Plackett-Burman設計及響應面法優化速凍糕團配方工藝

盧蕓，周瑩，董雪萌，黃寧寧，戴陽軍*

1. 揚州大學旅游烹飪學院（揚州 225127）；2. 常熟理工學院生物與食品工程學院（常熟 215500）

糕團是中國傳統點心的代表之一，歷史頗為悠久，消費市場廣闊。糕團通常以糯米粉為主料，配以多種果仁、果干等輔料，香甜可口，廣受消費者喜愛。糕團精美的造型寓意吉祥，是逢年過節的饋贈佳品。隨著食品工業化進程的加快，速凍糕團因具有長期儲存、運輸方便的優點，趨于成為糕團銷售的主要途徑。然而糯米制品隨著儲存時間的增長和溫度的下降，淀粉易出現老化現象，持水性逐漸下降，感官品質下降[1]。在糕團冷凍和解凍過程中，易發生固液分離，使糯米淀粉的凝膠結構發生變化，造成面團開裂和煮制后糊湯、塌陷等問題。因此，對于速凍糕團制品的優化一直是近年來研究的熱點。

王娟等[2]研究發現，乳酸能對糯米粉的結構和性質產生一定程度的改變，在對淀粉抗老化方面具有顯著作用。采用乳酸改性工藝浸泡糯米后制成水磨糯米粉，可有效減緩糯米淀粉老化進程。王小英等[3]研究發現，利用熟芡法，即取部分糯米粉團制熟后與剩余粉料揉搓均勻，制得的糕團面團緊密不易破裂。

在產品制作過程中通過添加改良劑，可優化速凍糕團的儲藏和食用的品質特征。研究表明添加小分子糖能保持和提高淀粉凝膠的性質[4]。蔗糖的添加可提高淀粉凝膠的凍融穩定性，且糖的濃度對糯米粉凝膠品質的影響更為顯著[5]。海藻糖對淀粉具有良好的保水作用，能有效延緩糯米淀粉的老化回生進程，提高淀粉的凍融穩定性[6]。海藻糖的甜度為蔗糖的45%，在與原料調和后，其淡爽的甜度可突出原料的風味。添加一定量的乳化劑可阻止直鏈淀粉的結晶，抑制直鏈淀粉的老化[7]。淀粉酶同樣可以縮短直鏈淀粉及支鏈淀粉直線分支的長度，減少其重結晶趨勢，對粉團起到一定抗老作用[8-9]。大豆多糖可提高淀粉分子的親水能力，干擾直鏈淀粉分子自身的聚合，從而改善產品的組織結構，增強產品的特有風味，同時賦予產品良好的營養功能特性[10-11]。變性淀粉具有較高的冷凍穩定性和凍融穩定性，非常適于冷凍食品中應用[12]。目前大多數糕團類產品仍停留在小作坊制作階段。試驗通過探討不同工藝配方參數對速凍糕團品質的影響，優化糕團制品的凍融穩定性，以達到較好控制糕團制品老化進程的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

糯米、乳酸粉、碳酸氫鈉、海藻糖、單甘油脂肪酸酯、可溶性大豆多糖、木薯變性淀粉、糖漿、紅豆沙、水等（食品級，市售）。

1.1.2 試驗設備

FE 20-K精密pH計（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；Blixer 3法國Robot Coupe食品粉碎機（上海金淳酒店設備有限公司）；三足式離心機（張家港凱迪機械有限公司）；101-2電熱鼓風干燥箱（上海市實驗儀器總廠）；AWH-30-SA電子天平（上海儀田精密儀器有限公司）；ATY 224分析天平（上海英展機電企業有限公司）；C 21-SK 210多功能電磁爐（廣東美的生活電器制造有限公司）；SDX-全自動風冷速凍箱（天津市特斯達食品機械科技有限公司）；Y1-05 B-L 2風冷臺式冰箱（上海躍納實業有限公司）；HV-20 KZC 100 C電磁蒸爐（山東省博興縣海為廚具廠）；SF-400多功能薄膜連續封口機（蘇州肖卡特自動化設備有限公司）；HH-11-1 數顯恒溫水浴鍋（上海助藍儀器科技有限公司）；TA-XT Plus質構儀（英國Stable Micro System公司）；自封袋、80目粉篩、蒸籠等（市售）。

