響應面法優化小麥新品種百農4199的饅頭加工工藝

王斌，趙吉順，姜小苓，張自陽，王科，劉明久，*

（1.河南科技學院河南省現代生物育種協同創新中心，河南新鄉453003；2.濟源市財源種業有限公司，河南濟源459000）

饅頭是我國的傳統主食，主要有北方饅頭、南方饅頭和廣式饅頭3種類型，其質地、配方和加工方法均不相同[1-2]。其中，北方饅頭在我國膳食結構中占有重要的主導地位，約為北方人民膳食組成的2/3[3-4]。它主要以小麥粉、酵母和水為原料，經發酵和蒸制而成[5-7]。隨著社會發展及生活水平的提高，人們對饅頭的需求量及品質要求越來越高[8]。優質饅頭要求柔軟且有筋力，彈性好且不發黏，內部結構均勻，咀嚼爽口不粘牙，有麥清香味[9-10]。小麥籽粒性狀、蛋白質含量、淀粉含量及其組成、面團品質以及加工工藝等均影響饅頭的最終品質[11-14]。多數研究認為，蛋白質含量和面筋強度中等的面粉制作的饅頭品質最好[12，15]。張劍等[4]也曾分析研究了主食饅頭專用小麥粉的最佳品質指標范圍，認為蛋白質含量13.2%～15.8%、面筋指數51.1%～81.5%、穩定時間4.5min～7.1min的小麥粉適合制作優質饅頭。

百農4199系河南科技學院小麥中心培育的小麥新品種，于2017年通過河南省審定（豫審麥2017003），具有高產、優質、抗病等優點。百農4199屬于中筋小麥（粗蛋白13.5%、濕面筋含量31.0%、面筋指數76.4%、面團穩定時間6.9 min左右），適合制作優質饅頭。檢測發現，該品種制作的饅頭麥香味濃，富含35種香氣物質。因此，為了進一步開發利用該小麥新品種，加快其推廣應用，本研究以百農4199小麥粉為材料，利用響應面法對其饅頭加工工藝進行優化，以期為百農4199及同類小麥品種的生產應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百農4199面粉：濟源市雪苗面粉有限公司；安琪高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

BS223S電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統有限公司；JHMZ-200和面機：北京東孚久恒儀器技術有限公司；FX-15S高級面包發酵箱：廣州市鑫南方電熱設備有限公司；TMS-PRO質構儀：美國FTC公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 饅頭制作方法

稱取面粉100 g，加一定量的酵母和38℃溫水，隨后置于和面機中攪拌和面3 min，在一定的溫度和相對濕度條件下醒發，取出平均分割成兩個饅頭坯，手工揉制成型，室溫（25℃左右）放置15 min，大火氣蒸20 min（冒氣起計時）。

1.2.2 饅頭感官評價方法

蒸好的饅頭冷卻40 min～60 min后，用天平稱重（g），用游標卡尺測量高度（mm），并用菜籽容積置換法測量體積（mL），饅頭比容為體積與質量之比，記錄各組數據，由4～5名有經驗的人員組成品嘗小組，根據GB/T 35991-2018《糧油檢驗小麥粉饅頭加工品質評價》中饅頭鑒評項目和評分標準逐項品嘗進行打分。

1.2.3 制作饅頭的單因素試驗

1.2.3.1 酵母添加量的確定

稱取面粉100 g，按質量分數分別加0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%的酵母，加38℃溫水48%，和面3 min，在發酵溫度38℃和相對濕度70%的條件下醒發60 min，取出平均分割成兩個饅頭坯，揉制成型，室溫（25℃）放置 15 min，大火氣蒸 20 min（冒氣起計時）。以感官評分為評價指標，每個水平重復3次。

1.2.3.2 加水量的確定

稱取面粉100 g，加質量分數0.75%的酵母，分別按體積分數添加38℃溫水40%、44%、48%、52%、56%，其它步驟同1.2.3.1。以感官評分為評價指標，每個水平重復3次。

1.2.3.3 發酵溫度的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面 3 min，分別在 30、34、38、42、46 ℃條件下醒發，其它步驟同1.2.3.1。以感官評分為評價指標，每個水平重復3次。

1.2.3.4 發酵時間的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面3 min，隨后在發酵溫度38℃、相對濕度為70%條件下分別醒發 40、50、60、70、80 min，其它步驟同1.2.3.1。以感官評分為評價指標，每個水平重復3次。

1.2.3.5 相對濕度的確定

稱取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃溫水48%，和面3 min，發酵溫度38℃，在相對濕度分別為60%、65%、70%、75%和80%條件下醒發60 min，其它步驟同1.2.3.1。以感官評分為評價指標，每個水平重復3次。

1.2.4 饅頭生產工藝響應面法優化設計

綜合單因素試驗結果，選取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、發酵溫度（X3）、發酵時間（X4）和相對濕度（X5）5個對饅頭品質影響較大的因素作為響應因素，以感官評分（Y）作為響應值，根據Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design-響應面優化分析原理，采用五因素三水平的響應面分析方法進行試驗設計，確定百農4199小麥粉饅頭加工的最佳工藝。試驗因素和水平設計見表1。

