響應面法優化擠壓預處理麩皮面包工藝配方的研究

潘芹敏， 蒲慧婷， 蔡紅燕,2， 王 展,2， 沈汪洋,2，黃文晶,2， 紀執立,2， 周 堅,2， 賈喜午,2

(武漢輕工大學食品科學與工程學院1，武漢 430048) (大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室2，武漢 430048)

小麥麩皮是小麥加工過程中的主要副產物，麩皮中除含有豐富的膳食纖維外還含有成人所需的8種必需氨基酸以及鉀、磷、鎂、鈣等礦物質元素[1]，是一種極具營養價值的副產物。但是，麩皮的添加會對面包的品質產生負面影響，添加的麩皮會形成物理阻礙并與面筋蛋白爭奪水分從而破壞面筋網絡結構，導致麩皮面包硬度偏大、質地粗糙、口感不佳，嚴重限制其應用[2,3]。

研究者在優化麩皮面包品質方面做出了相當大的努力，寧芊等[4]、劉凱等[5]、馬福敏等[6]通過添加親水性膠體、酶、乳化劑等改良劑提高麩皮面包品質，改良劑的添加可以增大面包的比容，延緩面包老化。鄒奇波等[7]、Tang等[8]、王小平等[9]等研究了乳酸菌、融合魏斯氏菌、生香酵母菌等混菌發酵對麩皮面包烘焙特性和風味的影響，表明混菌發酵可以降低面包硬度，增強面包的風味，但面包儲藏穩定性較差。肖志剛等[10]、Gomez等[11]、Messia等[12]研究了麩皮的物理/化學改性對麩皮面包烘培特性的影響，發現將改性后的麩皮加入小麥粉中制作面包，可以提高麩皮面包的儲藏穩定性，改善麩皮面包的口感，但麩皮面包營養損失嚴重，面包制作的工藝配方需要優化。Majzoobi等[13]、吳樹鳳等[14]、柳思妍等[15]對麩皮面包的工藝配方進行了優化，制備的成品感官評分有所提高，但面包儲藏穩定性較差、易老化、氣味難聞。目前有關優化擠壓預處理麩皮面包工藝配方方面的研究較少, 本研究將擠壓預處理的麩皮加入高筋粉中制作面包，并以麩皮粒度、添加比例和加水量為影響因素，以綜合評分為目標值對擠壓預處理麩皮面包工藝配方進行響應面優化，以期在改善麩皮面包品質的同時，為后期提高麩皮面包儲藏穩定性的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小麥麩皮(淀粉21.27%、蛋白16.70%、水分11.88%、灰分5.53%、脂肪3.27%)、面包用高筋小麥粉(蛋白23%、脂肪3%、碳水化合物24%)、白砂糖、食鹽、高活性干酵母；植物黃油。

1.2 主要儀器與設備

FMHE36-24型雙螺桿擠壓機、DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱、800Y型高速多功能粉碎機、?200型實驗分級篩、SPI-11型和面機、CS-10型色差儀、TA-XT plus型物性測試儀、C-Cell型食品圖像分析儀。

1.3 方法

1.3.1 擠壓預處理小麥麩皮

使用雙螺桿擠壓膨化機，將小麥麩皮進行擠壓預處理。擠壓參數為：液體進料量19%、喂料速度12 kg/h、螺桿轉速120 r/min、擠壓5個溫區溫度分別為60、90、110、60、50 ℃。將擠壓好的小麥麩皮置于鼓風干燥箱內烘干，冷卻到室溫后粉碎并過60、80、100、120目篩網，分別得到粒度為>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm的麩皮備用。

1.3.2 麩皮面包配方

麩皮面包基礎配方：高筋小麥粉276 g，麩皮24 g，酵母4.5 g，白砂糖40 g，食鹽2 g，黃油24 g，水180 g。

1.3.3 麩皮面包制作操作要點

將麩皮、高筋粉、酵母、白砂糖、食鹽倒入攪拌缸中，低速攪拌并緩慢加水，攪拌4 min后高速攪拌，加入黃油，至攪拌缸內壁和面團變得光滑，面團可被拉成均勻薄膜時停止攪打。將和好的面團取出，整形后置于醒發箱中醒發45 min，醒發箱的溫度和濕度分別為30 ℃和85%。醒發完成后，將面團分割成若干個100 g的小面團并對其進行排氣和整形，搓圓后二次醒發，醒發60 min后入爐焙烤?？鞠渖匣饻囟?85 ℃，下火溫度175 ℃，焙烤15 min。

