響應(yīng)面法優(yōu)化黑小米代餐粉配方

陳靜，丁潔，沙芮，牛犇*，王明遠(yuǎn)，馬文智

1. 甘肅省商業(yè)科技研究所（蘭州 730010）；2. 山丹縣治鷹農(nóng)業(yè)科技有限公司（張掖 734100）

黑小米營(yíng)養(yǎng)豐富，每百克黑小米含9.7 g蛋白質(zhì)、3.5 g脂肪、72～76 g淀粉、29 mg鈣、240 mg磷和7.8 mg鐵，與大米相比，維生素B1高1.5倍，維生素B2高1倍，粗纖維高4～7倍。黑小米還含有豐富的氨基酸，特別是人體必需的色氨酸、亮氨酸、精氨酸，含量比其他糧食都高。黑小米無論是煮飯或熬粥都容易被人體消化吸收，消化吸收率高達(dá)97.4%。目前市售黑小米數(shù)量較少，且市售種類僅為原材料，新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)市場(chǎng)空白，其營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)和資源價(jià)值未能有效釋放。同時(shí)，黑小米在甘肅省山丹縣有地域種植優(yōu)勢(shì)，為了提升黑小米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，推動(dòng)甘肅省農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足人們對(duì)黑小米產(chǎn)品綠色、無公害、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的需求，推動(dòng)黑小米產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，此次試驗(yàn)以黑小米為主要原料進(jìn)行開展。

蕎麥營(yíng)養(yǎng)豐富，是一種藥食兩用植物，蕎麥含有豐富的膳食纖維、氨基酸、脂肪酸、有機(jī)酸等。此外，蕎麥中含有的蘆丁和黃酮類化合物具有預(yù)防心腦血管疾病和清除自由基等保健功效。同時(shí)，蕎麥中所含的高膳食纖維具有良好的預(yù)防便秘作用，經(jīng)常食用對(duì)預(yù)防大腸癌和肥胖癥有益[1-4]。玉米含有多種天然維生素，經(jīng)常食用可降低膽固醇、降血壓、降血脂、降血糖、調(diào)節(jié)便秘、護(hù)膚養(yǎng)顏[5]。黑芝麻營(yíng)養(yǎng)豐富，作為藥食同源物質(zhì)具有保護(hù)肝腎、抗腫瘤、消炎殺菌、抗氧化、抗衰老、防止動(dòng)脈粥樣硬化、調(diào)節(jié)血脂、保護(hù)神經(jīng)等功效[6]。

代餐粉是由一種或多種原輔料，按照一定的方法、配比混合調(diào)配而成的沖調(diào)粉劑產(chǎn)品[7]，由于其食用方便快捷、適用人群廣泛、低熱量、高纖維、易飽腹等優(yōu)點(diǎn)而受到消費(fèi)者青睞，在現(xiàn)代快節(jié)奏的社會(huì)生活中成為頗受人們歡迎的食品之一，現(xiàn)也常作為一種新型的手段應(yīng)用于糖尿病、高脂血癥等疾病的臨床干預(yù)[8-10]。目前市場(chǎng)上有單一原料的代餐粉，如：蔣勇等[11]開發(fā)的豆腐渣代餐粉，具有低鈉鹽、低能量、營(yíng)養(yǎng)均衡等特點(diǎn)；也有多種復(fù)合原料的代餐粉，如藜麥南瓜復(fù)合粉，營(yíng)養(yǎng)豐富，沖調(diào)性好[12]。復(fù)合代餐粉能夠?qū)⒃细髯缘幕钚猿煞只ハ嘟Y(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同增效的作用遠(yuǎn)比單個(gè)營(yíng)養(yǎng)素更加有利于人體健康[13]。我國(guó)傳統(tǒng)膳食結(jié)構(gòu)是以谷物為主，谷物早餐中營(yíng)養(yǎng)含量比較多，有很好的口感，衛(wèi)生水平比較高，而且能夠很好地被人們吸收，老少皆宜[14]。隨著人們生活水平日益提高，保健意識(shí)逐漸增強(qiáng)，谷物代餐粉市場(chǎng)前景十分廣闊，近年來，基于全谷物營(yíng)養(yǎng)的雜糧主食化加工受到食品企業(yè)的熱愛。

