D-最優混料設計優化復配淀粉紫薯粉條配方

曾雪丹 張 燦 王章英 蔣光陽 申光輝 吳賀君 陳安均 黎杉珊 張志清

(1.四川農業大學食品學院，四川 雅安 625014；2.廣東省農業科學研究院作物研究所，廣東 廣州 510000)

紫薯(IpomoeabatatasL.Poir)是一種富含維生素(A、B1、B2、C、E)、礦物質(Ca、Mg、K、Zn)和膳食纖維的重要農作物，由于其含有豐富的花青素，相比普通甘薯具有更高的食用價值和營養價值[1-2]。近年來，紫薯精深加工產品類型日益豐富多樣，如發酵紫薯醋、紫薯酒以及傳統薯類加工品等。其中，以淀粉為主要原料的粉條是最主要的利用方式之一，作為中國傳統食品，粉條也需要逐步走向多元化研發。陳兵等[3]將新鮮菠菜榨汁后添加到甘薯淀粉中研制了一種菠菜粉條，產品具有很好的可接受性。趙萌等[4]用高直鏈淀粉含量的綠豆淀粉與紅薯淀粉復配生產粉條，結果表明綠豆淀粉添加量為40%時所得粉條的蒸煮品質與感官品質最佳。邢麗君等[5-6]研究了全粉添加量和制作工藝對粉條質量的影響，結果表明在紫薯全粉添加量為12%時甘薯粉條品質較好。但以上研究主要集中于單一或2種原料的基礎上，原料綜合營養價值不充分，對紫薯原料(淀粉、廢渣)的利用率不高。課題組前期研究[7]，將富含花青素的紫薯汁液用于紫薯飲料開發或提取花青素；同時，利用過濾后獲得的紫薯渣及紫薯汁液中提取的紫薯淀粉作為紫薯粉條原料，與其它淀粉復配加工形成新型復配淀粉紫薯粉條。由于紫薯渣和紫薯淀粉中富含不溶性膳食纖維，其粉條口感和蒸煮特性均不理想，亟待對配方和工藝進行優化。

本研究擬采用被廣泛應用于材料、食品、精油、飼料等各類產品[8-9]配方優化中使用的混料設計試驗，以紫薯渣粉、紫薯淀粉復配紅薯淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉為原料，以質構特性、蒸煮特性、感官特性綜合評分為判定指標，通過相關性分析篩選出能表征粉條質量的綜合指標，探討優化新型復配紫薯粉條的復配淀粉配方，旨在進一步提高紫薯原料的利用率，為多淀粉復配紫薯粉條生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

紫薯渣粉、紫薯淀粉：從新鮮紫薯中提取(課題組自制)；

紫薯：購于四川省雅安市雨城區；

紅薯淀粉：泗水利豐食品有限公司；

木薯淀粉：老撾高盛有限公司；

馬鈴薯淀粉：寧夏雪冠淀粉有限公司；

乙醇、檸檬酸(一水)、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、酒石酸鉀鈉：分析純，成都市科龍化工試劑廠；

石油醚(沸程為60～90 ℃)：分析純，成都金山化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

色差儀：NR10QC型，三恩馳科技有限公司；

物性分析儀：TA.XT Pluse 型，超技儀器公司；

掃描電鏡：Ultra型，卡爾·蔡司股份公司；

九陽榨汁機：JYL-C16T型，九陽股份有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101型，北京市永光明醫療儀器有限公司；

凱氏定氮儀：B324型，雷磁—上海儀電科學儀器股份有限公司；

漏粉機：YL90L1-4型，上海意洋機電有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紫薯粉條加工工藝

混合原料粉→調漿→打芡→和面→漏粉→冷卻→自然晾干

按照試驗設計比例稱取原料，并加入0.1%的食鹽，混勻。將原料混勻取15%混合原料，加入一定體積的水調漿打芡，與剩余面粉混勻進行和面，在沸水中漏粉。漏粉后預煮、冷卻，再自然晾干。