表1 響應面分析因素與水平表Table 1 Factors and levels of the response surface design

1.2.5 饅頭質構特性測定

利用TMS-PRO質構儀測定饅頭樣品的質構參數，方法參照姜小苓等[16]。具體操作方法為：將饅頭縱向切成厚度25 mm的薄片，用75 mm圓盤擠壓探頭進行TPA壓縮模式測試，參數分別設定為：測前速度50 mm/s、測試速度 30 mm/s、測后速度 50 mm/s、起始力0.8 N和形變量30%。

1.3 數據處理

采用Excel 2007處理數據，結果取3次重復的平均值；采用Design-Expert7.0軟件中的CentralComposite Design（CCD）中心組合試驗對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 饅頭加工單因素試驗結果

2.1.1 酵母添加量對饅頭感官評分的影響

酵母添加量對饅頭感官評分的影響如圖1所示。

圖1 酵母添加量對饅頭感官評分的影響Fig.1 Effect of yeast concentration on sensory score of steamed bread

從圖1可看出饅頭感官評分隨酵母添加量的增加而逐漸升高，添加量為0.75%時達到最高，隨后急劇下降。原因可能是酵母添加量較少，酵母產氣量少，面團發酵不充分、較硬，饅頭比容較小，口感不好；添加量過多，饅頭色澤變差，表面不光滑，挺立度差易塌陷，縱剖面氣孔較大，氣味和口感變差。因此，酵母添加量為0.75%時，饅頭評分最高。

2.1.2 加水量對饅頭感官評分的影響

不同加水量對饅頭感官評分的影響如圖2所示。

圖2 加水量對饅頭感官評分的影響Fig.2 Effect of water volume on sensory score of steamed bread

由圖2可知，饅頭感官評分隨加水量的增加呈先升高后降低的趨勢，當加水量48%時，感官評分達最高。原因可能是加水量較少，面團較硬，不宜成型，饅頭體積較小，口感不好；加水過多，面團膠粘，饅頭高度偏低、挺立度差、內部結構粗糙不均勻。因此，加水量為48%時感官評分最高。

2.1.3 發酵溫度對饅頭感官評分的影響

發酵溫度對饅頭感官評分的影響見圖3。

圖3 發酵溫度對感官評分的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on sensory score of steamed bread

由圖3可知，饅頭感官評分隨發酵溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，當發酵溫度為38℃時感官評分達最高。發酵溫度較低時，酵母的活動受到限制，面團發酵不充分，饅頭體積較小；發酵溫度過高時，酵母活性受到抑制，饅頭的氣味和口感變差，導致饅頭感官品質下降。38℃可能是酵母的最適反應溫度，該溫度下發酵的饅頭比容、氣味及口感較好，評分較高。

2.1.4 發酵時間對饅頭感官評分的影響

發酵時間對感官評分的影響如圖4所示。

圖4 發酵時間對感官評分的影響Fig.4 Effect of fermentation time on sensory score of steamed bread

隨發酵時間延長，饅頭感官評分呈現先升高后降低的趨勢，當發酵時間為60 min時，感官評分達最高；隨后評分呈下降趨勢。發酵時間太短，面團發酵不充分，饅頭高度、比容較小；發酵時間太長，面團產氣增多，超過了面筋網絡結構的延伸限度，造成饅頭塌陷、饅頭縱剖面氣孔不均勻，嚼勁差，氣味和口感不好[17]。醒發60 min，饅頭飽滿挺立，評分最高。

2.1.5 相對濕度對饅頭感官評分的影響

相對濕度對饅頭感官評分的影響見圖5。

圖5 相對濕度對感官評分的影響Fig.5 Effect of relative humidity on sensory score of steamed bread

由圖5可知，饅頭感官評分隨相對濕度的增大呈現先升高后降低的趨勢，當相對濕度為70%左右時，感官評分達最高，隨后逐漸下降。相對濕度較小，饅頭表皮較厚、有裂紋；濕度較大，饅頭易起泡、變形，高度偏小。相對濕度為70%時感官評分最高。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 數學模型的建立與顯著性檢驗

本試驗利用Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design（CCD），選取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、發酵溫度（X3）、發酵時間（X4）和相對濕度（X5）為響應因素，感官評分（Y）為響應值，按照生產饅頭的響應面試驗因素與水平表進行試驗。設計共46個試驗點，其中40個為析因子，6個為零點。零點試驗進行6次，以估計誤差。響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Scheme and experimental results for response surface analysis

利用Design-Expert 7.0軟件對表2結果進行統計分析，將試驗數據進行多元回歸擬合，建立以感官評分Y為目標函數的二次回歸方程：

對百農4199小麥粉饅頭加工工藝數學模型進行方差分析，結果見表3。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of the regression equation for extraction efficiency of trypsin inhibitor

