響應面法優化低糖核桃營養派制作工藝研究

柳 青，陳曉琪，馬長路，黃廣學，王麗瓊，田文靜

（北京農業職業學院食品與生物工程系，北京 102442）

核桃（Juglans regia L.）又名姜桃、胡桃，是胡桃科核桃屬，具有較高營養價值[1]，核桃仁中含有大量脂肪[2]，其含量高達64%，其中亞油酸和亞麻酸比重較高[3]，約占脂肪酸的72%，而膽固醇的含量為0。核桃對腦神經有良好的保健功能，具有降血脂、護肝、防癌、預防Ⅱ型糖尿病和心腦血管疾病等功效[4-7]，還對神經衰弱、記憶減退[8]等癥狀有緩解。我國核桃栽培歷史悠久，種植面積及總產量已遠超美國。2018年我國核桃產量已達100萬t[9]，位居世界第一。燕麥膳食纖維含量豐富，具有促進膳食平衡，有益健康的效果[10]。木糖醇由于產熱低，甜度與蔗糖相當[11]，而且具有保健功能性等優點，使其成為低糖食品中最常使用的甜味劑之一。我國現階段核桃加工率較低，主要為原果核桃[12]，并且以核桃為原料的休閑食品品類較為單一，因此核桃休閑食品的市場存在著廣闊的開發空間。常見的核桃休閑食品是經油炸后加糖調味，能量較高，在儲藏條件不當時可能發生油脂酸敗變質，使其失去營養價值，甚至產生有害物質。杜琨等[13]利用油炸、甩糖等工藝制作琥珀核桃仁，得出加工工藝為預煮時間10 min，油炸時間2.2 min，油炸溫度150℃，白砂糖15%，食鹽3%。屈慧鴿等[14]探討了甜香型核桃仁及芝麻糖衣型核桃仁的加工工藝，烘烤采用180℃，35 min，油炸采用150℃，6 min，研究表明烘烤核桃仁比油炸口感好，油炸處理后的核桃仁口感油膩，容易出現油脂變質，產生難聞的哈喇味，使產品失去營養價值和感官品質。崔寬波等[12]研究調味核桃仁，選擇糖和核桃仁的比例為60∶1，最佳烘烤溫度為160℃，烘烤時間25 min，然而上糖液后添加了奶茶粉、辣椒面、五香粉等調味料，糖含量和添加劑較多，不能滿足消費者對于營養健康的需求。本研究以核桃仁為原料，木糖醇為甜味劑，輔以燕麥片、麥芽糖、重瓣干玫瑰花瓣以及黑芝麻，采用單因素試驗和響應面法得出低糖營養核桃派的最佳加工工藝，開發新型低糖、減少能量的核桃休閑食品，符合消費者健康、綠色的生活理念，具有風味獨特、營養健康等優點，為核桃產品深加工技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

核桃：產地為北京市房山區佛子莊鄉石板房村；麥芽糖：廣西梧州樂哈哈食品工業有限公司；木糖醇：南京甘汁園糖業有限公司；即食燕麥片：桂林西麥食品股份有限公司；重瓣玫瑰干花瓣：濟南萬豐玫瑰制品有限公司；黑芝麻：沈陽信昌糧食貿易有限公司。

1.1.2 儀器與設備

ATO-M09C型烤箱，北美電器(珠海)有限公司；TMS-PRO型食品物性分析儀，美國FTC公司；YQ09868型電子天平，永康市永州衡器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

原料選擇→核桃去殼→堿液去皮→熟化→調制→烘烤→定型→切塊與包裝→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料選擇

選擇外殼薄而潔凈，果肉豐滿，肉質潔白的核桃。

1.2.2.2 核桃去殼

采用核桃夾人工去殼，要求得到盡量完整的整仁或半仁，并挑選出顏色均勻一致的核桃仁，去除癟仁、黑仁、碎仁和核桃殼等雜質，保證核桃仁原料的品質。

1.2.2.3 堿液去皮

在室溫中將干凈的核桃仁浸泡于一定濃度的NaOH溶液中，浸泡后取出，大量流動清水沖洗核桃仁，手工揉搓去除其種皮。將去皮后干凈的核桃仁挑出，并在室溫中晾干水分。

1.2.2.4 熟化

將100 g去皮晾干后的核桃仁平鋪在烤盤上，160℃下烘烤18 min左右，注意核桃仁表面顏色的變化，烤至金黃色，產生核桃仁的香味。

1.2.2.5 調制

將熟化后的核桃仁、麥芽糖、木糖醇、燕麥片、熟黑芝麻和重瓣玫瑰花花瓣在鋪好錫紙的烤盤上按比例混合調制。

1.2.2.6 烘烤與定型

將調制后的核桃仁在烤箱中170℃烘烤3 min左右，在糖完全融化時即可取出。烘烤時應密切注意糖的融化狀態，將融化均勻的混合物倒入不銹鋼規則模具中，按壓緊實，使形狀規整，整型呈長方體狀，冷卻至室溫。

