基于Behnken-Box法優化面包冷凍面團4種生產關鍵控制點參數的研究

◎ 陳作毅

（寧德市食品藥品審評認證中心，福建 寧德 352100）

面包因美味可口、營養豐富、容易消化成為一種常見的商業及家庭化的烘焙食品[1]。在傳統面包工藝生產過程中，面包容易產生質地硬化、粉化掉渣、彈性缺失等老化現象，在一定程度上影響了面包的吸收率，使其營養價值降低，加之在貯運、銷售過程中香氣、風味的損失，使得面包不易保存；這些都極大程度地限制了面包產業的發展[2]，據研究統計，每年面包老化約占生產量的3%～7%[3]。

近年來，國內外都致力于研究各種方法以延緩面包老化，冷凍面團技術的出現為面包焙烤行業發展提供了一條新道路。該技術是運用冷凍（包括速凍）技術來處理產品面胚，使其半成品在凍藏條件下保存，待需食用時經后續工序加工，直至焙烤成為成品[4,5]，這種特性決定了冷凍面團可隨烤隨吃，是目前延緩面包老化和喪失風味的有效方法。冷凍面團也將面包加工分為面團生制和焙烤熟制兩個獨立的環節，有利于擴大生產規模，降低成本，使產品生產標準化從而提升品質。也因其規模量產性和便利性已經被面包企業廣泛采用，在美歐等國家發展極其迅速[6]。

但面包冷凍面團仍然存在一些不足之處，在其生產及貯存過程中，由于受到整個冷凍系統及溫度波動的影響，使得酵母的活性和面團的穩定性降低，解凍后醒發時間延長，烘焙后的面包體積較小，并伴隨出現皺縮、裂紋、變色和失水等一系列嚴重影響品質的現象[7]。

本研究在生產企業a生產面包的配方及工藝參數的基礎上，探討了酵母添加量、和面時間、加水量和預醒發時間4種影響面包冷凍面團加工的主要控制因素；采用Behnken-Box的4因素3水平試驗設計方案，以面包的比容為響應考核指標，建立面包比容與4種因素參數值的數學回歸方程，并優化了面包冷凍面團的4種加工工藝參數，以期為面包冷凍面團的加工提供理論參考和技術支持。

1 材料與方法

材料及設備歸屬福建惠萊滋食品有限公司。

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料（歸屬權均為企業a）

面粉（金焙1號面包粉，高筋粉，廈門海嘉面粉有限公司）；蛋液（全蛋液，中山民園食品有限公司）；白糖（百鉆細砂糖，安琪酵母股份有限公司）；發酵調和奶油（莉仕發酵調和奶油，艾迪科食品常熟有限公司）；奶粉（新西蘭全脂奶粉，廈門橘祥家貿易有限公司/新西蘭）；食用鹽（食用鹽，福建省鹽業集團有限責任公司）；酵母（燕子即發酵母，高糖型，廣西丹寶利酵母有限公司）。

1.1.2 主要儀器設備（歸屬權均為企業a）

FA3004分析天平（精度0.1 mg，上海浦春）；CD-6ASX游標卡尺（精度0.01 mm，日本三豐Mitutoyo）；250 mL、500 mL、1 000 mL量筒，1 000 mL燒杯（江蘇華歐）；SM-120A和面機（無錫新麥）；KM-57面團分切機（上海科麥）；Zierby全自動分割滾圓機（廣東澤比）；SM-177A恒溫恒濕面包醒發室（無錫新麥）；恒聯SL-9電烘爐；烤盤（600×400×40，無錫貝克威爾，PTFE不粘涂層）；DJS-47/300速凍庫：庫溫-30～-40 ℃（15 m2，45 m3，47 kW）；冷凍庫：庫溫-18～-25 ℃，（60 m2，180 m3，25 kW）。

1.2 試驗內容與方法

1.2.1 面包冷凍面團生產工藝

（1）面包冷凍面團生產工藝流程。原輔料混合→面團調制→分塊→整形→預醒發→冷凍（速凍）→包裝→半成品凍藏。

（2）冷凍面團烘焙程序流程。解凍→烘烤→冷卻→成品。

1.2.2 面包冷凍面團生產工藝要點

（1）面團的準備。根據表1配料表，使用小麥粉、蛋液、白砂糖、莉仕發酵調和奶油、酵母、食鹽、水（根據需要適量添加）進行面團制作。

表1 面包面團配料表

（2）預混。將水，酵母、蛋液、細砂糖下面釜后，使用s型掛鉤，慢速模式攪拌5 min混合均勻，添加小麥粉，中速模式拌成團狀后，開啟快速模式打至8成筋度，加調和奶油，食鹽慢速模式拌勻至面筋完全擴展（總計和面過程15 min），即為準備好的面團。

