基于响应面分析优化荞麦面条制备工艺

侯惠花，刘瑞，孙元琳，于章龙，柴永峰，周素梅

（1.运城学院 生命科学系，特色农产品加工山西省重点实验室，山西 运城 044000；2.山西农业大学 食品科学与工程学院，山西 太谷 030800；3.山西农业大学 棉花研究所，山西 运城 044000；4.中国农业科学院 农产品加工研究所，北京 100193）

荞麦最早起源于中国，属于蓼科植物，其栽培历史非常悠久[1]，荞麦的营养价值丰富，有“五谷之王”的美称[2]。荞麦粉是荞麦脱去外壳后经过磨制而得到的，荞麦中含有蛋白质、脂肪、各种维生素以及微量元素等人体所必需的营养物质，是一种保健食品资源[3]。有研究表明荞麦具有降血脂、降血压、降血糖、抗肿瘤、抗氧化、抗疲劳和抗菌等多种功效[4-6]。传统中医认为，荞麦性凉，味甘，具有健胃、消积、止汗之功效，而且对于常见的消化不良、食欲不振等症状有良好的辅助治疗效果[7]。荞麦中还含有较多的矿物质，特别是磷、铁和镁，这些物质可以维持人体心血管系统和造血系统的正常功能[8-9]。此外，荞麦属于粗粮，经常食用可以预防肥胖[10]。

面条是我国传统主食之一，消费基数大，年产量达350万吨[11]。传统面条多是以小麦粉为主要原料加工而成。小麦粉面条营养成分单一，无法满足现代人们对饮食健康的需求。而我国杂粮资源相对丰富[12]，杂粮中营养物质丰富，对人体健康有较大益处。小麦粉与杂粮结合，不仅大大提高了面条营养价值，还在一定程度上满足人们对健康的需求[13]。荞麦蛋白质主要由水溶性清蛋白和盐溶性球蛋白以及谷蛋白组成，面筋含量极低，和面后面团的黏弹性、延伸性差，使得面条品质较差[14]。因此，在面条生产中通常需要添加改良剂，比如黄原胶、谷朊粉、磷酸酯淀粉及三聚磷酸钠等来提高面条的蒸煮品质和感官品质。

本试验研究荞麦粉和小麦粉质量比、谷朊粉添加量、黄原胶添加量以及葡萄糖氧化酶添加量对荞麦面条的蒸煮品质和感官品质的影响。在单因素试验的基础上，采用响应面分析法对荞麦面条制备工艺进行优化，从而获得高品质的荞麦面条，同时也为运旱618小麦粉新产品开发提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

运旱618小麦粉：山西农业大学棉花研究所；荞麦粉：山西雁门清高食业有限责任公司；谷朊粉（食品级）：安徽安特股份有限公司；黄原胶（食品级）、葡萄糖氧化酶（酶活100 000 U/g）：河南万邦实业有限公司；叔丁醇、戊二醛、乙酸异戊酯（分析纯）：阿拉丁试剂（上海）有限公司。

1.2 仪器与设备

YM1型面条机：九阳股份有限公司；101型电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器有限公司；Hitachi S-4800扫描电镜：日本日立有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 混合粉制备

将一定量的小麦粉、荞麦粉、谷朊粉、黄原胶、葡萄糖氧化酶混合，充分混匀，备用。

1.3.2 面条制备

称取混合粉100 g，加水和面，静置醒面，用面条机从一档压面至三挡，再进行切条，面条制备完成。

1.3.3 面条最佳蒸煮时间的确定

取5根长为15 cm的面条，先煮2 min，然后每隔5 s捞出1根，观察面条中部白芯是否消失，消失即面条煮熟，此时间为面条最佳蒸煮时间。

1.3.4 面条蒸煮品质评价

参考华燕菲[15]的方法，并稍加修改。锅中加入500mL蒸馏水煮沸，取15根长度为20 cm且外表均一的面条，称量生面条质量（m1），蒸煮后，把余下的面汤全部转移倒入500 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀，量取100 mL置于200 mL恒重烧杯（m0）中，加热蒸发水分，放入105℃干燥箱中烘至恒重（m2）。蒸煮损失率计算公式如下。

1.3.5 面条感官评价

参考韩立宏[16]的方法，对面条的感官项目选择适当的评分标准。选取10名食品专业学生组成感官评定小组，评价标准如表1所示，评定小组成员们按照表1进行评定，所有面条样品去掉最高分与最低分，计算平均值和标准差。

