基于主成分和响应面分析三种改良剂对发酵玉米面条品质的影响

2024-02-28张珊任传英程建军王帅

现代食品科技 2024年1期

张珊，任传英,2，程建军，王帅

（1.黑龙江省农业科学院食品加工研究所，黑龙江哈尔滨 150086）（2.黑龙江省食品加工重点实验室，黑龙江省全谷物营养食品工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨 150086）（3.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030）（4.北大荒完达山乳业股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150090）

玉米营养丰富，富含多种微量元素、氨基酸、维生素、纤维素等[1]，是我国传统农作物，在国民经济的发展中具有举足轻重的地位，是北方人民的主要粮食品种之一。随着“粗粮细做”的饮食习惯逐渐深入人心，玉米食品的开发将具有非常重要的意义。

传统的面条是由未经发酵的普通小麦粉制成，目前小麦粉大多是小麦经精加工制得，其膳食纤维、维生素等营养物质损失较大[2]。而发酵玉米面条是由乳酸菌发酵而成，且未经精细加工，是我国东北地区流行的民间食品，乳酸菌发酵不仅可以赋予玉米独特芳香酸味、促进食欲，还可以通过改变淀粉颗粒的无定形区域进而改善面条的质地[3]。Yuan等[4]对自然发酵的玉米淀粉物理性质及玉米面条的流变学特性研究发现：自然发酵能够提高玉米淀粉的凝胶强度。但由于玉米和小麦蛋白质之间的结构差异，使其在加工过程中很难形成面筋网络结构，尤其是在玉米粉含量较高时，这极大地限制了玉米在面条加工领域中的应用[5]。改良剂是面条加工中常用的品质改善添加剂，被广泛地应用在各种面条制品加工领域[6]。Gallegos 等[7]和崔晚晚等[8]分别将富含多酚类物质的刀豆粉和谷朊粉添加到面条中，不仅提高了面条中蛋白含量增加其营养价值，还增强蛋白间的交联作用，对面条的感官评分、质构特性等产生较大影响，面条品质明显提升；Thanushree等[9]和Liang 等[10]对亲水胶体改善面条品质进行了研究，结果表明，亲水胶体能有效改善面条的蒸煮品质及拉伸性能，使面条耐煮、结实并富有弹性，可提高玉米面条的食用性。

主成分分析是一种多元分析统计方法，通过数学降维和指标的转换，选出其中最具代表性的影响因素，并利用统计分析软件进行品质的综合评分与排序，将复杂问题简单化，因而被广泛应用在食品领域[11,12]。

本试验通过主成分分析法以面条的蒸煮品质和质构特性建立发酵玉米面条品质评价模型，研究食盐、瓜尔豆胶和谷朊粉对发酵玉米面条品质的影响，并采用响应面设计对发酵玉米面条品质改良剂的配比进行优化，为发酵玉米面条的品质提高提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料与试剂

植物乳杆菌（Lactobacillus plantarumA9）和弯曲乳杆菌（Lactobacillus curvatusA2），本实验室分离保存；玉米，东北农业大学农学院提供；MRS 培养基，北京奥博星生物技术有限责任公司；食盐、瓜尔豆胶、谷朊粉均为食品级。

1.1.2 主要设备

DPH-9272 恒温培养箱，上海一恒科学仪器有限公司；DHG-9202 电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；JM50 胶体磨，温州市胶体磨厂；GL-21M 高速冷冻离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；TX-XT Plus 质构仪，英国SMSTA公司；ZH-57 压面机，保定市华强机械厂。

1.2 方法

1.2.1 发酵玉米面条制备

玉米与水的比例为1:2，107CFU/mL 接种量（乳酸菌A2和A9的比例为1:1），37 ℃发酵5 d。发酵后玉米粒经破碎、去胚和渣皮，浆液经胶体磨均质后脱水、干燥，粉碎过80 目筛，制得发酵玉米粉。发酵玉米面条的制作工艺如图1。

称取发酵玉米粉100 g，以及一定量的瓜尔豆胶、食盐和谷朊粉混合均匀后，加入适量水，和面形成干湿均匀、色泽一致的面团。静置熟化20 min 后，取适当比例的面团将其充分糊化，并与剩余面团混合均匀，再将面团放入压面机中挤压成条。面条在沸水中煮熟后，使面条中的硬芯消失，过冷水，得到面条成品，按照测定方法对其进行蒸煮特性和质构特性的测定。

