Plackett-Burman設計聯用Box-Behnken響應面法優化鮮濕米粉延緩老化的研究

楊 健, 張星燦,2, 華苗苗, 劉 建, 周澤林,2, 羅霜霜

(四川東方主食產業技術研究院1，成都 611130) (四川省食品發酵工業研究設計院2，成都 611130)

米粉制品是我國及東南亞地區人民的日常主食之一，其中鮮濕米粉因口感好而廣受到消費者的喜愛。米粉以秈米為主要原料，經粉碎、混料、熟化、成型、老化等工序制備而成[1]，在擠壓熟化成型后，淀粉分子處于熱力學不穩定的混亂體系，導致米粉易斷條、易渾湯，且食用品質較差[2]。為了改善米粉的品質，生產過程中需將米粉靜置老化一段時間，讓因熟化而破壞的淀粉分子結構重新排列成有序狀態，以使淀粉凝膠結構趨于穩態化，提高鮮濕米粉的食用品質[3]。鮮濕米粉老化與多種因素有關，包括原料品種及預處理[4-6]、加工工藝[7，8]，尤其是添加品質改良劑等。唐煜括等[9]探究茶多酚、抹茶對擠出型鮮濕米粉在180 d儲藏期內老化行為的影響，茶多酚與抹茶均能顯著降低鮮濕米粉的硬度，抑制老化程度；周劍敏等[10]探究普魯蘭多糖對秈米粉糊化特性、流變特性、凝膠質構以及微觀結構的影響，X-射線衍射結果表明普魯蘭多糖降低了淀粉的重結晶度，從而抑制淀粉老化；邱潑等[11]研究β-淀粉酶處理鮮濕米粉的抗老化效果，產品儲藏1年不回生；黃麗等[12]研究顯示羥丙基二淀粉磷酸酯(HPDSP)能顯著降低米粉老化特征峰強度與相對結晶度，降低回生焓，抑制米粉的老化；汪霞麗等[13]考察谷物淀粉、親水膠體、乳化劑、變性淀粉和多糖5大類物性修飾劑對方便濕米粉的抗老化效果。但將物性修飾、品質改良劑、生物酶處理等因素綜合考慮優化鮮濕米粉老化的研究還鮮有報道。

Plackett-Burman(PB)通過比較2水平因素與整體差異性之間的顯著效果，從較多的因素中篩選出關鍵影響因素，大幅減少實驗次數，提高實驗響應值，是一種有效的實驗設計方法[14,15]。響應面法可以評價各因素及其交互作用，從而優化工藝參數的一種實驗方法[16]。因此，Plackett-Burman實驗與最陡爬坡實驗結合Box-Behnken響應面實驗是一套經濟高效的優化實驗設計方法，在食品加工領域已被廣泛應用，但在鮮濕米粉老化優化中的應用鮮有報道。本實驗在鮮濕方便米粉二級擠壓工藝研究的基礎上，通過Plackett-Burman實驗設計篩選出延緩老化的關鍵因子，進一步結合Box-Behnken響應面法優化鮮濕米粉老化工藝，旨在控制鮮濕米粉保質期內的老化程度，以期為鮮濕米粉延長保質期提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

秈米(川種優3877)；粳米(隆兩優534)；玉米淀粉。

1.2 儀器與設備

鮮濕米粉二級擠壓生產線，JSM-5900LV掃描電子顯微鏡，DY 1291 X’Pert Pro MPDX 射線衍射儀，Universal TA質構儀。

1.3 方法

1.3.1 鮮濕米粉制作工藝

鮮濕米粉樣品制作工藝參照本團隊前期研究基礎[1]：將秈米粉與粳米粉按3∶1的質量比混合，與玉米淀粉攪拌均勻后，經和料(進料水分41%)，在高溫物理場域進行二次擠壓熟化經模板孔徑1.0 mm擠壓成型(喂料速度0.50 kg/min、一級機筒溫度179 ℃、二級機筒溫度58 ℃)，再經過冷卻、切分、老化、裝袋、滅菌、冷卻等工序而生產鮮濕米粉樣品。