綜上，此次試驗(yàn)主要利用營(yíng)養(yǎng)豐富的黑小米作為主要原料，利用擠壓膨化技術(shù)，通過快速加壓升溫，促使淀粉糊化，瞬間減弱壓力使雜糧組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改善其質(zhì)地和口感[15]，再搭配玉米粉、蕎麥粉等雜糧粉，研究調(diào)配出口感優(yōu)良、沖調(diào)性好的代餐粉。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

黑小米，產(chǎn)地甘肅省山丹縣；玉米、黑芝麻、蕎麥、黑豌豆，購(gòu)于蘭州市城關(guān)區(qū)張?zhí)K灘糧油市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)儀器

XS225A型電子分析天平（普利塞斯，瑞士）；UPH-1-40L優(yōu)普系列超純水器（四川優(yōu)普超純科技有限公司）；篩子；燒杯；量筒；攪拌棒；紙杯。

2 試驗(yàn)方法

2.1 黑小米代餐粉的制備方法

黑小米、玉米、黑豌豆、黑芝麻、蕎麥擠壓膨化后粉碎過0.600 mm（30目）孔徑篩標(biāo)準(zhǔn)化。按照不同配比將各種配料稱重后混合均勻即可。

2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

固定黑小米粉添加量10.0 g，選取黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量4個(gè)因素，保持其中3個(gè)固定因素不變，對(duì)另外1個(gè)變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。請(qǐng)3位評(píng)委按照表1對(duì)黑小米代餐粉感官指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，確定3個(gè)因素的配方量。單因素試驗(yàn)中各因素水平分別為：黑豌豆粉添加量1，2，3，4和5 g；黑芝麻粉添加量1，2，3，4和5 g；蕎麥粉添加量1，2，3，4和5 g；玉米粉添加量1，2，3，4和5 g。將所有原料混勻后，添加6倍量的60 ℃溫開水?dāng)嚢杈鶆颍ê谛∶追坶_水沖調(diào)結(jié)塊現(xiàn)象嚴(yán)重，選擇溫水沖調(diào)，根據(jù)前期小試試驗(yàn)確定，黑小米粉在60 ℃溫水下溶解性最好。水量添加過多會(huì)導(dǎo)致代餐粉過于稀釋，水量添加過少又導(dǎo)致溶解不充分，根據(jù)前期小試試驗(yàn)，確定添加6倍水后沖調(diào)口感最好），由評(píng)委對(duì)代餐粉進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

表1 黑小米代餐粉感官評(píng)價(jià)表

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化黑小米代餐粉配方

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以感官評(píng)價(jià)得分為指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，見表2；根據(jù)代餐粉制備方法2.1配制黑小米代餐粉，每組重復(fù)3次，將所有原料混勻后加入6倍60 ℃溫水?dāng)嚢杈鶆颍瑢?duì)其進(jìn)行感官評(píng)分。

表2 Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì) 單位：g

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 黑豌豆粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

黑豌豆粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響見圖1。

由圖1可知，隨著黑豌豆粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)添加量為3 g時(shí)，感官評(píng)分最高，為85.7分。黑豌豆粉有天然豌豆的香味，添加量少時(shí)香味較淡，添加量多時(shí)略微帶有豆腥味，因此選擇黑豌豆粉的添加量2～4 g為響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平。

圖1 黑豌豆粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

3.1.2 黑芝麻粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

黑芝麻粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響見圖2。

由圖2可知，隨著黑芝麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)添加量為3 g時(shí)，感官評(píng)分最高，為86.5分。黑芝麻粉有濃厚的芝麻香味，但黑芝麻粉油性比較大，溶解性較差，添加量過多會(huì)導(dǎo)致沖調(diào)時(shí)結(jié)塊較多，且黑芝麻粉末顆粒較為粗糙，添加過多會(huì)使代餐粉色澤整體不均勻有雜質(zhì)，因此選擇黑芝麻粉的添加量2～4 g為響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平。

圖2 黑芝麻粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

3.1.3 蕎麥粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

蕎麥粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響見圖3。

由圖3可知，隨著蕎麥麻粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)添加量為4 g時(shí)，感官評(píng)分最高，為86.4分。蕎麥粉有淡淡的蕎麥清香味，但添加量多后會(huì)有略微的苦澀味，因此選擇蕎麥粉的添加量3～5 g為響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平。

圖3 蕎麥粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

3.1.4 玉米粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

玉米粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響見圖4。

由圖4可知，隨著玉米粉添加量的增多，黑小米代餐粉的感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)添加量為3 g時(shí)，感官評(píng)分最高，為86.9分。玉米粉有其獨(dú)特的香味，但玉米粉顆粒較粗糙，且添加量多后會(huì)掩蓋其他配料的香味，影響代餐粉整體感官，因此選擇玉米粉的添加量2～4 g為響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平。

