響應面法優化復合水果麥片加工工藝

石明珠，江利華，張慧淳

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北邯鄲 056000； 2.南京江寧高等職業技術學校，江蘇南京 211100）

近年來，隨著生活水平的提高，人們對燕麥的營養和健康知識都有所了解，燕麥食品也受到廣大消費者的喜愛。而燕麥本身具有很多優質的營養素，包括蛋白質[1]、膳食纖維[2]、脂肪[3]，還富含酚類物質、甾醇、植酸、維生素E[4]和維生素B1等多種生物活性成分，對人體健康十分有益。燕麥是一種良好的食品加工原料，主要在面粉和面制品中應用較廣泛。基于燕麥的營養特性，可以將其加工為日常主食、休閑食品、功能食品。同時，也可以用于生產皮膚護理日化用品，抗過敏藥物等[5]。近兩年，由于復合麥片對于傳統燕麥片而言具有口感多樣，營養多樣等特點，得到廣大消費者的喜愛，銷量迅速上升。然而，生產復合水果麥片的企業大多數為中小型企業，其中部分企業是“小作坊式”加工企業，食品加工過程中，加工設備簡單，加工工藝參數比較模糊，沒有固定的工藝參數進行加工，生產出來的復合水果麥片口感差。因此，本研究針對以上問題，通過響應面法優化復合水果麥片的加工工藝參數，為復合水果麥片的研究和生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥片、酸奶粒、葡萄干、蔓越莓干、南瓜子仁、凍干草莓片、草莓丁、巴旦木、凍干黃桃丁、香蕉片、椰片和內包材，均購買自正規廠商。

分析天平BSM-220.4，上海卓精電子科技有限公司；BL-500 型滾筒拌料機，諸城市旭源機械有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

復合水果麥片工藝流程為原料、內包材驗收→消毒→配料→混合→灌裝→封口→金屬探測→裝箱。

1.2.2 復合水果麥片不同加工工藝參數單因素試驗設計

（1）不同拌料時間對復合水果麥片感官評分的影響。在混合速度為8 r/min、干燥劑重量為3 g 加工工藝參數下，研究拌料時間（5 min、10 min、15 min、20 min 和25 min）對復合水果麥片感官評定的影響。

（2）不同混合速度對復合水果麥片感官評分的影響。在拌料時間為15 min、干燥劑重量為3 g 加工工藝參數下，研究拌料混合速度（6 r/min、7 r/min、8 r/min、9 r/min 和10 r/min）對復合水果麥片感官評定的影響。

（3）不同干燥劑重量對復合水果麥片感官評分的影響。在拌料時間為15 min、混合速度為8 r/min 的加工工藝參數下，復合水果麥片在常溫環境下存放6 個月后，與空白組進行對比，研究添加干燥劑重量（0 g、1 g、2 g、3 g、4 g 和5 g）對復合水果麥片感官評定的影響。

1.2.3 復合水果麥片感官評定

選取20 名專業的品嘗人員，在干吃時和沖泡后對復合水果麥片進行感官評分，見表1、表2。采用百分制進行評分，干吃時感官評分為40 分，沖泡后感官評分為60 分。每組品嘗3 次，結果取3 組平均值。

表1 復合水果麥片干吃時綜合感官評分細則

表2 復合水果麥片沖泡后綜合感官評分細則

1.2.4 響應面優化試驗設計

結合單因素試驗結果，以A拌料時間、B混合速度和C干燥劑重量為考察因素，以復合水果麥片感官評分（Y）為響應值，利用Box-Behnken 進行試驗設計，并運用數據統計分析軟件進行數據分析，進而得到復合水果麥片的最佳加工工藝條件。響應面試驗設計見表3。

表3 響應面試驗設計表

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同拌料時間對復合水果麥片感官評分的影響

由圖1 可知，隨著拌料時間的增加，復合水果麥片感官評分呈先增加后降低的趨勢，不同拌料時間下，復合水果麥片感官評分具有統計學差異（P＜0.05）。當拌料時間為15 min 時，復合水果麥片感官評分達到最大值。因此，拌料時間的最優區間為10 ～20 min。

圖1 拌料時間對復合水果麥片感官評分的影響

2.1.2 不同拌料的混合速度對復合水果麥片感官評分的影響

由圖2 可知，隨著混合速度的增加，復合水果麥片感官評分呈先迅速增加后降低的趨勢，不同混合速度下，復合水果麥片感官評分具有統計學差異（P＜0.05）。當混合速度為8 r/min 時，復合水果麥片感官評分達到最大值。因此，混合速度的最優區間為7 ～9 r/min。

圖2 混合速度對復合水果麥片感官評分的影響

2.1.3 不同干燥劑重量對復合水果麥片感官評分的影響

由圖3 可知，在常溫存放6 個月后，隨著干燥劑重量的增加，復合水果麥片感官評分呈先迅速增加后降低的趨勢。不同干燥劑重量下，復合水果麥片感官評分具有統計學差異（P＜0.05）。當干燥劑重量為3 g 時，復合水果麥片感官評分達到最大值，干燥劑重量的最優區間為2 ～4 g。