大米→粉碎→和料→一次擠出熟化→二次擠壓成型→冷風冷卻→定量切分→裝袋→滅菌→冷卻→成品入庫

1.3.2 實驗設計

1.3.2.1 Plackett-Burman(PB)實驗設計篩選關鍵因子

PB實驗通過比較2水平因素的差異性和整體的差異性確定因素之間的顯著性，篩選因素[14,17]。根據預實驗結果，用Plackett-Burman實驗對交聯變性淀粉(A)、酯化變性淀粉(B)、氧化變性淀粉(C)、醚化變性淀粉(D)、黃原膠(E)、改性大豆磷脂(F)、羧甲基纖維素鈉(G)、α-淀粉酶(H)、麥芽糖淀粉酶(J)、β-淀粉酶(K)、預糊化淀粉(L)的添加量共11個因素進行進一步考察，每個因素取高低2個水平，分別用(+)和(-)代表，且高水平為低水平的1.5倍，設計實驗次數N=12的Plackett-Burman實驗，因素與水平見表1。

表1 Plackett-Burman實驗設計因素及水平

1.3.2.2 老化優化最陡爬坡實驗設計

根據1.3.2.1的Plackett-Burman實驗結果和各種因素對響應值的影響，設計最陡爬坡實驗的方向和步長。按照一定梯度改變交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶的添加量，通過測量鮮濕米粉的硬度，進而確定3個因素的最適添加量。

1.3.2.3 響應面實驗設計

在1.3.2.2節實驗結果的基礎上，以交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶的添加量為自變量，通過Box-Behnken設計三因素三水平的響應面實驗，以鮮濕米粉硬度為響應值，考察各因素對于響應值的影響程度，實驗因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken響應面實驗設計因素與水平

1.4 方法

1.4.1 鮮濕米粉硬度的測定

鮮濕米粉硬度測定方法[18]：取鮮濕米粉樣品20～30根，置于90℃以上飲用水中，沖泡3～5 min立即撈出，瀝干水分后測定硬度。測試在10 min內完成，每個樣品進行6次平行實驗，測定探頭HDP/PFS，參數為測前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度1 mm/s，壓縮率70%，時間1 s。

1.4.2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

取1.3制備的鮮濕米粉樣品，經冷凍干燥后，通過導電雙面膠將米粉樣品固定在金屬樣品臺上，緊接著真空噴金150 s，在20 kV工作電壓下，SEM采用聚焦高能電子束以光柵狀掃描方式照射到米粉樣品表面上，利用入射電子與樣品表面物質相互作用所激發出的背散射電子和二次電子來成像，以獲取米粉樣品表面的微觀形貌信息，基于觀察米粉截面、表面的形貌特征來分析差異[19-21]。

1.5 統計分析

采用SPSS 19.0統計軟件單因子方差分析(one way ANOVA)進行組間差異性比較，顯著性水平為P<0.05和P<0.01；采用皮爾森相關系數雙尾檢驗(Two-tailed)法。數據用(x±s)表示；用Design-expert 8.0.6分析Plackett-Burman實驗與Box-Behnken響應面實驗。

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman實驗設計結果

老化是米粉制作過程中極為重要的工序，是淀粉分子從無序到有序排列的一個關鍵過程。老化是否恰當，直接決定淀粉凝膠網絡結構的穩定性，進而影響鮮濕米粉品質的優劣。影響老化效果的因素有溫度、時間等，更重要的是品質改良劑對鮮濕米粉老化的調控[22,23]。老化過度米粉變硬變脆，導致沒有彈性、韌性變差且易斷，選取硬度為響應值來考察延緩鮮濕米粉老化效果的差異，通過Plackett-Burman實驗，篩選出各因素對米粉老化延緩的關鍵因素。實驗設計結果及分析分別見表3和表4。交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶3個因素通過F檢驗后，所得的P均小于0.05，它們對鮮濕米粉老化的硬度有顯著影響，其中交聯變性淀粉的影響最為顯著，因此選取這3個因素進行響應面優化實驗。這與已有研究報道[27,28]基本相符，但與部分研究報道[11,24-26]略有出入，可能是由二次擠壓工藝不同導致。

