响应面法优化小麦发面饼的制作工艺研究

吴庆峰,李华,薛晴晴,代娅,刘心如,陈珍珍,平亚莉

河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州 450001

0 引言

发面饼是我国北方的一种重要主食,主要以小麦粉和酵母为原料,通过和面、醒发、成型等工序熟制而成的一类发酵面食,种类繁多,形态丰富。在发酵过程中,酵母可将淀粉、纤维素、蛋白质水解成低分子糖、氨基酸等易被人体消化和吸收的物质[1-2],此外,发酵能够改善发面饼的风味、口感和组织结构。按照熟制条件的不同,发面饼可分为蒸制发面饼、煎炸制发面饼和烤制发面饼[3],而不同熟制条件决定着发面饼最终的颜色、质地、比容等[4]。

现阶段对发面饼的研究主要集中于单一或多谷物原料,以及不同食品添加剂对其风味和品质的影响。冯利萍等[5]研究发现,荞麦粉添加量低于20%的混合粉,其流变学特性及发面饼的品质均较好。付玉虎等[6]研究发现,在马铃薯全粉添加量为20%、水添加量为68%、酵母粉添加量为0.8%、白砂糖添加量为6%的配方工艺条件下,所制作的马铃薯全粉烤饼具有较好的口感与品质。滨州中裕食品有限公司[7]采用普通面粉与高筋粉混合,添加鲜鸡蛋、酥油、红糖等原料,经二次发酵等工艺,所制作的发面饼保质期显著延长。

目前国内发面饼生产缺乏行业和国家标准,且工业化水平较低,大多由小作坊生产,产品品质不稳定,安全隐患较多,且市售以小麦粉为主原料的烘烤发面饼制品已不能满足快节奏的消费需求。基于此,本研究拟以烤制小麦发面饼为研究对象,分析饼胚加工与熟制条件对小麦发面饼品质的影响,采用单因素试验和响应面试验优化小麦发面饼的制作工艺,以期为提升小麦发面饼品质及推进其行业生产标准化与工业化进程提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料

特一粉(中筋小麦粉) ,河南金苑粮油有限公司;高活性干酵母,安琪酵母股份有限公司。

1.2 主要仪器与设备

JHMZ-200型和面机、JMTD 168/140型试验辊压面条机,北京东孚久恒仪器技术有限公司;AM-CG108型多功能搅拌机,北美电器珠海有限公司;BS210S型精密电子分析天平,北京赛多利斯天平有限公司;LHS-50CH型恒温恒湿箱,上海一恒科学仪器有限公司;T3-L326D型电烤箱,广东美的厨房电器制造有限公司;HAD-VX型食品体积测定仪,北京恒奥德仪器仪表公司;TA-XT2i型质构仪,英国Stable Micro Systems公司;WSC-C型色差仪,上海仪电物理光学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦发面饼制作称取一定量高活性干酵母溶于25 ℃水中,用玻璃棒充分搅拌使其溶解、活化;将活化后的酵母水溶液与300 g中筋小麦粉倒入和面机中充分混合,先慢速搅拌3～5 min,再快速搅拌2～4 min,形成表面光滑、富有韧性的面团。将面团置于烤盘中,用4层湿纱布封住盘口后放入醒发箱;采用二次发酵技术,饼胚制作前进行第一次发酵,发酵温度为35 ℃,湿度为80%,使面团充分发酵70 min;将发酵好的面团用试验辊压面条机反复压延12次,使面团充分排气且面片表面光滑;调节辊压间距,使面片厚度保持10.0 mm,轧好的面片用磨具分割整形为3个直径12.0 cm的饼胚;将饼胚进行第二次发酵并固定发酵条件,发酵时间为30 min,醒发温度为35 ℃,湿度为80%;将醒发好的饼胚放入烤箱中熟制,面火和底火均设置为210 ℃,烤制13 min;将熟制后的小麦发面饼装入食品塑封袋中,在室温下冷却0.5 h后,备用。

1.3.2 比容测定参照文献[8],对冷却后的小麦发面饼进行称重,记录其质量(m/g),再放入食品体积测定仪的测定区进行测定,记录其体积(V/mL),最后按照下式计算其比容(P/(mL·g-1))。每个样品均测定3次,结果取平均值。