表1 面条评分标准Table 1 Score criteria for noodles

1.3.6 单因素对荞麦面条品质的影响

将面条的蒸煮品质和感官品质作为评价指标，分别对荞麦粉和小麦粉质量比 （10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50）、谷朊粉添加量（0%、1%、3%、5%、7%）、黄原胶添加量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）、葡萄糖氧化酶添加量（0、10、20、30、40 mg/kg）进行单因素试验，研究各因素对荞麦面条品质的影响，得到单因素的最佳水平。

1.3.7 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，以面条的感官评分为响应值，使用Box-Behnken设计方法进行四因素三水平响应面试验，确定荞麦面条的最佳制作工艺。因素水平见表2。

表2 响应面试验因素和水平Table 2 Factors and levels of response surface test

1.3.8 荞麦面条电镜分析

参考李嘉欣等[17]的方法，对面条样品进行处理后于-80℃条件下进行真空冷冻干燥，喷金，于15 kV的工作电压下，扫描放大倍数选取4 000倍、15 000倍和20 000倍，通过扫描电子显微镜进行微观结构分析。

1.4 数据处理

用SPSS 25.0进行统计分析，结果用平均值±标准差表示，应用ANOVA分析各组结果间的显著性差异（P＜0.05），单因素和响应面试验数据采用Design-Export 8.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 荞麦粉和小麦粉质量比对面条蒸煮品质和感官品质的影响

荞麦粉和小麦粉质量比对面条蒸煮损失率和感官评分的影响见图1。

图1 荞麦粉和小麦粉质量比对面条蒸煮损失率和感官评分的影响Fig.1 Influence of buckwheat-wheat flour ratio on cooking loss rate and sensory score of noodles

由图1可以看出，荞麦粉和小麦粉质量比为10∶90～30∶70的面条，感官评分随荞麦粉比例增大而逐渐增加。荞麦粉和小麦粉质量比为30∶70时，面条的色泽亮丽程度最高，面条的表面光滑，不膨胀，结构紧密，面条软硬程度最好，在咀嚼时，面条有弹性，有咬劲，面条不粘牙，吃起来爽口，表面光滑性好，品尝时有清香的荞麦味道。随着荞麦粉比例的提高，面条的感官评分开始下降，荞麦粉面筋强度小，荞麦粉与小麦粉混合，起到稀释面筋蛋白的作用[18]，荞麦粉含量越多，面条的韧性以及黏性都会随之下降。荞麦粉和小麦粉质量比为40∶60的荞麦面条，口感有淡淡的苦味。荞麦粉和小麦粉质量比为50∶50荞麦面条中，荞麦粉所占比例较大，支链淀粉增多，面条更易糊化，面条的黏性和韧性都会变差，苦味较明显，面条的感官品质差。结果表明，荞麦粉和小麦粉质量比为30∶70时，面条的整体感官品质和蒸煮品质较好。

2.2 谷朊粉添加量对面条蒸煮品质和感官品质的影响

谷朊粉添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响见图2。

图2 谷朊粉添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响Fig.2 Influence of gluten addition on cooking loss rate and sensory score of noodles

由图2可知，面条的蒸煮损失率随着谷朊粉的添加量增加先下降后升高，这说明，谷朊粉的添加有效减少了面条的蒸煮损失，谷朊粉添加量为5%时，面条蒸煮损失率最小，感官评分最高。谷朊粉可提高面条中含-SH的氨基酸含量，使得面筋蛋白网络结构与面团韧性加强，能对淀粉物质有效包裹[19-20]，从而减小面条蒸煮损失率。综上，添加5%谷朊粉的面条品质较好。

2.3 黄原胶添加量对面条蒸煮品质和感官品质的影响

黄原胶添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响见图3。

图3 黄原胶添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响Fig.3 Influence of xanthan gum addition on cooking loss rate and sensory score of noodles

由图3可以看出，添加黄原胶的面条感官评分都高于未添加黄原胶的面条，且分值都在80分以上。口感爽滑筋道，这说明在一定程度上，添加黄原胶能提高面条的感官品质。黄原胶添加量为0.2%时面条蒸煮损失率最小，感官评分最高，这是因为黄原胶可以促进淀粉-胶体-蛋白质之间形成更强的网络结构[21]，且黄原胶可以与蛋白质和淀粉上的功能基团发生静电相互作用[22]，进而提高面条的硬度，从而降低面条的蒸煮损失率。当黄原胶加入过量时会抑制淀粉颗粒间的结合而弱化了淀粉网状结构的紧密性[23]，使面条蒸煮损失率变大。因此，黄原胶添加量为0.2%的面条品质较好。