1.2.2 面条蒸煮特性的测定

1.2.2.1 吸水率和断条率的测定

取长度一致的面条40 根，称重后于1 500 mL 沸水中煮至无硬芯后，立即冷却，并室温下凉置5 min，按照下列公式计算面条的吸水率[13]和断条率[14]。

式中：

Q——吸水率，%；

M1——煮后面条质量，g；

M2——煮前面条质量，g。

式中：

Z——断条率，%；

n——面条断裂根数。

1.2.2.2 蒸煮损失率的测定

1.2.2.1 中剩余的面汤冷却至室温，将其定容至500 mL 容量瓶，摇晃均匀取50 mL 转移至已恒重的铝盒中，105 ℃烘干[15]。

式中：

P——蒸煮损失率，%；

M3——烘干后铝盒中干物质质量，g。

1.2.3 面条质构特性的测定

将制作的发酵玉米面条煮至无硬芯后过冷水。每次取两根面条置于测试台上进行质构特性测定，重复三次，取平均值。使用P/36R 圆柱探头，以1.0 mm/s的速度进行压缩实验，测后速度2.0 mm/s，压缩距离4 mm，压缩间隔是5 s。最终根据试验所需选取硬度、弹性、咀嚼性作为面条质构特性指标[16]。

1.2.4 主成分分析法建立发酵玉米面条品质综合评价模型

1.2.4.1 数据无量纲化处理

为了消除不同量纲和数量级造成的影响，在主成分分析建立发酵玉米面条品质综合评价公式之前要对数据进行无量纲化处理[17]。无量纲化处理的公式是：

式中：

Sj和——第j 个指标数据的标准差和平均值；

yij——第i 个样本第j 个指标的值。

1.2.4.2 发酵玉米面条品质主成分分析

选取硬度（g）、弹性（g）、咀嚼性（g）、吸水率（%）、蒸煮损失率（%）、断条率（%）进行无量纲化处理，并采用SPSS 23.0 统计软件对无量纲化的数据进行主成分分析，得到各主成分的特征值、特征向量和贡献率[18]。

1.2.4.3 发酵玉米面条品质综合评价模型的建立

根据主成分分析结果建立发酵玉米面条品质综合评价模型，并利用该模型对发酵玉米面条品质进行评价。

1.2.5 不同品质改良剂对发酵玉米面条品质的影响

诸多研究表明，食盐、瓜尔豆胶和谷朊粉是常用的面条品质改良剂，它们对面条品质有较大影响[19-21]。分别测定各品质改良剂不同添加量的发酵玉米面条的蒸煮特性和质构特性，构建发酵玉米面条品质综合评价模型，分别固定瓜尔豆胶添加量0.2%，谷朊粉添加量4%，考察食盐添加量（0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%，质量分数）、固定食盐添加量0.6%，谷朊粉添加量4%，考察瓜尔豆胶添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，质量分数）、固定食盐添加量0.6%，瓜尔豆胶添加量0.2%，考察谷朊粉添加量（0%、2%、4%、6%、8%、10%，质量分数）对发酵玉米面条综合评价品质的影响。

1.2.6 响应面优化品质改良剂配比

在单因素试验的基础上选择合适的因素水平，以食盐、瓜尔豆胶和谷朊粉添加量为自变量，以主成分分析综合评价指标为响应值，利用Design Expert 8.0 软件进行发酵玉米面条品质改良剂的配比优化。响应面试验因素与水平如表1。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.3 数据处理

2 结果与讨论

2.1 发酵玉米面条食用品质的主成分分析

以不同改良剂对发酵玉米面条的品质影响进行主成分分析，其中硬度（g）、弹性（g）、咀嚼性（g）、吸水率（%）、蒸煮损失率（%）和断条率（%）分别用X1、X2……X6来表示。经过数据分析，得到本实验的主成分因子碎石图如图2 所示，以及主成分的特征值、贡献率和累计贡献率如表2 所示。

表2 发酵玉米面条各主成分特征值、贡献率和累计贡献率Table 2 Characteristic value,contribution rate and accumulative contribution rate of principal components of fermented corn noodles

图2 主成分因子碎石图Fig.2 Scree plot of PCA (Principal component analysis)

主成分碎石图可以用来帮助确定试验中的主成分数量[22]。由图2 不难看出，前两个成分的特征值连线较为陡峭，从第三个成分开始趋于平缓，并且由表2 可以得到，第一成分和第二成分的特征值分别为3.50 和1.53，均大于1，提取的累计方差贡献率也达到了83.72%，因此选择前两个成分作为本试验的主成分。这2 个主成分分别能贡献发酵玉米面条品质的58.31%和25.41%，保留了原有变量的大部分信息，表明从6 个变量中提取的两个主成分可以充分说明发酵玉米面条的品质结果。

