D-最優混料設計優化方便粥粉配方

吳練軍，賀稚非,2，張東，鄧大川，李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

大米是全球最主要的糧食作物之一，是世界50%以上人口，我國60%以上的人口的主食[1-3]。玉米作為一種重要的谷物原料，常用于食品、飼料和工業應用，富含VB1、VB2，VE，胡蘿卜素，煙酸和微量元素硒、鎂等[4-5]。并且玉米中含有的玉米黃素具有抗氧化、預防多種老年疾病、減少心血管疾病和癌癥發病的獨特生理功能[6-7]。燕麥米具有增強免疫力、預防癌癥和抗衰老等作用，燕麥胚乳細胞壁的重要成分β-葡聚糖是降血脂的有效成分[8]。

本實驗通過D-最優混料設計實驗對大米(雪粳稻)、玉米粉和燕麥米的比例進行優化，為動植物復合健康營養早餐的產品開發，研究食用品質良好，加工性能優秀的方便粥粉提供配方數據。目前評價淀粉內食品的食用品質主要是通過感官評價，而隨著研究深入，國內外許多學者使用質構儀和黏度測定儀等儀器，分析儀器測得的數據與感官評價的相關性，試圖通過客觀指標量化食品品質[9-11]。而在實驗設計中將以溶解度、膨脹度、崩解值和碘藍值這一類能夠反應淀粉制品食用品質和加工特性的指標作為評價，不依賴主觀的感官評定，而通過客觀的量化指標，研究出一種新型方便粥粉配方。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料

大米(雪粳稻)、玉米粉、燕麥米均購買于重慶北碚永輝超市，所有原料經粉碎后過60目篩備用。

1.1.2 藥品試劑

I2、KI、HCl，以上試劑均為分析純。

1.1.3 實驗設備

電熱恒溫鼓風干燥箱(DGG-9240A型),上海森信實驗儀器有限公司;可見分光光度計(722型),海元析儀器有限公司;快速黏度分析儀(RVA),波通瑞華科學儀器(北京)有限公司。

1.2 試驗設計

根據預試驗得到雪粳稻、玉米粉和燕麥米的比例范圍，然后采用輔助軟件Design Expert(V.10.0.3)中的D-最優混料試驗(D-optimal)設計。以雪粳稻、玉米粉和燕麥米的添加比例為變量，以混合原料粉的溶解度、膨脹度、崩解值和碘藍值作為響應值。參考文獻資料[12]及預試驗結果，以原料粉總量為1，設計混料試驗的因素及水平見表1，雪粳稻、玉米粉和燕麥米組合配方見表2。

表1 混料試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of experimental mixture design

表2 方便粥粉配方的混料設計組合設計表Table 2 Mixture design matrix for instant porridgepowder formulations

1.3 實驗方法

1.3.1 溶解度和膨脹度的測定

取適量粉碎后過60目篩的各原料粉，按混料設計組合設計表準確稱量復合原料粉2.5 g作為樣品，將稱量的樣品倒置離心管中，向離心管內加水，加水量為50 mL。將處理好的樣品置入沸水浴中，間隔5 min振蕩1次，沸水浴30 min后，將樣品放置室內，待其冷卻至室溫后離心。設置離心轉速為3 000 r/min，時間為15 min，離心后樣品的上清液和沉淀物分開，分別放入烘箱烘至恒重。對上清液中干物質烘干后的質量和沉淀物烘干后的質量分別進行稱量[13]。并按公式(1)和式(2)計算溶解度和膨脹度。

(1)

(2)

式中:m，樣品質量，g；m1,溶解樣品重量，g；m2，膨脹樣品質量，g。

1.3.2 快速黏度測定儀(RVA)測定糊化特性

參照GB/T 24853—2010的方法。準確量取25 mL水，加入(3.00±0.1)g混合原料粉，用旋轉漿攪拌均勻，然后放入快速黏度儀中測定。最初10 s內旋轉速度為960 r/min，保持160 r/min至結束，50 ℃開始升溫，3.75 min內加熱至95 ℃，并保溫2.5 min，3.85 min內冷卻至50 ℃，并保溫1.4 min[14]。

在規定的測試條件下，試樣的水懸浮物在加熱和內源性淀粉酶的協同作用下逐漸糊化，這種變化由快速黏度分析儀連續監測。根據所獲得的黏度變化曲線，即可確定其糊化溫度、峰值黏度、峰值溫度、最低黏度、最終黏度并計算其崩解值和回生值等特征數據。

1.3.3 碘藍值的測定

根據王肇慈的方法進行修改[15]。準確稱量1 g混合原料粉倒置入離心管內，加入25 mL水，在80 ℃下熱水浴20 min。取出冷卻至室溫，設置離心轉速為6 000 r/min，時間為5 min。離心后取樣品的上清液1 mL，加入0.1 mol/L鹽酸和0.2 g/100mL碘試劑各0.5 mL，定容至10 mL，靜置15 min后，于620 nm波長下測吸光值。