1.2.2 紫薯粉條原料配比試驗設計 根據對淀粉凝膠特性的探究及預試驗經驗所得，在Design expert 8.0 軟件中，每個試驗組5種原料粉(紫薯淀粉、紅薯淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、紫薯渣粉)占比總和為1，詳見表1，以粉條的質構特性、蒸煮特性、感官特性綜合評分為指標進行混料設計。

1.2.3 原料淀粉相關指標的測定

(1)水分：根據GB 5009.3—2016標準中的恒重法測定。

(2)灰分：根據GB 5009.4—2016標準中的馬弗爐法測定。

(3)粗蛋白含量：根據GB 5009.5—2016標準中的標準凱氏定氮法測定。

表1 D-混料最優設計試驗設計Table 1 The mixture design of optimal on raw material proportions

(4)粗脂肪含量：根據GB 5009.6—2016標準中的索氏抽提法測定。

(5)淀粉凝膠強度：利用質構儀測定[10]。質構儀參數：探頭為 P/0.5；測定速度 0.5 mm/s；下壓距離 8.0 mm。

1.2.4 紫薯粉條感官評定 評定方法參照GB/T 23587—2009和趙萌等[4]的評定標準稍有改動。經浸泡蒸煮后的紫薯粉條由食品專業學生組成的12人品嘗小組，并參照表2 粉條感官評定表進行評分。

表2 紫薯粉條感官評分表Table 2 Sensory evaluation reference of starch vermicelli

1.2.5 紫薯粉條質構測定 將浸泡后的粉條在沸水中煮10 min進行質構測定。

(1)拉伸強度的測定：參照和趙萌等[5]方法并做如下修改。用游標卡尺測量并計算粉條橫截面積。測試參數：探頭ASPR；感應力10 g；拉伸距離50.0 mm；測試前、中、后的速度分別是2.0，1.0，2.0 mm/s。拉伸強度按式(1)計算：

P1=F1÷S，

(1)

式中：

P1——拉伸強度，g/mm2；

F1——最大拉力，g；

S——粉條的橫截面積,mm2。

(2)TPA模式測定及剪切參數的測定：測試參數：探頭 A/LKB-F；感應力20 g；測試應變90%；測試速度1.7 mm/s，測試前后速度2.0 mm/s。測定并記錄TPA數據(黏性、彈性、凝結力、膠黏性、咀嚼性、回復力)及剪切應力按式(2)計算：

P2=F2÷S，

(2)

式中：

P2——剪切應力，g/mm2；

F2——最大剪切應力，g；

S——粉條的橫截面積,mm2。

1.2.6 紫薯粉條蒸煮測定

(1)斷條率的測定：取20根浸泡后的粉條置于500 mL 沸水中煮制20 min，挑出并數清斷條的根數，按式(3)計算熟粉條斷條率。

D=N÷20×100%，

(3)

式中：

D——斷條率，%；

N——斷條根數。

(2)蒸煮損失的測定：稱取1 g左右干基粉條，記重為α。將預泡后的粉條放入100 mL沸騰的蒸餾水中煮10 min。將粉條放于坩堝中，測定其重量；將粉條放入105 ℃烘箱烘干至衡重，測定其重量;再將干粉條取出稱量。膨脹系數及蒸煮損失[11]分別按式(4)、(5)進行計算：

E=(W1-W2)÷W3×100%，

(4)

L=(α-W3)÷α×100%，

(5)

式中：

E——膨脹系數，%；

L——蒸煮損失，%；

α——原干粉條重量，g；

W1——煮后粉條與坩堝的總質量，g；

W2——恒重后粉條與坩堝的總質量，g；

W3——恒重后粉條的重量，g。

1.2.7 紫薯粉條色澤測定 使用色差儀測定浸泡后的紫薯粉條色澤。結果以亮度值(L*)、紅綠值(a*)、黃藍值(b*)表示，比較不同試驗組制作粉條之間的色澤差異[12]。

