響應(yīng)面優(yōu)化微波膨化蝦粉休閑食品

周淼 ，白嬋，熊光權(quán)，許萍，廖濤，孔秀琴

1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所（武漢 430064）；2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院（蘭州 730050）

小龍蝦學(xué)名為克氏原螯蝦（Procambarus clarkii），原產(chǎn)地為北美洲，自20世紀(jì)30年代開始引進(jìn)后成為我國重要的淡水養(yǎng)殖蝦類[1]。小龍蝦肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)價(jià)值較高，其蝦殼、蝦頭等副產(chǎn)物所占比重較多，被棄置后帶來了環(huán)境污染與資源浪費(fèi)的嚴(yán)重后果。而小龍蝦蝦殼中的營養(yǎng)成分含量較多，王燕等[2]研究發(fā)現(xiàn)，小龍蝦蝦殼中的粗蛋白含量超過13%，而且是非常優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)[3]。李亞楠等[4]使用檸檬酸等有機(jī)酸從蝦殼中提取鈣，鈣的提取量高達(dá)126.04 mg/g，是一種優(yōu)質(zhì)鈣源。張冬梅等[5]報(bào)道蝦殼紅色素能明顯提高小鼠抗疲勞、耐缺氧的能力，具有非常明顯的保健作用。蔚鑫鑫等[6]用鹽酸和氫氧化鈉從小龍蝦殼提取甲殼素，提取率達(dá)16.52%。

超微粉碎技術(shù)是一種高科技工業(yè)技術(shù)，利用超微粉碎技術(shù)生產(chǎn)的超微粉相較于一般粉體具有更高的溶解性、流動(dòng)性、吸附性、化學(xué)反應(yīng)活性等[7]。微波膨化的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快、受熱時(shí)間短，且不增加食品的油脂，能較好地保留制品原有的風(fēng)味[8]。劉焱等[9]將鳙魚肉片干燥至水分含量45%~50%后，微波膨化140 s，得到營養(yǎng)豐富的淡水魚休閑食品。Boischot等[10]發(fā)現(xiàn)樣品在微波膨化過程中，膨化率主要由水分活度、水分和脂肪含量決定。Sjoqvist等[11]發(fā)現(xiàn)在高水分含量樣品的微波膨化過程中，膨化率的大小主要由水分含量和淀粉種類決定。

此次試驗(yàn)采用超微粉碎技術(shù)和微波膨化技術(shù)，將蝦殼超微粉碎后經(jīng)微波膨化制成休閑食品，為發(fā)展蝦味休閑膨化食品產(chǎn)業(yè)提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低筋小麥粉、雞蛋、黃油、土豆淀粉、泡打粉、糯米粉、白砂糖，均為食品級(jí)，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

QF150型壓面機(jī)（江蘇省常州市墅樂廚具有限公司）；DHS-10A水分測定儀（寧波市鄞州華豐電子儀器廠制造）；X3-233A微波爐（廣東美的廚房電器制造有限公司）；DHG-9075A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海樹立儀器儀表有限公司）；LD電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）；DFT-150機(jī)械粉碎機(jī)（溫州頂歷醫(yī)療器材有限公司）；WF-250超微粉碎機(jī)（濟(jì)南天方機(jī)械有限公司）；TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀（英國Stable Micro System公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

蝦殼→干燥→機(jī)械破碎→超微粉碎（超微粉碎后粒徑X50平均值11.7 μm）→加輔料混合→加水調(diào)漿→壓面機(jī)壓成薄片→切成3 cm×1 cm大小的薄片→微波膨化→取出冷卻10 min→成品待測

蝦殼鼓風(fēng)干燥機(jī)烘干后先機(jī)械粉碎，再超微粉碎30 min，得到蝦殼粉。將蝦殼粉加入配好的配料中（低筋小麥粉、玉米淀粉、糯米粉），再加入5%食鹽、5%白砂糖粉混合均勻，加入一定比例的水，和面成型，放入微波爐中膨化。以膨化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳工藝。

1.3.2 水分含量測定

將和好的面團(tuán)取一小部分放入水分測定儀中，直到面團(tuán)的質(zhì)量不變時(shí)的失水率即為含水率。

1.3.3 膨化率的計(jì)算[12]

