响应面法优化即食燕麦粥配方工艺

张园园，霍瑞，乔健敏，王莉梅，李星云，康连和*

内蒙古自治区农牧业科学院（呼和浩特 010031）

燕麦是我国重要的特色农作物之一，也是世界及我国第六大粮食作物[1-2]。燕麦的营养较为丰富，其氨基酸组成更为合理，必需氨基酸占总氨基酸含量的33.14%，燕麦中的赖氨酸含量较多，是玉米、大米和小麦等农作物的2倍以上[3]。燕麦中脂肪含量高于其他谷物，质量分数占6%～11%，主要分布在燕麦的胚乳中，并且多为不饱和脂肪酸，相对总含量在80%左右[4-5]。燕麦中的膳食纤维含量较多，其中可溶性膳食纤维含量较高，尤其以独有的β-葡聚糖而被人熟知，具有减少高脂血症患者血液中脂肪含量、促进胆固醇排出并改善脂质代谢紊乱的作用。

粥是中国的传统美食，具有食用方便、易消化吸收和辅助保健等作用，是婴幼儿、老年人和病人的理想辅食。近年来，粥的研究热点聚集在即食性和营养性两方面。即食粥是由一种或多种原辅料按照不同比例及工艺调配而成的灌装类产品，原料多为谷物杂粮。市面上的粥往往存在同质化严重和高血糖响应的问题，进而忽略粥可用材料的多样性和对应的益生特性。试验以燕麦、藜麦等为主要原料进行复配，通过响应面试验优化配方，在即食粥中添加几种原辅料以丰富产品的微量营养素，并改善粥体的稳定性，也具有促进食欲的色泽和较好的谷物风味品质，符合健康速食的理念，为复配谷物在即食食品方面的开发和利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

裸燕麦籽粒（内蒙古西贝汇通农业科技有限公司）；糯米、花生、红芸豆（市售）；藜麦（内蒙古谷农农牧业有限公司）；菊粉、木糖醇（江苏瑞多生物工程有限公司）；黄原胶、D-异抗坏血酸钠、蔗糖酯（均为食品级，南通英瑞达生物科技有限公司）。

浓硫酸、氢氧化钠、无水乙醚、无水乙醇等（均为分析纯）。

1.2 仪器与设备

SX-500型高压蒸汽灭菌锅（日本Tomy Digital Biology公司）；K35FK602型电烤箱（浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司）；SZC-C型脂肪测定仪（上海纤检仪器有限公司）；UV2300Ⅱ双光束紫外可见分光光度计（上海天美科学仪器有限公司）；PEN3型便携式电子鼻传感器（德国Airsense公司）；PB-10型赛多利斯pH计（上海奥豪斯仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

裸燕麦籽粒→除杂、清洗→烘烤→添加辅料（糯米、藜麦、花生、红芸豆和菊粉）→混合水和添加剂（木糖醇、黄原胶、蔗糖酯和D-异抗坏血酸钠）→灌装、压盖→杀菌→冷却→成品