1.3.3 质构特性测定参照彭晓茹[9]的方法,并稍作改动。切除冷却定型的小麦发面饼上、下面的饼壳部分,将中心饼瓤部分切成50 mm×50 mm×10 mm的长方体。采用质构仪进行质构特性测定,选用TPA模式和P-36/R平底圆柱形探头,触发力为5 g,触发模式为Auto,测前、测中和测后速率均为1.0 mm/s,压缩率为50%,压缩间隔为5 s。

1.3.4 色度测定打开色差仪并预热30 min,对冷却后小麦发面饼的上表面进行L*(明亮度)、a*(红绿值)和b*(黄蓝值)测定,每组样品变换位置测定3次,结果取平均值。

1.3.5 感官评价参照文献[10],结合比容、表面色度等,采用百分制计分,对小麦发面饼进行感官评价,具体评价标准见表1。遴选10名受过感官培训的食品相关专业学生组成评价小组,感官评分结果取平均值。

表1 小麦发面饼的感官评价标准Table 1 Sensory evalution of wheat leavened pancake

1.3.6 单因素试验设计以小麦发面饼的感官评分、比容、质构特性和色度为指标,在1.3.1小麦发面饼基本制作工艺条件的基础上,采取控制变量法,固定中筋小麦粉300 g,分别研究水添加量(40%、45%、50%、55%和60%)、高活性干酵母添加量(0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%)、发酵时间(第一次发酵,50 min、60 min、70 min、80 min和90 min)、烤制温度(190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃和230 ℃)、烤制时间(11 min、12 min、13 min、14 min和15 min)对小麦发面饼品质的影响。

1.3.7 响应面试验设计根据单因素试验结果,以小麦发面饼的感官评分(Y)为响应值,研究水添加量(A)、发酵时间(B)、烤制温度(C)和烤制时间(D)对小麦发面饼感官评分的影响,以确定小麦发面饼的最佳制作工艺。Box-Behnken试验设计因素与水平见表2。

表2 Box-Behnken试验设计因素与水平Table 2 Box-Behnken test design factors and levels

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016、IBM SPSS Statistics 20软件对数据进行处理分析,采用Origin 2021软件绘图,采用Design Expert 13软件进行响应面试验设计。

2 结果与讨论

2.1 水添加量对小麦发面饼品质的影响

水添加量对小麦发面饼感官评分和比容的影响如图1所示,其中不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。由图1可知,随着水添加量的增加,小麦发面饼的感官评分和比容均先增加后减小,感官评分在水添加量为50%时达到峰值。当水添加量低于50%时,面团中的面筋蛋白和其他亲水基团不能充分吸水溶胀[11],酵母活性较低,发酵受到抑制,小麦发面饼体积偏小,熟制时表面容易干裂,咀嚼时口感干硬。当水添加量超过50%时,和面时面团的黏度较大,粘手不易操作,熟制后小麦发面饼口感粘牙、感官较差。此外,过多的水分使面团和面筋蛋白的强度和筋力变差,熟制时小麦发面饼表面易塌陷皱缩,体积减小[12-13]。适量增加水添加量可增强面筋蛋白网络结构的稳定性,提高持气性,对感官评分和比容的影响呈积极作用。

图1 水添加量对小麦发面饼感官评分和比容的影响Fig.1 The effect of water addition on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

水添加量对小麦发面饼质构特性和色度的影响见表3。由表3可知,水添加量对小麦发面饼质构特性影响显著。随着水添加量的增加,小麦发面饼的硬度和咀嚼性下降,弹性、内聚性和回复性先增加后减小。此外,小麦发面饼表面的L*随着水添加量增加而逐渐降低,这可能是因为含水量越多,小麦发面饼内部结构越蓬松,熟制时表面越容易塌陷皱缩,对光的反射越差[14]。综合考虑,选择水添加量45%、50%和55%为后续响应面试验设计的3个水平。

表3 水添加量对小麦发面饼质构特性和色度的影响Table 3 The effect of water addition on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.2 高活性干酵母添加量对小麦发面饼品质的影响