1.2.8 紫薯粉條微觀結構掃描電鏡觀察 使用掃描電鏡(ESEM)觀察粉條微觀結構[5]，分別制備浸泡后的紫薯粉條、浸泡后并煮制10 min粉條及煮制20 min后的粉條作為測試樣品。

1.2.9 數據處理 采用Design-Expert 8.0.6 對試驗進行設計，采用SPSS 23 統計軟件中的Duncan法進行方差分析和相關性分析；若無特殊說明，所有數據都是3次測試所取的平均值。

2 結果與分析

2.1 紫薯粉條原料的測定與分析

紫薯渣粉和紫薯淀粉的水分、蛋白質、脂肪、灰分的測定結果分別為：6.788%、4.120%、0.857 g/100 g、0.956 g/100 g；10.033%、0.939%、0.755 g/100 g、0.224 g/100 g。粉條是一種以淀粉為主要原料制成的產品，淀粉中的蛋白質、脂肪等元素也能影響粉條的營養價值[13]，紫薯渣粉豐富的膳食纖維能增強紫薯粉條的營養價值。

使用單一的紫薯淀粉與紫薯渣粉制作的紫薯粉條易斷條、質地較差。本研究結合其它薯類淀粉復配得到紫薯粉條新配方，優化了紫薯粉條的品質。結果表明，紅薯淀粉的凝膠強度最大，為(257.57±2.91)g，木薯淀粉[(215.72±3.20)g]與紫薯淀粉[(143.97±3.06)g]次之，馬鈴薯淀粉[(84.73±4.27)g]最小。淀粉凝膠的形成是由于淀粉顆粒在糊化冷卻過程中會通過氫鍵交聯聚合，形成三維網絡凝膠結構[14]，而且淀粉凝膠強度與粉條的品質存在顯著關系[15]，因此根據不同淀粉凝膠強度的高低初步確定添加量范圍：紅薯淀粉添加量大于木薯淀粉，馬鈴薯淀粉添加量最小，紫薯淀粉和紫薯渣粉作為紫薯風味的原料粉，在保證粉條質量的條件下盡可能多的添加。

2.2 紫薯粉條綜合品質評分

對優化設計試驗中25組配方加工制成的紫薯粉條的質構特性、蒸煮特性、感官特性進行測定，并做綜合評分。

紫薯粉條質構特性采用主成分分析法進行綜合評分，將25組試驗組的8項質構指標(拉伸強度、剪切應力、黏性、彈性、凝結力、膠黏性、咀嚼性、回復力)在SPSS軟件中做主成分方差分析，分析結果如表3所示，根據累積貢獻率>85%的原則，選取前4個主成分。將25組試驗組各成分得分(F1、F2、F3、F4)在質構綜合得分公式T1=F1×0.509 65+F2×0.182 92+F3×0.123 12+F4×0.094 02 中計算得T1，如表4所示。T1值越大表明粉條的質構指標越好，該復合配方越適合生產紫薯粉條。王永強等[16]在鮮濕米粉的質構分析中同樣采用了主成分分析法，最終提取5個主成分，相比而言本研究更加精煉地提取了主成分。

紫薯粉條蒸煮特性綜合評分，為消除指標間值域范圍不同對客觀評分的影響，先使用SPSS標準化將蒸煮特性指標(斷條率、膨脹度、蒸煮損失)通過描述標準化得到斷條率標準值Z1、膨脹度標準值Z2、蒸煮損失標準值Z3。由于粉條斷條率和蒸煮損失與粉條品質呈負相關，膨脹度與粉條質量呈正相關，因此按照T2=-Z1+Z2-Z3計算蒸煮特性的綜合評分，結果見表4。當斷條率和蒸煮損失值越小及膨脹度越大時，T2值越大，紫薯粉條的蒸煮特性也就越好，越適合用于生產優質的紫薯粉條。

