響應面-主成分分析法優化馬鈴薯餅干配方

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(寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

馬鈴薯屬茄科,一年生草本植物,在我國已有多年的種植歷史,現已成為新世紀最具有發展潛力的作物之一。馬鈴薯不僅含有礦物質、蛋白質、碳水化合物、無機鹽等營養成分,也含有禾谷類作物沒有的抗壞血酸以及胡蘿卜素,具有強身益氣、緩急止痛、和胃健脾等保健功效[1-5],可預防高膽固醇、慢性胃炎等疾病[6],這些優點使其在食品中的用途更加廣泛。我國馬鈴薯產量高,但在深加工方面遠不及其他發達國家。一方面,我國馬鈴薯以鮮食為主,種類單一,缺乏適合我國居民飲食習慣的主食產品。另一方面,馬鈴薯全粉中不含有面筋蛋白,因而不具有面團特有的粘彈性,導致加工性能較差。2015年,農業部啟動馬鈴薯主糧化發展戰略[7],以期達到馬鈴薯由副食消費轉向主食消費、原料產品轉向產業化成品、溫飽消費轉向健康消費的目的,使其逐漸成為即玉米、小麥、稻米外的又一大主糧。國家對馬鈴薯的生產、加工都及其重視,目前,已有學者對馬鈴薯面條[8]、米粉、面包[9]等進行研究。

餅干口感酥脆,外觀精巧,是一種方便大眾的休閑食品[10],深受廣大消費者喜愛,但是餅干中糖和油脂含量較高,熱量較大,這限制了其在食品領域的銷售。因此,對高營養、低熱量餅干的工藝配方進行改良,是合乎當今食品消費領域的重要舉措。隨著消費者生活水平及健康理念的提高,人們對日常飲食也提出了更高的營養和健康要求。為此,本文在傳統餅干配方基礎上,用黃油代替動物油脂,以餅干成品的感官綜合評分和硬度、咀嚼性、脆性等質構特性為評價指標,在單因素試驗基礎上,利用響應面法和主成分分析法對其工藝參數進行優化,進而為馬鈴薯餅干的開發提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯全粉 寧夏法福來食品股份有限公司;低筋面粉 濰坊風箏面粉有限責任公司;白砂糖、小蘇打、鹽、雞蛋輔料 市售。

ACS-30電子秤 武義縣金宇恒器有限公司;SQP電子天平 多利斯科學儀器北京有限公司;HM315打蛋器 青島漢尚電器有限公司;TA-XT plus質構分析儀 英國Stable Micro Systems有限公司;HO-405電烘箱 青島漢尚電器有限公司;MUMX25TLCN多功能食物料理機 斯洛文尼亞公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料配方 原料配比(馬鈴薯全粉+低筋面粉=100 g),黃油45 g,白砂糖30 g,雞蛋20 g,全脂奶粉10 g,碳酸氫鈉0.5 g,食鹽1.0 g,水適量。

1.2.2 馬鈴薯餅干的制作 原料→乳化→面團調制→靜置→成型→焙烤→冷卻→成品[11]

原料預處理:低筋面粉和馬鈴薯粉分別過60目篩備用。乳化:將黃油放在室溫下軟化,用打蛋器打發,再按比例加入白砂糖打發并加入全蛋液,全蛋液分三次加入,當顏色打發至發白時停止打發。面團調制:先將其他輔料均勻混合后再與低筋面粉混合,倒入多功能廚師機進行快速攪拌調粉,在面團調制時,調制溫度控制在22～26 ℃,先慢后快,減少面團捏合時間,將面團調制的具有一定的塑性及韌性且不粘手可停止調制。靜置:將面團調制結束后置于常溫下醒發15 min。焙烤:將輥扎成型的餅干放入烘箱,上火溫度為180 ℃,下火溫度為150 ℃,共烤制15 min。

1.2.3 單因素實驗 參照預實驗,選取對品質影響較大的3個因素,即馬鈴薯全粉和低筋面粉的質量比、白砂糖添加量、黃油添加量為主要因素,研究各個因素對馬鈴薯餅干的質構特性和感官品質的影響。以低筋面粉與馬鈴薯全粉的含量為100%計,其他輔料添加量按與低筋面粉與馬鈴薯全粉的百分比進行計算。通過預實驗確定的單因素實驗基本條件為:低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比為7∶3、黃油的相對含量45%,白砂糖的相對含量25%,其他輔料的相對含量為全脂奶粉5%、雞蛋10%、碳酸氫鈉0.25%、食鹽0.5%。各因素梯度分別為低筋面粉與馬鈴薯的質量比:9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5;黃油的相對含量:15%、25%、35%、45%、55%;白砂糖的相對含量:5%、15%、25%、35%、45%。