高活性干酵母添加量对小麦发面饼感官评分、比容、质构特性和色度的影响见图2和表4。由图2和表4可知,随着高活性干酵母添加量的增加,小麦发面饼的感官评分先增加后降低,比容呈上升趋势。当高活性干酵母添加量为1.4%时,小麦发面饼的比容符合感官评价满分标准且感官评分最高;当高活性干酵母添加量低于1.4%时,小麦发面饼的风味不足,内部气孔较小,质地较硬,弹性较差,硬度和咀嚼性较大;当高活性干酵母添加量大于1.4%时,小麦发面饼感官评分下降,这可能是因为过量的高活性干酵母会在发酵过程中产生较多CO2气体,改变面筋蛋白的持气性,使面团体积过度膨胀,熟制后小麦发面饼表面失去光滑度,酸味加重[15]。综合考虑,选择高活性干酵母添加量1.4%为固定工艺条件。

图2 高活性干酵母添加量对小麦发面饼感官评分和比容的影响Fig.2 The effect of highly active dry yeast addition on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

表4 高活性干酵母添加量对小麦发面饼质构特性和色度的影响Table 4 The effect of highly active dry yeast addition on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.3 发酵时间对小麦发面饼品质的影响

发酵时间对小麦发面饼感官评分和比容的影响如图3所示。由图3可知,发酵时间为80 min时,感官评分和比容均达到最大值。这可能是因为随着发酵时间的延长,面筋蛋白中形成的二硫键增加,面筋蛋白网络结构延展开来,面团持气性增强。此时小麦发面饼外表光滑,内部气孔大小均匀,松软适中。当发酵时间超过80 min时,面团产气持续增加,超过面筋蛋白网络结构的延展限度,造成熟制时小麦发面饼表面塌陷、不光滑,比容减小[16]。

图3 发酵时间对小麦发面饼感官评分和比容的影响Fig.3 The effect of fermentation time on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

发酵时间对小麦发面饼质构特性和色度的影响见表5。由表5可知,随着发酵时间的延长,小麦发面饼的硬度、内聚性、咀嚼性均逐渐降低,而弹性、回复性均逐渐升高。这可能是因为发酵时间越长,面筋蛋白中氢键、二硫键的数量越多,面筋蛋白网络结构越稳定,面团内部结合力越大[17]。当发酵时间超过80 min时,小麦发面饼的硬度降低速度趋缓,面筋蛋白网络结构形成变慢。小麦发面饼上表面的L*随着发酵时间的延长而降低,这可能与面团产气增多易造成塌陷、面团表面不再均匀光滑及对光的反射变差有关,这与水添加量对色度影响的结果一致。综合考虑,选择发酵时间70 min、80 min和90 min为后续响应面试验设计的3个水平。

表5 发酵时间对小麦发面饼质构特性和色度的影响Table 5 The effect of fermentation time on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.4 烤制温度或烤制时间对小麦发面饼品质的影响

烤制温度与烤制时间会影响小麦发面饼的整体品质,烤制时间过短,温度太低,小麦发面饼的成熟度不够,其色、香、味等感官品质均无法达到最佳状态;烤制时间过长,温度太高,会造成小麦发面饼成熟度过高,水分蒸发流失,出现干硬甚至焦糊等现象[18-19]。烤制温度或烤制时间对小麦发面饼感官评分和比容的影响如图4和图5所示。由图4和图5可知,随着烤制温度的升高或烤制时间的延长,小麦发面饼比容均呈上升趋势,感官评分均先增加后降低,在烤制温度为210 ℃或烤制时间为14 min时,感官评分均达到峰值,此时小麦发面饼的色泽金黄均匀,外壳酥脆,内部松软,富有嚼劲且不粘牙。继续升高烤制温度或延长烤制时间,小麦发面饼的感官评分均显著降低,且表面出现干裂和焦糊。

图4 烤制温度对小麦发面饼感官评分和比容的影响Fig.4 The effect of baking temperature on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

图5 烤制时间对小麦发面饼感官评分和比容的影响Fig.5 The effect of baking time on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

烤制温度或烤制时间对小麦发面饼质构特性和色度的影响见表6。由表6可知,在烤制温度为190 ℃或烤制时间为11 min时,小麦发面饼的硬度和咀嚼性最低,成熟度不够且黏度较大。在烤制温度为210 ℃或烤制时间为14 min时,小麦发面饼的硬度、咀嚼性和内聚性均最佳,小麦发面饼的综合品质最好。此外,随着烤制温度的升高或烤制时间的延长,小麦发面饼表面的a*逐渐增大,L*和b*均呈下降趋势,颜色越来越暗,与N.Dhen等[20]的研究结果较一致。这可能是因为发酵面制品在烘焙过程中会发生美拉德反应和焦糖化反应,这两种反应是产品表皮形成褐色的主要原因[21]。高温烤制使得美拉德反应加剧,导致小麦发面饼表皮颜色呈暗黄且偏褐色。综合考虑,分别选择烤制温度200 ℃、210 ℃和220 ℃,烤制时间13 min、14 min和15 min为后续响应面试验设计的3个水平。

