与黑芝麻粉的添加量、玉米粉与黑芝麻粉的添加量、玉米粉与荞麦粉的添加量交互作用对黑小米代餐粉感官评分影响极显著，而黑豌豆粉与玉米粉添加量对感官评分交互作用影响不显著。

3.3 验证试验结果

对试验模型进行分析得出黑小米代餐粉最佳口感的各配料配比：黑小米粉添加量10 g，黑豌豆粉添加量3 g，黑芝麻粉添加量3 g，荞麦粉添加量4 g，玉米粉添加量3 g，即W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W荞麦粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3，加入60 ℃ 6倍温水搅拌均匀，实际测得黑小米代餐粉感官评分为92.43分，与理论值92.24分相比，误差为0.21%。因此，试验得到的最优条件准确可靠，具有一定的参考价值。

4 结论

研究综合考虑黑小米代餐粉的风味、口感、冲调性以及色泽，通过单因素试验和响应面试验对黑小米代餐粉配方进行优化，确定影响黑小米代餐粉感官评分的因素主次顺序为：黑豌豆粉添加量＞黑芝麻粉添加量＞荞麦粉添加量＞玉米粉添加量。对试验数据进行统计分析，建立预测模型，得到黑小米代餐粉最佳工艺配方为：W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W荞麦粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3。在此配方下冲调出的黑小米代餐粉外观细腻均匀，冲泡后口感清香怡人。本试验建立的指标模型预测能力较好，可用于黑小米代餐粉配方优化研究。