响应面法优化芡实面条加工工艺

刘辉，熊波，赵若冰，刘洪泽，陈楷丰，聂小宝

1. 广东产品质量监督检验研究院（佛山 528000）；2. 淮阴工学院生命科学与食品工程学院（淮安 223003）

面条作为一种传统的主食，因其种类繁多、方便可口而在许多亚洲国家被广泛食用[1]。然而，据报道，过量食用精制小麦面与慢性代谢疾病有关，如2型糖尿病、肥胖症和结肠癌。因为精制面条作为快速消化的食物更容易受到餐后高血糖反应的影响[2]。因此，在面条配方中加入一些有助健康的营养成分，可以加强和丰富多样性，有益于消费者的健康和营养状况，获得比传统面条更低的血糖反应，同时对食品工业具有重要意义。

芡实是睡莲科芡实属植物，是著名的食用和药用水生植物。这种植物的幼嫩茎和根茎是可食用的，其种子在中国被称为“鸡头米”，可以药用或作为食物食用[3-4]。它在传统医学中被用作对人体有价值的营养补品，而目前被认为是一种具有重要经济意义和高营养价值的健康食品[5]。生物学研究表明，芡实具有抗氧化、抗疲劳、抗抑郁、抗糖尿病的活性[6]。近年来，对芡实不同部位（壳、叶柄、花梗、种子）对糖尿病的处理效果开展了研究。据报道，芡实壳富含三萜的提取物可以通过减轻胰岛素抵抗来调节糖尿病小鼠的糖代谢[7]。此外，芡实种子的乙醇提取物可以改善糖尿病大鼠的血糖控制和脂质状况。此外，芡实叶柄和花梗的多糖对四氧嘧啶诱导的高血糖小鼠具有降血糖和抗氧化活性[8]。这些研究表明芡实对糖尿病具有潜在治疗作用。

试验以芡实粉和小麦粉为主要原料，制备芡实面条，通过响应面优化，获得最佳制作工艺，为芡实产品的开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋小麦粉（五得利集团新乡面粉有限公司）；芡实（苏州土生水长农业科技有限公司，粉碎后，过120目即0.125 mm网筛，备用）；面条改良剂（安琪酵母股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

JYS-M01磨粉机（九阳股份有限公司）；面条机MJ-NS1802A（广东美的生活电器制造有限公司）；752N紫外可见分光光度计（上海仪分科学仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

将面条改良剂加入水中溶解后，加入面粉中和面（添加量为面粉质量的0.5%～0.7%）。

面条改良剂、芡实粉和小麦粉混合→和面→熟化→压片→切条→干燥→成品

1.3.2 单因素试验

以高筋小麦粉质量的百分比计，选择芡实添加量（10%，20%，30%，40%和50%）、面条改良剂添加量（0.3%，0.4%，0.5%，0.6%和0.7%）和水添加量（25%，35%，45%，55%和65%）进行单因素分析试验，制备的面条经过蒸煮后，考察芡实添加量、面条改良剂添加量和水添加量对产品的感官评分的影响。

1.3.3 响应面优化试验

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken响应面设计方法，以芡实添加量、面条改良剂添加量和水添加量为响应因素，以感官评价和蒸煮损失为响应值进行优化试验，确定芡实面条最佳配方，三因素三水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平 单位：%

1.4 感官评定

将面条煮好后，邀请10位经过专业感官品评训练的人员，根据表2的评分标准进行感官品评。

表2 感官评分标准

2 结果与讨论

2.1 芡实添加量对面条感官评价的影响

由图1可知，随着芡实添加量增加，面条感官评分先增大，达到最大值后开始下降。芡实添加量10%时，面条没有芡实固有的颜色，光亮较差且颜色不均一，表面粗糙、不光滑，口感偏软，粘牙，咬劲和弹性一般，且没有芡实固有的气味。随着芡实添加量逐渐增加，面条的颜色、表观状态适口性、黏弹性和食味发生显著提高。但是芡实添加量达到30%后，感官评分呈现下降趋势。这可能是由于过量的芡实导致原料中面筋蛋白含量降低，从而使面团吸水能力和面筋形成能力下降，难以产生致密的网络结构，使面条难以形成稳定的组织结构，因此感官品质逐渐降低。所以，选取芡实添加量20%，30%和40%作为响应因素的最佳范围。

图1 芡实添加量对面条感官评价的影响

2.2 面条改良剂添加量对面条感官评价的影响

由图2可以看出，面条改良剂的添加量0.4%，0.5%和0.6%时，面条的感官评分较高。随着面条改良剂的添加，面条的感官评分先增加后降低并趋于稳定。

图2 面条改良剂添加量对面条感官评价的影响

改良剂的主要成分由黄原胶、谷朊粉、三聚磷酸钠等物质组成。黄原胶通过主链间氢键等非共价键作用力形成具有一定黏弹性的连续三维凝胶网络结构，与蛋白质相互结合形成大分子基团，增强面粉中蛋白质黏结力[9]，提升面条品质。谷朊粉的添加，增加面粉中的二硫键含量，使吸水后形成的面筋蛋白网络结构更加稳定[10]。三聚磷酸钠可以促进面筋蛋白与淀粉之间进行酯化反应及架桥结合而形成稳定的复合体，从而降低面制品在蒸煮时的淀粉的溶出[11]。改良剂添加量0.5%时，面条的成型性、膨胀率和筋力均得到提高；然而添加量继续增加时，会导致面条在煮制时发生蛋白质变性而暴露疏水基、吸水率降低，最终导致面条的硬度、爽口性降低。因此，选取改良剂添加量0.4%，0.5%和0.6%作为响应因素试验的范围。

