海水稻米糠餅干生產工藝優化及其品質特性分析

何靜盈，李海玲，皮彩玉，唐振冬，徐 杰，蘇偉明?，鐘賽意

（廣東海洋大學 食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，廣東省海洋生物制品工程實驗室，廣東省海洋食品工程技術研究中心，廣東省亞熱帶果蔬加工科技創新中心，廣東 湛江 524088）

水稻是世界上最重要的糧食作物之一[1]。隨著全球人口增長，糧食需求刺激水稻新品種的開發，近年來研究發現海水稻能在海岸灘涂地生長，介于野生稻和栽培稻之間，米粒為紅色，植株高大松散[2]。海水稻可以種植于鹽堿性地區，是一種鹽堿耐性強的水稻品種[3-4]。海水稻富含獨特的活性有機化合物六磷酸肌醇酯（IP6），IP6具有抑制致癌物質、清除自由基、免疫調節等功效[5]。水稻加工副產物是世界范圍內重要的生物質資源，海水稻副產物比普通大米副產物含有更多的鈉、鎂和鈣等元素，海水稻殼中鈉的含量約為普通稻殼的30倍，且其鉀的含量也較低，從而增加熱穩定性[6]。

米糠是谷物精制過程中產生的主要副產物，主要由糊粉層、種皮和胚芽組成，含有稻米中64%的營養成分[7]。劉雪瀾等研究發現擠壓穩定化米糠添加量對餅干色澤、口感影響較大，對形態、氣味影響較小[8]。李佳梅等研究發現發酵脫脂米糠添加量為10%、淀粉添加量為5%、烘焙溫度240 ℃時感官品質最佳[9]。近年來，國際上開發了許多以水稻米米糠為原料的高附加值保健食品與化妝品。我國水稻米米糠年產量超過1 000萬t[10]，但大部分卻僅用于做動物飼料，造成了極大的資源浪費。迄今為止，研究人員對于米糠的研究也僅限于用水稻米糠制備植酸鈣、肌醇等[11-12]，對于海紅米米糠的深加工利用較少，因此本實驗旨在研究開發海水稻副產物的精加工產品，探討其最佳生產工藝，提高海紅米米糠的深加工利用價值。餅干是以小麥粉為主要原料，加入糖、油脂等原料烘烤而成的休閑食品[13]，本研究將海水稻副產物米糠添加至餅干配方，在傳統餅干工藝配方的前提下，將米糠加入到餅干之中，在增添特殊口感風味的同時提高餅干的營養價值[14]。米糠富含膳食纖維，鑒于其治療潛力，其添加有助于開發目前需求量很大的功能性食品。本研究以期開發一種新型品種餅干，提高海水稻的綜合利用，同時為海水稻副產物米糠的開發利用做參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠為廣東省湛江市遂溪產耐鹽堿海水稻的加工副產物，2020年收獲后常溫真空貯藏，采用新鮮無變質米糠制作餅干。新良澄面小麥淀粉、甘汁園綿白糖、吉得利玉米淀粉、新良魔堡低筋蛋糕粉和黃油粉（均為食品級）：廣東省湛江市昌大昌購物廣場。

1.2 儀器與設備

質構儀（TA.XT plusC）：英國TA公司；電子鼻（PEN3）：德國AIRSENS公司；電熱恒溫鼓風干燥箱：上海博訊公司；超微粉碎（ZKY-303CS）：北京中科浩宇公司；電烤爐（SM-503）：廣州市深華生物技術有限公司；

1.3 實驗方法

1.3.1 餅干制備的工藝流程

原料預處理→稱量→調粉→攪拌塑性→成型→烘烤（上下火170 ℃，16 min）→冷卻→待測成品

1.3.2 操作要點

1）米糠粉的制備：將原料米糠去除雜物后，放于鼓風干燥箱中80 ℃干燥6 h，烘干后的米糠用超微粉碎機磨成粉體，過80目篩。2）黃油的處理。稱取一定量的黃油，于室溫軟化至可用勺子輕輕按動變形；用打蛋器將黃油打發至泛白的羽毛狀，加入糖粉和雞蛋繼續攪打至糖完全溶解，成為一混合均勻體系。3）調制油面漿。將面粉過篩以一定的比例混合均勻，加入打發好的黃油、雞蛋中，順時針小心攪拌均勻。4）成型。把調制好的油面漿裝入擠壓槍中（不要超過2/3），擠壓到烤盤里，注意擠出的餅胚大小要差不多，行間距適當。5）焙烤。提前將烤箱預熱，將曲奇放入烤箱，上下火170 ℃左右，焙烤時間16 min，熟透后出爐，自然冷卻。