2 結果與分析

2.1 模型及回歸方程的建立

表3 混料設計實驗安排及結果Table 3 Arrangement and results of mixture design

選用分析模型Cubic和Special Quartic回歸方程分析法分析，可得預測方程，如表4所示。根據 Design Expert建議，溶解度和膨脹度選用特殊四次分析模型，崩解值和碘藍值采用立方分析模型。

表4 響應值的預測模型Table 4 Predictive models in terms of actual components for the response values

表5 溶解度方差分析Table 5 Analysis of variance for the fitted regression model of solubility

注：*：差異顯著，p<0.05； **：差異極顯著，p<0.01。

從表8可知，以碘藍值為響應值，模型p=0.000 1<0.010 0，說明該立方模型極其顯著，雪粳稻、玉米粉和燕麥米具有極顯著的交互作用。失擬項p=0.145 7>

表6 膨脹度方差分析Table 6 Analysis of variance for the fitted regressionmodel of swelling power

注：*：差異顯著，p<0.05； **：差異極顯著，p<0.01。

2.2 原料粉不同配比對理化性質的影響

在最優混料設計中，各因素的變化對指標的影響可以在等高線圖及3D效應面圖譜表示，在實驗中，雪粳稻、玉米粉和燕麥米3者的交互作用下，對整個原料粉體系的溶解度、膨脹度、崩解值和碘藍值等理化指標產生的作用可以通過分析得出。而在本次實驗設計中，將不依賴于感官分析，而是通過分析理化指標的變化，反應產品的食用品質和加工性能。

表7 崩解值方差分析Table 7 Analysis of variance for the fitted regression model of breakdown value

注：**：差異極顯著，p<0.01。

表8 碘藍值方差分析Table 8 Analysis of variance for the fitted regression model of iodine blue value

注：*：差異顯著，p<0.05； **：差異極顯著，p<0.01。

圖1描述了3種原料粉不同配比對溶解度的影響作用，響應圖為曲面，說明雪粳稻、玉米粉和燕麥米三者之間具有交互作用。結合等高線圖及3D效應面圖譜可以發現，3種原料對于溶解度都具有顯著的影響，其中在玉米粉添加的一定范圍內，具有更高的溶解度。淀粉溶解度與淀粉粒的大小、形態和直鏈支鏈比例有關，淀粉的顆粒越大，結構越疏松，直鏈淀粉含量越高溶解度越大[16-17]。燕麥米淀粉顆粒較小，形態差異大，平均粒徑在1～5 μm，玉米和大米淀粉粒形態單一，粒徑分別為10～50 μm和1～10 μm[18-19]。玉米淀粉粒徑最大，溶解度也相應的更高，其對混合原料粉整體溶解度的貢獻也最大，這與實驗結果一致，溶解度與玉米添加量呈正相關，當玉米添加量取最大時，溶解度達到頂點。

圖1 3種配料配比對溶解度影響的等高線圖及3D效應面圖譜
Fig.1 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on solubility

圖2描述了3種原料粉不同配比對膨脹度的影響作用，響應圖為曲面，說明雪粳稻、玉米粉和燕麥米三者之間具有交互作用。膨脹度受顆粒內部化學鍵交聯程度、直鏈淀粉含量、顆粒形態大小和非碳水化合物等多方面因素的影響。從3D效應面圖可以看出，在玉米粉添加的一定范圍內，具有更高的膨脹度，這是由于玉米淀粉具有更大的粒徑[16-17]。同時LI在研究大麥淀粉的顆粒形態、成分和淀粉結構時，發現淀粉的膨脹度與直鏈淀粉含量呈負相關[20]。而雪粳稻的添加量超過65%以后，隨著添加量的增加，膨脹度整體呈下降趨勢，這一實驗結果可能是因為直鏈淀粉含量的增加而導致的，這一猜測需要通過對原料的淀粉理化性質做進一步研究進行驗證。

圖2 3種配料配比對膨脹度影響的等高線圖及3D效應面圖譜
Fig.2 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on swelling power

圖3描述了3種原料粉不同配比對崩解值的影響作用，響應圖為曲面，說明雪粳稻、玉米粉和燕麥米三者之間具有交互作用。從3D效應圖可以看出，在雪粳稻添加的一定范圍內，具有更高的崩解值。燕麥米的添加量與崩解值呈顯著性負相關，這與顧軍強[21]對42個燕麥品種糊化特性研究結果相符，而胡培松[22]的研究表明崩解值與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關，但卻對直鏈淀粉的含量卻沒有完全的決定作用，這也解釋了燕麥米添加量對膨脹度影響不顯著。燕麥米含量超過15%后，隨添加量的增加，混合原料粉崩解值急劇下降，這會對熟化成型后產品的食味值造成較大的負面影響，因此優化后的配方燕麥米的含量不宜超過15%。在燕麥米處于低水平含量的情況下，玉米粉的添加量對整個混合原料粉體系崩解值的影響呈先增加后減小趨勢，這與預實驗中玉米粉-雪粳稻二元混合粉的趨勢相同。

圖3 3種配料配比對崩解值影響的等高線圖及3D效應面圖譜
Fig.3 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on breakdown value

