乳清粉-玉米酵子饅頭生產(chǎn)配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)

冷進(jìn)松，戴媛，朱珠，劉長(zhǎng)虹，武騰

（1.吉林工商學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130062；2.糧油食品深加工吉林省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130062；3.吉林科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程系，吉林長(zhǎng)春130123；4.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州450001）

乳清粉是由牛奶加工干酪、凝乳酪或酪蛋白過程中產(chǎn)生的非常有價(jià)值的副產(chǎn)物，主要成分是乳糖、乳蛋白和礦物質(zhì)[1]。乳清含有大量的乳清蛋白、乳糖、核黃素及幾乎全部的水溶性鹽類。含有組成蛋白質(zhì)的全部20種氨基酸，與血漿蛋白質(zhì)相似，屬于全價(jià)蛋白質(zhì)。并且具有良好的加工特性（溶解性、成膠性、持水性、黏度、黏附性、黏彈性、乳化性、起泡性）[2]。玉米營(yíng)養(yǎng)豐富，含有的VA、VE及谷氨酸等成分，具有抗衰老的作用；玉米中還有賴氨酸和微量元素硒，有預(yù)防腫瘤的作用自然玉米面經(jīng)過加工而成的玉米饅頭則能有效防治老年黃斑性病變等，并可提高視力。所含膳食纖維能促進(jìn)腸蠕動(dòng)，縮短食物通過腸道的時(shí)間，以減少人體對(duì)有毒物質(zhì)的吸收，從而防止或減少結(jié)腸癌的發(fā)生[3]。

酵子作為一種傳統(tǒng)的饅頭發(fā)酵劑，是一種多菌種面食發(fā)酵劑，含有大量酵母中不具有的產(chǎn)脂霉菌、產(chǎn)香霉菌和多種細(xì)菌等可增加饅頭風(fēng)味的菌種，使得經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)酵后的面團(tuán)具有其獨(dú)特的口感和風(fēng)味，深受廣大消費(fèi)者的喜愛，在市場(chǎng)上占有一定的市場(chǎng)份額，是酵母饅頭所無法取代的[4]。以玉米粉為原料制作的玉米酵子為發(fā)酵劑，并添加以乳清粉，既增加了面包的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提供鈣以及小麥蛋白中所缺乏的賴氨酸，與小麥粉在營(yíng)養(yǎng)上起到互補(bǔ)作用，改善面包的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，又可利用其加工特性改變成品的品質(zhì)。

將Plaeken-Burman設(shè)計(jì)、爬陡坡試驗(yàn)和Box-Behnken設(shè)計(jì)聯(lián)用于乳清粉-玉米酵子饅頭加工中，并借助 Minitab16、Design expert8.0、origin7.5 軟件對(duì)工藝進(jìn)行二階數(shù)值模型，獲得了回歸方程，對(duì)配方工藝進(jìn)行模型數(shù)值預(yù)測(cè)并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果良好。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜乳清粉；玉米粉、饅頭粉、蔗糖、食鹽、雞蛋。

1.2 儀器與設(shè)備

S200/DC-11/DCJ-1型組合烤爐：瑞典Sveba-Dahlen公司；RN10VL-2打蛋機(jī)：丹麥Bear公司；SZM10和面機(jī)：廣州旭眾食品機(jī)械有限公司；FJ24型醒發(fā)箱：廣州市白云區(qū)億高電器有限公司、HH-S型恒溫水浴：江蘇省金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 玉米酵子加工工藝流程

選取300 g面粉，將相當(dāng)于面粉用量270%的熱開水加入面粉中將其燙開，攪拌至無疙瘩之后涼至室溫，然后將已用溫水浸泡過的老酵頭（面粉的5%）加入面糊中，在發(fā)酵溫度為28℃條件下發(fā)酵180 min，接玉米面150 g，二次發(fā)酵120 min，接玉米面100 g，三次發(fā)酵120 min，接玉米面 100 g，四次發(fā)酵 100 min，拍成餅狀，干燥后即可得到成品玉米酵子[5]。

