響應面-主成分分析法研制蓮房膳食纖維曲奇

蔣旖旋，龔超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勛，易陽（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430023）

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響應面-主成分分析法研制蓮房膳食纖維曲奇

蔣旖旋，龔超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勛，易陽*
（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430023）

摘要：在單因素試驗明確蓮房不溶性膳食纖維添加量、黃油添加量、烘烤溫度和時間對曲奇餅干品質影響的基礎上，建立四因素回歸模型優化餅干制作工藝。分別以各感官評價項的總評分及主成分分析得到的綜合評分為指標，采用響應面法優化得到2套工藝參數，結合實際應用比較后確定曲奇餅干制作的最優參數為：不溶性膳食纖維添加量3.8 %、黃油添加量60%、烘烤時間11min、烘烤溫度196℃。采用三點彎曲測試分析餅干的硬度、脆性和酥性，發現其品質與脆性和酥性均存在顯著負相關性（P<0.05）。建立蓮房膳食纖維曲奇餅干的制作工藝，探析其品質評價指標及方法，可為蓮房的開發利用提供參考。

關鍵詞：蓮房；膳食纖維；曲奇餅干；響應面；主成分分析

蓮房是睡蓮科植物蓮（Nelumbo nucifera Gaertn.）的成熟花托，常用于炮制蓮房炭[1]，具有止血、化瘀、祛濕的功效[2]。然而，隨著醫藥科技水平的進步，蓮房炭已逐漸淡出市場。近年來，籽蓮產業規模不斷壯大，作為副產物的蓮房產量也明顯增加，除了少部分用于食用菌栽培基質外[3]，大多被丟棄，造成資源浪費和環境污染。從產業發展、農戶增收、環境保護等多方面考慮，蓮房的綜合利用有重要現實意義。當前，蓮房的研究熱點主要集中在原花青素的提取純化、結構鑒定和生物活性評價[4]，而對其膳食纖維的開發應用仍屬空白。

當前，各種精制加工面粉深受人們喜愛，膳食偏好導致膳食纖維攝入量減少[5]。越來越多的證據表明，膳食纖維的攝入量與慢性疾病（腸道疾病、肥胖病、糖尿病、心血管疾病）之間存在密切的關系[6]。膳食纖維的適量添加不僅能賦予食品功能特性，而且可能產生新的風味或改善品質[7]。曲奇餅干是焙烤市場的主導產品之一，但隨著消費者對飲食的關注程度增加，健康和享受的雙重要求成為產品研制的重要風向標[8]。膳食纖維曲奇餅干迎合消費需求，但其研制卻鮮見報道。為此，本文考察蓮房不溶性膳食纖維（IDF）添加量、黃油添加量、烘烤時間和溫度對曲奇餅干感官品質的影響，結合主成分分析法和響應面法優化制作工藝，并探討餅干感官與質構品質之間的相關性，旨為蓮房膳食纖維曲奇餅干開發及質量評價提供參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

蓮房：湖北萬荷堂蓮業發展有限公司提供，經熱風干燥后粉碎至50目～300目；無鹽黃油：阿根廷SUKI公司；低筋小麥粉（蛋白質含量13 %）：河南金龍面業有限公司；細砂糖：廣東福正東海食品有限公司；泡打粉：江門高迪食品有限公司；雞蛋、鹽等輔料：均為市售產品。

1.2儀器與設備

SE602F電子天平：美國Ohaus公司；TA.XT-plus食品物性測試儀：英國Stable Micro System公司；BOK35電烤箱：佛山市貝奧電器有限公司；YB-1000A多功能粉碎機：永康市速鋒工貿有限公司；HM4400客浦攪拌器：北京中興柏粹電器有限公司。

1.3方法

1.3.1蓮房IDF制備

蓮房粉經4倍體積的75 %乙醇浸泡過夜后過濾干燥，采用α-淀粉酶和木瓜蛋白酶分步酶解去除蓮房粉中的蛋白質及淀粉，過濾酶解殘渣，洗滌干燥后得到蓮房IDF。經GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》方法測定[9]，樣品中總膳食纖維（TDF）含量為94.32 %，IDF含量為93.84 %。

1.3.2曲奇餅干制作工藝及要點

油經室溫軟化后，置于攪拌器中勻速攪拌至順滑，加入適量細砂糖繼續攪拌至順滑且體積稍有膨大；加入適量全蛋液攪拌至蓬松、乳白的奶油霜狀；黃油中篩入事先混勻的低筋面粉（100.0 g）、泡打粉及一定質量比的蓮房IDF，拌勻后轉入裱花帶中擠壓成型；將餅胚置于預熱的電烤箱中烘烤，烘烤結束后自然冷卻至35℃～40℃[10-11]，裝袋密封后于干燥器內避光保存，一周內完成相關分析測試。