1.2 制作工藝

1.2.1 基礎配方

經預試驗，確定速凍糕團的基礎配方（以糯米粉質量計）為：4%海藻糖、0.4%單甘油脂肪酸酯、1%可溶性大豆多糖、6%木薯變性淀粉、8%糖漿、0.015%α-淀粉酶、50%水。

1.2.2 工藝流程

糯米→清洗→浸泡→中和→脫水→干燥→打粉→過篩→稱料→調制→分團→蒸制→包餡→搓圓→包裝→速凍

1.2.3 操作要點

清洗：糯米用清水沖凈，去除原料中灰塵、雜質。

浸泡：糯米使用0.45%濃度乳酸液體浸泡5 h后清水洗凈，浸泡時料液比1∶3（g/mL），浸泡后用清水沖凈。

中和：使用碳酸氫鈉浸泡15 min進行中和，調節至pH 7.0左右，浸泡時料液比1∶2（g/mL），浸泡結束后用清水洗凈。

干燥：使用三足式離心機，以3 000 r/min轉速脫水至無水滴出，使用電熱鼓風干燥箱50 ℃下干燥至水分12%左右。

打粉、過篩：使用食品粉碎機進行粉碎后用80目篩過篩。

稱料、調制、分團、蒸制：采用熟芡法，稱量原料并揉勻，取部分分團入蒸鍋蒸制15 min后取出，同生粉揉合均勻。

包餡、搓圓、包裝：取45 g粉團包入10 g豆沙餡，搓圓后進行塑封包裝。

速凍：放入-33 ℃速凍箱中冷凍2 h，使糕團中心溫度降至-18 ℃。放入-18 ℃冰箱中進行冷藏。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉凝膠制備

準確稱取樣品6.00 g，加入60 mL蒸餾水，配成10 g/100 mL[13]的淀粉乳，在95 ℃水浴中加熱糊化，再冷卻。將樣品倒入特制的容器中（直徑4 cm×高2 cm），測試時凝膠樣品用細線分成均等的4份[14]。

1.3.2 凍融循環處理

將樣品加蓋置于-33 ℃冰箱中凍結2 h使中心溫度迅速降低，移至-18 ℃冰箱中進行冷凍存儲12 h后取出，室溫下解凍1 h，此為1個凍融處理[15]。1 h后再次將樣品放入-18 ℃冰箱中冷凍12 h后進行第2次試驗。

1.3.3 凝膠強度分析

隨著形變的增加，探頭所受的力隨之增加，形變達到一定程度時，出現一個最大力（即屈服力），這個最大的力定義為樣品的硬度，即破壞速凍糕團凝膠所需的力，形變與破壞力即硬度的乘積定義為凝膠強度[16]。采用TA.XT plus質構儀測定凝膠樣品凍融4次后硬度的變化。測試參數：P50探頭；測試前速度2 mm/s；測試后速度1 mm/s；測試速度1 mm/s；測定間隔時間5 s；壓縮距離8 mm。

1.3.4 速凍糕團感官評分

感官評分在食品感評室內完成。評定小組由10名食品專業經驗豐富成員組成，男女各5人，對色、香、味有較強的分辨力和較高的靈敏度[17]。品評時評價員單獨評價，相互之間無接觸和交流，每份樣品在評價前用清水漱口。由感官評定人員討論：對從4次凍融循環后的糕團外觀、氣味、色澤、風味4個方面進行感官評定，以各項總分的平均值作為產品評價指標的結果。感官評分標準見表1。

表1 感官評定表

1.3.5 Plackett-Burman試驗設計

Plackett-Burnan設計是一種有效的兩水平試驗設計方法，可利用較少的試驗次數，從眾多考察因素中快速篩選出最為重要的影響因素，為進一步研究奠定良好基礎[18]。