1.3.2 工藝流程和操作要點(diǎn)

玉米酵子活化→配料→和面→發(fā)酵→二次和面→壓面→分塊→成型→醒發(fā)→沸水蒸制→冷卻→產(chǎn)品

稱取面粉550 g、玉米酵子25%（用35℃的水化開活化）、乳清粉3%，水300 mL、蔗糖5 g在80 r/min的立式攪拌機(jī)中攪拌，待面粉和成團(tuán)5 min后移入溫度38℃、相對(duì)濕度80%～85%的醒發(fā)室發(fā)酵60 min后取出；加入面粉150 g、食鹽1 g，二次和面15 min，經(jīng)壓面機(jī)揉壓25次后手工成型，醒發(fā)50 min；取出放入蒸箱內(nèi)蒸制25 min即可[6]。

1.3.3 饅頭品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

選取8名參加過食品感官課程培訓(xùn)的評(píng)價(jià)員集體評(píng)分取平均值（具體每一項(xiàng)的滿分從最好到最差均分為三個(gè)級(jí)別），本研究參照饅頭實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法制定的實(shí)驗(yàn)室乳清粉-玉米酵子饅頭評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

表1 饅頭評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 the scoring criteria of steamed bread

1.3.4 測(cè)定方法

1.3.4.1 饅頭質(zhì)量與體積測(cè)定

取饅頭冷卻至室溫的饅頭稱重，并用塑料薄膜包嚴(yán)，用菜籽置換法測(cè)定體積，同一樣品測(cè)定兩次，相差值小于或等于10mL時(shí)取平均值，大于10 mL重新測(cè)定。

1.3.4.2 饅頭高度測(cè)定

取饅頭，去掉薄膜，用卡尺量取饅頭底部與頂點(diǎn)高度，同一樣品從不同側(cè)面測(cè)量2次，相差值小于或等于0.2 cm時(shí)取平均值，大于0.2 cm重新測(cè)定。

1.3.4.3 外觀評(píng)價(jià)

取饅頭，用面包刀切開，觀察饅頭表面色澤、表面結(jié)構(gòu)、形狀、內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)細(xì)密均勻程度，底部是否有死燙斑，并逐項(xiàng)打分。

1.3.4.4 品嘗評(píng)價(jià)

取饅頭，稍涼，用食指按壓，評(píng)價(jià)彈柔性，掰一小塊，觀察是否易掉渣，放入口中，細(xì)嚼5 s～7s，感覺有否咬勁，是否粘牙、干硬，咀嚼后能否完全化開以及氣味如何，并逐項(xiàng)打分。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 乳清粉添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

乳清粉添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖1。

圖1 乳清粉添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.1 The effect of whey powder amount on the quality of steamed bread

由圖1可知，饅頭感官評(píng)分隨乳清粉添加量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。其中在添加量為2%時(shí)，饅頭感官評(píng)分最高。因?yàn)槿榍宸酆休^多的乳清蛋白和乳糖，可增加面筋蛋白質(zhì)，提高產(chǎn)品的筋力。由于乳清蛋白變性后形成凝膠，能吸收水分和脂肪，增強(qiáng)產(chǎn)品的拉伸。同時(shí)，由于乳清粉中含有大量乳糖，既可改善產(chǎn)品風(fēng)味，也可為微生物繁殖提供營(yíng)養(yǎng)。當(dāng)乳清粉添加量過多時(shí)，饅頭本來的風(fēng)味被掩蓋，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)容易發(fā)生塌陷。

2.1.2 玉米酵子添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

玉米酵子添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖2。

圖2 玉米酵子添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.2 The effect of corn jiaozi amount on the quality of steamed bread