感官特性得分由12位食品專業人員品嘗打分匯總求其平均分所得，感官得分如表4所示。感官總評分為綜合評分T3。其中，外形(G1)、氣味(G2)、組織狀態(G3)、口感(G4)的感官評分項能夠代表不同的感官質量，總分T3能代表總體感官質量。

2.3 原料配方模型的建立

借助Design-Expert 8.0分別以質構特性綜合品質(T1)、蒸煮特性綜合品質(T2)和感官特性綜合品質(T3)作為表1中25組配方試驗的響應值，以紫薯淀粉(A)、紅薯淀粉(B)、木薯淀粉(C)、馬鈴薯淀粉(D)、紫薯渣粉(E)原料的添加量為自變量，進行回歸擬合，擬建立 3 個綜合品質的回歸模型。但響應值蒸煮特性的綜合品質(T2)未能構建合適模型(模型不顯著)；而鮮濕米粉[16]的蒸煮特性最終能構建合適的模型，可能是挑選的蒸煮特性測定指標不同造成的。又將質構特性綜合品質、蒸煮特性綜合品質、感官特性綜合品質及色澤中的各測定指標做了相關性分析，最終結果如表5所示。

通過測定指標的相關性分析，蒸煮特性指標與感官特性綜合品質和質構特性綜合品質均表現出相關性，粉條各指標間很多交互之處。因此，在評價粉條總體品質時可簡化測定指標，就本研究的紫薯粉條而言，其蒸煮特性的相關指標能夠從質構特性綜合品質、感官特性綜合品質中體現。25組試驗配方粉條斷條率為0.00%～0.15%，蒸煮損失為4.66%～6.92%，膨脹率為198.8%～317.3%，參考前人[17-18]研究的粉條蒸煮特性，顯示其粉條的蒸煮特性均為良好。綜上所述，質構特性綜合品質和感官特性綜合品質這2個響應值能較全面地代表粉條的質量。

最終選取質構特性綜合品質(T1)、感官特性綜合品質(T3)為響應值建立回歸模型并得到最優配方。對質構特性綜合品質(T1)進行方差分析和多項回歸擬合，擬合所得二次多項式回歸方程：

表3 相關矩陣特征值、方差貢獻率及成分系數Table 3 The eigenvalues and cumulative percentage of correlation matrix

表4 質構、蒸煮及感官綜合得分表?Table 4 Comprehensive value of textural,cooking and sensory properties

?F1、F2、F3、F4分別為質構綜合指標主成分分析提取出的4個主成分得分，T1為質構特性綜合品質綜合得分；Z1、Z2、Z3分別為斷條率、膨脹度、蒸煮損失的標準值，T2為蒸煮特性的綜合評分；G1、G2、G3、G4分別為感官評分中的外形、氣味、組織狀態、口感，T3為感官綜合評分。

T1=21.276 71A+61.805 81B-115.628 30C+511.011 34D+182.330 35E-71.140 28AB+108.831 23AC-662.189 34AD-254.144 07AE+109.787 04BC-865.897 92BD-368.809 42BE-51.620 22CD-159.922 48CE-744.462 23DE。

(6)

對感官特性綜合品質(T3)進行方差分析和多項回歸擬合，擬合所得二次多項式回歸方程:

T3=445.675 96A+319.274 98B+424.375 29C-4 652.108 96D+227.533 10E-994.398 96AB-1 764.519 82AC+6 105.813 24AD-1 137.220 24AE-485.528 47BC+4 095.239 09BD-410.762 59BE+5 013.617 28CD+198.577 55CE+5 559.488 27DE。

(7)