2.3 水添加量对面条感官评价的影响

由图3所示，随着水添加量增加，感官评分呈现上升趋势，水添加量55%时感官评分达到最大值。继续添加水会导致感官评分下降。这是由于过多的水分导致面团质构软化，在进行压片和切条时会发生黏连现象，在进行煮制时断条现象增加。因此，选择水添加量45%，55%和65%作为Box-Behnken响应面设计的水平。水添加量增加时，面团变软，压片与切条时黏连严重，煮面时易断，导致面条断条率增加。

图3 水添加量对面条感官评价的影响

2.4 芡实面条加工工艺的响应面试验结果

2.4.1 响应面多元回归模型的建立与分析

根据单因素试验结果，设计三因素三水平的响应面试验（表3）。采用Design-Expert 8.0.5b软件对试验数据进行多元回归拟合，得到芡实面条感官评分关于芡实添加量（A），面条改良剂添加量（B），水添加量（C）的二次回归方程：Y=-302.459 38+3.656 25A+ 519.125 00B+6.793 75C+0.025 000AB-0.016 500AC-0.400 00BC-0.041 125 A2-476.250 00B2-0.051 875C2。

表3 响应面试验设计及结果

从表4可以看出，回归模型p＜0.000 1，达到极显著水平，而失拟项的p值为0.129 8大于0.05，因此该回归模型有效。相关系数R2=0.931 5，说明该方程对试验拟合情况效果好；校正相关系数Radj2=0.987 0，说明该模型能够在98.70%的程度上对试验结果进行解释说明；变异系数为0.79，说明试验的精确度高，模型方程能够较好地反映真实值。因此，可用该回归方程对芡实面条的加工试验结果进行分析和预测。芡实添加量（A）、面条改良剂添加量（B）、水添加量（C）的p值小于0.000 1，表明其对芡实面条感官评分的影响极显著。各因素对芡实面条感官评分的影响大小顺序是水添加量（C）＞芡实添加量（A）＞面条改良剂添加量（B）。

表4 回归方程系数显著性检验

2.4.2 各因素间交互作用响应面分析

图4～图6是通过上述多元二次回归模型所得到的响应面图，可用于评价当芡实添加量（A）、面条改良剂添加量（B）、水添加量（C）任意一个因素位于中心水平时，其余2个因素间的交互作用及对芡实面条感官评分的影响[12]。由图5可以看出，芡实添加量（A）与水添加量（C）之间的交互作用的曲面陡峭，对芡实面条感官评分的影响较大；而图4和图6显示，芡实添加量（A）与面条改良剂添加量（B），以及面条改良剂添加量（B）和水添加量（C）间交互作用的影响较小。同时由表4方差分析结果显示，芡实添加量（A）与水添加量（C）之间的交互作用对芡实面条感官评分具有极显著影响（p＜0.01），而其他各因素之间的交互作用的影响不显著（p＞0.05）。各因素之间的交互作用对芡实面条感官评分的影响大小顺序为AC＞BC＞AB。

图4 芡实添加量和面条改良剂添加量交互作用响应面图

图5 芡实添加量和水添加量交互作用响应面图

图6 面条改良剂添加量和水添加量交互作用响应面图

2.4.3 模型验证

根据多元二次回归模型，预测得到芡实面条的最佳工艺条件：芡实添加量32.35%，面条改良剂添加量0.516%，水添加量56.81%。在此条件下，加工获得的芡实面条感官评分理论值为90.6分。在根据实际试验操作基础上，修改为芡实添加量32%、面条改良剂添加量0.5%、水添加量57%。在此条件下再次进行试验，实际测得的芡实面条感官评分平均值为90.1分，与预测值基本相符。因此，优化获得的工艺条件可靠。

3 结论

以芡实和面粉为主要原料，对芡实面条的最佳工艺条件进行研究。以感官评分作为分析指标，基于单因素试验结果，使用Box-Behnken响应面设计对芡实面条的加工条件进行优化。最佳工艺条件为芡实添加量32%、面条改良剂添加量0.5%、水添加量57%。在此条件下加工获得的芡实面条光亮色泽、颜色均一，表面细密、光滑，软硬适中，有嚼劲，有芡实固有的气味，感官评分为90.1分。此次研究可为工业化规模生产芡实面条提供理论依据和工艺参数，对开发芡实资源、提高其经济价值有重要的实践意义。