1.3.3單因素試驗

選取蓮蓬IDF添加量、黃油添加量、烘烤時間及溫度為試驗因素，經預試驗確定其固定水平分別為4%、60 %、190℃、12 min。單因素試驗中各因素的水平：IDF添加量為2%、4%、6%、8%、10%；黃油添加量為40%、 50%、60%、70%、80%；烘烤時間為8、10、12、14、16min；烘烤溫度為170、180、190、200、210℃。

1.3.4響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Benhnken的中心組合設計安排四因素三水平試驗，試驗因素及水平見表1。

表1試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of the experiment

1.3.5感官評價

蓮房IDF曲奇餅干品質評價采用綜合感官評分法。篩選10位食品相關專業人員以盲標法分別對餅干的形態、色澤、氣味、滋味、口感、組織和雜質進行評分，總評得分為各項分值之和[12]。評分標準參考曲奇餅干行業標準略作調整[13]，如表2所示。

表2曲奇餅干感官評分標準Table 2 The standard of sensory evaluation for cookies

1.3.6質構特性分析

曲奇餅干質構特征采用物性測試儀HDP/3PB探頭進行三點彎曲試驗[14-15]，TA程序設計如下：測試模式為壓縮；測前速度5.00 mm/s；測中速度1.7 mm/s；測后速度10.0 mm/s；目標模式為應變40 %；觸發力為5.0 g。每組樣品平行測定3次。取信號曲線的最大值為樣品的硬度（g），取最大信號峰前的破裂峰數為樣品的脆性，取曲線起點到最大峰值的線性距離為酥性（g·s）。

1.4數據處理

響應面試驗設計及結果分析采用SAS（V8）軟件處理；組間數據差異比較采用SPSS19軟件S-N-K檢驗分析，顯著性水平為P<0.05；Pearson相關性采用SPSS19軟件進行0.01和0.05水平雙側檢驗；主成分分析采用SPSS19軟件進行因子分析。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1 IDF添加量

IDF添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖1。

圖1 IDF添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.1 Effects of IDF addition on the sensory quality of cookie

IDF添加量介于2 %～6 %之間對曲奇餅干的感官評分無顯著影響（P>0.05），但添加量增加至8 %后感官評分顯著下降（P<0.05）。IDF添加量過大產生如下影響：破壞餅干花紋的完整度，但對其組織結構影響不顯著；IDF的深棕色會掩蓋產品焙烤色澤；減弱曲奇特有的氣味和滋味；口感的硬度會明顯增加。高添加量的IDF可能增加餅干的松密度[16-17]，造成表面花紋易斷裂。餅干的硬度與其持水性呈正相關[16]，隨著IDF添加量的增加，餅干的硬度隨之增強。考慮盡可能提高產品的膳食纖維含量并保證品質，確定IDF添加量為4 %～8 %。

2.1.2黃油添加量

現售的曲奇餅干一般油脂含量高達75 %以上，而黃油含量是影響其品質的重要因素[12]。黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖2。

圖2黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.2 Effects of butter addition on the sensory quality of cookie

曲奇餅干感官評分隨著黃油添加量的增大呈增加趨勢，而超過50 %后分值無顯著增加（P>0.05）。添加量40 %的分值顯著低于60 %～80 %（P<0.05），但與50 %無顯著差異（P>0.05）。黃油添加量大有利于產品成型，且色澤和氣味特征較好，但油脂含量過高易產生氧化哈敗、食用后油膩感強、產品過于酥脆不易保存、生產成本增加。故而選擇黃油添加量為50 %～70 %。

2.1.3烘烤時間

烘烤時間對曲奇餅干感官評分的影響見圖3。

圖3烘烤時間對曲奇餅干感官評分的影響Fig.3 Effects of baking time on the sensory quality of cookie

烘烤時間由8 min延長至16 min的過程中，曲奇餅干的感官評分先增大后減少。烘烤時間介于10 min～14 min的感官評分無明顯差異（P>0.05），但均顯著高于8 min（P<0.05）。烘烤16 min的感官品質最差（P< 0.05）。烘烤時間不足，餅干的色澤和風味欠佳，且質地較軟。而烘烤過度導致餅干焦糊，且質地硬實。因此，選擇烘烤時間為10 min～14 min為宜。

2.1.4烘烤溫度

烘烤溫度對曲奇餅干感官評分的影響見圖4。

圖4烘烤溫度對曲奇餅干感官評分的影響Fig.4 Effects of baking temperature on the sensory quality of cookie

