高粱無糖餅干的配方與工藝優化研究

郭 睿，段 冰，楊 玲，郭旭凱，邵 強，柳青山

（山西農業大學高粱研究所，山西 晉中 030600）

高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是世界上第五大種植面積和產量的經濟作物，在我國又稱烏禾、蜀黍，是傳統的雜糧作物[1]。高粱籽粒中含有非淀粉多糖、原花青素、單寧、酚酸和植物固醇等多種生物活性成分，這些成分在保健食品開發方面具有潛在的應用價值[2-3]，但高粱食味性較差[4]。

當前，高粱在市場上主要以原糧形式流通、銷售[2]。涉及高粱的加工產業除釀酒、釀醋外，有不少學者開發了各式各樣的高粱食品，如：田海娟等[5]開發出含10%高粱粉的面包；鄒秀容等[6-7]開發了高粱方便米飯；徐雪娣等[8]對高粱粉、小麥粉與山藥漿的配方進行調整與改進，開發了低血糖生成指數的饅頭；孔峰等[9]以汽爆高粱全粉為原料開發了不溶性膳食纖維和單寧含量低，抗性淀粉、總多酚和總黃酮含量高的饅頭；李文釗等[10]采用雙螺桿擠壓膨化機對高粱粉進行糊化預處理后，將等比例的普通高粱粉與小麥粉混合開發出高粱粉饅頭；王軍等[11]將高粱超微粉碎并開發出高粱粉饅頭；朱俊玲等[12]采用二次發酵工藝研究了高粱饅頭的生產工藝。這些高粱產品的研發，使得高粱的適口性得到改善，然而對于高粱功能食品的開發還缺乏具有現代生活氣息、適宜大眾化的方便高粱食品。

餅干是人們主要的零食及輔食，目前以高粱作為原材料的餅干類產品較少。針對糖尿病人等一些需要少食多餐的特定人群來說，無糖型輔食尤為重要。以高粱為原料開發的無糖餅干目前鮮有報道。本文研發一種無糖高粱全粉餅干，通過單因素和響應面優化試驗，確定其配方及生產工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

高粱全粉：晉雜22 號高粱，產于山西省農科院高粱研究所試驗田，用小鋼磨點動打粉2 min 后過60目篩；高筋小麥粉：五得利面粉集團有限公司；牛奶，內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司；雞蛋、泡打粉、植物油、食鹽均為市售；抗性淀粉試劑盒，Megazyme公司。

1.1.2 儀器與設備

SCVE-5C-P 熱風爐：珠海三麥機械有限公司；AL204 電子天平：瑞士梅特勒-托利多集團；UV3300紫外-可見分光光度計：上海美譜達公司；HHS 電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實業公司。

1.2 方法

1.2.1 高粱無糖餅干基本配方

餅干主料為高粱全粉與小麥粉的混合粉，高粱全粉與小麥粉按一定比例（質量比）混合，雞蛋牛奶按1∶1 預先混勻作為蛋奶液，蛋奶液與純凈水之和的添加量控制在60%（相對主料）；以植物油為油脂，其他輔料參考Hooda 等[13]和張月[14]的配方略有修改，膨松劑（碳酸氫鈉30%：焦磷酸二氫二鈉40%）為主料的2%，食鹽為主料的0.8%。

1.2.2 餅干制作工藝流程

1.2.3 高粱無糖餅干配方與工藝優化試驗

1.2.3.1 高粱餅干配方單因素試驗

在前期預試驗的基礎上，以感官評分為指標，分別探討高粱全粉占主料比例，植物油添加量、混合蛋奶添加量對無糖高粱餅干感官品質的影響。加工工藝參數為：烘烤時間16 min，烘烤溫度150 ℃。單因素試驗設計如表1 所示。

表1 高粱無糖餅干配方單因素試驗設計Table 1 Single factor test design for sugar-free sorghum biscuit formula 單位：%

1.2.3.2 高粱無糖餅干配方響應面優化試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以感官評分為指標，采用BBD 優化高粱無糖餅干配方，得出最優配方組合。響應面試驗因素與水平見表2。

表2 高粱無糖餅干配方BBD 響應面試驗因素與水平Table 2 BBD response surface test factors and levels for sugar-free sorghum biscuit formula

1.2.3.3 高粱無糖餅干加工工藝單因素試驗

以最優配方為原料進行高粱無糖餅干關鍵加工工藝優化，以烘焙感官評分為指標，探討烘烤時間、烘烤溫度對餅干品質的影響，單因素試驗設計如表3 所示。

表3 高粱無糖餅干加工工藝單因素試驗設計Table 3 Single factor test design for sugar-free sorghum biscuit processing technique

