響應面優化海綿蛋糕的蒸烤箱烹飪工藝研究

熊明洲 石磊 汪春節 丁濼火 王鐘黎 趙娟紅

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著人們健康意識的日益加強，越來越多的人選擇自己在家動手制作各種健康美食。蒸烤箱是一款集蒸、烤功能于一體的廚房電器，近兩年，電蒸烤箱的市場普及率迅速提升，逐漸成為消費者選購廚電的新寵[1]。蒸烤箱將蒸烤功能合二為一，不僅能烹飪出美食佳肴，還能節省大量空間，使廚房更加整潔，帶給用戶更加優質的烹飪體驗。據中怡康統計，2019年上半年嵌入式一體機零售額為10.0億元，同比增長27.2%，零售量為16.7萬臺，同比增長35.1%。

烤箱在食品加工領域應用廣泛，一般為自然、強制對流電加熱烤箱。蒸汽烤箱由于蒸汽的加入可有效抑制食物水分的散失，保證其口感[2]，其較高的比熱可強化傳熱過程，減少加熱時間，而且幾種典型烤箱的對比研究表明蒸汽輔助烤箱產生的丙烯酰胺濃度最低[3]，具有最高的安全性。因此將蒸汽加熱與先進烤箱技術結合成為一個重要的發展方向[4]。

目前，國內外關于蒸烤箱烹飪過程中的烹飪工藝控制，尤其是蒸汽控制的研究較少。海綿蛋糕作為烘焙食品中的一個主要品種，具有質地口感柔軟、甜度適中、氣味色澤誘人、老少皆宜等特點，備受人們喜愛[5]。本文對海綿蛋糕的制作工藝進行優化，設計單因素實驗，以質構、色澤、感官評分、丙烯酰胺的含量為指標，選出較優的參數。在單因素實驗的基礎上，利用響應面法Box-behnken中心組合設計，以烘烤溫度、烘烤時間、蒸汽使用量三個因素為自變因素，海綿蛋糕的質構、色澤、感官評分和丙烯酰胺為評價指標，對海綿蛋糕的蒸烤工藝進行優化，以期對蒸烤箱的產品開發提供參考。

2 原料與方法

2.1 材料

2.1.1 實驗材料

低筋面粉、細砂糖、雞蛋、牛奶、玉米油、檸檬片：購自格力南沙灣新友誼超市。

2.1.2 實驗儀器

蒸烤箱：某市售蒸烤一體機；質構儀：TMS-Touch質構儀，美國FTC公司；色差儀：CM-600d型，日本美能達儀器有限公司；JA5003N電子天平，上海精密科學儀器有限公司；DDQ-A01G1打蛋器：小熊電器股份有限公司。

2.2 方法

2.2.1 海綿蛋糕制作方法

在無水無油的盆中打入3個雞蛋，加入細砂糖80g，擠入少許檸檬汁除蛋腥，將打蛋盆坐浴在50℃的熱水中，用打蛋器先中速后高速打發蛋液，蛋液打發至提起打蛋器時滴落下的蛋糊不會馬上消失；依次加入玉米油30g，牛奶30g，繼續攪打均勻；加入過篩的低筋面粉，用刮刀輕柔的從底部向上部翻拌至無干粉顆粒；蛋糕糊倒入模具，用力震出氣泡；置于蒸烤箱內第三層烤架進行烘烤[6]，烘烤結束，晾涼后脫模，對其感官、質構、色澤丙烯酰胺進行測定。

2.2.2 單因素實驗

保持蛋糕的制作配方不變，探討蒸烤箱蒸汽量（0%、3%、13%、22%、31%、40%）、烹飪溫度（140℃、155℃、170℃、185℃、200℃）、烹飪時間（15min、25min、35min、45min、55min）3個因素對海綿蛋糕感官品質、質構特性、色度和丙烯酰胺的影響。

2.2.3 響應面實驗

響應面分析法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的實驗設計方法并通過實驗得到一定數據，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優工藝參數，解決多變量問題的一種統計方法。

在單因素實驗研究的基礎上，選取溫度、時間、蒸汽量3個因素為自變量，感官評分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）、丙烯酰胺（B）為響應值，根據Design-Expert Software 8.0.6軟件中的Box-Behnken實驗設計原理，進行3因素三水平共17個實驗點的響應面分析實驗，優化海綿蛋糕的烹飪工藝。實驗因素及水平編碼如表1所示。

2.3 海綿蛋糕品質測定

2.3.1 感官的測定

選取10位對于食品具有專業知識的人員，依據蛋糕的品嘗項目和評分標準對產品進行評分，總分100分，其中色澤20分，外觀形狀20分，內部結構20分，彈韌性20分，氣味和滋味20分，具體評定標準如表2所示[7]。