溫度在180℃～210℃的范圍內對曲奇餅干感官品質無顯著影響（P>0.05），但溫度超過210℃后品質顯著下降（P<0.05）。烘烤溫度220℃時，餅干花紋及餅體邊緣出現焦狀，且特有的曲奇風味變弱。考慮到烘烤溫度與時間潛在的交互作用，選擇溫度范圍為180℃～200℃。

2.2響應面試驗結果

2.2.1回歸模型檢驗

響應面試驗安排及結果如表3所示。

表3試驗設計及結果Table 3 Experimental design and results

以IDF添加量X1、黃油添加量X2、烘烤時間X3、烘烤溫度X4為試驗因素，建立以感官評價總評分值Y1為考察指標的回歸模型：

回歸模型各項P值及其決定系數如表4所示。

感官評分Y1、Y2、Y3、Y5、Y6的回歸模型達極顯著水平（P<0.01），氣味Y4的回歸模型顯著（P<0.05），而組織Y7的回歸模型不顯著（P>0.05）。各因素對總評和形態的影響為IDF添加量>烘烤溫度>黃油添加量>烘烤時間；對色澤和氣味的影響為：IDF添加量>烘烤溫度>烘烤時間>黃油添加量；對滋味的影響為：IDF添加量>黃油添加量>烘烤溫度>烘烤時間；對口感的影響為：IDF添加量>黃油添加量>烘烤時間>烘烤溫度。逐項顯著性檢驗結果顯示，一次項僅對氣味和組織無顯著影響（P>0.05），平方項對氣味、口感和組織無顯著影響（P>0.05），而交互項對形態、氣味和組織無顯著影響（P>0.05）。

2.2.2雙因素交互作用分析

各因素對蓮房IDF曲奇餅干感官品質的影響見表4和圖5。

表4回歸模型各項P值及其決定系數Table 4 P values and determination coefficients of the regression models

圖5各因素對曲奇餅干感官指標的交互影響Fig.5 Interactions of factors on the sensory index of cookie

交互項X1X2僅顯著影響餅干的形態（P<0.05），將其他因素固定在零水平：當IDF添加量處于-1水平時，黃油添加量對形態影響不明顯；當IDF添加量處于1水平時，形態品質隨黃油添加量增加而增強；黃油添加量在任一試驗水平下，過高或過低的IDF添加量都無法獲得最佳的形態品質。交互項X1X4僅對曲奇餅干感官總評分值和滋味有顯著影響（P<0.05），且影響趨勢基本一致，將其他因素固定在零水平：當IDF添加量處于-1水平時，總評和滋味品質隨烘烤溫度增大而增強；當IDF添加量處于1水平時，總評和滋味品質隨烘烤溫度增大而減弱；當烘烤溫度處于-1水平時，IDF添加量對總評和滋味品質的影響不明顯；但烘烤溫度處于高水平時，總評和滋味品質隨IDF添加量增加而急劇減弱。交互項X3X4對除形態外的各感官品質均有顯著影響（P<0.05），且總體趨勢基本一致，將其他因素固定在零水平：當烘烤時間處于低水平時，各品質隨烘烤溫度增大而增強；當烘烤時間處于高水平時，各品質隨烘烤溫度增大而減弱，反之亦然。

2.2.3最佳工藝條件優化

采用RSREG Procedure分析回歸模型得到一個極值點（Y1=86.08），該點各因子的編碼值為：X1=-1.247 1、X2=-0.830 8、X3=-0.868 8、X4=1.325 1。為便于實際應用，調整得到第一套工藝參數為IDF添加量3.5 %、黃油添加量52 %、烘烤時間10 min、烘烤溫度203℃。

感官評價指標較多，且這些指標之間的Pearsom相關系數較高（數據未呈現），若都用于品質評價可能造成嚴重的共線性問題，且增加分析過程的工作量[14]。為此，對響應面試驗中的各感官評價指標進行主成分分析，結果見表5。

第一主成分的方差貢獻率為70.201 %，涵括原始指標的大部分信息，能反映樣品的整體信息[18]。根據成分矩陣建立曲奇餅干的綜合評價模型：Z= 0.789Y2+ 0.943Y3+0.906Y4+0.952Y5+0.796Y6+0.591Y7。

表5各主成分的特征值及其貢獻率Table 5 The characteristic values and contribution rates of the principal components