（3）面團分割、成型。使用自動分割滾圓機或面團分切機將面團分切成單重50 g小面團，并滾圓成型。

（4）預醒發。將成型后的面團擺放入烤盤后置于盤車最頂層，于36 ℃，相對濕度為80%～85%RH的醒發室內的固定中心位置進行預醒發60 min。

（5）冷凍。根據《食品生產許可分類目錄》（國家市場監督管理總局公告〔2020〕年第8號）的品種明細表，冷凍面團應歸口于速凍面米制品類別的速凍其他面米制品，根據《速凍食品生產許可審查細則》要求，冷凍面團采用速凍工藝進行處理。即將預處理的食品放在-30～-40 ℃的裝置中，在30 min內通過最大冰晶生成帶，使食品中心溫度從-1 ℃降到-5 ℃，其所形成的冰晶直徑小于100 μm。速凍后的食品中心溫度須達到-18 ℃以下，然后立即包裝進入凍庫。

（6）凍藏。將面包冷凍面團置于-18 ℃凍庫內貯存，溫度波動最大不能超過2 ℃。

（7）解凍。放置在面包醒發間內于38 ℃下解凍1 h，然后在溫度32 ℃，濕度70%～80%RH的條件下進行醒發30 min[8]。

（8）烘烤。使用層烤爐，每次擺放一個烤盤（擺放15個50 g面團，烘箱腔容180 L），并將其放置在烤爐的中間位置。設置烘烤溫度面火220 ℃，底火190 ℃，烘烤時間11 min。

（9）冷卻（清風冷卻、強冷卻）。烘烤后的面包迅速轉入清風冷卻間（10萬級，直排熱氣）15 min，后轉入環境溫度控制24 ℃的強冷卻間（10萬級）內冷卻15 min。

（10）包裝后即為成品。

1.2.3 相對發酵力測定方法

面團相對發酵力（FP）采用量筒法測定面團發酵體積。分別將凍前及凍后7 d的同批次的50 g面團在500 mL量筒底部壓實，置于36 ℃、相對濕度80%RH的醒發室內，觀測量筒內面團體積不再增大時，其最終刻度值即為面團發酵體積，分別測得新鮮面團發酵體積V1及凍后7 d的體積V2。測定5組平行樣，結果取平均值，根據式（1）計算：

1.2.4 面包的高徑比測定

高徑比（RHD）是面包的高度與其底面直徑的比值。通過游標卡尺測定成品面包的直徑D和高度H，測定5組平行樣，結果取平均值，根據式（2）計算：

1.2.5 面包的比容測定

面包的比容（SV）按照《面包》（GB/T 20981—2007）的6.5條款“比容”項目方法二測定[9]。具體操作步驟如下：取一個500 mL的燒杯，將小顆粒填充劑（本研究使用小米）加入填滿并搖實后將杯口刮平，用量筒測量填充劑記錄為體積V3，取一個待測面包稱得重量后放入該燒杯中，再次將小米填充入燒杯，完全覆蓋面包樣品并搖實填滿，用直尺將填充劑刮平，取出面包，將小米倒入量筒中測量體積V4，兩次體積之差（V3-V4）即為面包體積ΔV，面包體積與質量的比值得到面包的比容，單位為mL?g-1，根據式（3）計算：

在重復性條件下獲得的兩次獨立測定結果的絕對差值，應不超過0.1 mL·g-1。

1.2.6 4種加工因素對面包冷凍面團烘焙特性的影響

根據表2的水平值，酵母用量及加水量分別按混合粉總質量的百分比添加，設置8 min、10 min、12 min、14 min、16 min、18 min和20 min的和面時間制作面包冷凍面團，每個單因素作為變量時，其余參數按照既定配料及程序固定不變；設置預醒發溫度為36 ℃，以每15 min為間隔，預醒發時間從0 min至90 min，迅速轉移至-30 ℃以下的速凍庫中完成凍結，包裝后置于-18 ℃凍庫貯藏7 d后取出，分別測定面團的相對發酵力以及成品面包的高徑比和比容。

表2 4種加工因素取值水平表

1.2.7 面包冷凍面團關鍵生產工藝優化

根據單因素試驗坡頂水平值范圍，采用Behnken-Box的4因素3水平試驗設計方案，以酵母用量（X1）、和面時間（X2）、加水量（X3）、預醒發時間（X4）為變量，以面包的比容值為響應指標，并通過響應面分析，優化面包冷凍面團的關鍵生產工藝參數。Behnken-Box試驗設計方案的因素與水平設計見表3。