1.3.2 操作要点

原料筛选：燕麦、糯米、藜麦等原料，要求颗粒饱满、无虫害、无霉变，去除土块和沙石等杂质。

原料预处理：主料燕麦、藜麦、糯米，用清水洗净，捞出、沥干，备用；辅料红芸豆、花生，用清水洗净，沥干，备用。

烘烤燕麦米：裸燕麦籽粒经过清水润洗至水分20%，在170 ℃电烤箱中烘烤一定时间。

灌装、压盖：将不同原料按一定比例称量后，放入马口铁罐中，将一定比例的水与添加剂先混合均匀，灌入马口铁罐中。使用压盖机进行压盖。

杀菌：121 ℃，25 min。

冷却：放在室温条件下自然冷却，24 h后进行感官评定。

1.3.3 燕麦籽粒烘烤时间

研究燕麦籽粒烘烤5，10，15，20和25 min时，对即食燕麦粥的影响。

1.3.4 配方优化单因素试验

裸燕麦籽粒经过清水润洗至水分20%，在170 ℃电烤箱中烘烤20 min。物料按20 g计，固定裸燕麦籽粒添加量50%、糯米添加量15%、藜麦添加量15%、剩余物料花生、红芸豆、菊粉质量比1∶1∶1、料液比1∶7（g/mL），燕麦粥总体按160 g计，添加2.4%木糖醇、0.3%黄原胶、0.12%蔗糖酯和0.05% D-异抗坏血酸钠。选取裸燕麦籽粒添加量、藜麦添加量、木糖醇添加量和料液比4个因素，保持其中3个因素固定不变，对1个变量进行单因素试验以确定响应面优化自变量。单因素试验中各因素的水平分别为：裸燕麦籽粒添加量40%，45%，50%，55%和60%；藜麦添加量5%，10%，15%，20%和25%；木糖醇添加量2%，2.2%，2.4%，2.6%和2.8%；料液比1∶6，1∶6.5，1∶7，1∶7.5和1∶8（g/mL）。

1.3.5 响应面优化试验

根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验的基础上，以燕麦添加量、藜麦添加量、木糖醇添加量和料液比4个因素为自变量，以感官评分为响应值，设计四因素三水平的响应面试验，确定即食燕麦粥的最佳配方工艺，并进行验证试验。

1.3.6 感官评分表

加工好的燕麦粥常温放置24 h后，邀请10名经过培训的食品相关专业人员参考即食粥燕麦感官评分标准（表1）进行感官评定。

表1 即食粥燕麦感官评分标准

1.3.7 基本营养成分和理化指标的测定

利用均质机对成品处理后样液的基本营养成分和理化指标进行测定（脂肪、蛋白质、膳食纤维、固形物含量和pH等）。

粗脂肪含量的测定参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法；粗蛋白含量的测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法；膳食纤维含量的测定参考GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》中的酶重量法；固形物含量和pH的测定参考GB/T 10786—2006《罐头食品检验方法》；可溶性固形物含量的测定参考GB/T 10786—2006《罐头食品检验方法》中的折光计法。

1.3.8 电子鼻测定

参照孙学颖等[6]的方法略作修改。称取3 g已混匀的样品溶液放入10 mL顶空瓶中，于80 ℃水浴20 min后取出静置平衡5 min，在室温环境下用PEN3型便携式电子鼻传感器对样品进行检测。电子鼻条件：初始进样流量300 μL/min，取样间隔时间1 s，清洗时间120 s，检测时间120 s，零点修剪时间1 s，每组样品做3次平行重复。

1.3.9 数据处理

所有试验重复3次，结果计算表示为平均值±标准差；采用Origin 2018软件绘制图表，采用Design-Expert 13.0软件进行响应面试验优化分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦籽粒烘烤时间对燕麦粥感官品质的影响

适当的烘烤使燕麦中淀粉糊化并在老化阶段与其他物质发生物理交联，食用可使血糖缓慢升高，避免快消化产生的血糖效应。烘烤后的燕麦发生美拉德反应，产生宜人的风味和色泽，烘焙时间对裸燕麦粥的感官评价影响如图1所示。

图1 燕麦籽粒烘烤时间对燕麦粥感官评价的影响

随着燕麦籽粒烘焙时间的增加，燕麦粥的感官评分先增大后减小，烘烤20 min时达到最大值，为84分。这是因为烘烤温度过低或过高会使燕麦籽粒熟化度不足或者糊化过度，影响产品色泽和口感，营养成分也未完整保留[7]，因此选择20 min为最佳烘烤时间。

2.2 原料配比的单因素试验结果

2.2.1 燕麦籽粒添加量对燕麦粥感官评分的影响

由图2可知，随着燕麦籽粒添加量的增加，燕麦粥的感官评分先上升后下降，燕麦籽粒添加量50%时感官评分达到最大。燕麦为粥中最主要原料，提供较高的营养价值和独特的劲道口感，并且燕麦中的水溶性膳食纤维可以增加粥体溶液的稳定性，但添加过量的燕麦会使口感单一，并且使粥的黏稠度过高，因此燕麦籽粒最适添加量为50%。

图2 燕麦籽粒添加量对燕麦粥感官评分的影响

2.2.2 木糖醇添加量对燕麦粥感官评分的影响

由图3可知，随着木糖醇添加量的增加，燕麦粥的感官评分先上升后下降，木糖醇添加量2.4%时感官评分达到最大。木糖醇是一种低热量的甜味替代剂，大量研究证实其安全性和益处，具有抗高血糖、缓解便秘和调节免疫等作用，并可通过被结肠微生物发酵产生丁酸盐[8]，但过量的木糖醇不仅导致甜度过高，同时也会使内分泌系统出现代谢紊乱的现象。因此木糖醇最适添加量为2.4%。