从表3 中可以得到发酵玉米面条各主成分特征向量，根据指标系数绝对值大于80%贡献率分析[23]，第一主成分以X1硬度、X2弹性、X3咀嚼性和X6断条率的影响为主，因此认为主成分1 主要反映的是发酵玉米面条质构特性的综合情况。主成分2 以X4吸水率、X5蒸煮损失率的影响为主，因此可以说明主成分2 主要反映的是发酵玉米面条的蒸煮品质。

表3 发酵玉米面条各主成分特征向量Table 3 Eigen vector of principal component

根据表2和表3，以各因子即主成分为因变量F；以各指标X为自变量；将各主成分特征向量作为自变量系数构建各个主成分的线性关系式如下：

以主成分F1、F2分别对应的特征值占2 个主成分特征值的比例为自变量，构建发酵玉米面条品质的预测评价模型Z，Z是主成分F1和F2的线性组合。

利用该模型对发酵玉米面条进行综合品质评价。

2.2 主成分分析综合评价品质改良剂对发酵玉米面条品质的影响

2.2.1 食盐添加量对发酵玉米面条品质的影响

由表4 和图3 可知，发酵玉米面条的质构特性、吸水率和蒸煮损失率均随食盐添加量的增加呈先上升后下降的趋势，断条率则呈逐渐下降趋势；食盐添加量在0.8%时，硬度（5 705.02 g）和咀嚼性（3 631.50 g）达到最高；弹性在食盐添加量0.6%～1%范围内差异不显著（P＜0.05），吸水率在0.4%时最高，达52.55%；蒸煮损失率和断条率在食盐添加量1.0%和0.8%时最低，分别为1.86%和5%。总体而言，发酵玉米面条综合评价品质随食盐添加量的增加呈先上升后下降的趋势，食盐添加量达到0.8%时，发酵玉米面条综合评价品质最高。

表4 食盐对发酵玉米面条品质的影响Table 4 Influence of salt on the quality of fermented corn noodles

图3 食盐添加量对发酵玉米面条品质的影响Fig.3 Influence of salt on the quality of fermented corn noodles

这些变化是因为食盐溶水后解离出的Cl-和Na+会提高面团中蛋白质的吸水能力，并降低面筋蛋白的表面电荷，使面条蒸煮过程中吸水性增强的同时，面筋蛋白的刚性网络结构得到改善[24,25]，进而增大了面条的硬度和咀嚼性，降低了断条率；而且NaCl还能够增强蛋白质之间的相互吸附，使面条的弹性增加，提高面条整体的食用品质。但研究表明，过量的NaCl 会与面筋中的蛋白质争夺游离水分，导致蒸煮后面条[27]内部结构干燥松散，破坏其原有的性质[26]，彭荷花认为，食盐与面条中盐溶蛋白的负相关关系也会影响面条的品质。

2.2.2 瓜尔豆胶添加量对发酵玉米面条品质的影响

由表5 和图4 可以看出，发酵玉米面条的硬度、咀嚼性、吸水率和蒸煮损失率均随着瓜尔豆胶的增加呈先上升后下降的趋势，弹性逐渐升高，断条率则先下降后上升。其中，面条的硬度在瓜尔豆胶添加量0.3%～0.6%范围内差异不显著（P＜0.05），咀嚼性和吸水率分别在瓜尔豆胶添加量0.5%和0.3%时达到最高，分别为3 460.71 g 和46.97%，蒸煮损失率和断条率在瓜尔豆胶添加量0.5%时达到最低，分别为1.88%和5.83%。发酵玉米面条综合评价品质随瓜尔豆胶添加量的增大呈先上升后下降的趋势，当瓜尔豆胶添加量达到0.5%时，发酵玉米面条综合评价品质最高。

表5 瓜尔豆胶对发酵玉米面条品质的影响Table 5 Influence of guar gum on the quality of fermented corn noodles

图4 瓜尔豆胶添加量对发酵玉米面条品质的影响Fig.4 Influence of guar gum on the quality of fermented corn noodles

瓜尔豆胶能够与面团中的淀粉进行相互作用，并形成具有一定粘弹性的三维凝胶网络状结构，进而提高面筋与淀粉颗粒之间的黏结作用，强化面筋网络结构[28,29]。因此发酵玉米面条中添加瓜尔豆胶后，淀粉溶出减少，质构特性（弹性、硬度和咀嚼性）提高，蒸煮过程中的断条率和蒸煮损失率降低，食用品质整体提高。提高瓜尔豆胶添加量达到0.6%时，面条的硬度和蒸煮损失率与0.5%相比无显著性差异（P＜0.05），且咀嚼性和吸水率低于0.5%水平，断条率高于0.5%水平。这表明过多的胶量反而会降低发酵玉米面条的食用品质。

