響應面法優化紅棗沙棘饅頭的加工工藝

張巧仙

(呂梁學院生命科學系，呂梁 033001)

紅棗是呂梁特產，兼具藥食兩用價值[1]，其果實口味甘甜，富含人體所需氨基酸、糖類、脂肪、VC、VB生物堿、類黃酮、酚、萜類等有益營養成分[2]；有補血補氣、健脾益胃、延緩衰老等功效[3]。研究結果表明，紅棗中含有三萜類化合物、環磷酸腺苷、黃酮類化合物、抗壞血酸和皂苷等多種生物活性成分[4，5]，在抑癌、抗過敏和降血壓等方面具有藥用作用[6]。

沙棘盛產于呂梁嵐縣，是一種兼具藥食功能的植物[7]。國內外關于沙棘方面的研究頗多，陳家明等[8]研究表明沙棘果渣富含有機酸、糖類、黃酮等，有利于提升賽馬的自身免疫力和自身抗病力。高峰等[9]報道沙棘黃酮有抗氧化和延遲衰老的作用。牟春堂等[10]研究發現，風干的沙棘果渣中含有多酚類化合物、黃酮類化合物、胡蘿卜素、VE等多種抗氧化、抗炎、免疫調節等功能的活性物質，作為飼料原料對增強動物免疫機能有一定作用。Stanzin等[11]研究表明沙棘對鐵誘導癲癇神經保護和行為改變有一定的積極作用。Hussain等[12]研究表明用響應面法優化超聲輔助可以提取沙棘渣中的可溶性膳食纖維。

目前雜糧饅頭的研究主要是以玉米、燕麥、大麥、紅薯等單一雜糧原料或者與小麥粉混合制作成的饅頭。這類雜糧饅頭因品種單一，口感、營養較單一。本實驗將紅棗泥和沙棘汁同時以一定比例經反復實驗進行科學配伍加入小麥粉中，以期達到最佳口感，同時將此雜糧饅頭的營養價值和藥理功能特性有機結合起來，對促進人體健康和拓展雜糧饅頭市場具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 材料

中筋小麥粉、酵母、沙棘、紅棗。

1.2 主要儀器

KLD-9205A干燥箱，FW-400A型榨汁機，FA2104N電子分析天平，XJQ-0.5去核打漿機，C22-IH65E8電磁爐，ZHG-2801T不銹鋼煮鍋，QJCK-350恒溫箱，TMS-Pllot食品物性分析儀。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

原料準備→和面→發酵→分割整形→醒發→蒸制→靜置→成品。

原料準備：干棗用38 ℃溫水浸泡6 h，使棗吸水膨脹，攪拌5 min洗凈后倒入夾層鍋煮制1 h，使棗軟爛；用孔徑0.2 mm的雙道打漿機打漿，除去棗核和棗皮，然后入膠體磨磨漿，使果肉進一步微粒化。沙棘除掉不可食用部分，清洗干凈榨汁過濾備用。

和面：將稱好的各原料倒入和面機中，慢速和面至面團成團，表面光滑，有彈性。發酵：將面團放在室溫條件下(30 ℃左右)發酵，發酵時間按實驗要求控制。分割、整形：將面團分為50 g的小份，并制成形狀大小一致的半球形。醒發：反復揉制按壓面團，使氣體排出，表面光滑后分為若干坯子搓圓，室溫條件下醒發30 min。蒸制：沸水上鍋蒸18 min，到時間關火回氣靜置3～5 min取出并冷卻。中筋小麥粉饅頭作為對照樣品，和面時不添加紅棗泥和沙棘汁，其他加工工藝與紅棗沙棘饅頭相同。

1.3.2 單因素實驗

由預實驗和查找資料[13]進行綜合分析，得到基本配方：中筋小麥粉100 g，(注：占100 g中筋小麥粉質量的比)沙棘汁4%、紅棗泥10%、酵母1.5%、水40%、發酵時間50 min、發酵溫度38 ℃。以中筋小麥粉質量100 g為基準，分別設置紅棗泥質量分數(8%、9%、10%、11%、12%)，沙棘汁質量分數(2%、3%、4%、5%、6%)，含水量(30%、35%、40%、45%、50%)，發酵時間(30、40、50、60、70 min)，酵母質量分數(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)，發酵溫度(28、33、38、43、48 ℃)，測定饅頭的硬度、彈性、咀嚼性、比容、色差，并進行感官評分。