1.3.3 單因素實驗設計

參考孫哲[15]等的配方，以面粉的全部重量為基準100%（60 g低筋面粉+22.5 g粟粉+12.5 g澄面），以63.15%低筋面粉、23.68%粟粉、13.16%澄面、5.26%米糠、63.15%黃油、26.32%雞蛋、31.58%白砂糖為基礎配方，確定焙烤溫度為170 ℃和焙烤時間為16 min。在基礎配方上進行優化，通過改變米糠粉、黃油和細砂糖添加量，以感官評分來確定海水稻米糠餅干的最佳工藝參數。研究米糠添加量（0%、5.26%、10.53%、15.79%、21.05%）、黃油添加量（42.11%、52.63%、63.16%、73.68%、84.21%）、細砂糖添加量（10.53%、21.05%、31.58%、42.11%、52.63%）對米糠餅干感官評分的影響。每組單因素進行平行實驗3次。

1.3.4 響應面設計實驗

在單因素實驗的基礎上，根據Box-Behnken組合實驗設計原理[16]，選取米糠添加量（A）、黃油添加量（B）、細砂糖添加量（C）3個因素為自變量進行3因素3水平的響應面設計實驗，以感官評分（Y）為響應值，使用Design Expert 10.0.7軟件進行模型擬合，采用最佳工藝條件制作感官評分較高的米糠餅干。響應面實驗因素水平表如表1所示，以–1，0，+1進行編碼。

表1 實驗因素與水平表Table 1 Test factors and levels

1.3.5 感官評價

根據GB/T 20980—2007《餅干》中酥性餅干的感官指標[17]，對海水稻餅干形態、色澤、香味，口感和組織進行測評，12名食品專業同學對米糠餅干進行感官評定，評分標準為12人的平均值，餅干的感官評價標準如表2所示[18]。

表2 餅干感官評分標準與細則表Table 2 Biscuits sensory scoring standards and rules

1.3.6 質構分析

采用三點彎曲檢測裝置探頭HDP/3PB進行餅干的彎曲實驗[19]，將餅干放在探頭正下方，餅干與探頭保存20 mm距離，每組進行15次平行實驗，取平均值[20]，測試餅干的硬度及脆性。質構儀測定參數為：測前速度為2.5 mm/s，測時速度為2.0 mm/s，測后速度為10.0 mm/s，目標模式為15 mm，觸發力為20 g，數據采集速率為500 pps。

1.3.7 電子鼻系統分析

電子鼻是由傳感器模擬人的感官嗅覺對樣品揮發物進行感知、分析和判斷，并最終由模式識別子系統對信號處理的結果做出判斷[21]。使用PEN3電子鼻檢測不同米糠添加量的樣品，米糠添加量（0%、5.26%、10.53%、15.79%、21.05%）、黃油添加量63.16%、細砂糖添加量21.05%，5組樣品組樣品分別稱量20 g于洗凈烘干的頂空瓶中，常溫下密封靜置30 min后氣體飽和穩定進行電子鼻數據檢測。每組每次檢測之前都對傳感器進行標準化處理，處理時間為60 s，檢測時間60 s，每組數據均取55 s的信號作為分析點，每個樣品平行測定3次。每隔1天對樣品檢測1次，平行檢測5天。

表3 傳感器性能描述Table 3 Sensor performance description

1.4 數據分析

數據均測定三次，取平均值。使用Design Expert 10.0.7軟件進行響應面優化設計，origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

米糠添加量對感官評價的影響如圖1-a所示，米糠的添加量小于10.52%，對餅干感官評分無顯著影響，隨著米糠添加量大于10.53%時，餅干的感官評價降低且有顯著性差異（P＜0.05）。米糠粉的添加量為10.53%時，海紅米糠餅干的感官品質最佳，感官評分為86分。研究表明，海水稻中2-乙?；?1-吡咯琳含量高達228 mg/kg，賦予海水稻一種特殊的芋香味[22-23]。當米糠占比過多時，因為米糠具有特殊的香芋氣味，餅干香味十分濃郁；但由于米糠是稻谷的種皮，粗纖維很多，導致餅干口感十分粗糙且質地過硬，顏色加深。當降低米糠比重、增多低筋面粉時，餅干的獨特香芋風味降低、餅干口感厚重、酥脆不足。