1.3.4 單因素實驗設計

麩皮粒度對麩皮面包品質的影響：固定麩皮添加比例為4%，加水量為180 mL，麩皮粒度選取>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm，考察麩皮粒度對麩皮面包品質的影響。

麩皮添加比例對麩皮面包品質的影響：固定麩皮粒度為250 μm，加水量為180 mL，分別以添加比例為0%、4%、8%、12%、16%將麩皮添加到高筋粉中(保持麩皮和高筋粉總量為300 g)，考察麩皮添加比例對麩皮面包品質的影響。

加水量對麩皮面包品質的影響：固定麩皮添加比例4%、麩皮粒度250 μm、加水量選取160、170、180、190、200 mL，考察加水量對麩皮面包品質的影響。

1.3.5 響應面實驗設計

在單因素實驗的基礎上，以麩皮粒度、麩皮添加比例、加水量為自變量，以麩皮面包的綜合評分作為評價指標，采用響應面實驗對麩皮面包的配方進行優化。實驗設計因素水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素與水平

1.3.6 面包表皮色澤的測定

面包冷卻12 h后，采用SMY2000 色彩色差計測定面包表皮的L*、a*、b*、H值。其中L*值表示亮度，值越大，亮度越大；a*值表示紅綠值，值越大越發紅；b*值表示黃藍值，值越大越發黃；H值表示白度，由公式100-[(100-L)2+a2+b2]1/2換算所得。

1.3.7 面包質構的測定

采用周建軍[16]等的方法并做適當修改。面包冷卻1 h后，用專用面包刀將面包芯切成30 mm×30 mm×30 mm的面包芯塊進行測定。參數設定為：探頭型號：P/45 R；測前、中、后的速度分別為：5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s；起點感應力：5 g；壓縮率：50%；壓縮時間：30 s；應變量：50.00%；間隔時間：5.00 s；引發力：5.0 g。

1.3.8 面包組織結構測定

參考周建軍[16]等方法并做適當修改。面包室溫冷卻12 h后，用專用面包刀從面包中心切取25 mm厚度的面包切片，將其置于圖像采集盒內拍照并用圖像分析軟件進行切片組織結構分析。

1.3.9 面包比容的測定

面包室溫冷卻1 h后稱其質量，參照GB/T 20981—2007測定麩皮面包體積。計算公式為：

P=V/M

式中：P為面包的比容/mL/g；V為面包體積/mL；M為面包質量/g。

1.3.10 面包感官評價

面包感官評分標準參考GB/T 14611—2008附錄A《面包烘焙品質評分標準》并進行適當修改。

1.3.11 數據統計與分析

采用 Microsoft Office Excel 2013 軟件計算實驗數據均值和標準偏差；采用SPSS 25.0軟件中的Duncan方差分析對數據進行顯著性差異分析，95%置信度(P<0.05)；利用Design-Expert 8.0軟件進行響應面實驗方差分析并建立二次回歸模型；采用Origin 9.0軟件作圖。單因素實驗均重復3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 各因素對麩皮面包表皮色澤的影響

由表2可知，隨著麩皮粒度的減小，b*呈現先上升后減小的趨勢，其他值沒有一定的變化規律。Majzoobi等[13]研究發現，增加麩皮的粒度會導致面包表皮顏色加深。隨著麩皮添加比例的增加，麩皮面包表皮的a*值逐漸增大，而L*值、b*值、H值均有下降的趨勢，這說明面包的顏色越來越暗，這與Nahla Dhena的研究結果一致[17]。面團烘焙過程中會發生美拉德反應和焦糖化反應，這2種反應是形成褐色表皮的主要原因[18]。小麥麩皮中含有大量的氨基酸和還原糖，在面包烘焙過程中會增強美拉德反應和焦糖化反應，從而使麩皮面包表皮顏色加深[19]。此外小麥麩皮中含有豐富的色素和木質素，麩皮本身顏色偏深，加入麩皮的含量越多，面包顏色就越暗[20]。隨著加水量的增加，麩皮面包表皮的L*值和H值先逐漸減小后逐漸增大，a*值和b*值則正好相反。加水量少的時候，面團還未充分發酵，烘焙后的面包表皮發白。當加水量為180 mL時，各個色值比較適中，此時烘焙出的面包表皮焦黃，具有誘人的色澤。