1.2.2.7 切塊與包裝

將大塊的核桃營養派按要求切分成尺寸相同的長方體，規格（長×寬×高）為30 mm×15 mm×10 mm，每一小塊成品單獨密封包裝即成成品。

1.2.3 低糖核桃營養派試驗設計

1.2.3.1 核桃仁最佳去皮方法確定

固定核桃仁添加量為100 g，采用堿液去皮，研究不同浸泡時間（0、10、20、30、40 min）及NaOH溶液濃度（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）對核桃仁品質的影響。

核桃仁去皮效果評價標準：從核桃仁去皮效果、去皮后核桃仁的顏色以及去皮后核桃仁的質地3方面進行評價[15]，核桃仁去皮效果具體評價標準見表1。

表1 核桃仁去皮效果評價標準Table 1 Evaluation standard for peeling effect of walnut kernel

1.2.3.2 麥芽糖添加量確定試驗

固定核桃仁添加量為100 g，核桃仁去皮浸泡時間為20 min，核桃仁烘烤溫度為160℃，核桃仁烘烤時間為18 min，木糖醇添加量為20 g，燕麥片添加量為20 g，重瓣玫瑰花瓣固定添加量為3 g，在以上條件下，研究不同麥芽糖添加量（6、8、10、12、14 g）對成品品質的影響，確定最佳成品成型時麥芽糖的添加量。

1.2.3.3 單因素試驗設計

研究核桃仁去皮浸泡時間、核桃仁烘烤時間、燕麥片添加量和木糖醇添加量4個因素對低糖核桃營養派品質的影響，以低糖核桃營養派的感官評分以及食品物性分析儀分析出的最大剪切力為指標進行評價。在核桃仁添加量100 g，核桃仁烘烤溫度160℃，麥芽糖添加量10 g，重瓣玫瑰花瓣添加量3 g，考察不同核桃仁去皮浸泡時間（0、10、20、30、40 min）、核桃仁烘烤時間（14、16、18、20、22 min）、木糖醇添加量（12、14、16、18、20 g）、燕麥片添加量（11、14、17、20、23 g）對成品品質的影響，各因素做3次平行試驗。

1.2.3.4 響應面分析法優化試驗

根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理[16]，以核桃仁去皮時間（A）、核桃烘烤時間（B）、燕麥片添加量（C）和木糖醇添加量（D）4個因素為自變量，以感官評分（Y）為響應值，考察各水平對成品品質的影響，確定最佳工藝參數。響應面試驗因素及水平見表2。

1.2.4 低糖核桃營養派的感官評價

將樣品分別放入相同的白盤子中，進行3位數隨機編號，品嘗完一種樣品后需清水漱口，在感官評價室中按照順序對樣品進行品鑒，滿分為100分，感官評定標準見表3。通過嚴格篩選，選拔出10位經過專業培訓的感官評價員組成感官評價小組，從色澤、香氣、滋味、酥脆感和組織形態5個方面對低糖核桃營養派進行感官評定。在評價前20 min感官評價員不得吃刺激性食品，并且在品嘗每一種樣品前需使用清水漱口，以去除雜味，使感官評價結果更客觀。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface test

表3 低糖核桃營養派的感官評分標準Table 3 Sensory evaluation criteria of low-sugar nutritious walnut pie

1.2.5 低糖核桃營養派質構分析

采用食品物性分析儀測定低糖核桃營養派的最大剪切力，以剪切模式和單刀探頭進行測定。測試條件為：測試速度30 mm/s，起始力0.15 N，回程距離35 mm，回程速度60 mm/s[17]，每組樣品平行重復測定3次。

1.2.6 數據處理

所有試驗均平行重復3次，所得的試驗數據采用Excel 2003進行整理，其圖表均由Origin 9.0軟件繪制，利用Design-Expert 10設計響應面試驗。