圖4 玉米粉添加量對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、蕎麥粉添加量、玉米粉添加量為自變量，以感官評(píng)分值為響應(yīng)值，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行四因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共包括29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為析因點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)以估計(jì)誤差。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，擬合得到四個(gè)因素與感官評(píng)分之間的二次回歸方程：

Y=92.24-2.28A-1.04B-0.21C+0.067D-7.15AB-1.43AC-1.03AD-1.55BC-6.22BD-1.60CD-7.15A2-4.79B2-3.96C2-4.32D2

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4，模型p值＜0.01，說明回歸模型極顯著。失擬項(xiàng)p值＞0.05，p為不顯著，說明回歸模型顯著。試驗(yàn)中的決定系數(shù)R2=0.984 5，R2adj=0.969 0，說明回歸模型與試驗(yàn)值擬合得較好，可用于黑小米代餐粉感官評(píng)分的理論推測(cè)和分析。

由表4中各因素p值的大小可知，黑豌豆粉添加量、黑芝麻粉添加量、黑豌豆粉添加量與黑芝麻粉添加量相互作用、黑芝麻粉與蕎麥粉添加量相互作用、黑芝麻粉添加量與玉米粉添加量相互作用、蕎麥粉與玉米粉添加量的相互作用影響極顯著，黑豌豆粉和蕎麥粉添加量相互作用顯著。同時(shí)，四個(gè)因素對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)價(jià)影響排序?yàn)楹谕愣狗厶砑恿浚竞谥ヂ榉厶砑恿浚臼w麥粉添加量＞玉米粉添加量。

表4 二次回歸模型的方差分析結(jié)果

3.2.3 因素交互作用分析

為了進(jìn)一步研究相關(guān)變量之間的交互作用以及確定最優(yōu)點(diǎn)[16-17]，利用Design-Expert軟件分析二次回歸模型，繪制響應(yīng)面分析立體圖和等高線圖。圖5為響應(yīng)面分析立體圖和等高線圖。

圖5 各因素相互作用對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分的影響

等高線呈橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反，響應(yīng)曲線能直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。圖6為兩種因素水平為0時(shí)，另外兩因素對(duì)黑芝麻黑色素得率的交互作用。由圖6可看出，圖6中（a，d，e和f）的等高線均呈橢圓形，其中圖6（a）和圖6（e）的3D曲面坡度最大，所以黑豌豆粉與黑芝麻粉添加量、蕎麥粉與黑芝麻粉的添加量、玉米粉與黑芝麻粉的添加量、玉米粉與蕎麥粉的添加量交互作用對(duì)黑小米代餐粉感官評(píng)分影響極顯著，而黑豌豆粉與玉米粉添加量對(duì)感官評(píng)分交互作用影響不顯著。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析得出黑小米代餐粉最佳口感的各配料配比：黑小米粉添加量10 g，黑豌豆粉添加量3 g，黑芝麻粉添加量3 g，蕎麥粉添加量4 g，玉米粉添加量3 g，即W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W蕎麥粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3，加入60 ℃ 6倍溫水?dāng)嚢杈鶆颍瑢?shí)際測(cè)得黑小米代餐粉感官評(píng)分為92.43分，與理論值92.24分相比，誤差為0.21%。因此，試驗(yàn)得到的最優(yōu)條件準(zhǔn)確可靠，具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

研究綜合考慮黑小米代餐粉的風(fēng)味、口感、沖調(diào)性以及色澤，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)黑小米代餐粉配方進(jìn)行優(yōu)化，確定影響黑小米代餐粉感官評(píng)分的因素主次順序?yàn)椋汉谕愣狗厶砑恿浚竞谥ヂ榉厶砑恿浚臼w麥粉添加量＞玉米粉添加量。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立預(yù)測(cè)模型，得到黑小米代餐粉最佳工藝配方為：W黑小米粉∶W黑豌豆粉∶W黑芝麻粉∶W蕎麥粉∶W玉米粉=10∶3∶3∶4∶3。在此配方下沖調(diào)出的黑小米代餐粉外觀細(xì)膩均勻，沖泡后口感清香怡人。本試驗(yàn)建立的指標(biāo)模型預(yù)測(cè)能力較好，可用于黑小米代餐粉配方優(yōu)化研究。