表2 各因素對麩皮面包表皮色澤的影響

表3 各因素對麩皮面包質構特性的影響

2.1.2 各因素對麩皮面包質構特性的影響

由表3可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包硬度呈現先增大后減小的變化趨勢，而彈性、回復性、內聚性則呈先減小后增大的變化趨勢。隨著麩皮粒度的減小，麩皮更易填充在淀粉-蛋白基質內形成物理阻礙，使面筋網絡出現空洞，面包持氣性變差，彈性減小，硬度增大[21]，但粒徑較大的麩皮持水量高于小顆粒的麩皮，當麩皮粒度減小到一定程度以后(<125 μm)，部分原來與麩皮結合的水被釋放，蛋白淀粉有機會結合更多的水形成更完善的網絡結構，麩皮面包硬度開始減小，彈性增大。當麩皮粒度>250 μm時麩皮面包硬度最小、內聚性最大，麩皮面包的品質更好。與未添加麩皮的面包相比，添加了4%麩皮的面包硬度降低，回復性和耐咀性得到了改善。但隨著麩皮的繼續添加，麩皮面包的硬度和耐咀性逐漸增大，彈性、內聚性和回復性逐漸降低，這與李真的研究結果一致[22]。麩皮添加比例較低時，混合粉中的膳食纖維含量較低，可以和面筋網絡形成氫鍵，使面筋網絡結構形成更加充分，改善麩皮面包的質構特性[23]。麩皮添加比例較高時，麩皮中大量的膳食纖維會阻礙肽的水合和延伸，從而對面筋網絡造成破壞，使得麩皮面包質量變差。與此同時，加入麩皮的高筋粉中的面筋含量相對降低，面團中形成的連續的三維面筋網絡結構減少，面團醒發時不能較好的保持氣體而降低了面團黏彈性[24]。隨著加水量的增多，麩皮面包的硬度逐漸下降，內聚性、回復性逐漸增大，當加水量為200 mL時，麩皮面包的硬度最小，彈性和回復性最佳，咀嚼入口時的舒適度也最好，理論上而言，此時的麩皮面包品質應該最好，但是從實物的角度來看，面包已經塌陷，外觀形狀差，這說明加水量過多時，面團過于柔軟，容易塌陷[25]，加水量過少則不利于面團面筋的形成，面包體積不足，硬度大[26]。

2.1.3 各因素對麩皮面包內部紋理結構的影響

由表4可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包氣孔面積、孔壁厚度逐漸增大。面團形成的過程中，大顆粒的麩皮尚未完全進入面筋網絡當中，對面包的內部結構還未造成較大影響，而當麩皮粒度減小到某一水平后，較細的顆粒更容易且更均勻地摻入面團的面筋基質中，從而對麩皮面包內部紋理結構的影響更加突出[27]。隨著麩皮添加比例的增加，面包氣孔數量和氣孔密度逐漸降低，氣孔直徑和厚度逐漸增大。麩皮中大量的膳食纖維阻礙了面筋蛋白二硫鍵的形成，缺少能夠形成蓬松、多孔、細膩的面包結構的面筋蛋白，導致面包蜂窩結構不均勻，形成的氣孔數量少而孔隙率大[22]，麩皮添加量越大，面包的質地越粗糙，食用口感越差。隨著加水量的增加，麩皮面包的氣孔直徑、氣孔面積、氣孔體積、孔壁厚度均先減后增。加水量為180 mL時，麩皮面包的氣孔直徑、氣孔面積和氣孔體積最小，此時麩皮面包的蜂窩結構均勻，形成的氣孔數量少且孔隙率較小，面包質地細膩，品質好。加水量過少時，面團難以成型，面包內部紋理結構粗糙。加水量過多時，多余的水分使面團膜的強度變弱，面包內部組織容易形成了比較大的孔洞。