1.3.3 PB實驗

根據單因素實驗，先選定各因素的高低值，再以感官評分為指標，進行PB實驗設計，以感官評分為評價指標，對影響饅頭品質的6個因素：x1：紅棗泥添加量、x2：沙棘汁添加量、x3：水添加量、x4：發酵時間、x5：酵母添加量、x6：發酵溫度，實驗分為12組。見表1。

表1 PB實驗因素水平表

1.3.4 響應面實驗

由單因素實驗和PB實驗所得數據進行BBD響應面實驗。以A：紅棗泥添加量、B：沙棘汁添加量、C：酵母添加量，3個因子為自變量，以質構特性(硬度、彈性、咀嚼性)，比容，色差(L*、b*)，感官評分為指標。響應面實驗因素和水平見表2。

表2 響應面分析因素和水平

在響應面實驗中，對紅棗沙棘饅頭的質構特性(硬度、彈性、咀嚼性)，比容，色差(L*、b*)，感官評分為考察指標。

根據原始數據的特征值、方差貢獻率以及累計方差貢獻率，選擇特征值大于1的各主成分，算出紅棗沙棘饅頭的綜合得分。

為消除各指標不同量綱所產生的影響，對數據標準化處理。以各主成分的方差貢獻率為系數，進行各主成分與對應系數相乘求和，計算綜合評分[14]。

綜合評分按式(1)～式(3)計算。

F1=0.18X1+0.15X2+0.178X3+0.016X4+0.178X5+0.178X6+0.178X7

(1)

F2=0.084X1-0.134X2-0.054X3+0.958X4-0.054X5+0.11X6-0.054X7

(2)

F=0.785F1+0.149F2

(3)

式中：F1為主成分1評分；F2為主成分2評分；F為綜合評分；X1為硬度；X2為彈性；X3為咀嚼性；X4為比容；X5為L*；X6為b*；X7為感官評分。

規范化綜合評分按式(4)計算。

規范化綜合評分(Y)=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

(4)

式中：F為綜合評分；Fmin為綜合評分最小值；Fmax為綜合評分最大值。

1.3.5 指標測定1.3.5.1 質構測定

參照文獻[15]，并作改動。使用食品物性分析儀的TPA模型對樣品進行檢測，將制作好的紅棗沙棘饅頭切成邊長為25 mm的立方體，放在食品物性分析儀載樣臺的中央。測前速度1 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度1 mm/s，間隔時間5 s，壓縮程度50%，選用P432-036/037平底圓柱形探頭，檢測環境溫度25 ℃。通過儀器分析，從數據顯示屏上獲得硬度/N、彈性/mm、咀嚼性/N 3個TPA參數。每組樣品測量3次，最后取平均值。

1.3.5.2 色差

將樣品放入特制培養皿中，置于分光測色儀上對樣品的顏色進行測定。儀器可測定的參數主要為亮度值L*、紅度值a*和黃度值b*。本實驗主要測定參數L*和b*，每組樣品變換角度測量3次取平均值。

1.3.5.3 比容

參考文獻[16]并稍作修改，蒸制好的饅頭冷卻1 h后稱量。體積采用小米置換法測量，每組樣品測量3次，取平均值。

λ=V/m

式中：λ為饅頭比容/mL/g；V為饅頭體積/mL；m為饅頭質量，g。

1.3.5.4 感官評分

由10名食品檢驗員用盲評計分方式對紅棗沙棘饅頭進行感官評分，參考文獻[17，18]并稍作修改，得到紅棗沙棘饅頭感官評分標準，評分標準見表3。

表3 紅棗沙棘饅頭感官評分標準

1.3.5.5 主要營養成分指標測定

1.4 數據處理

所有實驗重復3次，取均值。所有基礎數據都經過Microsoft Excel 2010進行處理，單因素實驗作圖利用Graphpad Prism 8.0，各主成分數據指標的分析使用SPSS 26.0軟件進行，利用Design-Expert 11軟件對Plackett-Burman(PB)實驗和Box-Behnken Design(BBD)響應面實驗進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 紅棗泥添加量對饅頭品質的影響

由圖1可知，紅棗泥添加量對饅頭的感官評分、硬度、咀嚼性、比容、亮度(L*)、黃度值(b*)影響顯著(P<0.05)，對彈性影響不顯著(P>0.05)。紅棗泥質量分數在8%～12%，感官評分、硬度、彈性、咀嚼性、L*均先增后減。紅棗泥中膳食纖維破壞了面筋蛋白網絡結構，影響面筋結構的展開，使發酵結果變差，致使饅頭比容下降、b*增加。綜合考慮，紅棗泥質量分數10%為宜。