表3 Behnken-Box試驗設計因素水平表

1.2.8 數據處理

試驗數據采用MS Excel 2010軟件對4種加工因素影響面包比容、相對發酵力及高徑比制作折線圖；采用Design-Expert 12軟件對Behnken-Box數據進行處理及顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 數據分析

2.1.1 4種因素對面包冷凍面團烘焙特性的影響

（1）由圖1可知，加水量和預醒發時間對冷凍面團的相對發酵力影響較酵母添加量以及和面時間顯著。尤其值得注意的是，當加水量和預醒發時間超過第5水平值后，冷凍面團發酵力呈急劇下降趨勢；綜合圖2及圖3，可發現4種因素對比容值及高徑比影響線型趨勢相似，總體呈現爬坡形態（先隨著水平值增大而增加，后隨著水平值增大又呈下降），這也說明了比容值與高徑比二者關系密切，高徑比值越大，面包形態越飽滿且其比容值越高。

圖1 各因素對冷凍面團相對發酵力的影響圖

圖2 各因素對冷凍面團面包比容的影響圖

（2）酵母是面團起發和為面包產品提供風味的必要的加工助劑[10]，其在急凍及凍藏后的生存率及產氣力直接影響面團的起發程度，從而影響面包成品的組織結構，在冷凍面團中起到關鍵作用[11]。冷凍面團在冷凍條件下長期貯存，烘焙出的面包易發生塌陷、皺縮等缺陷，研究表明，這些現象的產生與冷凍面團中酵母的狀態直接相關[12]。面團在凍藏過程中，酵母細胞因為凍藏導致關鍵酶的活性喪失造成呼吸系統受損[13]，胞內產生的冰晶會隨著貯存期的延長，溫度波動等條件不斷生長，致使細胞損傷、破裂，從而導致酵母細胞的失活和死亡。酵母添加量不足，則冷凍面團解凍后留存的酵母活細胞數及酵母活性不足以使面團二次醒發擴展，比容偏小[7]；若添加過量的酵母，隨著凍藏過程中凋亡的酵母細胞數量的增多，大量具有還原性的谷胱甘肽被釋放，反而將面筋蛋白網絡結構中的關鍵的二硫鍵還原為巰基[14]，直接導致面團的持氣能力和骨架支撐力下降，則面團的相對發酵力、成品面包的高徑比與比容值均會下降，因此影響面團品質。圖1～圖3顯示，在第5水平值即酵母用量為混合粉質量的3.0%時，面包冷凍面團的各烘焙特性指標均達到最大值。添加量少于或多于此范圍時，對面團的發酵及成品面包的品質產生不利影響。

圖3 4因素對冷凍面團面包高徑比的影響圖

（3）加水量及和面時間這兩個加工因素直接作用于面筋結構從而影響面包烘焙品質，圖1～圖3結果表明，加水量為第4水平值即62%時，和面時間為第4水平值至第5水平值即14～16 min時，面包冷凍面團的相對發酵力和成品面包的比容值、高徑比基本達到最大值。而低于或高于此區間范圍的水平值時，各指標均呈負相關的關系。這也提示著加水量和和面時間對面筋結構形成起著既促成又反作用的關系，面筋的形成需要面筋蛋白與水分在一定的時間里充分糅合，加水量或和面時間不足時面筋蛋白未能充分與水作用或機械揉搓，面筋的網絡結構形成不充分，面筋強度不足，面團發酵時無法充分擴展，加工性能低，另一方面，研究表明，面包老化速率與水分含量有直接關系[15]，面團在烘焙過程中水分急劇損失，加水量不足將直接導致烘烤后面包嚴重失水發硬、老化；反之，和面時間過長則會造成面筋的機械斷裂，破壞面筋網絡結構，亦影響面團的起發程度[16]；加水量過多則導致凍藏過程中產生大量的冰晶對面團結構造成破壞[17]，且淀粉顆粒的吸水膨脹程度會隨之降低，使面團的流散性增大，不僅難以成型，而且容易軟塌無法醒發，則成品面包的烘焙品質下降[18]。