1.2.3.4 高粱無糖餅干加工工藝響應面優化試驗設計

以烘焙感官評分為指標，以單因素試驗的最優結果作為CCD 響應面試驗的中心點，設計兩因素五水平CCD 響應面試驗（α=1.414），得出最佳加工工藝。響應面試驗因素與水平見表4。

表4 高粱無糖餅干加工工藝CCD 響應面試驗因素與水平Table 4 Factors and levels of CCD response surface test for sugar-free sorghum biscuit processing technique

1.2.4 高粱無糖餅干感官評價

參考GB/T 20980—2007[15]與李夢琴等[16]評價方法，結合高粱無糖餅干的特色制定感官評分標準（表5）。鑒評時由10 名經過培訓的工作人員組成評定小組，每鑒評一個樣品用淡茶水漱口，兩次鑒評間隔10 min 以上，確保鑒評客觀。

表5 高粱無糖餅干感官評分細則Table 5 Sugar-free sorghum biscuit sensory scoring criteria

1.2.5 高粱無糖餅干抗性淀粉含量的測定

參考Mccleary 等[17]方法檢測抗性淀粉含量。抗性淀粉是一種不升高血糖的膳食纖維[18]。晉雜22 號高粱中抗性淀粉含量達40.46%，經95 ℃預糊化60 min 后抗性淀粉含量達8.39%，屬高抗性淀粉含量作物。崔紅梅等[19]研究發現，油脂可以適當降低餅干產品中糖類的吸收，可視為增加產品中抗性淀粉的含量，降低餅干的血糖生成指數（GI）值。因此，餅干中抗性淀粉的含量可作為評定產品營養品質的指標。

1.2.6 數據處理

數據處理采用OriginLab 2019b 軟件，高粱無糖餅干配方使用Design-expert 10.0 軟件中的Boxbehnken Design（BBD）模型[20]進行優化，加工工藝采用Design-expert 10.0 軟件中的Central Composite Design（CCD）模型[21]進行優化。

2 結果與分析

2.1 餅干配方單因素試驗結果分析

2.1.1 高粱全粉比例對餅干感官評分的影響

固定植物油添加量為主料質量的14%，混合蛋奶添加量為主料質量的55%，主料分別控制高粱全粉占主原料的比例為20%、30%、40%、50%、60%，考察高粱全粉添加量對餅干感官品質的影響（見圖1）。

由圖1 可知，高粱全粉的比例對高粱無糖餅干的感官品質有顯著影響。隨著高粱全粉在主料中占比的提高，感官評分呈現先升高后降低的變化趨勢。當高粱全粉占比40%時，所制作的高粱無糖餅干感官評分最高。當高粱全粉占比大于40%時，高粱無糖餅干口感粗糙，粘合性變差，表面裂紋較多，表面色澤較深，基本無餅干金黃色，感官評分比較低。高粱全粉50%時，評分均值為69.8；當高粱全粉占比為60%時，餅干質地松軟，無法有效成型，此時，評分均值僅為64.4。當高粱全粉比例低于40%時，由于小麥面筋比例高，餅干口感僵硬，高粱香味不突出，故而評分不高。當高粱全粉占比為30%時，餅干評分均值為80.2；當高粱全粉占比為20%時，餅干評分均值為72.7。據此，高粱全粉占比應在40%左右。

2.1.2 植物油用量對高粱無糖餅干感官評分的影響

固定高粱全粉占比為40%，混合蛋奶添加量為55%，設置植物油添加量為主料質量的8%、11%、14%、17%、20%，考察植物油添加量對高粱無糖餅干感官品質的影響（圖2）。

加入油脂有利于面團起發，同時使面團有良好的延展性。如果油脂加入量過大，餅干較軟，容易在外力的作用下變形[22]。從圖2 可以看出，隨著植物油添加量的增加，餅干松軟度、適口性上升，感官評價隨之增加，當植物油添加量達到14%時，餅干感官評價最高，為84.3 分。繼續增加植物油，餅干成型困難，且出現油哼味，降低了餅干感官評分。因此，植物油脂添加量應在14%左右。

2.1.3 混合蛋奶添加量對高粱無糖餅干感官評分的影響

固定高粱全粉占比為40%，植物油添加量為14%，設置混合蛋奶添加量為主料質量的45%、50%、55%、60%、65%，考察混合蛋奶添加量對高粱無糖餅干感官的影響（圖3）。