2 結果與分析

2.1 核桃仁最佳去皮方法的確定

表4為堿液去皮法對低糖核桃營養派品質的影響，由表4可知，浸泡時間越久，NaOH溶液濃度越高，核桃仁去皮后顏色變黃越嚴重，其質地也會變綿，失去咀嚼性。3%NaOH溶液浸泡20 min時，能完全去皮、質地脆，雖然表面顏色變黃，在進行烘烤熟制工序時，美拉德反應也會造成核桃仁表面顏色變黃，考慮最終時間成本和去皮效果等因素，本試驗選取的核桃仁去皮方法為3%NaOH溶液浸泡20 min后取出，大量清水沖洗揉搓去皮。

表4 堿液去皮法對低糖核桃營養派品質的影響Table 4 Effect of peeling by alkali solution on quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.2 麥芽糖添加量對低糖核桃營養派品質的影響

圖1是不同麥芽糖添加量對低糖核桃營養派品質的影響，由圖1可知，在核桃仁添加量固定為100 g的條件下，麥芽糖添加量為10 g時，成品可成型，也可切分成完整統一的形狀，并且感官評分為90.2分，再繼續添加麥芽糖，導致成品過于甜膩，感官評分降低，而且增加精制糖的含量也會增加成本，故確定麥芽糖添加量為每100 g核桃仁中添加麥芽糖10 g。

圖1 麥芽糖添加量對低糖核桃營養派感官品質的影響Fig.1 Effect of maltose addition on the sensory quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.3 單因素試驗結果

2.3.1 核桃仁去皮浸泡時間對低糖核桃營養派品質的影響

核桃仁去皮浸泡時間直接影響成品的滋味及色澤。浸泡時間短，核桃仁種皮去除不完全，殘留大量酚類物質[18]，如單寧。水溶性的單寧可以使蛋白質和生物堿變性，這對風味有不利影響，它可與唾液蛋白結合，引起舌頭上部組織細胞收縮，產生令人不喜的收斂感和干燥感，導致苦澀味道，影響其口感。浸泡時間過長，核桃仁發綿，質地變差，失去咀嚼感。不同核桃仁去皮浸泡時間對低糖核桃營養派品質的影響見圖2。由圖2得知，隨著核桃仁去皮浸泡時間的增加，感官評分呈先升高后降低趨勢，20 min時取得最大值。當核桃仁去皮浸泡時間在20 min之內時，最大剪切力表現較為平穩，去皮浸泡時間超過20 min后，最大剪切力急劇下降。因此確定核桃仁去皮浸泡時間為20 min。

圖2 核桃仁去皮浸泡時間對低糖核桃營養派品質的影響Fig.2 Effect of peeling and soaking time of walnut kernel on the quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.3.2 核桃仁烘烤時間對低糖核桃營養派品質的影響

核桃仁烘烤時間對成品的酥脆感、滋味和色澤都有較大影響。烘烤核桃仁中的主要香味成分是美拉德反應產生的含氮雜環化合物[19]，核桃仁烘烤時間不足，不會產生濃郁的核桃烘烤香氣，而烘烤時間的增加，會引起焦糖化反應的加劇，產生令人不愉快的焦糊味。核桃仁不同的烘烤時間對低糖核桃營養派品質的影響見圖3。由圖3得知，隨著烘烤時間增加，感官評分趨勢為先升高后降低，18 min時達到最大值。核桃仁烘烤16 min后最大剪切力無顯著波動變化，但烘烤時間過短，核桃仁酥脆度不夠，影響口感。因此確定核桃仁烘烤時間為18 min。

圖3 核桃仁烘烤時間對低糖核桃營養派品質的影響Fig.3 Effect of baking time of walnut kernel on the quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.3.3 燕麥片添加量對低糖核桃營養派品質的影響

燕麥片添加量對低糖核桃營養派的酥脆感、組織形態有較大影響。適量的燕麥片增加成品咀嚼性，改善口感，還可以使產品表面及剖面更加整齊，改善組織形態。但燕麥片添加過多會削弱核桃仁的香氣。燕麥片添加量對低糖核桃營養派品質的影響見圖4。由圖4可以看出，在燕麥片添加量為11～20 g時，感官評分表現為上升趨勢，并且斜率較大，增長速度較快。20 g時感官評分達到最高值，但超過20 g后感官評分隨著添加量的增加逐漸下降。同樣，隨著燕麥片添加量的增加，最大剪切力的總體趨勢為先升高后降低，20 g時咀嚼度最佳，因此確定燕麥片添加量為20 g。

圖4 燕麥片添加量對低糖核桃營養派品質的影響Fig.4 The effect of oatmeal addition on the quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.3.4 木糖醇添加量對低糖核桃營養派品質的影響