2.3.2 質構的測定

將蛋糕切成2×2×2cm的正方塊，置于質構儀載物臺上進行測定，測試探頭選擇TMS-50mm型圓柱形壓縮探頭。采用TPA模式，形變量50%，起始力0.2N，測試速度60mm/min。每個樣品做6個平行實驗，取平均值。

2.3.3 色度的測定

L*的測定用手持色差儀，測定前先進行白板校正。

2.3.4 海綿蛋糕丙烯酰胺的測定

參考GB 5009.204-2014第二法。

2.3.5 數據處理

實驗所得數據由SPSS 17.0和Design-Expert 8.0軟件處理。

3 結果與分析

3.1 蒸烤箱單因素實驗結果

3.1.1 蒸汽量對海綿蛋糕品質的影響

由圖1可知，在蒸汽量0%～40%中，海綿蛋糕感官得分先增加后減小，當蒸汽量為22%時，感官評分最高（86.8分），且彈性最大硬度最低，此時的蛋糕內部結構良好，香味純正，有蛋糕特有的風味。與不加蒸汽量相比，海綿蛋糕在烘焙過程中加了蒸汽，硬度顯著降低（置信概率p<0.05），彈性顯著增加（p<0.05），其原因可能是蛋糕表面吸收了水分，從而變得濕潤，蛋糕的水分蒸發形成疏松結構，彈性變大。當蒸汽量超過22%時，蛋糕表面粗糙，感官評分降低，品質逐漸變差。

表1 實驗設計因素水平及編碼

表2 海綿蛋糕感官評分標準

圖1 蒸汽量對海綿蛋糕品質的影響

圖3 溫度對海綿蛋糕品質的影響

圖2 蒸汽量對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

圖4 溫度對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

在富含脂肪的體系中，丙烯酰胺的形成主要通過油脂熱解產生的丙烯醛或丙烯酸與游離氨反應或者是一些羰基化合物與3-氨基丙烯酰胺反應產生[8]。由圖2可知，蛋糕在不加蒸汽的情況下烘焙之后，丙烯酰胺的含量為0.0549mg/kg，隨著蒸汽量的增加，丙烯酰胺的生成量逐漸減少，可能的原因是水蒸氣具有洗脫食物中油脂的作用，因此也降低了食物中丙烯酰胺的含量。綜上所述，選擇蒸汽量為22%。

3.1.2 烹飪溫度對海綿蛋糕品質的影響

由圖3可知，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），彈性逐漸降低，硬度先減小后增大（p<0.05），蛋糕在烘焙過程中糖類發生焦糖化反應生成深色物質，色澤變暗，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的表面開始發生焦糊，亮度逐漸降低。打發好的蛋糕糊置入烤箱，黏稠狀的乳化液會轉變成固相的膠體，蛋糕內部組織形成多孔結構，使蛋糕的彈性逐漸增加，但是隨著時間的延長，蛋糕質地堅韌，彈性逐漸降低，硬度變大。

丙烯酰胺是高碳水化合物食物加熱到120℃以上逐漸發生美拉德反應形成的，由圖4可知，隨著烘焙溫度的增加，海綿蛋糕丙烯酰胺的含量顯著增加（p<0.05），當烘焙溫度控制的較低時，蛋糕中生成的丙烯酰胺的量很少，當溫度升高到一定階段時，蛋糕表面的水分減少，表面溫度越來越高，生成的丙烯酰胺的量也越來越多。因此在一定范圍內，丙烯酰胺的生成量與烘焙溫度成正比。

綜上所述，當蒸烤箱溫度設定為170℃時，蛋糕質地均勻，感官評分最高，因此蒸烤箱溫度設定為170℃。

3.1.3 烹飪時間對海綿蛋糕品質的影響

圖5 時間對海綿蛋糕品質的影響

圖6 時間對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

由圖5可知，感官評分隨著烘焙時間的延長先增加后減小，當烘焙時間為35min時感官評分最高，此時蛋糕的彈性最大、硬度最小。當繼續烘焙時，蛋糕的水分逐漸蒸發，蛋糕的表面開始發生焦糊，蛋糕變干硬，因此硬度顯著增大（p<0.05）。隨著烘焙時間的延長，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），蛋糕表面越來越糊，顏色也越來越難以接受。烘焙時間為35min時蛋糕的色澤適中，口感松軟細膩，不干硬，感官評分最高，因此選擇烘焙時間為35min。

由圖6可知，烘焙時間越長，蛋糕中丙烯酰胺的含量越高；水分含量是影響丙烯酰胺形成的重要因素，烘焙時間越長，水分減少越多，丙烯酰胺生成越多。

3.2 蒸烤箱響應面優化實驗結果

由Box-Behnken設計的實驗方案如表3所示，選擇溫度、時間、蒸汽量為實驗因素，設置感官評分、硬度、彈性、亮度和丙烯酰胺含量為響應值來篩選最佳工藝。17個實驗點分為析因點和零點，1～12號是析因實驗，13～17號是中心實驗。其中析因點為自變量取值在X1、X2、X3所構成的三維頂點；零點為區域的中心點，零點實驗重復5次，用以估計實驗誤差。