2.2.3 谷朊粉添加量对发酵玉米面条品质的影响

由表6 和图5 可知，随着谷朊粉添加量的增加，发酵玉米面条的硬度、弹性、咀嚼性和吸水率均呈先上升后下降的趋势。其中，硬度和咀嚼性在谷朊粉添加量6%时达到最高，分别为5 582.41 g和3 460.71 g，弹性和吸水率则在谷朊粉添加量8%和4%时达到最高，分别为0.94 g 和46.97%；咀嚼性和断条率的变化在谷朊粉添加量6%～10%和0%～4%范围内差异不显著（P＜0.05），发酵玉米面条的蒸煮损失率和断条率在谷朊粉添加量6%和8%时达到最低，分别为2.84%和9.17%。总体而言，发酵玉米面条综合评价品质随谷朊粉添加量的增大呈先上升后下降的趋势，谷朊粉添加量达到6%时，发酵玉米面条综合评价品质最高。

表6 谷朊粉对发酵玉米面条品质的影响Table 6 Influence of gluten on the quality of fermented corn noodles

图5 谷朊粉添加量对发酵玉米面条品质的影响Fig.5 Influence of gluten on the quality of fermented corn noodles

谷朊粉是小麦粉经加工后得到的一种天然面筋蛋白，是维持面团面筋网络结构的优质改良剂[30]。谷朊粉添加量的提高会使发酵玉米面条中的面筋蛋白含量增加，吸水性增强，进而使面团中的面筋网络结构更加稳定牢固，面条硬度、咀嚼性增加，这与Kieffer 等[31]的研究结果一致。但当谷朊粉添加量过多时，面团筋力过强，面筋网络状结构变得更加紧密和牢固，劲道感降低[14]。而且过量的谷朊粉也会影响发酵玉米面条的感官品质[19]。

2.3 主成分分析综合评价响应面优化发酵玉米面条中品质改良剂的配比

2.3.1 发酵玉米面条配方工艺模型建立与显著性检验

采用Box Behnken 方法设计试验方案，试验方案及结果见表7。对试验结果进行分析，建立发酵玉米面条品质综合评价模型Y 对食盐添加量A、瓜尔豆胶添加量B、谷朊粉添加量C 的二次多项式回归方程为：

Box Behnken 设计的方差分析见表8。决定系数可以衡量发酵玉米面条品质综合评价指标对各因素模型的拟合度，一个良好的模型，决定系数≥0.80。本研究中，模型失拟项P=0.632 0＞0.05，失拟不显著（P＜0.05）；R2=0.990 0，拟合度＞90%，表明该模型能够反应发酵玉米面条的品质变化，试验误差小；校正相关系数R为0.977 1，说明实测值和预测值高度相关[32]。因此，可以使用此模型对发酵玉米面条品质进行评价分析。

根据表8 显著性检验的结果，剔除差异不显著的因子后得到的回归方程为：

2.3.2 食盐、瓜尔豆胶和谷朊粉添加量及其交互作用对发酵玉米面条品质的影响

回归方程的回归系数能够影响发酵玉米面条的品质。由表8 可知，A、B、A2、B2、C2对发酵玉米面条品质影响极显著（P＜0.01），C、AB、BC 对发酵玉米面条品质影响显著（P＜0.05），AC 对发酵玉米面条品质影响不显著。同时结合图6，也可以直观地看到不同因素交互作用对发酵玉米面条品质的影响。响应曲面形状可以判断各自变量之间的交互作用，曲面形状越陡峭，对响应值的影响则越显著。因此，各因素的交互作用中，AB、BC 即食盐和瓜尔豆胶、瓜尔豆胶和谷朊粉的交互作用对发酵玉米面条品质有显著影响（P＜0.05）。通过对回归方程的中心标准化处理，得到回归系数绝对值的大小依次为B、A、C，表明瓜尔豆胶对发酵玉米面条品质的影响最大，其次为食盐和谷朊粉。

图6 各因素交互作用对发酵玉米面条品质的影响Fig.6 Effect of interactions of various factors on fermentation of corn noodles quality

2.3.3 发酵玉米面条最佳配方的确定与验证试验

通过Design Expert 8.0 软件进行综合分析，得出发酵玉米面条品质改良剂的最佳配比为：食盐质量分数0.87%，瓜尔豆胶质量分数0.53%，谷朊粉质量分数6.18%，综合评价指标预测值3.69。为了验证预测结果的准确性，在优化条件下进行3 次重复试验，发酵玉米面条的综合评分为3.87，与真实值的相对误差为4.88%＜10%，说明所优化的最佳条件是合理准确的，验证了所建模型的正确性。