黃油添加量對感官評價的影響如圖1-b所示，當黃油的添加量逐漸增大時，餅干的感官品質先升高后降低。黃油添加量為63.16%時，餅干的感官評分最高且有顯著性差異，為83分。當黃油含量過少時，餅干色澤呈深褐色，光澤較淡且無海紅米特殊香氣；當黃油含量過多時，餅干色澤呈金黃色，但奶香味過濃、掩蓋住了海紅米糠的特殊風味。

圖1 米糠、黃油、細砂糖添加量對餅干風味品質的影響Fig.1 Effect of seawater rice husk bran, butter and sugar addition on biscuit quality

細砂糖添加量對感官評價的影響如圖1-c所示，當細砂糖的添加量不斷增大時，餅干的感官品質先升高后降低。細砂糖添加量為21.05%時，餅干的感官評分最高，為81分。當細砂糖的添加量過高時，由于烘烤過程中的焦糖化作用和美拉德反應，餅干會因此變成棕褐色導致視覺效果極低；當細砂糖添加量＜21.05%時，餅干口感偏淡且不松脆。

2.2 響應面實驗設計及結果

2.2.1 配模型建立與回歸分析結果

根據單因素實驗結果，利用Design-expert軟件對其響應面實驗結果進行分析，結果見表4，共17組實驗方案，其中12組析因實驗組及5組中心實驗組。考察海水稻米糠（A）、黃油（B）、細砂糖（C）等3因素的添加量對餅干的感官評價影響，利用軟件對數據進行分析及回歸擬合后，其回歸方程為：

表4 響應面設計與結果Table 4 Response surface design and results

2.2.2 響應面實驗方差分析

海水稻米糠餅干響應面法優化回歸方差分析結果見表5，該模型P＜0.000 1，表明實驗模型極顯著，具有統計學意義。同時，失擬項P=0.324 5＞0.05，結果不顯著，說明該模型與實際擬合程度較高，采用該響應面優化來預測海水稻米糠餅干的最佳工藝參數是可行的；且矯正決定系數=0.995 3，變異系數CV =0.85%，進一步說明模型可靠性[24]。根據各影響因素的均方值，可知各因素對感官評分的影響大小為：細砂糖添加量＞黃油添加量＞米糠添加量，且細砂糖添加量的均方值遠大于其他兩因素，所以細砂糖添加量可以較大影響米糠餅干的感官評分。黃油添加量一次項（B）及二次項（B2）、細砂糖添加量一次項（C）及二次項（C2）、米糠添加量和黃油添加量交互項（AB）、黃油添加量和細砂糖添加量交互項（BC）、米糠添加量二次項（A2）對米糠餅干的感官評分均有極顯著影響（P＜ 0.01）。

表5 回歸方程方差分析Table 5 Regression equation analysis of variance

2.2.3 感官評分響應面分析

根據Design Expert軟件對回歸方程的分析，可得到兩因素間相互作用的模型響應面3D曲面圖，如圖2所示，根據曲面圖及其映射的等高線圖可以直觀的分析出各因素交互作用對米糠餅干感官評分影響[25]。由圖2（a）可看出，米糠添加量（A）和黃油添加量（B）的相互作用對米糠餅干的感官評分影響顯著（P＜0.05），當固定其中一個因素時，另一個因素對感官評分的影響均為先增加后下降的趨勢，感官評分可達到最大值，其投影點位于等高線圖的中心，且映射等高線圖呈現橢圓形，也說明米糠添加量（A）和黃油添加量（B）的交互作用明顯。由圖2（b、c）曲面圖及等高線圖可知，米糠添加量和細砂糖添加量、黃油添加量和細砂糖添加量均顯示不明顯的交互作用。

圖2 兩因素的交互作用的響應面Fig.2 Response surface plots of variable parameters

2.2.4 配方優化響應面結果

根據響應面模型預測得到的米糠餅干制備的最佳工藝條件為：米糠添加量10.53%、黃油添加量59.38%、細砂糖添加量31.12%，在此條件下得到的感官評分預測值為91.14分。在此預測條件下進行實驗，測定三次平行，所得的感官評分為（89.45±2.74）分，與預測值相差在±2%以內，表明響應面模型預測得到的最佳工藝條件準確可靠。