图3 木糖醇添加量对燕麦粥感官评分的影响

2.2.3 藜麦添加量对燕麦粥感官评分的影响

藜麦中富含人体所需的9种必需氨基酸和赖氨酸，脂肪中不饱和脂肪酸占80%左右，同时，藜麦中丰富的皂苷、黄酮类物质、多酚和植物甾醇等具有多种生物活性，在食疗领域发挥着有益功效[9]。

由图4可知，随着藜麦添加量的增加，燕麦粥的感官评分呈轻微波动型，藜麦添加量10%时感官评分达到最大，藜麦具有低热量、低升糖指数和无麸质等特点，可以改善机体的酸碱平衡[10]，预防慢性病的发生[11]，以感官评价为前提，藜麦最适添加量为10%。

图4 藜麦添加量对燕麦粥感官评分的影响

2.2.4 料液比对燕麦粥感官评分的影响

由图5可知，随着料液比中液体占比增大，燕麦粥的感官评分先上升后下降，料液比1∶7（g/mL）时感官评分达到最大值。较低的液料占比会使即食燕麦粥的黏稠度增加，并且降低消费者的食欲，增加成本；过高的液料占比则会使即食燕麦粥黏稠度下降变稀，口感及风味变淡，营养含量相对变少，因此最适的料液比为1∶7（g/mL）。

图5 料液比对燕麦粥感官评分的影响

2.3 响应面试验结果与分析

根据单因素试验结果确定最适的燕麦籽粒添加量、藜麦添加量、木糖醇添加量以及料液比，因素水平表见表2。采用响应面法优化试验，以感官评分为响应值，确定最佳工艺配方组合，结果见表3。

表3 响应面试验设计与结果

使用Design-Expert 13.0软件对表3试验数据进行多元回归拟合，得到响应值Y（感官评分）对影响即食燕麦粥的4个因素（A燕麦籽粒添加量、B藜麦添加量、C木糖醇添加量、D料液比）的二次多项回归模型：Y=85.16-1.13A+0.466 7B+0.610 0C-0.049 2D-0.235 0AB-0.060 0AC-0.052 5AD-0.135 0BC+0.650 0BD-0.490 0CD-1.68A2-1.11B2-0.707 8C2-1.13D2。

由表4可知：回归模型F值为35.94，P值＜0.000 1，表明回归模型显著；失拟项P值为0.077 5＞0.05，说明失拟项不显著，说明该模型与实际试验有较好的拟合；回归决定系数R2=0.972 9，说明有97.29%的响应面值符合此模型；校正决定系数Radj2为0.945 9，说明94.59%的试验数据的变化可用该回归模型参考。该模型拟合程度良好，试验误差小，回归方程可以较好地描述各因素与感官评分之间的关系，因此可以利用方程模型对即食燕麦粥的工艺配方进行优化。

表4 回归模拟方差分析

由回归方程系数的显著性表明，4个因素对即食燕麦粥感官评分影响的重要程度为A＞C＞B＞D，即燕麦籽粒添加量＞木糖醇添加量＞藜麦添加量＞料液比，其中燕麦籽粒添加量、藜麦添加量、木糖醇添加量对感官评分的影响显著或极显著（P＜0.05，P＜0.01），料液比对感官评分的影响不显著（P＞0.05），交互项AB、AC、AD、BC对即食燕麦粥感官评分的影响不显著（P＜0.05），交互项BD、CD对即食燕麦粥感官评分的影响极显著（P＜0.01），二次型A2、B2、C2、D2对即食燕麦粥感官评分的影响均为极显著（P＜0.01）。

2.4 各因素的交互作用对即食燕麦粥感官评分的影响

由图6（a）～（c）可知，燕麦籽粒添加量与藜麦添加量、木糖醇添加量、料液比的交互作用曲线弯折程度稍大，等高线呈现近椭圆形。燕麦籽粒添加量的变化对感官评价的影响大于其他因素的变化对感官评价的影响，说明燕麦籽粒添加量对感官评分的影响较大。