采用小米排除法[13]，膨化率（Y）=膨化后體積/膨化前體積。

1.3.4 物性測定

使用質(zhì)構(gòu)儀及配套的P/2探頭，質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)見表1。硬度定義為探頭在下壓過程中感受樣品的最大作用力，即曲線最大峰值。脆度定義為探頭在下壓過程中感受最大力時(shí)探頭所經(jīng)過的距離即曲線起點(diǎn)到最大峰值的線性距離，距離越大，產(chǎn)品的脆度越小。

表1 質(zhì)構(gòu)儀設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.5 單因素試驗(yàn)

影響蝦殼粉膨化產(chǎn)品膨化率的主要因素有蝦粉添加量、水分含量、微波功率以及切片厚度。

蝦粉添加量單因素試驗(yàn)：蝦粉的含量占總比例的1%，2%，3%，4%和5%。添加的低筋小麥粉、糯米粉和土豆淀粉的質(zhì)量分別為70，30和20 g。其中泡打粉添加量為5 g，雞蛋的添加量為40 g，水的添加量為30 g。物料厚度為2 mm，微波功率為500 W，微波時(shí)間為2 min。分別測定膨化率以及產(chǎn)品的硬度和脆度。

微波功率單因素試驗(yàn)：微波功率為340，380，420，460和500 W。蝦粉的添加比例為3%，其他與上同。分別測定膨化率和產(chǎn)品的硬度和脆度。

切片厚度單因素試驗(yàn)：切片厚度為1，1.5，2，2.5和3 mm。微波功率為500 W，其他與上同。分別測定膨化率和產(chǎn)品的硬度和脆度。

水分含量單因素試驗(yàn)：水的添加量為30，31，32，33和34 g。其對(duì)應(yīng)的水分含量分別為21.12%，22.52%，24.06%，25.61%和27.66%。切片厚度2 mm，其他與上同。分別測定膨化率和產(chǎn)品的硬度和脆度。

1.3.6 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以膨化率作為響應(yīng)值，對(duì)蝦粉添加量、微波功率、物料厚度進(jìn)行條件優(yōu)化，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面分析[14]，因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Design-Expert.V8.0.6.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析處理。并用Origin 9.1進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 蝦粉含量對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖1可以看出，隨著蝦粉添加量的增加，膨化率先升后降，當(dāng)蝦粉含量為3%時(shí)，膨化率達(dá)到最大。由于蝦殼粉中蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的持水性，易于和面團(tuán)中的面筋結(jié)合，有效抑制水分的流失，但隨著添加量的增加，面筋網(wǎng)絡(luò)變小，面團(tuán)的黏性減小，膨化率后期逐漸降低。因此選擇3%為蝦粉的最優(yōu)添加量。

圖1 蝦粉含量對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖2可以看出：當(dāng)蝦粉含量為3%時(shí)，產(chǎn)品的硬度相對(duì)較低，脆度達(dá)到最高點(diǎn)，既能保證產(chǎn)品的口感又能將蝦粉最大化地利用；糯米粉中支鏈淀粉含量在98%以上，由于支鏈淀粉吸水能力較直鏈淀粉強(qiáng)，因此添加支鏈淀粉后的胚體經(jīng)微波膨化，膨化產(chǎn)品的口感較好[15]。

圖2 蝦粉含量對(duì)產(chǎn)品脆度和硬度的影響

2.1.2 微波功率對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖3可以看出：隨著微波功率的提高，膨化率呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)微波功率為460 W時(shí)，膨化率達(dá)到最大，這是由于剛開始隨著微波功率增大，產(chǎn)生的蒸汽壓力形成較大的內(nèi)推動(dòng)力，使薄片內(nèi)部組織形成微孔結(jié)構(gòu)而脹大；但當(dāng)微波功率過大時(shí)，瞬間吸收大量微波能量反而降低物料中水分含量，形成的微孔結(jié)構(gòu)反而更小，膨化率降低[16]。

