響應面法優化低聚合度菊糖面包加工工藝

趙天天，曹琦，趙丹，馬小涵，鄧婧，田俊青，劉雄

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

響應面法優化低聚合度菊糖面包加工工藝

趙天天，曹琦，趙丹，馬小涵，鄧婧，田俊青，劉雄*

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

利用響應面分析法研究低聚合度菊糖、大豆卵磷脂、乳化劑 和α-淀粉酶對面包老化和面包品質的影響。結果表明，在單因素試驗中4種添加劑對面包的比容及硬度均有一定的改善作用，利用響應曲面法對面包的加工工藝參數進行優化，以面包硬度評分、比容以及感官評價作為檢測指標，以綜合評分為最終指標和響應值，通過響應面分析得到最佳參數以及各參數之間的相互作用，得到的最佳工藝配方為，低聚合度菊糖添加量 2.78%，硬脂酰乳酸鈉(sodium stearoyl lactylate, SSL)添加量為0.64%，α-淀粉酶0.005 1%，大豆卵磷脂添加量0.87%，此時面包的綜合評分為9.77，有效延緩了面包老化，改善了面包品質。

低聚合度菊糖；硬度；比容；響應面；面包品質

面包是一種營養豐富方便食品，已成為人們的主食之一，也是人們膳食纖維的主要來源之一[1]。面包在長期貯存后，會變得堅韌并出現皺折，面包芯喪失其柔軟性，變得無彈性、干燥且易掉屑和香味喪失。這種現象便是面包的老化，據統計，面包因老化造成經濟損失為3%～7%[2]，主要是由淀粉的老化造成——α-淀粉生成規則的β-淀粉的過程[3]。

本試驗研究了低聚合度菊糖不同添加量對面包品質和抗老化特性的影響，菊糖是一種可溶性和可發酵的膳食纖維，不被人體消化道的酶消化[4]。具有雙歧因子(益生元)和膳食纖維的雙重功效。益生元在人的胃腸道上不被水解也不被吸收，進入腸道被雙歧桿菌等益生菌專一利用，可以提高優勢菌群的構成及數量，抑制有害菌的生長繁殖，建立良好的微生態環境，激活機體的免疫力、延緩衰老[5-7]；更能促進鈣、鐵、鎂等礦物質的吸以及促進維生素的合成；能夠提高血清血脂和降低結腸癌的風險[8]。關于菊糖在以前大多研究中[9-11]，表明，隨著菊糖濃度增加和聚合度的增高[12-14]面包比容下降，而相比高聚合度菊糖相同添加量的低聚合度菊糖的面包體積有所增大。這也是本次研究的意義所在，相比混合菊糖，低聚合度的菊糖其生物活性更高，更容易被微生物利用，同時結合大豆卵磷脂、乳化劑SSL 和α-淀粉酶的功效；以便低聚合度菊糖面包的實際生產中根據具體情況選用合適的添加劑，達到延緩面包老化的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

五得利五星特精高筋小麥粉，五得利面粉集團；菊糖，西安瑞林生物科技有限公司；高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司；白砂糖、黃油、食鹽，均為市售；α-淀粉酶、SSL、大豆卵磷脂，河南千志商貿有限公司；低聚合度菊糖，實驗室自制。

1.2 設備

Centrifuge5810型臺式高速離心機，德國Eppendorf公司；真空冷凍干燥機，北京松源華興科技公司；Fa2004A電子天平，上海精天電子儀器有限公司；攪拌機，廣東東菱電器有限公司；醒發箱，廣州三麥機械設備有限公司；遠紅外電熱烤箱，廣州番禹烘焙設備有限公司；Brookfield TC3質構儀，美國博勒飛公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 低聚合度菊糖的制備

菊糖原料配成料液比為1∶5(g∶mL)溶液，醇沉；4 ℃靜置24 h，4 000 r/min離心10 min，得到上清液經過恒溫水浴旋轉蒸發，真空冷凍干燥后得到低聚合度菊糖。

1.3.2 面包的制作

采用一次發酵法制作面包，酵母1.5%、食鹽1%、白糖10%、黃油10%、(均以混合粉質量計)；水(粉質儀測得的最佳吸水率的80%計)；原輔料混合攪拌成團、室溫下靜置10 min，分割面團30 g/個，整型。置于醒發箱內(濕度85%、溫度38 ℃)醒發90 min，將醒發好的面團以上/下火溫度為(180/160 ℃)烘焙10 min、放置室溫冷卻1 h、包裝密封、待測。