雞蛋賦予面團黃色，在烘焙中可以用來控制食品外表色澤，且蛋黃中含有天然的乳化劑，使面團光滑有利于質地柔軟，增大體積，打蛋過程中也可以形成微小氣泡，在烘烤中有利于面糊膨脹。另外，蛋白質在烘焙過程中會受熱凝結，使食品更加有嚼勁，富有韌性。牛奶主要賦予餅干獨特的奶香味，并在和面過程中充當部分水分的作用。當混合蛋奶量添加不足（45%）時，餅干香氣不突出，韌勁不夠，餅干較松散（感官評分65 分）。增加混合蛋奶添加量，餅干感官評分有所上升，添加量為55%時最高，為87.1 分。隨著混合蛋奶繼續增加，面團體系中的水分增加，影響了餅干的成型，感官評分沒有隨之上升。因此，混合蛋奶添加量應在55%左右。

2.2 餅干配方BBD 響應面試驗結果分析

BBD 響應面試驗結果見表 6。其中 5、6、8、10、16號試驗為中心零點試驗，隨機重復5 次，以估計試驗誤差，其他試驗為析因試驗。由圖4 可知，模型殘差的正態概率分布基本沿直線分布，殘差與模型方程預測值的對應關系分布分散且無規律，表明模型擬合良好。模型方差分析見表7，模型的決定系數R2=0.962 2，說明3 因素對感官評分影響中96.22%的試驗數據變異可用此模型解釋。回歸方程模型的P值為0.000 4＜0.01，表明該試驗模型所選用的二次多項式具有高度顯著性。A、B、C三項因素對模型均影響極顯著（P＜0.01），A與B交互對模型影響不顯著（P=0.054 8），A與C交互對模型影響極顯著（P＜0.01），B與C交互對模型影響顯著（P＜0.05）。失擬項P值為0.134 2＞0.05，方程對試驗擬合程度良好，可以用此模型對餅干配方的感官進行分析和預測。

表6 餅干配方BBD 響應面試驗設計與響應值Table 6 BBD response surface test design and response value for biscuit formula

表7 餅干配方BBD 響應面模型方差分析Table 7 Variance analysis of BBD response surface model for biscuit formula

根據試驗相應值進行因變量與自變量的多元線性回歸和二項式方程擬合，得到餅干感官評價值Y的預測值對自變量的二次多項式回歸方程：Y=86.76+2.23A+1.76B+2.49C-1.63AB-2.48AC-2.05BC-4.53A2-3.16B2-3.15C2。由二項式A、B、C各因素系數的絕對值可知，對餅干影響主次順序為：混合蛋奶添加量（C）＞高粱全粉占比（A）＞植物油添加量（B）。

從圖5 中可以看出，A、B、C三個因素兩兩交互作用都存在餅干感官評價的極值，相比較而言，A與C交互對餅干感官評分影響最為顯著。由軟件計算得到高粱全粉無糖餅干的最佳配方為高粱全粉占比為41.39%，植物油添加量為14.447%，混合蛋奶添加量為56.456%，由此配方制得的餅干感官評分最高，為87.408 分。結合實際應用，確定餅干配方為：主料中高粱全粉占比41%，小麥粉占比59%；輔料添加量：植物油14%，混合蛋奶添加量57%。

2.3 餅干加工工藝單因素試驗結果分析

在餅干的烘焙過程中，烘焙時間與烘焙溫度是與餅干品質最為密切的兩個因素，烘焙溫度與時間影響著產品的感官品質[23]。

2.3.1 烘焙溫度對餅干感官品質的影響

固定烘焙時間為15 min，烘焙溫度為140、145、150、155、160 ℃，探討溫度對高粱無糖餅干的品質影響，結果見圖6。

由圖6 可知，烘焙溫度對高粱無糖餅干感官品質有顯著影響。隨著烘焙溫度升高，感官評分先緩慢升高后逐漸降低，在150 ℃時感官品質最優。此時餅干稱黃棕色，色澤均勻，口感松脆，香味純正，無過度鼓泡、焦煳味。烘焙溫度低于150 ℃時，餅干略有生味，表面色澤較淺，香味略淡；烘焙溫度高于150 ℃時，餅干出現焦煳味，內層泛白明顯，口感干脆，香氣變差。因此，烘焙溫度應在150 ℃左右。

2.3.2 烘焙時間對餅干感官品質的影響

固定烘焙溫度為 150 ℃，烘焙時間為 12、14、16、18、20 min，探討烘焙時間對高粱無糖餅干的品質影響，結果見圖7。

由圖7 可知，烘焙時間對餅干品質有顯著影響。隨烘焙時間的增加，餅干感官評分呈現先增加后降低的趨勢，并在烘焙時間為16 min 時感官質量評分相對最高。此時餅干色澤均勻一致、表面有光澤、呈紅棕色、口感松脆、香味純正。烘焙時間低于16 min 時，餅干色澤暗淡、芯部泛白，口感粗糙；烘焙時間高于16 min時，因碳化作用明顯，餅干色澤呈黑黃色，有焦煳現象，有異味。因此，烘焙時間應在16 min 左右。