圖3 干燥劑重量對復合水果麥片感官評分的影響

2.2 響應面試驗結果與分析

響應面試驗結果見表4。

表4 響應面試驗結果

2.2.1 復合水果麥片感官評分模型建立與分析

運用Design expert 10.0數據分析軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，感官評分模型及回歸系數的回歸分析結果見表5。由表5 可知，二次多項回歸模型為Y=92.8+1.06A+2.8B+2.03C-2.65AB+0.56AC+1.72BC-3.62A2-5.82B2-4.22C2。

進一步對該模型及回歸系數進行回歸分析，該回歸模型P＜0.000 1（極顯著），其失擬項P=0.076 6 ＞0.05（不顯著），說明模型擬合程度良好，可以對回歸方程相應回歸值進行預測，同時模型回歸系數R2=0.987 1，調節后的R2=0.970 5，表明97.05%的數據可用該模型解釋，說明方程可靠性較高。

由表5 可知，一次項B、C對復合水果麥片感官評分具有極顯著影響（P＜0.01），A對復合水果麥片感官評分具有顯著影響（P＜0.05）。各因素對復合水果麥片感官評分影響的大小順序為B混合速度＞C干燥劑重量＞A拌料時間。二次項AB、BC對復合水果麥片感官評分的影響極顯著（P＜0.01）。

表5 感官評分模型及回歸系數的回歸分析結果

2.2.2 兩因素間交互作用對復合水果麥片感官評分的影響

響應面圖和等高線可以很好地反映自變量之間的相互作用。通過觀察響應面圖的坡度陡峭程度，確定兩者對響應值的影響程度，響應面的曲面越陡峭，說明兩者的交互作用對響應值的影響越明顯。各因素對復合水果麥片感官評分影響的響應面圖與等高線圖見圖4、圖5 和圖6。

由圖4 可知，復合水果麥片的感官評分隨混合速度的增加呈先增加后降低的趨勢，當混合速度較小時，復合水果麥片感官評分隨拌料時間的增加呈先增加后降低的趨勢，當混合速度較大時，復合水果麥片感官評分隨拌料時間的增加呈逐漸降低的趨勢，在拌料時間為15 min，混合速度為8 r/min 時，其復合水果麥片感官評分達到最大，說明拌料時間和混合速度之間存在顯著的交互作用，且復合水果麥片感官評分隨混合速度的變化陡峭程度大于拌料時間，說明混合速度對復合水果麥片感官評分的影響大于拌料時間的影響。其等高線呈橢圓形，也說明其相互間具有較明顯的交互作用。

圖4 拌料時間和混合速度對復合水果麥片感官評分影響的響應面和等高線圖

由圖5 可知，復合水果麥片的感官評分隨拌料時間和干燥劑重量的增加呈先增加后減小的趨勢，在拌料時間為15 min，干燥劑重量為3 g 時，其復合水果麥片感官評分達到最大值，且復合水果麥片感官評分隨混合速度的變化陡峭程度大于拌料時間，說明干燥劑重量對復合水果麥片感官評分的影響大于拌料時間的影響。其等高線呈圓形，也說明其相互間不具有較明顯的交互作用。

圖5 拌料時間和干燥劑重量對復合水果麥片感官評分影響的響應面和等高線

由圖6 可知，復合水果麥片的感官評分隨干燥劑重量的增加呈先上升后降低的趨勢，當干燥劑重量較小時，隨著混合速度的增加，復合水果麥片感官評先增加后降低，當干燥劑重量較大時，隨著混合速度的增加，復合水果麥片的感官評分先增加后減小。當混合速度為8 r/min，干燥劑重量為3 g時，說明干燥劑重量和混合速度具有較強的交互作用，且復合水果麥片感官評分隨混合速度的變化陡峭程度大于干燥劑重量，說明混合速度對復合水果麥片感官評分的影響大于干燥劑重量的影響。其等高線呈橢圓形，也說明其相互間具有較明顯的交互作用。

圖6 干燥劑重量和混合速度對復合水果麥片感官評分影響的響應面和等高線圖

2.2.3 驗證試驗

通過Design Expert 10.0 軟件對方程求極大值，得到復合水果麥片的最優工藝參數為拌料時間15.359 min，混合速度8.269 r/min，干燥劑重量3.3 g，此時復合水果麥片感官評分為93.517 分，其與單因素試驗結果較為相近，考慮到試驗過程實際操作的可行性，將最佳工藝參數調整為拌料時間15.5 min，混合速度8.3 r/min，干燥劑重量3.3 g，進行3 次重復驗證試驗，結果取平均值，得到復合水果麥片的感官評分為93.5 分，驗證值與預測值的誤差在允許范圍5%內，說明該模型合理可靠。

3 結論

本試驗討論了在原有加工工藝基礎上，不同加工工藝參數條件對復合水果麥片感官評分的影響。通過單因素及響應面優化設計，得到了復合水果麥片加工最優工藝參數為拌料時間15.5 min，混合速度8.3 r/min，干燥劑重量3.3 g，復合水果麥片的感官評分達到了93.5 分。在最優工藝參數下，不僅提升了復合水果麥片的口感以及生產效率，也為復合水果麥片的研究和生產提供了理論依據。