1.3.3 單因素試驗

以面包比容和面包硬度為指標，分別考察不同比例的低聚合度菊糖、α-淀粉酶、硬脂酰乳酸鈉以及大豆卵磷脂對面包品質的影響。

參考各種添加劑的最佳使用添加范圍，確定添加水平如下：

低聚合度菊糖：0%、2.5%、5%、7.5%、10% (低聚和度菊糖+小麥粉為100 g計)；α-淀粉酶：0%、0.005%、0.01%、0.02%、0.03%；

硬酯酰乳酸鈉：0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%；大豆卵磷脂：0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%(3種均按照小麥粉100 g計)。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選取低聚合度菊糖、α-淀粉酶、SSL、大豆卵磷脂4個因素，以面包綜合評分為響應值，采用Central Composite Design響應面分析法對面包工藝配方進行4因素5水平中心組合試驗，利用 Design-Expert 軟件進行數據處理和回歸分析。

1.4 檢驗方法

1.4.1 面包綜合評分

響應面設計試驗取面包硬度評分，比容，感官評價為測定指標，以面包綜合評分為最終響應值，面包綜合評分=硬度評分×0.3+比容評分×0.3+感官評分×0.4。

1.4.2 面包比容的測定

烘焙好的面包在室溫下冷卻后，根據GB/T20981—2007《面包油菜籽置換法》的方法，測定面包的體積和質量。

面包比容=體積(mL)/質量(g)

(1)

(2)

1.4.3 面包硬度的測定方法

面包硬度的測定，將冷卻后的面包裝入包裝袋并密封后，置于通風處于室溫下貯藏，單因素試驗取貯藏期待測的面包樣品測定其1、3、5、7 d的質構指標。響應面試驗取貯藏期24 h的面包樣品，測定時將面包切成(40×40×30) mm的面包塊進行測定。質構儀設定參數為：選用探頭為TA4/1000，測前速度2.0 mm/s測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，壓縮形變40%，每個樣品重復3次，取平均值。

(3)

1.4.4 面包感官評定

對冷卻 2 h的新鮮面包進行感官評定，感官評定人員數為20名，分別對面包的色澤、組織結構、口感、風味和總體可接受度進行評分。

(4)

表1 感官評定標準Table 1 Sensory evaluation criteria

1.4.5 數據處理

運用 Microsoft excel 2007 和 Origin 9.0處理數據，采用SPSS 22.0和 Design-Expert 軟件進行數據統計分析，運用方差分析法(ANOVA)進行顯著性差異分析，顯著性差異水平選取p<0.05。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 低聚合度菊糖添加量對面包硬度及面包品質的影響

表2 低聚合度菊糖添加量對面包硬度與比容的影響Table 2 Effect oflow polymerization degree inulin on the hardness and the specific volume of bread

注:平均值±標準偏差，同一列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。表3～表5同。

由表2可知，隨著低聚合度菊糖添加比例的增加，面包的比容呈逐漸增大的趨勢，而在面包發酵過程中隨著低聚合度菊糖添加量的增加，面團發酵時間延長，面包比容增加，說明低聚合度菊糖能夠被微生物利用，增加面包面團的產氣量，增大面團發酵體積。同時低聚合度菊糖的添加能減緩面包的老化進程，從貯藏過程面包第7天硬度結果可以看出，添加低聚合度菊糖的面包硬度顯著均低于空白組，說明低聚合度菊糖具有吸濕性，能夠減緩水分的流失，降低面包硬度；因此結合比容和質構的結果，以及發酵時間，確定在響應面試驗中低聚合度菊糖的添加范圍在0%～5%。

2.1.2 α-淀粉酶對面包硬度和面包品質的影響

由表3可以看出，α-淀粉酶添加量越大面包硬度越小，但α-淀粉酶添加量越高面包越容易發黏導致面包品質下降，同時可以看出，隨著α-淀粉酶添加量的增加，面包比容呈上升的趨勢，當α-淀粉酶添加量在0.03%時，面包比容呈下降趨勢，說明α-淀粉酶活性適中時，有助于增大面包的發酵體積并使酵母均勻發酵，產生CO2，使得產氣能力與持氣能力相配合，從而使面包內部結構均勻，氣孔一致。但α-淀粉酶活性太大時，會使面包心發粘，口感變差，而且面團發酵速度過快，面團結構塌陷，使面包表面上出現凸凹不平的現象。根據實驗結果來看，α-淀粉酶對面包品質、抗老化性有明顯的改良作用，綜合考慮確定在響應面試驗中α-淀粉酶的添加范圍在0%～0.01%為佳。