二次多項模型具有較高的F值（12.88）和較低的P值（P＜0.000 1），表明該模型極顯著，失擬項的F值和P值分別為2.86和0.124，在α=0.05水平上不顯著，說明殘差主要由隨機誤差引起。經方差分析，預測擬合度（0.764 4）與校正擬合度（0.890 8）相差不大，R2為0.911 5，說明該模型能解釋91.15%響應值的變化，僅有總變異的8.85%不能用此模型來解釋。

同時，變異系數（CV=2.12）和信噪比（Adeq Precision=14.94，大于4）也說明該試驗方法可靠。因此，利用該模型對百農4199小麥粉饅頭加工工藝進行優化可行。

對上述方程回歸系數進行顯著性檢驗表明，從F值可看出影響因素的主次順序為：X3＞X1＞X4＞X2＞X5。另外，交互項 X1X3、X2X4、X3X4均表現出高度顯著水平，說明酵母添加量和發酵溫度、加水量和發酵時間、發酵溫度和發酵時間的交互作用對饅頭的感官品質具有顯著影響。

2.2.2 響應面分析

在其他因素固定不變的情況下，考察交互項對饅頭感官評分的影響，對模型進行降維分析。經Design-Expert 7.0分析所得的響應曲面及等高線圖見圖6a～j，響應曲面圖及等高線圖可以分析并評價任何兩個因素的交互作用對感官評分的影響程度，確定最佳因素水平的范圍。等高線的形狀可直觀反映各因素間交互效應的強弱，形狀越圓，兩因素的交互作用越不顯著；越不圓（呈橢圓形），交互作用越顯著，且橢圓排列越緊密代表因素對響應值變化影響越大[18-19]。

由響應曲面圖6可知，隨每個因素的增大，響應值增大；當響應值增大到極值后，隨因素增大，響應值逐漸減小。其中，酵母添加量和發酵溫度（X1X3）、加水量和發酵時間（X2X4）、發酵溫度和發酵時間（X3X4）對感官評分的影響顯著。另外，由圖可知該模型在試驗范圍內存在穩定點，且穩定點是最大值。

2.2.3 提取工藝條件優化

采用軟件中Optimization的Numerical功能，使用最大值優化，優化得到百農4199小麥粉饅頭加工的理論工藝條件為：酵母添加量0.73%、加水量46.54%、醒發時間60.20 min、發酵溫度41.79℃、相對濕度68.58%，該條件下饅頭感官評分為93.33。為檢驗響應曲面法的可靠性，采用上述優化條件進行饅頭加工驗證試驗，考慮到實際操作的便利，將提取工藝參數修正為酵母添加量0.75%，加水量48%，醒發時間60min，發酵溫度40℃，相對濕度70%，在此條件下進行3次平行試驗，實際感官評分為93.36，與理論預測值相比，其相對誤差約為0.03%。因此，采用響應面法優化得到的提取條件準確可靠，具有實用價值。

圖6 各因素交互作用對饅頭感官評分影響的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effects of pairwise interactions among various variables on sensory score of steamed bread

2.3 不同感官評分饅頭的質構參數比較

在46次響應面優化試驗中，選取其中感官評分最低、最高以及參照國標方法GB/T 35991-2018《糧油檢驗小麥粉饅頭加工品質評價》制作的饅頭，利用質構儀測試其質構參數，多重比較結果見表4。饅頭的硬度、膠黏性和咀嚼度在不同樣品間存在顯著差異（P<0.05），其他質構參數的差異不顯著。其中，感官評價分數最低的饅頭，其硬度、膠黏性和咀嚼性均最高，顯著高于其他兩個饅頭樣品；感官評價分數最低的饅頭，其硬度和咀嚼性均最低。

表4 不同感官評分饅頭的質構特性Table 4 Texture property of steamed bread with different sensory score

3 討論與結論

饅頭品質是我國小麥品質改良的重要目標，評價方法主要有感官評價和質構儀測試評價。其中，感官評價主要根據饅頭的比容、表觀、內部結構、彈韌性、黏性和氣味等來評分，按總評分高低分類[20]；質構儀測試評價的參數主要有：硬度、黏附性、內聚性、彈性、膠黏性和咀嚼度等，其中硬度和咀嚼度是衡量制品品質的兩個重要指標，在一定范圍內，兩者值越小，制品越柔軟，適口性越好[16]。本研究主要通過饅頭的感官評價對小麥新品種百農4199的最佳饅頭制作工藝進行優化，得出較優工藝條件為：酵母添加量0.75%、加水量48%、醒發時間60min、醒發溫度40℃、相對濕度70%，在較優的提取條件下，饅頭感官評分可達93.36。另外，本研究還得到饅頭感官評分與各因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好，有一定應用價值。

本研究還進一步分析了不同感官評分饅頭樣品的質構特性，發現感官評分最高的饅頭具有最低的硬度和咀嚼度，說明該樣品質地柔軟、適口性最好；相反，感官評分最低的饅頭樣品硬度和咀嚼性均最高，適口性較差，該結果與響應面優化試驗結果相吻合。