由圖2可知，隨著添加量的增加饅頭的感官評(píng)分呈先上升后下降趨勢(shì)，達(dá)到25%時(shí)，感官評(píng)分最高。因?yàn)椋S著酵子添加量的增加，面團(tuán)里的發(fā)酵菌數(shù)量增多，產(chǎn)氣量以及發(fā)酵副產(chǎn)物種類更加豐富，使饅頭體積增大，質(zhì)地松軟，增加了饅頭的風(fēng)味及外觀評(píng)分。隨著添加量的增加，會(huì)使面團(tuán)過酸，產(chǎn)品速度過快，內(nèi)部組織粗糙，饅頭表面有不均與的斑點(diǎn)。

2.1.3 水添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

水添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖3。

圖3 水添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.3 The effect of water amount on the quality of steamed bread

由圖3可知，隨著加水量的增加感官評(píng)分呈先上升后下降趨勢(shì)。加水量為60%時(shí)評(píng)分最高。較大的加水量，可改善饅頭重量和體積，但添加過多，會(huì)使饅頭的白度和外觀形狀較差。出現(xiàn)皺縮、燙斑等異常現(xiàn)象。加水量較少，雖然白度和外觀較好，但表皮質(zhì)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和比容較差，感官評(píng)分低[8]。

2.1.4 蔗糖添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

蔗糖添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖4。

圖4 蔗糖添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.4 The effect of sucrose amount on the quality of steamed bread

由圖4可知，蔗糖添加量在0.1%～0.4%范圍內(nèi)，饅頭感官評(píng)分值隨蔗糖添加量的增加而明顯增大，但蔗糖添加量大于0.4%時(shí)，感官評(píng)分呈下降趨勢(shì)。適宜的添加量可以增加饅頭的口感和風(fēng)味，添加過多，會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，口感過于甜膩。另外，糖多還會(huì)使面團(tuán)發(fā)黏，影響面團(tuán)的發(fā)酵、成型，從而影響?zhàn)z頭的質(zhì)量[9]。

2.1.5 食鹽添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

食鹽添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖5。

圖5 食鹽添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.5 The effect of salt amount on the quality of steamed bread

由圖5可知，隨著食鹽添加量的增加，感官評(píng)分呈先上升后下降的趨勢(shì)。適宜的添加量，可以提高饅頭風(fēng)味鮮美、柔和。可調(diào)節(jié)控制面團(tuán)發(fā)酵速度，使面筋質(zhì)地細(xì)密，增強(qiáng)面筋筋力，改善饅頭內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)[10]。

2.1.6 雞蛋添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響

雞蛋添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響見圖6。

圖6 雞蛋添加量對(duì)饅頭品質(zhì)的影響Fig.6 The effect of egg amount on the quality of steamed bread

由圖6可知，雞蛋添加量在5%～25%時(shí)，感官評(píng)分呈逐漸上升趨勢(shì)，在20%～40%時(shí)，呈急劇下降趨勢(shì)。雞蛋蛋黃中含有的卵磷脂，具有良好的乳化性能，可使油、水乳化均勻分散到面團(tuán)中，增加制品的疏松性。蛋白是一種發(fā)泡性溶膠，經(jīng)攪拌含有氣泡，分布于面團(tuán)中，會(huì)使組織蓬松，使饅頭的彈性、比容等指標(biāo)均有上升。但是過量添加也會(huì)對(duì)饅頭品質(zhì)造成負(fù)面影響，如使制品出現(xiàn)蛋腥味[11]。

2.2 利用響應(yīng)面法優(yōu)化乳清粉－玉米酵子饅頭加工配方參數(shù)

2.2.1 Plackett－Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選關(guān)鍵影響因子

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)乳清粉添加量（%）、玉米酵子添加量（%）、水添加量（%）、蔗糖添加量（%）、食鹽添加量（%）、雞蛋添加量（%）6個(gè)因素進(jìn)行考察，每個(gè)因素取低水平“－1”和高水平“l(fā)”。另設(shè)1個(gè)虛擬列，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N=12的Plackett－Burman實(shí)驗(yàn)，以感官評(píng)分Y為回應(yīng)值。Plackett－Burman試驗(yàn)因素及水平及結(jié)果見表2，利用Minitab16對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到各影響因素的偏回歸系數(shù)及其顯著性，分析結(jié)果見表3。