2.4 葡萄糖氧化酶添加量对面条蒸煮品质和感官品质的影响

葡萄糖氧化酶添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响见图4。

由图4可知，葡萄糖氧化酶添加量在0～20 mg/kg之间增大时面条的感官评分逐渐增加，这是因为葡萄糖氧化酶通过将面粉中的硫氢键氧化成双硫键，有效加强面筋蛋白质的三维空间网状结构，增加面筋强度，使面条品质提高[24]。葡萄糖氧化酶添加量为20 mg/kg的面条感官评分最高，蒸煮损失率最低，品质较好。

图4 葡萄糖氧化酶添加量对面条蒸煮损失率和感官评分的影响Fig.4 Influence of glucose oxidase addition on cooking loss rate and sensory score of noodles

2.5 响应面分析结果

2.5.1 多元二次模型方程的建立

荞麦面条配方优化响应面试验统计结果见表3，方差分析见表4。

表3 响应面分析结果Table 3 Results response surface analysis

表4 感官评分回归方程的方差分析结果Table 4 Results of variance analysis of the regression equation of sensory score

由表4可知，通过Design-Expert 8.0软件对统计结果进行方差分析，可以得出模型极显著，P＜0.000 1，这表明响应值与各因素之间关系显著，该模型具有统计学意义；R2=0.966 7，R2Adj=0.933 5，这表明模型可以解释96.67%响应值的变化；失拟项P=0.622 9＞0.05，不显著，对模型有利，表明可用该回归方程分析；变异系数（C.V.%）为1.27，表明模型的精密度高，对模型的拟合情况较好。软件分析结果显示 A、B、C、D、BC、A2、B2、C2、D2项极显著，AB 项显著，AC、AD、BD、CD 项不显著，说明荞麦粉和小麦粉质量比、谷朊粉添加量、黄原胶添加量以及葡萄糖氧化酶添加量对于面条的感官评分有极显著影响（P＜0.01）。各因素对于感官评分的影响程度A>B>C>D。运用Design-Expert 8.0软件进行分析，得到二次多项回归方程：Y=91.25+1.78A-1.54B+1.34C+1.22D+1.13AB-0.24AC+0.40AD-1.74BC-0.58BD-0.77CD-4.69A2-4.73B2-4.08C2-3.83D2。

2.5.2 三维响应曲面图分析及优化验证

应用Design-Expert 8.0软件进行响应面分析，绘制响应面曲线图，如图5所示。

由图5可以得出，荞麦粉和小麦粉质量比与谷朊粉添加量交互作用、谷朊粉添加量与黄原胶添加量交互作用的响应曲面坡度较陡峭，等高线呈椭圆形，交互作用较显著，与方差分析结果一致。经响应面软件进一步优化，最终得到荞麦面条最优配方：荞麦粉和小麦粉质量比为31.69∶68.31，谷朊粉添加量为4.63%，黄原胶添加量为0.22%，葡萄糖氧化酶添加量为21.63 mg/kg，面条感官评分预测值可达91.76。为方便称量，调整荞麦粉和小麦粉质量比为32∶68，谷朊粉添加量为5%，黄原胶添加量为0.2%，葡萄糖氧化酶添加量为22 mg/kg，选择最优工艺参数进行3次重复试验，得最终面条感官评分91.43±0.45，与预测结果相近。

图5 各因素交互作用的响应面图Fig.5 Response surface diagram of interaction of various factors

2.6 面条电镜扫描分析

图6 为纯小麦面条和荞麦面条的微观结构图。

图6 小麦面条和荞麦面条微观结构扫描电子显微镜图Fig.6 Scanning electron microscopy of microstructures of wheat noodles and buckwheat noodles

从图6可以看出，纯小麦面条结构较荞麦面条疏松，能看到较多的大颗粒。通过图6b和图6e（×15000），可以看到纯小麦面条空隙较大，小颗粒众多，而荞麦面条的结构相对紧密。从图6c中看出纯小麦面条结构中明显的不规则的空洞，结构不均一，相比之下，图6f荞麦面条的面筋网络结构明显，结构表面较光滑，面筋结构紧密，均一，结构空隙较小。从微观结构图中可以得出，优化后面条的结构得到了很大的改善，荞麦面条中含有的添加剂，如黄原胶、谷朊粉等能对面条的网络面筋结构起到很好的改善，也在一定程度上优化了面条的质地。

3 结论

通过单因素试验和响应面分析确定荞麦面条的最佳配方：荞麦粉和小麦粉质量比为32∶68，谷朊粉添加量为5%，黄原胶添加量为0.2%，葡萄糖氧化酶添加量为22 mg/kg，此配方下面条感官评分为91.43，与预测结果相近。扫描电镜图像显示制得的荞麦面条比纯小麦面条的面筋结构紧密，空隙小，表面较光滑。本试验为荞麦面条的研制提供了理论支持。