通過前期單因素試驗，選取影響速凍糕團的凍融穩定性的7項因素，并確定各因素水平。此試驗結果的基礎之上，利用Plackett-Burman試驗設計法，對熟粉團添加量（A）、海藻糖添加量（B）、單甘油脂肪酸酯添加量（C）、木薯變性淀粉添加量（D）、糖漿添加量（E）、可溶性大豆多糖添加量（F）和α-淀粉酶添加量（G）這7個因素進行篩選試驗。每個因素取高（+1）和低（-1）2個水平，以速凍糕團的綜合感官評價為主，凝膠強度為輔作為響應值，共進行12組試驗，Plackett-Burman試驗設計的自變量、編碼水平及因素見表2。

表2 Plackett-Buman試驗設計的因素水平

1.3.6 最陡爬坡試驗

根據Plackett-Buman試驗的結果設計爬坡方向和步長，對篩選得出的顯著因子進行合理設計，按一定梯度改變顯著因子，測定速凍糕團的感官評分和凝膠強度，并將以此結果進行后續響應面試驗，從而確定速凍糕團的最佳工藝配方[19]。

1.3.7 響應面試驗設計

單因素試驗只能考察各因素在某一范圍內的優勢，無法比較未選定水平的信息，響應面分析法是一種用于在多因素系統中尋找最佳測試條件的統計方法，常用的是Box-Behnken設計[20]。通過響應面試驗能以較少的試驗次數在指定的整個區域獲得試驗因素和響應目標之間的明確函數表達式，從而獲得設計變量的最優組合和響應目標的最優值，并研究幾種因素之間的交互作用[21]。在Plackett-Burman試驗設計基礎上，利用響應面法優化速凍糕團凍融穩定性工藝參數，采用Box-Behnken法建立三因素三水平的數學模型。

1.4 數據處理

采用SPSS 16.0對數據進行統計學分析，用Minitab 16進行Plackett-Burman試驗設計，采用軟件Design-Expert 8.0進行制圖和數據分析，所有試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗

Plackett-Burman試驗設計結果見表3，方差分析結果見表4。從方差分析表中可看出，試驗模型的p值均小于0.05，說明回歸方程關系顯著，Plackett-Burman試驗設計因素在各自水平范圍內對速凍糕團的影響顯著，模型的調整確定系數分別為凝膠強度R2adj=85.65%，感官評分R2adj=93.54%，說明兩方程能解釋85.65%和93.54%的響應值變化，擬合程度較好，試驗設計可靠[22-23]。以感官指標為主，凝膠強度為輔，對因素進行篩選，得到木薯變性淀粉添加量，糖漿添加量，α-淀粉酶添加量為影響速凍糕團的最主要因素，3因素對速凍糕團凝膠品質均有較大的改善作用。以這3個因素為研究對象，做最陡爬坡試驗。對結果無顯著影響的因素，根據因素的正負效應并結合單因素試驗結果，確定添加量為熟粉團15%、海藻糖4%、單甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%。

表3 Plackett-Burman試驗設計及響應值

表4 Plackett-Buman試驗設計的方差分析

2.2 最陡爬坡試驗

根據Plackett-Buman試驗結果，最陡爬坡試驗設計及結果如表5所示。隨著木薯變性淀粉添加量、糖漿添加量、α-淀粉酶添加量的變化，感官評分呈先增加后減小趨勢，凝膠強度處在合理范圍內。木薯變性淀粉添加量8%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%時，感官評價最高，凝膠強度合理，說明此時比較接近最佳響應區域。因此以木薯變性淀粉添加量8%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%作為試驗的中心點，進行Box-Behnken試驗。

表5 最陡爬坡試驗設計及結果

2.3 Box-Behnken試驗

2.3.1 Box-Behnken試驗設計

通過Box-Behnken法對木薯變性淀粉添加量（A）、糖漿添加量（B）、α-淀粉酶添加量（C）3個因素進行分析，響應值以感官評分為主，凝膠強度為輔，得到試驗方案見表6，試驗結果見表7，方差分析見表8。