表4 各因素對麩皮面包內部紋理結構的影響

2.1.4 單因素對麩皮面包比容及綜合評分的影響

由圖1和圖2可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包的比容呈現先減小后增大的變化趨勢，麩皮粒度>250 μm或者<125 μm時，麩皮面包的比容差異并不大，而麩皮粒度>250 μm時，麩皮面包的顏色、質構特性、內部紋理結構更好、綜合評分最高，故綜合考慮，大顆粒麩皮可能更加適合制作面包。麩皮面包的比容和綜合評分均隨著麩皮添加比例的增加而減小。麩皮具有較強的吸水能力，在面包烘焙的過程中吸收過量的水分，降低淀粉的糊化溫度，最終使面包體積減小[20]。當麩皮添加比例在4%時，面包的比容、綜合評分雖然有所下降，但下降幅度不大。麩皮面包比容隨著加水量的增加呈現先增大后減小的趨勢，綜合評分沒有明顯的變化趨勢，面團面筋的形成是一個吸水溶脹的水化過程[28]，加水量較低時，酵母在缺水的環境下不能充分產氣，面包體積偏小，加水量過多時，多余的水分會使面團膜的強度變弱，面包比容減小，綜合品質下降[25]。當加水量在180 mL左右時，比容和綜合品質較好。

圖1 各因素對麩皮面包比容的影響

圖2 各因素對麩皮面包綜合評分的影響

2.2 響應面實驗結果分析

根據單因素實驗結果，以綜合評分為響應值，以麩皮粒度、麩皮添加比例、加水量為影響因素，設計三因素三水平響應面優化實驗，其實驗設計和結果如表5所示。

表5 響應面實驗設計及數據

續表5

2.2.1 回歸模型的建立與顯著性分析

運用Design-Expert8.0分析，根據響應面實驗設計，得到麩皮面包綜合評分與各因素之間的二次多項式回歸模型。

Y=89.76-2.55A-1.58B-0.38C+1.54AC-1.15A2-1.41B2+0.72A2C+1.91AB2

式中：A、B、C、Y分別為麩皮粒度、添加比例、加水量、麩皮面包綜合評分預測值。對回歸模型式進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗，結果見表6。模型的P值=0.004 7<0.01，說明回歸方程模擬性顯著；失擬項的P值=0.984 2>0.05，說明該方程的失擬性顯著，兩者均滿足模型顯著的條件，故模擬可靠。R2=0.884 1，表明該模型能夠解釋88.41%的響應值的變化，實驗擬合程度良好，實驗誤差小，能充分反映各因素與響應值間的關系。一次項中，A和B在P<0.01水平上顯著，C不顯著，交互項中，AC在P<0.05水平上顯著，麩皮粒度和加水量之間交互作用顯著(P<0.05)；二次項里，B2對麩皮面包綜合評分的影響顯著(P<0.05)，A2對麩皮面包綜合評分的

表6 模型方差分析表

影響不顯著；AB2對麩皮面包綜合評分的影響顯著(P<0.05)，A2C對麩皮面包綜合評分的影響不顯著。通過F值的大小可知各因素對麩皮面包綜合評分的影響大小順序為A(麩皮粒度)>B(添加比例)>C(加水量)。

2.2.2 麩皮面包的最佳配方工藝與驗證

利用 Box-Behnken 設計響應面對實驗結果進行優化，得出最佳工藝條件：麩皮粒度250 μm、添加比例3.89%、加水量175 mL，模型預測綜合評分為92.55。為驗證實驗可靠性，選取最優工藝條件制作麩皮面包進行綜合評定，取3組平行，綜合評分平均值為93.72，接近理論預測值，一方面說明了此模型能應用于麩皮面包綜合評分的預測，另一方面說明通過響應面優化的工藝具有可靠性。

3 結論

用高筋小麥粉和擠壓預處理的小麥麩皮為原料制作麩皮面包，通過單因素實驗和響應面優化，得到在本實驗所用原料的基礎上，制作麩皮面包的最佳工藝配方為：麩皮粒度250 μm、麩皮添加比例3.89%、加水量175 mL，在此條件下，麩皮面包的綜合評分為93.72，與理論預測值92.55較為接近，表明響應面優化的工藝配方具有可靠性，可應用生產營養豐富且口感良好的麩皮面包，后期可進一步研究麩皮面包儲藏穩定性。