图6 燕麦籽粒添加量、藜麦添加量、木糖醇添加量和料液比的相互作用对感官评分的响应面结果

由图6（d）可知，藜麦添加量与料液比的交互作用曲线弯折程度较大。由图6（e）可知，藜麦添加量与木糖醇添加量的交互作用曲线弯折程度较大，等高线呈现圆形，说明藜麦添加量与木糖醇添加量的交互作用不明显，而与料液比较为明显。由图6（f）可知，木糖醇添加量与料液比的交互作用曲线弯折程度大，且等高线为椭圆形，说明木糖醇添加量与料液比这两因素之间的交互作用较为显著。木糖醇添加量的变化对感官评分的影响大于料液比的变化对感官评分的影响，说明在木糖醇添加量与料液比添加量这两因素中，木糖醇添加量对感官评分的影响较大。

综上所述，在即食燕麦粥配方中，燕麦籽粒添加量与木糖醇添加量是影响即食燕麦粥口感的主要因素。燕麦作为主要原料，为产品提供营养、风味以及独特筋道的口感[12-13]，燕麦β-葡聚糖的溶解性质使成品呈现良好的悬浮稳定性[14]；木糖醇作为甜味剂为产品提供甜味，丰富即食燕麦粥的风味特征，尽管研究表明长期摄入木糖醇不会影响人体肠道葡萄糖的吸收[15]，但高剂量甜味替代剂可能引起神经激素调节能力的损伤[16]。因此需要严格的控制燕麦籽粒的添加量及木糖醇的添加量，以确保即食燕麦粥的口感风味及安全性。

2.5 即食燕麦粥配方优化

根据Design-Expert 13.0软件分析可得即食燕麦粥的最佳工艺配方：燕麦籽粒添加量48.81%、藜麦添加量9.32%、木糖醇添加量2.53%、料液比1∶6.79（g/mL）。在此条件下，所预测的产品感官评分为85.96分。根据实际情况，将即食燕麦粥的最优配方调整为燕麦籽粒添加量48.8%、藜麦添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL），所得到的感官评分为85.59分。

2.6 即食燕麦粥品质评价

2.6.1 即食燕麦粥的基本营养成分

由表5可知，即食燕麦粥所提供的能量为182 kJ（43.48 kcal），这归因于合适的料液比以及高膳食纤维含量，可以带来饱腹感的同时提供低能量需求[17]。Zhang等[18]探究8种全谷物的体外消化并给出针对不同人群的膳食建议，结果发现由燕麦、藜麦或荞麦制成的粥被认为比其他粥更健康，因为它们的血糖指数和血糖负荷较低，可消化蛋白质含量和氨基酸生物可及性较高，膳食纤维含量较高（＞12%）。试验加工的即食燕麦粥可为人体提供营养物质的同时减少能量摄入。

表6 即食燕麦粥理化指标

2.6.2 即食燕麦粥理化指标评价

通过测定，即食燕麦粥的固定物含量65%、可溶性固形物含量7.8%、pH 6.5、干燥物含量16.1%。即食燕麦粥理化性质符合QB/T 2221—2019《粥类罐头》浓稠型甜粥罐头要求。

2.6.3 即食燕麦粥电子鼻分析

W1C、W3C和W5C对芳香成分敏感[19]，由图7可知，传感器对样品的响应值都比较大，尤其是W1C（对苯类芳香成分灵敏）和W5C（对短链烷烃芳香成分灵敏），因此最优配方制得的即食燕麦粥产品具有较多挥发性香气成分，加热食用可增加风味。

图7 燕麦粥的电子鼻雷达分析图谱

3 结论

通过单因素试验和响应面试验得到即食燕麦粥优化后的条件：燕麦籽粒添加量48.8%、藜麦添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL）。在此条件下，即食粥的感官评分为85.59分，营养成分和理化指标均符合国家标准，膳食纤维含量较高且热量较低，每100 g即食粥可满足每天24%的膳食纤维需求，具有营养全面、溶液性质稳定和良好风味的特点。未来在即食燕麦粥相关领域的研究应注重配方与药食同源原料库及新食品原料库的结合，做到以燕麦为主体，食品辅料替代添加剂并改善粥的稳定性，整体产品具备益生特性。试验结果为健康辅食和速食食品提供参考。