2.4 餅干加工工藝CCD 響應面試驗結果與分析

根據單因素試驗結果，以烘焙溫度150 ℃、烘焙時間16 min 為響應面中心點，每個因素設置-α、-1、0、1、α 五個水平，設計 CCD 響應面試驗，結果見表 8。其中 4、8、9、10 號試驗為中心零點試驗，重復 4 次估計試驗誤差，其他為析因試驗。由圖8 可知，模型殘差的正態概率分布基本沿直線分布，殘差與模型方程預測值的對應關系分布分散且無規律。以上兩點表明模型擬合良好。根據試驗相應值進行因變量與自變量的多元線性回歸和二項式方程擬合，得到餅干感官評價值Y的預測值對自變量的二次多項式回歸方程：Y=89.2+1.08A+0.99B+2.10AB-5.08A2-2.69B2。由表 9可知，回歸方程模型的P值為0.000 1＜0.01，表明該試驗模型所選用的二次多項式具有高度顯著性。A項（烘焙時間）對模型影響顯著（P＜0.05），B項（烘焙溫度）對模型影響不顯著（P＞0.05），A與B交互對模型影響顯著（P=0.010 8＜0.05）。失擬項P值為0.509 82＞0.05，說明方程對試驗擬合程度良好，可以用此模型對餅干烘焙工藝的感官進行分析和預測。模型的決定系數R2=0.959 0，說明兩因素對感官評分影響中95.90%的試驗數據變異可用此模型解釋。由感官評分回歸系數檢驗值F可知，各因素對餅干影響主次順序為：烘焙時間（A）＞烘焙溫度（B）。

表8 餅干烘焙工藝CCD 響應面優化試驗Table 8 Optimization experiment of CCD response surface in biscuit baking process

從圖9 中可以看出，A、B兩個因素交互作用存在餅干感官評價的極值。由軟件計算得到高粱全粉無糖餅干的最佳烘焙工藝為烘焙時間16.3 min，烘焙溫度151.2 ℃，由此工藝制得的餅干感官評分預測值最高，為89.628 分。綜合考慮實際操作，確定餅干烘焙工藝為：烘焙時間16.3 min，烘焙溫度151 ℃。

表9 餅干烘焙工藝CCD 響應面模型方差分析Table 9 Variance analysis of CCD response surface model for biscuit baking process

2.5 高粱無糖餅干配方與加工工藝驗證試驗

響應面優化試驗確定的高粱無糖餅干的最佳配方為：高粱全粉占主料比41%，植物油添加量為主料的14%，混合蛋奶添加量為主料的57%。最佳烘焙工藝為：烘焙時間16 min，烘焙溫度151 ℃。為驗證結果的可靠性，用以上修正后的工藝參數做3 次平行試驗，并用小麥粉為主料，其它用料加量和烘焙工藝與優化值相同做對比試驗，檢測其中抗性淀粉含量對餅干品質的影響（表10）。

表10 高粱餅干與小麥餅干的感官品質和抗性淀粉含量比較Table 10 Comparison of sensory score and resistant starch content of sorghum biscuit and wheat biscuit

由表10 可知，用響應面分析法優化的配方及工藝制作的高粱無糖餅干感官評分較高，與理論預測值89.628 分相近。因此，響應面法對高粱無糖餅干配方與烘焙工藝的優化是可行的，具有實際應用價值。應用此工藝制作的餅干抗性淀粉含量達到14.9%±0.3%，高于純小麥無糖餅干的9.6%±0.7%。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，利用BBD 與CCD 響應面模型優化高粱無糖餅干的配方與烘焙工藝。高粱無糖餅干配方對感官評價的影響依次為：混合蛋奶添加量（C）＞高粱全粉占比（A）＞植物油添加量（B），BBD響應面模型得到高粱無糖餅干的最優配方為：主料中高粱全粉與小麥粉質量比為41∶59；以主料為基準，輔料添加量為：植物油14%，混合蛋奶添加量57，膨松劑2%，食用鹽0.8%。烘焙工藝對感官評價的影響為：烘焙時間（A）＞烘焙溫度（B），CCD 響應面模型得到的最佳烘焙工藝為：烘焙時間16 min，烘焙溫度151 ℃。在此工藝條件下制作的高粱無糖餅干感官評分得到了 90.2±1.1 分，高于純小麥粉的 83.2±1.1 分。抗性淀粉含量為14.9%±0.3%，高于小麥餅干的9.6%±0.7%。高粱無糖餅干的研發為高粱深加工提供了新的思路，且能夠降低生產企業原料成本，具有一定的產業化前景。