將表3中試驗結果代入上述模型中，建立以綜合評分Z為指標的回歸模型達極顯著水平（P<0.001），相比Y1回歸模型的決定系數R2值更高。進一步分析回歸模型極值點（Z=66.10）的各因子編碼值為X1=-1.119 5、X2=-0.015 1、X3=-0.369 7、X4=0.586 9，經調整后得到第二套工藝參數為IDF添加量3.8 %、黃油添加量60 %、烘烤時間11 min、烘烤溫度196℃。

分別采用以上兩套優化的工藝參數制備蓮房IDF曲奇餅干，驗證試驗結果與回歸模型預測結果的基本吻合。兩套最優參數下的曲奇餅干品質比較由圖6可見。

圖6兩套最優參數下的曲奇餅干品質比較Fig.6 Comparison in sensory qualities between cookies prepared by two optimized technologies

其形態、口感和組織評分無顯著差異（P>0.05），但第二套參數具有較高的色澤、氣味和滋味評分（P< 0.05），說明主成分提取分析對建立產品感官評分指標有重要指導意義。

2.3感官及物性指標的相關性分析

關于餅干的質地評價主要依靠感官方法，評價結果存在一定的模糊性和主觀性。餅干的質構特性是影響其感官品質的重要因素，同時也對其加工、品質檢驗、包裝、運輸和儲存有重要指導意義[19]。采用三點彎曲測試對曲奇餅干的質構特性（硬度、脆性和酥性）進行測定（表3），進一步分析質構與感官的相關性如表6所示。

表6感官及物性指標之間的Pearson相關系數Table 6 The Pearson correlation coefficients between sensory and textural indexes

口感、組織、感官總評和綜合評分兩兩之間存在極顯著的正相關性（P<0.01）。感官總評和綜合評分分別與脆性及酥性呈現顯著的負相關性（P<0.05），說明曲奇餅干的酥脆性越高，其品質可能越低，與關裕亮等的研究結果吻合[19]。同時也說明，曲奇餅干的酥性和脆性可用于其品質優劣的表征。此外，酥性與脆性和硬度之間存在極顯著的正相關性（P<0.01），而三者在感官總評80分及綜合評分60以上的數值并非成正態分布，其原因可能與品質評分的人為偏差及裱花袋擠壓成型的非均一性有關。蓮房膳食纖維曲奇評價標準的儀器量化還有待進一步研究。

3　結論

通過單因素試驗考察了蓮房IDF添加量、黃油添加量、烘烤溫度和時間對曲奇餅干品質的影響，采用響應面法和主成分分析法優化其制備工藝，并依靠驗證試驗確定優化的蓮房膳食纖維曲奇餅干工藝參數為：IDF添加量3.8 %、黃油添加量60 %、烘烤時間11 min、烘烤溫度196℃。基于主成分分析方法建立的膳食纖維曲奇餅干感官評價模型，相比傳統的各指標項累計，不但能減少分析工作量，而且能獲得較好的工藝條件。此外，曲奇餅干的酥性和脆性與其感官品質存在顯著的相關性，預示物性分析方法在餅干品質評價上的可行性。本文建立了蓮房IDF曲奇餅干的制作工藝，明確了其品質評價指標及方法，可為蓮房深加工提供參考。

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Development of Lotus Seed Pot Dietary Fiber Cookie by Response Surface Methodology and Principal Component Analysis

JIANG Yi-xuan，GONG Chao，HOU Li-li，XU Yan-yan，WANG Hong-xun，YI Yang*
（College of Food Science & Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，Hubei，China）

Abstract：The effects of lotus seed pot IDF addition，butter addition，baking temperature and time on the sensory qualities of cookies were investigated by single factor experiment. Then，their regression model was established. The total points of the organoleptic items and the synthetical points obtained by principal component analysis were respectively used as the index to optimize the technological parameters of cookies based on response surface methodology. The optimized parameters，which were finally confirmed by practical comparison in sensory quality，were as follows：IDF addition was 3.8 %，butter addition was 60 %，baking temperature was 196℃，and baking time was 11 min. The three-point bending test indicated that the correlation between sensory quality and brittlement was negatively significant（P <0.05）. This work provides the processing technology of cookies enriched with dietary fiber from lotus seed pot，and explores the evaluative index and method for cookie quality. It can be used as a reference for the development of lotus seed pot.

Key words：lotus seed pot；dietary fiber；cookies；response surface methodology；principal component analysis

收稿日期：2014-09-30

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.025

*通信作者：易陽（1986—），男（漢），講師，博士，從事功能食品研究。

作者簡介：蔣旖旋（1992—），女（漢），本科，從事農產品加工研究。

基金項目：湖北省科技支撐計劃項目（YJNO136）