圖3 微波功率對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

當(dāng)微波功率為500 W時(shí)，膨化產(chǎn)品產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象；當(dāng)微波功率為340 W和380 W時(shí)，膨化產(chǎn)品處于一種夾生的狀態(tài)，都影響消費(fèi)者食用。由圖4可以看出，隨著微波功率的不斷增加，膨化產(chǎn)品的硬度先增后減。當(dāng)微波功率為460 W時(shí)，硬度較小，脆度最大，口感最好。

圖4 微波功率對(duì)產(chǎn)品的脆度和硬度的影響

2.1.3 切片厚度對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

隨著切片厚度的增加，產(chǎn)品的膨化率先增后減（圖5）。當(dāng)切片厚度為2 mm時(shí)，膨化率達(dá)到最大。當(dāng)切片厚度小于2 mm時(shí)，坯體小，容易瞬間吸熱降低物料水分含量，導(dǎo)致膨化率不高。當(dāng)切片厚度大于2 mm時(shí)，坯體大，因受熱不均易造成坯體外層已受熱膨化，而中心溫度仍達(dá)不到膨化的程度，出現(xiàn)“夾生”的現(xiàn)象[17]。

圖5 切片厚度對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖6可以看出：隨著厚度的增加，產(chǎn)品的硬度和脆度均呈先增后減的趨勢，原料的坯體較小時(shí)，加熱較均勻，產(chǎn)品焦化的可能性小；當(dāng)切片厚度大于2 mm時(shí)，會(huì)影響膨化過程中水分的蒸發(fā)，產(chǎn)品的脆度下降明顯，很難給消費(fèi)者帶來香脆的口感。

圖6 切片厚度對(duì)產(chǎn)品的脆度和硬度的影響

2.1.4 水分含量對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖7可以看出：隨著加水量不斷提高，產(chǎn)品的膨化率呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象；當(dāng)水分含量為24.06%（即添加量為32 g）時(shí)，膨化率達(dá)到最大，這是由于產(chǎn)品膨化的動(dòng)力是物料中的水分，當(dāng)物料吸收微波能量后迅速升溫，物料中的水分汽化形成蒸汽，使產(chǎn)品表面產(chǎn)生微孔。水分含量過低，微波時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣少，膨化的動(dòng)力不足。水分含量過高，則膨化后內(nèi)部容易焦糊，但是外部水分排出不夠充分，產(chǎn)品容易塌陷回縮，膨化率低。此外，水分過高還可能導(dǎo)致膨化時(shí)物料內(nèi)部的水分急劇汽化卻排不出去，形成大氣泡，若水汽繼續(xù)外排就會(huì)沖擊氣泡使之破裂[18]。

圖7 水分含量對(duì)產(chǎn)品的膨化效果

由圖8可以看出：產(chǎn)品的脆度隨水分含量的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。當(dāng)水分含量為27.66%（即添加量為34 g）時(shí)，膨化產(chǎn)品的硬度最小而脆度最大，達(dá)到比較理想的口感；但當(dāng)水分過多時(shí)，膨化時(shí)并不能使水分完全蒸出，導(dǎo)致產(chǎn)品軟化，失去應(yīng)有的酥脆感[19]。

圖8 水分含量對(duì)產(chǎn)品的脆度和硬度的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以膨化率為響應(yīng)值，選取蝦粉含量（A）、微波功率（B）、切片厚度（C）為影響因素，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

利用軟件進(jìn)行非線性回歸二次多項(xiàng)式擬合，得到膨化率與蝦粉含量、微波功率、切片厚度的相關(guān)回歸方程：

Y=1.72+0.029A+0.031B-0.055C+5×10-3AB+0.018AC-2.5×10-3BC-0.25A2-0.076B2-0.12C2

分析回歸方程，其各因變量的顯著性結(jié)果見表4。從表4可以看出：模型的p＜0.01，響應(yīng)面回歸模型極顯著。相關(guān)系數(shù)R2=0.943 4，說明模型與實(shí)際擬合度比較高，自變量與響應(yīng)值之間關(guān)系顯著可用數(shù)學(xué)模型推測試驗(yàn)結(jié)果[20]；根據(jù)F值可以看出，各因素之間的影響大小順序?yàn)榍衅穸龋疚⒉üβ剩疚r粉含量。試驗(yàn)建立的模型中A2、C2對(duì)膨化率的影響極為顯著（p＜0.01），C、B2對(duì)膨化率的影響為顯著（p＜0.05）。該模型失擬不顯著，因此該二次方程能夠較好地?cái)M合真實(shí)的響應(yīng)面。