表6中對方程(6)進行方差分析表明，F=8.33，P<0.001，說明此模型極顯著；失擬項F=1.52，P=0.328 5，失擬不顯著;確定系數R2=0.921 1。其中交互項BD、BE在提高粉條質構特性上產生了極顯著作用，紅薯淀粉(B)和馬鈴薯淀粉(D)的交互作用可整體增強紫薯粉條的質構特性，而紅薯淀粉(B)和紫薯渣粉(E)的交互作用可能需要均衡用量來提高紫薯粉條的質量。對方程(7)進行方差分析表明，F=5.43，P=0.005 3，說明此模型極顯著；失擬項F值為0.96，P值為0.518 6，失擬不顯著;確定系數R2=0.883 8。其中AC、DE之間的交互作用在提高粉條感官特性上產生了極顯著的作用，紫薯淀粉(A)和木薯淀粉(C)都屬于黏性較好的淀粉，在保證紫薯粉條的品質的情況下，紫薯淀粉添加量的增加有助于提高粉條的感官品質。同理，紫薯渣粉(E)不利于紫薯粉條的成形，但有助于提高紫薯粉條的感官品質，在能確保粉條成形的條件下提高紫薯渣的添加量有助于提高紫薯粉條的感官品質。

綜上，質構特性和感官特性2項綜合指標，模型擬合程度較好，可以用此模型較好地反映紫薯粉條的質構綜合品質與原料比例的關系。

2.4 紫薯粉條混料配方的優化與驗證

在 Design-Expert 8.0中，用最優混料設定各組分的變化范圍，且設定質構綜合品質、感官綜合品質目標值為最大值[16]。運行軟件給出最優組合為紫薯淀粉35.0%、紅薯淀粉15.0%、木薯淀粉18.5%、馬鈴薯淀粉9.5%、紫薯渣粉22.0%，綜合評分預測值質構綜合品質T1=1.24、感官綜合品質T3=83.2，最終驗證試驗所得試測值(T1=1.25±0.26，T3=82.71±1.78)與預測值相近。

表5 指標的相關性分析?Table 5 Correlation analysis of indicators

? ** 表示P<0.01水平上相關性顯著；* 表示P<0.05水平上相關性顯著。

表6 質構特性和感官特性回歸模型及因素的方差分析?Table 6 Variance analysis of textural and sensory properties regress model and factor

? ** 表示P<0.01水平上相關性顯著；* 表示P<0.05水平上相關性顯著。

2.5 最優配方紫薯粉條的微觀表征

對優化后的紫薯粉條進行微觀表征，樣品分別為75 ℃ 浸泡20 min、沸水煮制10 min和沸水煮制20 min的粉條。由圖1可知，浸泡后的粉條通過蒸煮，其孔徑變大，粘連部分表面變得光滑緊致。其孔徑變大的原因，可能是蒸煮過程中隨著吸水粉條膨脹度也隨之增加。在蒸煮過程中，隨著蒸煮時間延長糊化程度增加，所以粘連部分表面變得光滑緊致，這也與煮20 min的粉條更有彈性和韌性相符。但從圖1中可看出，粉條截面孔徑較多并較大，可對優化后的配方進行工藝改良，從而提高粉條質量。

圖1 不同樣品的SEM圖Figure 1 The SEM photos of different samples

3 結論

以紫薯渣粉、紫薯淀粉、紅薯淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉為紫薯粉條的基本原料，利用不同原料粉性質不同和彼此間的交互作用，其產品口感爽滑、具有紫薯特有色澤。用Design-Expert 8.0軟件設計的25組試驗組，并測定其色澤指標、蒸煮指標、感官指標、質構指標，利用主成分分析法、無量綱標準法對各指標進行綜合評分。得到質構特性綜合品質(T1)、蒸煮特性綜合品質(T2)和感官特性綜合品質(T3)為響應值，在Design-Expert 8.0軟件中進行線性回歸擬合并建立模型。根據指標的相關性分析和模型擬合情況最終選定T1和T3作為混料設計優化響應值。最終優化得到的配方的添加量為：紫薯淀粉35.0%、紅薯淀粉15.0%、木薯淀粉18.5%、馬鈴薯淀粉9.5%、紫薯渣粉22.0%。最終驗證實驗得到的結果與預測值相符，說明混料設計模型較為準確。此研究開拓了紫薯粉條的研究思路，豐富了紫薯加工產品的種類。在此混料配方的基礎上，粉條的工藝有待進一步研究。