表3 不同添加量的α-淀粉酶對面包硬度與比容的影響Table 3 Effect of alpha amylase on the hardnessand the specific volume of bread

2.1.3 SSL對面包硬度及面包品質的影響

硬脂酰乳酸鈉(SSL)是一種具有良好的親水親油性的乳化劑，并且可以使面包具有較好的高溫急脹的效果，同時可以增大面包的發酵體積，使烘焙的面包成品表皮不易塌頂和收縮，能夠起到延緩面包老化效果。由表4可以看出，加入SSL后面包比容先增大后減小，且SSL添加量在0.6%時面包比容達到最大值。對添加不同量SSL的面包進行硬度檢測，可以看出，SSL對面包的抗老化性具有很明顯的改善作用，這主要是由于SSL的脂肪酸基團伸入到直鏈淀粉α螺旋構型中，與其形成穩定的螺旋復合物，從而達到抑制直鏈淀粉的老化的作用。當添加量為0.6%時，抗老化性比空白組面包有顯著的改良，隨著添加量的增加，面包硬度繼續降低。因此在單因素試驗結果中選擇SSL的最佳添加范圍在0.3%～0.9%作為響應面實驗的范圍。

表4 不同添加量的SSL對面包硬度與比容的影響Table 4 Effect of SSLon the hardness and the specific volume of bread

2.1.4 大豆卵磷脂對面包硬度及面包品質影響

由試驗結果表5也可以看出，面包第1天硬度隨著大豆卵磷脂添加量的增加逐漸降低，并且面包經過貯藏7 d的硬度也比未添加大豆卵磷脂的硬度顯著性降低，這更能充分證明大豆卵磷脂具有延緩面包老化，延長面包貨架期的功效。由比容結果得出，添加大豆卵磷脂后，面包比容緩慢增加，當大豆卵磷脂添加量大于0.9%之后面包比容下降，但可以看出將大豆卵磷脂添加到面粉中，可以起乳化作用。由于大豆卵磷脂含有大量的親水性基團，遇水可以成為形成乳化物，在攪拌過程中可以使面團中的油脂部分乳化，從而使得面筋充分的吸收，同時面團在烘焙過程中受熱膨脹，使蛋白質膨松成為泡沫狀，凝固定型，從而增大面包體積，增大面包比容，提高面包品質。而且大豆卵磷脂中還含有腦磷脂，具有強的抗氧化作用，因此可以延緩面包制品的老化進程。結合實驗結果選擇大豆卵磷脂添加量為0.6%～1.2% 作為相應面試驗的最佳添加范圍。

表5 大豆卵磷脂對面包硬度與比容的影響Table 5 Effect of soybean lecithin on the hardness and the specific volume of bread

3 CCD實驗設計與統計分析

3.1 試驗因素和水平的選取

綜合以上單因素試驗分析結果，選取低聚合度菊糖(A)、SSL(B)、α-淀粉酶(C)、大豆卵磷脂(D) 這 4 個因素，對面包工藝配方進行4因素5水平中心組合試驗，CCD試驗因素及水平見表6。

表6 中心組合設計因素水平表Table 6 Factors and levels for Central Composite Design

3.2 響應面回歸模型的建立與顯著性檢驗分析

采用響應面分析方法研究上述4個因素的交互作用對面包工藝配方的影響。以A，B，C，D為自變量，綜合評分作為響應值進行響應面分析，試驗設計與結果見表7。

利用 Design-Expert 軟件對中心組合試驗結果(表8)進行二次多項式回歸擬合，回歸擬合結果得到響應值與4個編碼自變量之間的初步回歸模型為：

Y=9.73+0.17A+0.12B+0.043C-0.10D-0.12AB-0.069AC+0.044AD-0.066BC-0.057BD-8.246e-3CD-0.28A2-0.23B2-0.21C2-0.24D2

(5)

式中：Y綜合評分；A、B、C、D則分別代表低聚合度菊糖SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂的編碼值。

表8 回歸模型方差分析Table 8 Analysis of variance for regression model

注：p<0.001，表示差異極顯著；p<0.01，表示差異高度顯著；p<0.05，表示差異顯著。

3.3 響應面分析

根據回歸模型分析結果，為研究各變量的交互作用，并在各添加范圍內確定各因素的最優取值范圍，采用Design-Expert 軟件進行數據統計分析各自變量對面包綜合評分交互影響的相應響應曲面圖以及等高線圖(圖1到圖6)。