（4）醒發是面包制作過程中的一個重要環節，在這個階段隨著酵母產生的氣體增多和氣泡的增長，讓面團內部組織綿密含有較多氣孔，因此面團的物理性質例延展性、保氣性等得到提升，RASANEN等認為適宜的預醒發可賦予冷凍面團冷凍耐受能力[19]，經適當預醒發處理的面團的氣孔組織可以容納冰晶，一定程度上削減了凍藏過程中冰晶對面團的機械損傷[20]。由圖1～圖3可知，面包冷凍面團烘焙特性的各項指標約在30 min的預醒發時間時達到最大水平，總體趨勢類似斜率先增后減的三角形線性關系。這提示著若發酵時間不足，冷凍后的面團結實，網狀結構緊密，制作出來的面包質感比較堅硬，體積小；若發酵時間過長，發酵后的面團會產生濕沾、脆裂、皺縮等現象，制作出來面包渣較多[21]。

2.1.2 面包冷凍面團的生產工藝參數的優化

根據各單因素試驗結果，選取A酵母用量（X1）、B和面時間（X2）、C加水量（X3）、D預醒發時間（X4）4種因素，以比容值為響應指標，采用Design-Expert 12軟件Behnken-Box試驗設計方案并分析數據，優化面包冷凍面團的關鍵生產工藝參數。Behnken-Box試驗設計的因素取值水平與結果見表4。

表4 Behnken-Box試驗設計方案及結果表

P-value 界值以 P ＜ 0.01 為極顯著， 0.01 ＜ P ＜ 0.05為顯著， P ＞ 0.05 為不顯著。采用DX軟件Fit Summary推薦的Quadratic算法，得出模型極顯著（P＜0.01），失擬不顯著（P=0.173 9＞0.05），4種單因素影響顯著（P＜0.01），AB極顯著（P＜0.01）、AC顯著（0.01＜P＜0.05），其中AD、BC、BD、CD、D2兩兩交互作用不顯著，在模型中予以抹除，得到的4種因素與面包比容值的數學回歸方程式：

通過分析圖4酵母用量與和面時間的交互作用對冷凍面團面包比容等高線及響應面圖可知，冷凍面團成品面包的比容受酵母用量與和面時間的交互作用的影響極顯著（P＜0.01）。當酵母用量在水平在0時，和面時間在-0.5～0.5水平以內，均可獲得高水平的面包比容值；當和面時間在水平0時，酵母的用量范圍僅局限在0水平附近范圍方能有高比容值；當二因素均為0水平時，成品面包的比容達到最大值；當酵母用量增加或和面時間延長，或酵母用量較少或短時和面，該二因素的交互作用均會抑制冷凍面團面包比容值，總體呈現負相關趨勢，這與上文研究的結果及分析相符合。

圖4 酵母用量與和面時間的交互作用對冷凍面團面包比容等高線及響應面圖

由圖5可得，冷凍面團成品面包比容受酵母用量和加水量交互作用影響顯著（0.01＜P＜0.05），在模型中當酵母用量和加水量在-0.5～0.5水平范圍內時，兩因子的交互作用可得到較高水平面包比容值；但值得注意的是，但當酵母用量高于0.5或低于-0.5水平時，不論加水量水平高低與否，二者交互作用都是抑制面包比容，這也提示酵母數量不足時，面團未得到醒發或醒發不足，很難通過單純提高面筋結構或質量而得到良好的烘焙特性；而酵母添加量過多時，通過前文研究及探討可知，凋亡的酵母細胞釋放谷胱甘肽對面團的面筋結構及面包的比容影響顯著，這與本研究中單因素試驗結果相吻合。

圖5 酵母用量與加水量的交互作用對冷凍面團面包比容的等高線及響應面圖

3 驗證試驗

通過DX軟件Optimization-Numerical選項卡，選取冷凍面包比容值為最大化目標值，得出面包冷凍面團預測最佳制作工藝條件：酵母用量占混合粉質量的3.04%，和面時間為16.35 min，加水量62.51%，預醒發時間為38.10 min，此條件下的冷凍面團焙烤后面包比容能達到3.892 mL?g-1，考慮實際生產過程的添加量，將各參數修約為酵母用量3.0%，和面時間16.5 min，加水量62.5%，預醒發時間38.0 min。該條件下，實測3次重復試驗面包冷凍面團成品面包的比容均值為3.89 mL?g-1，與理論值接近，說明建立回歸方程式及模型與實際生產擬合，可用于指導實際面包冷凍面團的生產。

4 結論

本研究采用Behnken-Box試驗建立了酵母添加量、和面時間、加水量、預醒發時間與冷凍面團成品面包的比容的二次數學回歸模型，并對4個因子的優化組合進行了探討及驗證，為實際面包冷凍面團的加工提供了理論依據。但未將冷凍面團面包的感官指標上納入評價體系，在此研究基礎上，今后可進一步重點結合使用抗凍酵母、添加面包改良劑等對面包冷凍面團烘焙特性的影響進行探究。