表2 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Plackett-Burman design and experimental results

表3 偏回歸系數(shù)及影響因子的顯著性分析Table 3 Analysis of partial regression coefficient and Significance of factors

2.2.2 最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Plackett－Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定以玉米酵子添加量（x1）、雞蛋添加量（x2）、乳清粉添加量（x3）3個(gè)主要因素為自變量，以感官評(píng)分（Y）為回應(yīng)值，其因素水平編碼見表4。

表4 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 The design and results of steepest ascent test

由表4可知：第3組實(shí)驗(yàn)的饅頭感官評(píng)分最高。這說明最優(yōu)試驗(yàn)在第3組實(shí)驗(yàn)附近。故以實(shí)驗(yàn)3的條件為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平的中心點(diǎn)，玉米酵子添加量、雞蛋添加量、乳清粉添加量分別為25%、20%、2.0%，進(jìn)行下一步研究。

2.2.3 響應(yīng)面分析法（CCD）優(yōu)化乳清粉－玉米酵子饅頭加工配方

基于單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化提取條件進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，在最陡爬坡實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box－Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理。利用Design－Expert8.0.5b進(jìn)行 Response Surface Methodology（RSM）響應(yīng)面法優(yōu)化影響?zhàn)z頭感官評(píng)分的3個(gè)主要因素：玉米酵子添加量、雞蛋添加量、乳清粉添加量進(jìn)行優(yōu)化組合。考察目標(biāo)為感官評(píng)分，試驗(yàn)因素水平安排以及根據(jù)以上水平編碼設(shè)計(jì)試驗(yàn)表格并檢測(cè)響應(yīng)值結(jié)果見表5。

表5 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 5 Design and results of response surface methodology

對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，可求出影響因素的一次效應(yīng)、二次效應(yīng)以及交互效應(yīng)的關(guān)聯(lián)方程并可繪制出響應(yīng)面圖。該模型通過二階經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)變量的響應(yīng)行為進(jìn)行表征，即：

式中：Y 為響應(yīng)值，β0、βi、βii分別表示偏移項(xiàng)、線性偏移和二階偏移系數(shù)，βij為交互效應(yīng)系數(shù)，xi為各因素的編碼值。對(duì)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合得到感官評(píng)分（Y）對(duì)編碼自變量x1、x2和X3的二次多項(xiàng)式回 歸 方 程 ：Y=90 －2.88X1+0.13X2－1.50X3－2.50X1X2－0.25X1X3+7.25X2X3－5.25－6.75－4.00。

2.2.4 模型方差分析對(duì)上述回歸模型進(jìn)行方差分析

模型方差分析對(duì)上述回歸模型進(jìn)行方差分析見表6。

表6 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)Table 6 Variance analysis results of regression model

表6結(jié)果表明，模型是顯著的（P＜0.05），RSquared=0.927 3，Adj R －Squared=0.833 8，Pred R －Squared=0.836 6，模型變異系數(shù)為3.48%，精密度為8.909，說明模型準(zhǔn)確度和精密度都較高，用該模型進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)是合理的。

由表6可知，一次項(xiàng)X1顯著，由F值和Prob＞F可知，單因素的影響順序?yàn)閄1＞X3＞X2，即玉米酵子添加量＞乳清粉添加量＞雞蛋添加量；交互作用項(xiàng)X2X3極顯著；二次項(xiàng)極顯著。