表6 烤制温度和烤制时间对小麦发面饼质构特性和色度的影响Table 6 The effect of baking temperature and baking time on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.5 响应面试验结果分析

2.5.1 模型方程的建立与显著性检验响应面试验结果见表7,其中析因部分试验24次,中心点重复试验5次。采用Design Expert 13软件对响应值与各因素进行多元回归拟合分析,得到二阶多项式方程:Y=90.26+3.36A+2.96B+0.28C+2.57D+0.2AB+1.30AC+2.37AD+1.38BC-0.55BD-1.20CD-6.31A2-3.28B2-6.48C2-8.11D2。

表7 响应面试验结果Table 7 Results of response surface test

表8 回归模型方差分析Table 8 Analysis of variance in regression model

基于回归模型方差分析结果,为了更直观地表现各因素之间的交互作用对响应值的影响,利用Design Expert 13软件绘制的各因素交互作用对感官评分影响的响应面图和等高线图如图6所示。等高线的形状和疏密程度可反映各因素交互作用的强弱程度。若等高线分布分散且为圆形,表明各因素交互作用不显著;若等高线分布密集且为椭圆形,表明各因素交互作用显著,对响应值的影响较明显[22]。由图6可知,相较于其他图,图6c)和d)的等高线分布密集,对应的曲面最为陡峭,表明水添加量与烤制时间、发酵时间与烤制温度之间的交互作用明显,且对响应值的影响极显著,与表8中的数据有较好的一致性。

图6 各因素交互作用对感官评分影响的响应面图和等高线图Fig.6 Response surface plots and contour plots of the interaction effect of various factors on sensory score

2.5.2 验证实验分析经Design Expert 13软件对试验数据进行分析优化,得到小麦发面饼的最佳预测制作工艺条件为:水添加量51.58%、高活性干酵母添加量1.4%、发酵时间84.62 min、烤制温度210.84 ℃和烤制时间14.18 min。在此工艺条件下,模型预测的小麦发面饼感官评分为91.72分。

为了检验该模型的可行性,并综合考虑操作的方便性和可行性,将最佳预测制作工艺条件调整为:水添加量52%、高活性干酵母添加量1.4%、发酵时间85 min、烤制温度210 ℃和烤制时间14 min。在此条件下进行3次验证实验,得到小麦发面饼的感官评分均值为91.50分,与模型预测值之间无显著性差异,表明该模型用于小麦发面饼的最佳制作工艺预测是合理有效的。

2.5.3 品质分析最佳预测工艺条件下小麦发面饼的质构特性和色度见表9。由表9可知,与基本工艺相比,预测工艺条件下制作的小麦发面饼的硬度、咀嚼性和内聚性均下降,弹性和回复性均上升,表明小麦发面饼更松软适口。L*和b*均减小,a*增大,这可能是因为预测工艺中延长了烤制时间,使小麦发面饼表面亮度降低,色泽更加金黄。预测工艺条件下制作的小麦发面饼的比容从1.87 mL/g增加至2.05 mL/g,表明发面饼具有更饱满的体积和更蓬松的内部结构。与基本工艺相比,最佳预测工艺条件下制作的小麦发面饼品质有了明显的改善,表面色泽金黄,内部结构蓬松,外观对称均匀,该工艺条件可应用于实际生产中。

表9 最佳预测工艺条件下小麦发面饼的质构特性和色度Table 9 The texture properties and chroma of wheat leavened pancake under optimal prediction process conditions

3 结论

本研究以感官评分、比容、质构特性和色度为指标,在单因素试验基础上,通过响应面试验优化了小麦发面饼的制作工艺,得到如下结论:小麦发面饼的最佳制作工艺条件为水添加量52%、高活性干酵母添加量1.4%、发酵时间85 min、烤制温度210 ℃和烤制时间14 min,在此工艺条件下,生产出的小麦发面饼表面金黄饱满,内部气孔细密均匀,熟制后香味浓郁,感官评分最高。该工艺在生产上易于调控,可为小麦发面饼的标准化与工业化生产提供理论支撑。