表4 回歸模型方差分析

2.3 模型分析討論

2.3.1 響應(yīng)因素間交互作用對(duì)膨化率的影響

為進(jìn)一步考察3個(gè)響應(yīng)因素兩兩之間的交互作用對(duì)產(chǎn)品膨化率的影響，對(duì)2個(gè)響應(yīng)因素和響應(yīng)值膨化率之間關(guān)系作其響應(yīng)曲面及等高線圖（圖9~圖11）。

2.3.1.1 蝦粉含量和微波功率的交互作用及等高線

由圖9可知，蝦粉含量和微波功率的曲面坡度相對(duì)陡峭，表明膨化率對(duì)蝦粉含量和微波功率交互作用較為敏感。產(chǎn)品的蝦粉含量在2.5%~3.5%之間，微波功率在450~470 W之間，對(duì)膨化率影響最大。等高線呈橢圓形，表明兩因素的交互作用較強(qiáng)，影響顯著[21]，蝦粉含量比微波功率變化對(duì)膨化率的影響大。

圖9 蝦粉含量和微波功率之間交互關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖

2.3.1.2 蝦粉含量和切片厚度的交互作用及等高線

由圖10可知：蝦粉含量和切片厚度的曲面坡度相對(duì)陡峭，表明膨化率對(duì)蝦粉含量和切片厚度交互作用較為敏感；產(chǎn)品的蝦粉含量在2.6%~3.5%之間，切片厚度在1.7~2.1 mm之間，對(duì)膨化率影響最大。等高線呈橢圓形，表明兩因素的交互作用較強(qiáng)，影響顯著，蝦粉含量比切片厚度變化對(duì)膨化率的影響大。

圖10 蝦粉含量和切片厚度之間交互關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖

2.3.1.3 微波功率和切片厚度的交互作用及等高線

由圖11可知：微波功率和切片厚度的曲面坡度相對(duì)陡峭，表明膨化率對(duì)微波功率和切片厚度交互作用較為敏感；產(chǎn)品的微波功率在450~470 W之間，切片厚度在1.7~2.1 mm之間，對(duì)膨化率影響最大。等高線呈圓形，表明兩因素的交互作用強(qiáng)度較弱，影響不顯著[21]，切片厚度比微波功率變化對(duì)膨化率的影響大。

圖11 微波功率和切片厚度之間交互關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖

2.4 最優(yōu)工藝參數(shù)驗(yàn)證

對(duì)得到的二次多元回歸方程求一階偏導(dǎo)數(shù)，令一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，確認(rèn)計(jì)算機(jī)模擬最佳點(diǎn)的試驗(yàn)條件：微波功率468.477 W、切片厚度1.899 mm、蝦粉添加量3.053%。此時(shí)膨化率為1.726。為方便驗(yàn)證，將試驗(yàn)條件修正為微波功率468 W、切片厚度1.9 mm、蝦粉添加量3.1%，以預(yù)測最優(yōu)試驗(yàn)條件（微波功率468 W、切片厚度1.9 mm、蝦粉添加量3.1%），測得產(chǎn)品的膨化率為1.73，與模擬計(jì)算機(jī)值基本接近，表明預(yù)測值和真實(shí)值之間有很好的擬合性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。

3 結(jié)論

以蝦粉含量、微波功率、切片厚度為影響因素，以蝦條微波膨化脆片的膨化率為響應(yīng)值，探討和優(yōu)化了蝦條微波膨化工藝，建立了蝦條微波膨化的回歸方程。經(jīng)驗(yàn)證，該方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合情況好，誤差小，能夠較好地預(yù)測蝦條微波膨化脆片的膨化率。優(yōu)化得到的蝦條脆片微波膨化的最佳工藝參數(shù)為微波功率468 W、切片厚度1.9 mm、蝦粉添加量3.1%，該條件下蝦條微波膨化脆片的膨化率為1.73，制得的蝦條微波膨化脆片微紅、質(zhì)地酥脆、口感良好，并保留了蝦特有的風(fēng)味。