利用Design-Expert 8.0統計軟件對表3數據進行多項擬合回歸。研究一個因變量與一個或多個自變量間多項式的回歸分析方法，稱為多項式回歸（Polynomial Regression）。由于任一函數都可以用多項式逼近，因此多項式回歸有著廣泛應用。如果自變量只有一個時，稱為一元多項式回歸；如果自變量有多個時，稱為多元多項式回歸。在一元回歸分析中，如果依變量y與自變量x的關系為非線性的，但是又找不到適當的函數曲線來擬合，則可以采用一元多項式回歸。以感官評分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）和丙烯酰胺（B）為因變量，溫度（X1）、時間（X2）、蒸汽量（X3）為自變量，建立回歸方程如下：

表3 Box-Bchnken實驗設計與結果

表4 回歸方程可信度分析

回歸方程可信度分析如表4所示，其中感官評分、亮度和丙烯酰胺的R2分別為93.23%、83.42%和91.39%。表明超過90%的實驗數據可用該模型進行解釋，說明方程可靠性較高。CV值越低，顯示實驗穩定性越好，本實驗中CV值分別為4.28%、6.70%和13.35%，說明實驗操作可信度較高。綜上說明了該回歸方程為優化海綿蛋糕工藝條件提供了一個良好的模型。

表5 感官評分回歸模型的方差分析

表6 硬度回歸模型的方差分析

表7 彈性回歸模型的方差分析

表8 亮度回歸模型的方差分析

采用Design Expert 8.0程序對實驗結果進行方差分析，分析結果如表5-表9所示。表中的Pr為置信概率，Pr＞F值項表示大于F值的概率，從中可以看出感官評分X2、X32對G值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X1X2、X12對G值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕感官評分的3個因素的主次因素依次為: 時間（X2）＞蒸汽量（X3）＞溫度（X1）；硬度和彈性的模型不顯著；亮度X1、X2、X3對Y值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕亮度的3個因素的主次因素依次為：時間（X2）＞溫度（X1）＞蒸汽量（X3）；丙烯酰胺X1、X3、X2X3、X22對B值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X2對B值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005），影響海綿蛋糕丙烯酰胺含量的3個因素的主次因素依次為：溫度（X1）＞時間（X2）＞蒸汽量（X3）。

溫度和時間、溫度和蒸汽量、時間和蒸汽量分別對感官評分的影響如圖7-圖9所示；對彈性的影響如圖10-圖12所示；對丙烯酰胺的影響如圖13-圖15所示。

應用design expert 8.0中Box-Behnken中Optimization Choises的Numerical Optimization對感官評分（maximize）、亮度（maximize）和丙烯酰胺（minimize）進行最優化設計。得到在同一烹飪條件下，感官評分、亮度和丙烯酰胺最佳的烹飪工藝條件，如表10所示。

烹飪溫度為167.11℃，時間為25min，蒸汽量為16.74%時，海綿蛋糕的烹飪效果達到最好，感官評分的理論值可達83.0638，亮度的理論值可達到51.3438，丙烯酰胺的理論值可達0.0308783mg/kg，其合意性（Desirability）為0.853665。各因素對海綿蛋糕的綜合影響的合意性（Desirability），可見圖16。但考慮到實際情況，將最佳烹飪工藝條件修正為烹飪溫度為167℃，時間為25min，蒸汽量為17%。分別按以上最優條件，重復驗證實驗結果。在此條件下實際測得的海綿蛋糕感官評分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg，與理論預測值相比接近，由此證明實驗模式合理，結果理想。

圖7 溫度和時間對感官評分的影響

圖8 溫度和蒸汽量對感官評分的影響

圖9 時間和蒸汽量對感官評分的影響

圖11 溫度和蒸汽量對彈性的影響

4 結論

圖10 溫度和時間對彈性的影響

圖12 時間和蒸汽量對彈性的影響

本實驗采用蒸烤雙能機對海綿蛋糕的烹飪工藝進行了優化。與傳統烤箱烹飪方法不同，本實驗在烹飪過程中引入了蒸汽因素。采用響應面優化方法，對蒸烤雙能機烹飪溫度、時間和蒸汽量進行了優化，最終優化工藝參數為溫度167℃，時間25min，蒸汽量17%。在此條件下海綿蛋糕的品質感官較好，實際測得的海綿蛋糕感官評分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg。

圖13 溫度和時間對丙烯酰胺的影響

圖14 溫度和蒸汽量對丙烯酰胺的影響

圖15 時間和蒸汽量對丙烯酰胺的影響

圖16 各因素對海綿蛋糕感官評分、亮度和丙烯酰胺的合意性的響應面和等高線

表9 丙烯酰胺回歸模型的方差分析

表10 最優設計推薦方案