2.3 質構分析

通過質構對比米糠添加量，得出圖3。當米糠的添加量增大時，米糠餅干的脆性、韌性和硬度呈現先增加后減少的趨勢。米糠添加量為10.53%和15.79%的餅干硬度高于其他三組（P＜0.05），10.53%米糠餅干脆度最高，米糠添加對餅干韌性無顯著影響（P＞0.05）。當米糠添加量為10.53%時，硬度和脆性最適。增大米糠的添加量，餅干的結構變得粗糙，從而增大了硬度；當米糠添加量增大到一定限度時，米糠良好的吸水性與持水性會導致餅干水分增加，內部結構變得柔軟，從而降低了餅干硬度[26]。

圖3 米糠添加量對質構的影響Fig.3 Effect of seawater rice husk bran on biscuit texture

2.4 電子鼻分析

2.4.1 電子鼻傳感器響應分析

雷達圖被廣泛應用于電子鼻分析研究中，能夠揭示傳感器陣列對不同樣本信號響應強度的總體和個體差異。每組樣品選取穩定后的第55 s處的電子鼻響應值進行雷達圖分析[27]。圖4是電子鼻的10個傳感器對不同米糠添加量的響應值，響應值越大說明傳感器對應成分含量越多。

圖4a雷達圖可以直觀比較電子鼻對不同餅干樣品的差異，傳感器W5S、W6S和W1W對不同樣品餅干的響應值較大，說明米糠餅干的風味物質含有氮氧化物、氫化合物和有機硫化物。5個樣品在W5S、W6S、W1S和W1W傳感器的信號響應值有差異，說明這4個傳感器檢出的揮發性成分組成相差較大，而5個樣品在其余6個傳感器的信號響應值幾乎重疊，說明這6個傳感器檢出的揮發性成分組成基本相似。米糠添加量0%的餅干的雷達響應圖與其他樣品具有差異，對比發現米糠添加量越高，W1W響應信號強度較高，說明添加米糠對餅干揮發性風味有影響，其中米糠添加量為10.53%和15.79%的響應值相似[28]。

圖4 5種餅干的雷達指紋圖Fig.4 Odor radar fingerprints of 5 species of biscuits

2.4.2 主成分分析（PCA）

圖5為5組樣品的PCA二維圖，第一主成分區分貢獻率為82.69%，第二主成分區分貢獻率為11.67%，總貢獻率達到94.36%，可以充分揭示樣品信息。不同米糠添加量餅干之間不發生重疊，區分度明顯，這表明不同餅干產品的風味特征之間存在差異，可以通過電子鼻較好的區分開[29-30]。主成分分析中第一主軸貢獻率最高為米糠添加量10.53%，與其他種類距離較遠，說明和其他種類相差很大，與電子鼻雷達指紋圖表達的信息一致[31]。隨著米糠添加量增大，各樣品在第二主成分上呈現增大的趨勢，添加量21.05%時在第二主成分上差異最大。表6為樣品間的區分度，數值越接近1說明區分度越大，區別越明顯，從圖中可以看出樣品間的區分度數值都接近于1，表明電子鼻可準確區分不同米糠餅干樣品。

圖5 5種餅干樣品的電子鼻PCA二維圖Fig.5 Two-dimensional map of E-nose PCA of 5 species of biscuits

表6 不同餅干香氣成分數據矩陣表Table 6 Data matrix of different biscuits aroma components

3 結論

通過單因素實驗和響應面實驗優化米糠餅干的生產工藝，分別研究黃油添加量、細砂糖添加量、米糠添加量對米糠餅干的感官評分影響，得出各項因素對米糠餅干的影響大?。杭毶疤翘砑恿浚军S油添加量＞米糠添加量。通過電子鼻測定的雷達指紋圖和PCA分析，不同米糠添加量的可以揮發性氣味進行區分，且在米糠添加量為10.53%時能明顯與其他樣品明顯區分。通過質構分析，米糠添加量為10.53%時，餅干的硬度和脆度呈最適。確定餅干最佳工藝條件為低筋面粉63.5%、粟粉23.68%、澄面13.16%、雞蛋26.32%、黃油59.38%、細砂糖31.12%、米糠粉10.53%，焙烤溫度170 ℃，焙烤時間16 min。此條件下制出的米糠曲奇餅干口感酥脆、色澤均勻呈淺褐色，海紅米香芋味濃郁、營養豐富、增加膳食纖維，為探討不同人群適宜的休閑健康食品作進一步研究。隨著人們對營養健康需求的增加，加強海水稻米糠的資源化利用，進一步探討米糠中的營養物質在食品、醫藥等領域的應用，以實現米糠的高價值利用。