1.2.4 響應面試驗設計 以單因素試驗為基礎,選取低筋面粉和馬鈴薯粉的質量比、黃油、白砂糖為自變量,感官綜合評分作為響應值,根據Box-Benhnken中心組合原理設計三因素三水平的試驗,確定馬鈴薯餅干的最佳工藝配方,如表1所示。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.5 馬鈴薯餅干的感官評價標準 將制成的馬鈴薯餅干按照是否含有雜質、組織狀態、滋味與口感和色澤為感官指標進行評分。選取10名通過專業培訓的食品專業學生組成感官評價小組,對馬鈴薯餅干進行評價與分析,每組樣品測3次,結果取其平均值[12],感官評定標準[13]見表2。

表2 感官評定標準Table 2 Standard of comprehensive quality grading of biscuits

1.2.6 質構測定 由質構分析儀對樣品的硬度、韌性、咀嚼性、脆度[14-16]進行測定,以評價餅干的品質。測定條件:選擇TP(texture profile analysis)測試程序,選用P/2探頭,測前速率1.0 mm/s,測中速率1.0 mm/s,測后速率1.0 mm/s,形變量為60%,測試應變位移為3 mm,觸發力5 g,每塊餅干取三個點測試,剔除最大值和最小值,結果求平均值。

1.3 主成分提取與數據處理

對馬鈴薯餅干的各個指標進行了主成分分析,得到原始數據的特征值、累計貢獻率及貢獻率,將大于1的特征值因子進行主成分提取。馬鈴薯餅干的綜合評分[17]按以下公式計算,并將得到的綜合評分進行規范化處理,得到規范化綜合[18]得分。

F=(F1Y1+F2Y2+F3Y3)/C

Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

式中,F為綜合評分,F1、F2、F3為餅干的主成分1、2、3的得分,Y1、Y2、Y3為主成分的特征值,C為累積特征值,Z為規范化綜合得分,Fmax為綜合評分中最大值,Fmin為綜合評分中最小值。

響應面實驗設計以及結果分析使用Design-Expert 8.6 軟件進行處理,采用SPSS 17.0軟件對主成分[19-21]進行因子分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 低筋面粉和馬鈴薯全粉質量比對馬鈴薯餅干品質的影響 由表3知,隨著馬鈴薯全粉添加量的增加,感官評分呈現先增加后下降的趨勢;當低筋面粉和馬鈴薯全粉的質量比為7∶3時,餅干外形完整,香氣濃郁,感官評分最高,達到86分。隨著低筋面粉和馬鈴薯全粉的質量比增加,餅干制作中面團變軟,不易成型,導致成品餅干外形欠佳。當低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比為7∶3時,餅干的韌性和脆度最高,分別為713.06 g/s和1785.00 mm。餅干的硬度呈先降低后升高的趨勢,而其韌性和脆度呈先升高后下降的趨勢。其原因可解釋為:馬鈴薯全粉添加到低筋面粉中稀釋了面筋,削弱了面團的強度,使馬鈴薯餅干產生酥脆感。當馬鈴薯全粉添加超過一定量時,會降低面粉蛋白與油脂的結合力,進而促進水化作用,使餅干硬度增加。因此,適宜的馬鈴薯全粉與低筋面粉質量比為7∶3。

表3 馬鈴薯添加量對餅干質構特性和感官的影響Table 3 Effect of potato flour addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.2 黃油添加量對馬鈴薯餅干品質的影響 由表4可知,當黃油的添加量為45%時,馬鈴薯餅干感官評分最好,為88分。隨著黃油添加量的增多,餅干的硬度逐漸降低,餅干的韌性先升高后降低。黃油的添加量會影響餅干的品質,因為油脂分布在淀粉微粒和面筋蛋白周圍,會形成一層薄的油膜,限制面團的吸水從而控制面筋的脹潤性,油膜的隔離使面筋微粒相互粘合形成面筋網絡,從而降低了餅干的抗裂能力,使面團粘性差,不容易成型。當黃油添加量較少時,會使成品變形嚴重,表面無光澤,口感差。面筋形成多,減少內部應力的產生,使餅干的抗裂能力增加,不易使其破碎。當黃油添加量過多時,面團的粘性較差,在整形時餅干表面會有少許裂紋,烘烤后口感粗糙。因此,適宜的黃油添加量為45%。

表4 黃油添加量對餅干質構特性和感官的影響Table 4 Effect of butter addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.3 白砂糖添加量對馬鈴薯餅干品質的影響 白砂糖的添加量對馬鈴薯餅干品質的影響如表5所示。由表5可知,隨著白砂糖添加量的增加,除脆度以外,硬度和韌性均逐漸上升。這是因為糖可以降低面團的吸水能力,延長面團的形成時間,適量的糖也可增加面團的延伸度、拉伸能力。當白砂糖添加較多時,糖的反水化作用會過量限制面筋的發展,使成品的口感過硬,無疏松的口感。當白砂糖的添加量較少時,糖的反水化作用不明顯。在餅干的制作中,要有足夠量的糖。一是為了使餅干的甜度適當,二是因為糖的焦糖化作用與美拉德反應,使餅干表面呈現黃色至金黃色,從而使餅干的色澤更加誘人。綜合感官評分,最終得出白砂糖的添加量為25%。