表3 Plackett-Burman實驗設計結果

表4 Plackett-Burman實驗方差分析

2.2 最陡爬坡實驗結果

響應面擬合在考察的緊接鄰域里才近似真實情形，因此要先逼近最佳區域才能建立有效的響應面擬合方程[29]。根據Plackett-Burman實驗結果分析確定交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶3個因素為影響鮮濕米粉硬度的顯著性因素。根據3個因素效應大小設定變化的方向及步長，進行最陡爬坡實驗，確定顯著因素的最適范圍，實驗設計及結果見表5。隨著交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶添加量的增加，鮮濕米粉的硬度呈逐漸降低的趨勢，減低速率越來越慢。最優老化條件可能在實驗3與實驗4之間，所以選擇最大響應區域實驗3的水平(交聯變性淀粉1.4%，改性大豆磷脂0.105%，麥芽糖淀粉酶0.014%)作為響應面實驗的中心點。

表5 最陡爬坡實驗設計及結果

2.3 鮮濕米粉品質改良劑響應面優化實驗

2.3.1 實驗回歸模型

以交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶作為自變量(A，B，C)，以硬度為響應值(Y)，采用3因素3水平進行Box-Behnken實驗設計，得到17個實驗組合點，其中心部分實驗12次，為估計整個實驗誤差，中心點[1.4%，0.105%，0.014%]重復實驗5次，實驗方案與結果見表6。

表6 響應面設計的實驗方案與結果

應用Design-Expert 8.0.7軟件對表6實驗結果進行多元回歸擬合分析，可得到硬度(Y)與各因素A、B、C之間的二次多項模型：Y=557.625-136.75A-110.375B-15 337.5C+452 500C2+22.75AB+1 925AB-1 750BC

回歸方程方差分析結果見表7。

表7 回歸模型方差分析及顯著性檢驗

由表7可知，根據F值和P值，因素對產品硬度(Y)的影響依次為C2>A>AB>B>C>AC>BC>B2>A2，其中因素C2影響極顯著(P<0.01)，因素A、AB、B、C、AC、BC影響顯著(P<0.05)，其余因素影響不顯著(P>0.05)。該回歸模型P<0.01，表明該方程模型極顯著；模型失擬項不顯著(P=0.072 2>0.05)，即該方程擬合較好；模型相關系數R2=0.933 7大于0.9，模型高度相關；信噪比RSN=12.151大于4，說明模型設計合理，可用于預測結果。根據回歸分析的結果，利用建立的數學模型，可客觀地反映出各因素的交互作用對響應值的影響，以便找出最佳工藝參數及各參數之間的相互作用。硬度對以交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶為自變量構成的三維空間圖，可以直觀地反映各自變量對硬度的影響，等高線的形狀可以反映出交互效應的強弱。

2.3.2 最適延緩老化配比驗證實驗

Design-Expert分析結果表明，當交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶添加量分別為1.63%、2.41%、0.02%時，在4 ℃儲藏8 d鮮濕米粉的硬度是125 gf。為驗證方案的有效性，進行3次重復驗證實驗，平均硬度為120 gf，標準偏差為4.45，在模型標準誤差(6.57)允許范圍內。繼續儲藏測定硬度結果見表8。與空白對照組相比，實驗鮮濕米粉儲藏8 d硬度降低了62%，在可接受范圍內(150～310 gf)時間延長至4個月。故采用響應面Box-Behnken優化獲得的鮮濕米粉抗老化方案準確可靠，對工業化生產具有實際的指導意義。

表8 鮮濕米粉延緩老化效果驗證

2.4 老化延緩對鮮濕米粉微觀結構的影響

以交聯變性淀粉、改性大豆磷脂、麥芽糖淀粉酶為主復配延緩鮮濕米粉老化。由圖1可知，鮮濕米粉樣品結構更均勻且致密，可能是本實驗既保證了鮮濕米粉老化的效果，同時延緩米粉的老化程度，確保米粉食用過程不渾湯、不斷條且具有彈性。

圖1 鮮濕米粉的SEM掃描圖

3 結論

以二級擠壓工藝制備的鮮濕米粉為研究對象，通過Plackett-Burman實驗設計與Box-Behnken響應面法相結合延緩老化。結果顯示：延緩老化的關鍵因子及復配比例為交聯變性淀粉1.63%、復配改良劑2.41%、麥芽糖淀粉酶0.02%，并建立模型預測鮮濕米粉的硬度值125 gf，實驗測定值為120 gf，說明該模型準確可靠，且保質期4個月，鮮濕米粉硬度仍處于可接受范圍。