圖1 SSL和低聚合度菊糖對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.1 SSL and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

從響應曲面圖可以反映各因素對響應值的影響程度，響應面曲線越陡，表明該因素對響應值的影響越大。由圖1(a)、2(a)、5(a) 和6(a)響應面可知，各因素對面包綜合評分的影響效果依次是：A>B>C>D，分析結果與方差分析的結果相一致。等高線圖可以直觀地反映出兩變量之間交互作用的顯著性。兩個自變量處于中心水平時，每條輪廓線的彎曲程度說明交互作用項之間的顯著程度，曲率越大，越趨向橢圓，表明兩因素交互作用程度越大，而越趨于圓形則表明兩因素交互作用越小。圖6(b)等高線輪廓形狀趨于圓形，表明CD兩因素的交互作用不顯著。其余五個交互作用項的等高線圖均呈橢圓，表明交互作用均顯著，并且圖1 (b)等高線曲率最大，圖2 (b)、圖4(b)次之，因此可以得出AB交互作用極顯著，AC、BC交互作用高度顯著。

圖2 α-淀粉酶和低聚合度菊糖對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.2 Alpha amylase and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

圖3 大豆卵磷脂和低聚合度菊糖對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.3 Soy lecithin and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

圖4 α-淀粉酶和SSL對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.4 Alpha amylase and SSL on bread comprehensive score influence of response surface and contour

圖5 大豆卵磷脂和SSL對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.5 Soybean lecithin and SSL on bread comprehensive score influence of response surface and contour

圖6 大豆卵磷脂和α-淀粉酶對面包綜合評分影響的響應面和等高線Fig.6 Soy lecithin and alpha amylase effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

最佳工藝條件的確定與驗證通過響應面分析可以得到最佳添加量以及各因素之間的相互作用。通過軟件分析，從CCD試驗結果得到最佳工藝參數為：低聚合度菊糖添加量2.78%，SSL添加量為0.64%，α-淀粉酶0.005 1%，大豆卵磷脂添加量0.87%，此條件面包的綜合評分為9.77。

驗證試驗結果：在響應面優化的最佳工藝條件下，進行驗證試驗，結果測得面包的硬度評分為9.6，面包比容為4.6，面包的感官評分為28，綜合評分達到9.69，與預測值的精度達到99.18%，試驗結果證明了CCD試驗模型可用于面包品質的預測。

4 結論

通過對添加低聚合度菊糖、SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂對面包的優化研究，以面包硬度、比容和感官評分為評價指標，以最終的綜合評分為響應值，單因素實驗表明，通過添加低聚合度菊糖、乳化劑SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂對面包比容和面包硬度均達到了改善作用。結合單因素試驗，通過響應面優化試驗確定了面包的最佳工藝配方為：確定低聚合度菊糖添加量2.78%、SSL添加量0.64%、α-淀粉酶添加量0.005 1%、大豆卵磷脂添加量0.87%。得到面包比容為4.66 cm3/g，綜合評分為9.77。通過響應面試驗得到的最佳工藝使面包品質得到了明顯改善，面包具有較強的持水性，老化速率明顯降低，面包各項感官品質得到改善，面包貨架期延長。

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Optimizationoflowdegreepolymerizedinulinbreadqualitybyresponsesurfacemethodology

ZHAO Tian-tian, CAO Qi， ZHAO Dan, MA Xiao-han, DENG Jing, TIAN Jun-qing, LIU Xiong*

(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The effects of low polymerized degree inulin、soy lecithin、SSL and alpha amylase on the aging of bread and bread quality were studied. Single factor experiment showed that four additives all had certain effect on improving bread specific volume and hardness. The response surface method was used to optimize the processing parameters of bread, bread hardness, specific volume and sensory evaluation. And the comprehensive score was set as the final score and response value. Through the response surface analysis, the interaction between different parameters and the best parameters were obtained. The optimum formula of bread was: 2.78% low polymerized inulin, 0.64% sodium stearoyl lactylate (SSL), 0.005 1% alpha amylase and 0.87% soybean lecithin. Using the above formula, the comprehensive score of bread was 9.77, the aging speed of bread was delayed and the quality of bread was improved.

low degree of polymerization inulin；hardness；specific volume；response surface；Bread quality

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014240

碩士研究生(劉雄教授為通訊作者，E-mail: liuxi-ong848@hotmail.com)。

2017-03-06，改回日期：2017-04-20