表5 白砂糖添加量對餅干質構特性和感官的影響Table 5 Effect of white granulated suger addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.2 響應面試驗結果

在單因素實驗結果的基礎上,根據Box-Benhnken中心組合實驗原理,以感官評價的綜合評分為響應值(Y),選取A(低筋面粉與馬鈴薯全粉質量比)、B(黃油添加量)、C(白砂糖添加量)為試驗因素,進行響應面試驗設計,共17個試驗點,響應面試驗設計及結果見表6。

表6 響應面試驗設計及結果Table 6 Box-Benhnken experimential design and results

2.3 馬鈴薯餅干的主成分分析

采用SPSS 17.0對馬鈴薯餅干品質的各個指標進行主成分分析。根據大于85%的累計貢獻率原則,提取的2個主成分累計貢獻率為86.28%,解釋為提取的2個主成分的全部指標為86.28%的信息,可以較全面反映馬鈴薯餅干的品質信息。由餅干指標特征向量絕對值的大小看出,決定第1主成分的主要指標是感官評分、咀嚼性;決定第2主成分的主要指標是硬度、韌性、脆度。

表7 馬鈴薯餅干品質中主成分的貢獻率及特征值Table 7 Characteristic values and contribution rates of principal components in quality of potato biscuit

為消除變量自身數值大小的影響,對綜合評分進行規范化處理后得到規范化評分,再以該評分作為響應面的響應值進行響應面分析,其結果如表8所示。

表8 主成分得分值與規范化綜合評分Table 8 Principal component scores and standardized score

2.4 規范化綜合評分的響應面分析

2.4.1 響應面優化實驗 利用Box-Behnken 8.0.6軟件對表6的實驗數據進行多元回歸擬合,得到的回歸模型方程:

Y=0.83+0.059A-0.057B-0.013C+0.043AB-0.03AC+0.08BC-0.17A2-0.35B2-0.12C2

方程回歸分析及方差分析結果見表9。在所選取的因素水平范圍內,F值代表著各因素對馬鈴薯餅干綜合品質影響的強度,F值越大,則表明影響作用越強。從表9可以看出,對馬鈴薯餅干建立的規范化綜合評分回歸模型p<0.01,極顯著，失擬項p=0.5000>0.05,說明失擬項不顯著,表明該方程可用,R2=0.9553,說明模型實際擬合效果較好,自變量與響應值之間的線性關系顯著,可以用此方程確定馬鈴薯餅干的最佳配方。表9中A、B、C的p<0.01,達到極顯著的影響水平,交互項AB的p<0.05,AC、BC的p<0.01,二次項A2、B2、C2的p<0.01,對響應值都具有極顯著性。在試驗所選取的因素范圍內,按照對產品影響排序:A>B>C。

表9 回歸模型方差分析Table 9 Analysis variance of regression model

響應面能夠直接反應各因素與響應值之間的關系以及各因素間的交互作用,響應面的坡度越陡,等高線密集形成橢圓形則表明兩個因素的交互作用的影響就越大。從圖1可以看出,3個響應面均開口向下呈凸形曲線,表明響應面有極大值,也說明最優配方在所設計的因素范圍之內。低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比與黃油的添加量的響應面坡度較陡峭,其等高線呈橢圓形,表明AB的交互作用變化明顯。低筋面粉與馬鈴薯全粉質量比與白砂糖添加量的響應曲面的坡度比較陡峭,其等高線也呈橢圓形,則表明BC的交互作用極顯著。由低筋面粉與馬鈴薯全粉質量比與黃油添加量的響應曲面的坡度陡峭程度可知,其坡度較明顯,表明兩者的交互作用變化明顯。由圖中的響應面曲面的坡度可知,其坡度較明顯,等高線密集呈橢圓形,則表明AC的交互作用極顯著(p<0.01)。

圖1 各因素間的交互作用Fig.1 Interactions between the reaction factors

2.4.2 驗證試驗 利用Design-Expert 8.6軟件對所得方程進行計算,確定餅干的最佳配方參數:低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比為7∶3，黃油添加量45.49%，白砂糖添加量24.75%。在此條件下,規范化綜合評分為0.7818。根據實際條件,將參數修正后的最佳配方:黃油添加量45%，白砂糖添加量25%，低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比為7∶3,得到的規范化綜合評分為0.7773,與預測的數值基本一致,則表明該模型基本準確,響應面分析法與主成分分析法相結合對馬鈴薯餅干的配方進行優化的方法確實可靠,有實用價值。

3 結論

本研究以低筋面粉和馬鈴薯全粉為主要原料,在單因素實驗的基礎上,通過主成分分析結合響應面法優化馬鈴薯餅干加工工藝,最優參數:低筋面粉與馬鈴薯全粉的質量比為7∶3,黃油添加量45%,白砂糖添加量25%。在此條件下馬鈴薯餅干得到的理論綜合評分為0.7818，與實測值0.7773基本一致。在實驗過程中,對馬鈴薯餅干品質影響最大的是馬鈴薯全粉的添加量,影響較小的是白砂糖的添加量。