2.2.5 回應(yīng)曲面分析

回應(yīng)曲面分析見圖7。

繪制三維響應(yīng)面曲線模型是分析各自不同變量對(duì)某個(gè)指標(biāo)影響最好的方法[12－13]。圖7a顯示了玉米酵子添加量和雞蛋添加量與饅頭感官評(píng)分關(guān)系的響應(yīng)面3D圖形，由圖可以看出，曲面圖形變化隨玉米酵子添加量升高變化幅度高于雞蛋添加量變化。當(dāng)保持雞蛋添加量固定，感官評(píng)分隨玉米酵子添加量變化呈先上升后緩慢下降趨勢(shì)，添加量在24%～26%之間時(shí)，感官評(píng)分達(dá)到最大值，這是由于隨著酵子添加量的增加，饅頭在發(fā)酵過程中產(chǎn)酸過多，產(chǎn)氣過快，會(huì)造成饅頭的口感偏酸，內(nèi)部組織不均勻，感官品質(zhì)下降。當(dāng)保持玉米酵子添加量固定，感官評(píng)分隨雞蛋添加量變化幅度不明顯。由此可知，玉米酵子添加量對(duì)饅頭感官評(píng)分的影響大于雞蛋添加量。圖7b顯示了玉米酵子添加量和乳清粉添加量與饅頭感官評(píng)分關(guān)系，由圖可知，當(dāng)保持乳清粉添加量固定，饅頭感官評(píng)分隨玉米酵子變化呈先上升后緩慢下降趨勢(shì)，添加量在24%～26%時(shí)，感官評(píng)分達(dá)到最大值。由圖7c可以看出，隨雞蛋添加量變化，曲面變化比較陡峭；隨雞蛋添加量的改變，曲面呈快速上升狀態(tài)，當(dāng)添加量超過19%后，其下降幅度較加大；隨乳清粉添加量變化，響應(yīng)曲面變化幅度較大。當(dāng)固定添加量在1.9%～2.1%時(shí)，饅頭的感官評(píng)分最高。

圖7 兩因素交互作用對(duì)饅頭品質(zhì)影響的響應(yīng)曲面圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interaction effects of whey amount，corn jiaozi amount，water amount，Sucrose amount，salt amount and egg amount on steamed bread quality

2.2.6 最佳條件的確定

為了確定最佳工藝配方條件，對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于零解方程組得x1=－0.249 42，x2=－0.079 27、x3=0.251 54，此時(shí)Y=90.57，即乳清粉－玉米酵子饅頭的最佳加工配方參數(shù)為玉米酵子添加量為23.75%、雞蛋添加量為19.6%、乳清粉添加量為1.874%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，采用最佳提取工藝條件進(jìn)行饅頭的加工，考慮到實(shí)際操作的便利，將工藝配方參數(shù)修正為：玉米酵子添加量25%、雞蛋添加量為20%、乳清粉添加量2%，

為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸模型的有效性，以優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得平均感官評(píng)分值為90.45，接近于預(yù)測(cè)值，表明模型可靠，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

Design－expert8.0響應(yīng)面軟件是一種研究玉米酵子添加量、乳清粉添加量、雞蛋添加量等影響?zhàn)z頭感官評(píng)分的工藝條件優(yōu)化的工具。在本研究中，饅頭配方工藝條件的優(yōu)化利用了Plackett－Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)較多的參考因素進(jìn)行了篩選，利用最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)合Box－Behnken設(shè)計(jì)對(duì)工藝配方參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化并建立經(jīng)驗(yàn)二階多項(xiàng)式回歸模型，對(duì)回歸模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得最優(yōu)化工藝。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了Plackett－Burman（PBD）、SAE 和 Box－Behnken Design 3種設(shè)計(jì)方法，從試驗(yàn)結(jié)果看，PBD找出了主要影響因素為玉米酵子添加量、雞蛋添加量、乳清粉添加量。BBD設(shè)計(jì)對(duì)主要影響因素進(jìn)行精確優(yōu)化并建立了二階經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。方差分析發(fā)現(xiàn)模型顯著性（P＜0.05），準(zhǔn)確度和精密度均較高[14]。響應(yīng)曲面分析研究了各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。模型求解得最優(yōu)工藝配方參數(shù)，即玉米酵子添加量為25%，雞蛋添加量為20%和乳清粉添加量為2%。

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