木糖醇添加量對低糖核桃營養派的滋味以及組織狀態有一定影響。木糖醇作為甜味劑，代替蔗糖提供甜味[11]，并且作為填充型甜味劑可賦予食品結構和體積[20]。適量的木糖醇提供適宜的甜味，而添加量過多時，甜味過濃，不酥脆，會有粘牙的現象產生。木糖醇添加量對低糖核桃營養派品質的影響見圖5。由圖5可知，木糖醇添加量為14 g時感官評分達到最大值，最大剪切力同樣隨著木糖醇添加量的增加，呈現先上升后下降的趨勢。木糖醇添加量為18 g時，最大剪切力達到最大值，其咀嚼度最高。14 g時，最大剪切力為18.51 N，咀嚼度適宜并且感官評分為最大值。丁捷等[21]研究了木糖醇玫瑰花生糖的制作工藝以及配方，結果表明產品的木糖醇含量較高時，口感較硬，酥脆度較差；而添加較少時，成品粘牙，失去松脆感。其結果與本試驗研究結果一致，說明木糖醇添加過高或過低咀嚼度都較差，太硬或粘牙，因此綜合確定木糖醇添加量為14 g最佳。

圖5 木糖醇添加量對低糖核桃營養派品質的影響Fig.5 Effect of xylitol addition on the quality of low-sugar nutritious walnut pie

2.4 響應面試驗優化結果及分析

2.4.1 響應面試驗設計及結果

利用Design Expert 8.0軟件采用Box-Behnken中心組合原理建立數學模型[16]，以低糖核桃營養派的感官評分為響應值（Y）進行響應面試驗優化。低糖核桃營養派制作工藝響應面試驗設計及結果見表5。

表5 響應面試驗設計與結果Table 5 Design and results of response surface experiments

2.4.2 響應面回歸模型的建立與分析

用軟件對表5中數據進行二次多元回歸擬合分析，得到感官評分對響應面因素的回歸方程為：Y=92.00+5.33A+2.25B+0.17C-3.08D-0.25AB-6.00AC-0.75AD+1.00BC+0.50BD+2.00CD-10.92A2-7.04B2-7.17C2-5.04D2

低糖核桃營養派的響應面回歸模型方差分析[22]見表6。從表6可以看出，模型P＜0.000 1，該指標極其顯著；校正決定系數R2=0.935 7，說明回歸模型擬合度為93.57%，并且模型建立有意義；失擬項P=0.378 6（＞0.05），信噪比=13.95，遠大于4，說明模型與數據擬合度很高[23]。綜上所述，該試驗誤差小，能夠準確分析、預測和優化低糖核桃營養派制作工藝，試驗結果具有較高的可信性，在實際生產中有指導價值。

由回歸系數顯著性表明，在所取因素水平內，各因素對成品品質影響大小依次是：核桃仁去皮浸泡時間＞木糖醇添加量＞核桃仁烘烤時間＞燕麥片添加量。由表6中可以看出，一次項中B為顯著（P＜0.05），A和D極顯著（P＜0.01），二次項中AC、A2、B2、C2、D2均為極顯著（P＜0.01），由此可以得知各個因素間存在交互作用，并且各因素對低糖核桃營養派的感官品質的影響并不是單純的線性關系。

表6 低糖核桃營養派的響應面回歸模型方差分析表Table 6 Analysis of variance of response surface regression model for low-sugar nutritious walnut pie

2.4.3 響應面分析與優化

根據回歸方程利用Box-Behnken響應面法[15]，可以作出各因素之間兩兩交互的響應曲面及等高線圖。響應面圖的坡度陡峭角度可以直接反映出低糖核桃營養派感官評分受到各因素以及兩因素之間交互作用的強弱影響情況[24]。曲面圖中曲線越彎說明研究因素對低糖核桃營養派品質影響越大，等高線呈橢圓形說明研究因素之間的交互作用顯著[24]。分析當核桃仁去皮浸泡時間、核桃仁烘烤時間、燕麥片添加量以及木糖醇添加量4個因素中有2個因素固定時，另外2個因素及其交互作用對低糖核桃營養派感官評分的影響。響應面曲面及其等高線圖見圖6～11。