圖4描述了3種原料粉不同配比對碘藍值的影響作用，響應面響應曲面圖為曲面，說明雪粳稻、玉米粉和燕麥米三者之間具有交互作用。從3D效應圖可以看出，碘藍值隨玉米粉添加量的增加而上升，即玉米粉的添加量與指標之間是顯著正相關的。直鏈淀粉是由葡萄糖殘基組成的雙螺旋結構，與碘反應生成藍色絡合物，吸光值較高；支鏈淀粉存在較多外鏈分支，與碘絡合呈紫紅色，吸光值較低，因此直鏈淀粉含量與碘藍值呈正相關。而和大米淀粉相比，玉米的直鏈淀粉含量相對較高[24]。在燕麥米添加的一定范圍內，碘藍值是隨燕麥米的添加量增加而減小的，而添加量接近20%時卻有部分實驗點出現了碘藍值上升的情況。這可能是由于碘藍值是表示溶解在米湯中的直鏈淀粉濃度的，與淀粉的溶解度有一定的關系。燕麥米淀粉顆粒小[18-19]，溶解度較低，而隨著燕麥米添加量接近20%，溶出的直鏈淀粉含量增加，所以出現了碘藍值上升。玉米淀粉直鏈含量高，同時淀粉顆粒大，溶解度相對較大，因此對碘藍值具有顯著的影響。

圖4 3種配料配比對崩解值影響的等高線圖及3D效應面圖譜
Fig.4 3D response surface figures and contour plots showing the effects of different proportions of northeast rice flour, corn flour and oat flour on iodine blue value

2.3 配方的優化及驗證實驗

溶解度和膨脹度是淀粉鏈在淀粉無定形區和結晶區結合強弱程度的表征，在一定程度上反應了淀粉顆粒內部相互結合能力和持水力，對淀粉類制品的性質有很大影響[25-26]。鄒鐵對粉絲加工工藝進行研究時發現，在實際生產中溶解度過高會使制成的粉絲容易糊湯，蒸煮損失也較大，膨脹度過低會導致粉絲容易出現斷條的現象[27]，因此淀粉的溶解度和膨脹度在食品加工中具有重要的意義。而在實驗中過程中發現溶解度過低，會導致湯體分層，膨脹度的變化范圍相對其測定值的大小并不顯著，且影響不明顯。

RVA特征值特別是崩解值和峰值黏度與直鏈淀粉含量、膠稠度有顯著相關性，也可以定量分析大米的食味品質，同時也有研究表明食味較好的大米也具有較高的崩解值[22-23]，這一結論也與預實驗結果一致。碘藍值與大米食用品質具有顯著相關性的指標，普遍被認為可以用以衡量大米食用品質[28]，大米食用品質的劣變，包括淀粉結構的變化，反應到理化性質則是碘藍值的下降。

綜上所述，期望溶解度、崩解值和碘藍值在水平范圍內同時達到最大，膨脹度影響并不顯著，因此設定膨脹度的水平在范圍以內。運用軟件多目標同時優化，得到2個組合配方，即：66.4%雪粳稻、23.4%玉米粉和10.2%燕麥米(配方1)；66%雪粳稻、24%玉米粉和10%燕麥米(配方2)，如表10所示。分析優化結果可知，期望值越接近1綜合評價越好，但兩組配方期望值相同，且各響應值之間無顯著性差異。考慮到之后實驗和生產，在此實驗結果下選擇選擇更易于實驗和生產的實驗點(0.66,0.24,0.10)。

得到優化配方后進行驗證實驗，對配方1和配方2進行驗證實驗，結果見表11。配方1和配方2中膨脹度指標與預測值差異顯著(p<0.05)，但膨脹度指標只要求在水平范圍內，并未對其提出要求進行優化，且其他指標與預測值差異不顯著(p>0.05)。說明得到的目標配方和預測值可靠，與實驗值一致。

表9 方便粥粉響應值最優點的參數、預測值和期望值 Table 9 Optimal instant porridge powder formulationswith predicted Response values for solubility, swellingpower, breakdown value and iodine blue value andoverall expected values

表10 優化配方驗證實驗的響應值Table 10 Actual Response values for solubility, swellingpower, breakdown value and iodine blue value of optimalrice blends formulations

3 結論

配方中不同的雪粳稻、玉米粉和燕麥米比例對混合原料粉的崩解值具有一定的交互作用，在雪粳稻的一定添加范圍內，具有較高的崩解值；不同的雪粳稻、玉米粉和燕麥米比例對混合原料粉的溶解度、膨脹度和碘藍值具有一定的交互作用，而且總的趨勢是玉米粉添加比例越大，各指標值越高。

有別于通過主觀的感官評價，本實驗通過客觀的理化指標，對方便粥粉的配方進行優化。通過回歸方程和多目標優化分析，得到組合配方為66%雪粳稻、24%玉米粉和10%燕麥米，經驗證，優化的配方溶解度、膨脹度、崩解值和碘藍值分別為5.28%、86.16%、770 cp和0.627，各指標與預測值相符，達到了通過理化指標優化配方的目的，優化后的配方具有良好的食用品質和加工特性。