經多元回歸分析后，可以得出各因素與因變量之間的多元回歸方程：凝膠強度=626.18+46.99A+0.64B-15.40C-1.30AB-17.83AC-36.41BC+6.13A2+41.30B2+41.90C2；感官評分=91.16+1.79A-0.030B+1.95C+0.40AB+2.16AC-0.58BC-5.40A2-6.66B2-3.36C2。

從表8可以看出，模型p值顯著（p＜0.01），而失擬項不顯著（p＞0.05），說明擬合程度良好，方程可以很好地描述各因素和凝膠強度、感官評分的關系，調整確定系數凝膠強度R2adj=0.923 0，感官評分R2adj=0.917 0，說明該模型分別可以解釋響應面中92.30%和91.70%的可變性，方程預測值與真實值間的相關性很高，可以用該方程確定最佳速凍糕團工藝。

表6 Box-Behnken試驗因素與水平

表7 Box-Behnken試驗設計及響應值

表8 Box-Behnken試驗方差分析

2.3.2 交互作用分析

響應面可直觀反應各因素與響應值之間的關系，等高線排列的密集程度可反映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2個因素的交互作用的影響越大[24]。為確定木薯變性淀粉添加量、糖漿添加量、α-淀粉酶添加量的交互作用對冷凍糕團感官評分和凝膠強度的影響，通過Design Expert 8.0.6軟件對響應面試驗結果進行分析，得到各因素交互作用對感官評分和凝膠強度影響的等高線和響應曲面圖（見圖1）。

圖1 因素交互作用對產品品質的響應圖

從速凍糕團的凝膠強度來看，圖1（c）中響應面坡度最陡峭，等高線最為密集且成橢圓形，說明糖漿添加量和α-淀粉酶添加量對凝膠強度的交互作用最為顯著。凝膠強度隨著糖漿添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈現出先增大后減小的趨勢，與表8結果一致。謝新華等[25]研究顯示，糖漿添加量較多時，凝膠強度將會出現下降趨勢，與試驗結果一致。

從感官評分來看，圖1（e）中響應面坡度最陡峭，等高線最為密集且成橢圓形，說明木薯變性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量對感官評分的交互作用較顯著。感官評分隨著木薯變性淀粉添加量和α-淀粉酶添加量的增加呈現出先增大后減小的趨勢。研究表明隨著變性淀粉增多，糕團的凍融穩定性增強，但會因口感過硬而感官品質下降[26]，與表8結果一致。

2.3.3 最佳工藝確定及驗證試驗

確定最佳工藝為：木薯變性淀粉添加量8.48%、糖漿添加量7.98%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此條件下，回歸模型預測的速凍糕團感官評分可達91.73分，凝膠強度為636.37 g。為驗證試驗結果的真實性和可靠性，結合實際生產需要，優化最佳工藝配方為：熟粉團15%、海藻糖4%、單甘油脂肪酸酯0.4%、可溶性大豆多糖0.6%、木薯變性淀粉添加量8.5%、糖漿添加量8%、α-淀粉酶添加量0.01%。在此條件下進行3次平行驗證試驗，測得感官評分為89.17分，與理論值91.73分相對誤差為2.79%，凝膠強度為609.23 g，與理論值636.37 g相對誤差為4.26%，試驗所得模型與實際情況擬合程度良好，采用Box-Behnken法得到的優化工藝可行性強，結果可靠[27]。可采用此模型對速凍糕團工藝進行實際應用。

3 結論

運用Plackett-Burman試驗和最陡爬坡試驗，結合Box-Behnken響應面試驗對速凍糕團工藝配方參數進行分析優化，致力于開發具有良好凍融穩定性和軟糯口感的速凍糕團，增加糯米糕團抵御劣變能力，為糯米制品的工業化發展提供依據。