由圖7可知，響應面圖的兩邊坡度都比較陡峭，并且等高線圖為橢圓形，說明核桃仁去皮浸泡時間（A）與燕麥片添加量（C）對低糖核桃營養派感官評分的影響都較大，且2個因素間的交互作用顯著，這與表6中的顯著性分析結果一致。由圖7可見，當固定核桃仁去皮浸泡時間不變時，隨著燕麥片添加量的變化方向，其等高線密度增大。因此可以得知，核桃仁去皮浸泡時間對低糖核桃營養派感官評分的影響較大，并且核桃仁去皮浸泡時間延長或縮短，會影響燕麥片添加量對產品感官品質變化的顯著性。

圖6 核桃仁去皮浸泡時間與烘烤時間的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Contour and response surface maps of interaction between peeling and soaking time and baking time of walnut kernel on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

圖7 核桃仁去皮浸泡時間與燕麥片添加量的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.7 Contour and response surface maps of interaction between peeling and soaking time of walnut kernel and oatmeal addition on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

圖8 核桃仁去皮浸泡時間與木糖醇添加量的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.8 Contour and response surface maps of interaction between peeling and soaking time of walnut kernel and xylitol addtion on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

圖9 核桃仁烘烤時間與燕麥片添加量的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.9 Contour and response surface maps of interaction between baking time of walnut kernel and oatmeal addition on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

圖10 核桃仁烘烤時間與木糖醇添加量的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.10 Contour and response surface maps of interaction between baking time of walnut kernel and xylitol addition on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

圖11 燕麥片添加量與木糖醇添加量的交互作用對低糖核桃營養派感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.11 Contour and response surface maps of interaction between oatmeal and xylitol additions on sensory scores of low-sugar nutritious walnut pie

2.4.4 最佳條件的確定和回歸模型的驗證

回歸模型通過響應面法得到最優低糖核桃營養派的最佳工藝配方參數為：核桃仁添加量100 g，核桃仁去皮浸泡時間22.54 min，核桃仁烘烤時間18.25 min，核桃仁烘烤溫度160℃，麥芽糖添加量10 g，燕麥片添加量19.71 g，木糖醇添加量13.26 g。此時，低糖核桃營養派的感官評分預測值為94.26分。為方便操作，將此配方調整為核桃仁添加量100 g，核桃仁去皮浸泡時間23 min，核桃仁烘烤溫度160℃，核桃仁烘烤時間18 min，麥芽糖添加量10 g，燕麥片添加量20 g，木糖醇添加量13 g，制作低糖核桃營養派，平行3次進行驗證試驗，得到低糖核桃營養派的感官評分為95分，此時成品口感良好、色澤誘人、甜度適中、不粘牙。與模型得出的預測值比較可知，平均值和預測值兩者的相對偏差小于1%，說明該響應面方程有較好的準確性。

為進一步驗證響應面法優化低糖核桃營養派制作工藝條件的可靠性，驗證試驗要對表5中的0水平的條件同時進行驗證。由響應面試驗得知，在核桃仁添加量為100 g，核桃仁去皮浸泡時間為20 min，核桃仁烘烤時間為18 min，核桃仁烘烤溫度為160℃，麥芽糖添加量為10 g，燕麥片添加量為20 g，木糖醇添加量為14 g條件下時，按照以上條件進行3次驗證試驗，得到低糖核桃營養派的感官評分平均值為93.8分，與模型配方制作的產品感官評分95.0分較為接近，且相對偏差也小于1%，但按照模型配方制作的產品口感以及外觀更佳，由此表明模型優化后的參數為最優工藝條件，這說明通過響應面法優化后的低糖核桃營養派制作工藝配方科學可信，具有指導實際生產的應用價值[25]。

3 結論

本文對低糖核桃營養派制作工藝及配方進行研究，利用單因素試驗和響應面試驗分析，確定低糖核桃營養派的最佳工藝配方參數為：核桃仁添加量100 g，核桃仁去皮浸泡時間23 min，核桃仁烘烤溫度160℃，核桃仁烘烤時間18 min，麥芽糖添加量10 g，燕麥片添加量20 g，木糖醇添加量13 g。以此配方制作的低糖核桃營養派感官評分預測值為94.26分，實測值為95分，產品色澤誘人，甜度適中，香氣自然濃郁，核桃風味良好。目前對于核桃仁休閑食品的研究主要集中于調味核桃仁方面[26]，但經油炸、套糖工序生產的核桃仁產品口感甜膩，添加劑較多，而且易出現油脂酸敗，不適合糖尿病、肥胖癥等特殊人群食用。本產品采用以木糖醇為甜味劑，輔以燕麥片增加產品膳食纖維含量，在制作工藝方面，利用烘烤代替油炸，減少油脂和能量的攝入，是一種符合低糖、減少能量和增加膳食纖維的新型核桃休閑食品。