圖1 紅棗泥添加量對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.1.2 沙棘汁添加量對饅頭品質的影響

由圖2可知，沙棘汁添加量對饅頭的感官評分、硬度、咀嚼性、比容、亮度(L*)、黃度值(b*)影響顯著(P<0.05)，對彈性影響不顯著(P>0.05)。沙棘汁質量分數在2%～6%，感官評分、彈性、硬度、咀嚼性、L*均先升后降，比容下降，b*增加。沙棘汁添加過量使饅頭褐色加深，所含膳食纖維破壞面團結構，以致成品饅頭感官不良。綜合考慮，沙棘汁添加4%為宜。

圖2 沙棘汁添加量對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.1.3 水添加量對饅頭品質的影響

由圖3可知，水添加量對饅頭的感官評分、硬度、彈性、咀嚼性、比容影響顯著(P<0.05)，對亮度(L*)、黃度值(b*)影響不顯著(P>0.05)。在40%，感官評分、比容最大；硬度、咀嚼性、b*達到最低。由于水添加少，不利于面團的發酵，以致饅頭體積小，表面不光滑且內部粗糙；而水添加多，面團黏手，酵母產氣快，面團持氣能力降低，制得饅頭容易塌。綜合考慮，含水量40%為宜。

圖3 水添加量對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.1.4 發酵時間對饅頭品質的影響

由圖4可知，發酵時間對饅頭的感官評分、硬度、咀嚼性、比容影響顯著(P<0.05)，對彈性、亮度(L*)、黃度值(b*)影響不顯著(P>0.05)。在30～70 min，感官評分、彈性、比容先上升后降低，隨發酵進行，面團體積增大，成品饅頭的蓬松度變好，表面光滑，內部組織結構孔徑細小均勻；持續發酵，面筋網絡結構破壞，發酵效果變差，成品饅頭感官不良。酵母菌的大量增殖會產生酸味，口感變差。綜合考慮，發酵時間設置為50 min。

圖4 發酵時間對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.1.5 酵母添加量對紅棗沙棘頭品質的影響

由圖5可知，酵母添加量對饅頭的感官評分、硬度、咀嚼性、比容、黃度值(b*)影響顯著(P<0.05)，對彈性、亮度(L*)影響不顯著(P>0.05)。酵母添加在0.5%～2.5%，感官評分、彈性、比容、L*、b*先升高后下降，隨酵母的增加，面團產氣能力增大，所得饅頭體積、彈性增大，硬度降低。添加1.5%酵母后，面團結構破壞，成品饅頭有一定的酵母味和酸味，感官評分降低。綜合考慮，酵母添加1.5%為宜。

圖5 酵母添加量對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.1.6 發酵溫度對饅頭品質的影響

由圖6可知，發酵溫度對饅頭的感官評分、硬度、咀嚼性、比容影響顯著(P<0.05)，對彈性、黃度值(b*)、亮度(L*)影響不顯著(P>0.05)。在28～48 ℃，饅頭的感官評分、彈性、咀嚼性、比容都先升后降。發酵溫度提升，酵母產氣逐漸增加，面團體積變大，饅頭比容上升，蓬松度、外觀和口感變好；發酵溫度到38 ℃后，部分酵母無法適應環境而喪失活性，面團發酵變緩甚至停止，導致各項指標下降。綜合考慮，發酵溫度設置為38 ℃。

圖6 發酵溫度對紅棗沙棘饅頭品質的影響

2.2 PB實驗

PB實驗設計及結果見表4，方差分析見表5。

表4 PB實驗設計及結果

表5 PB實驗設計方差分析

由表5可知，P=0.008 3<0.01，該模型顯著。紅棗泥添加量(x1)(P=0.001 3)、沙棘汁添加量(x2)(P=0.016 0)、酵母添加量(x5)(P=0.028 6)對饅頭感官評分的影響顯著，擬進一步優化其工藝參數；其余3個因素：水添加量(x3)、發酵時間(x4)、發酵溫度(x6)，對饅頭感官評分影響不顯著(P>0.05)。故選擇紅棗泥添加量(A)、沙棘汁添加量(A)、酵母添加量(C)3個顯著性因素，進行三因素三水平BBD響應面實驗。

2.3 BBD響應面實驗

2.3.1 響應面實驗結果

采用Design-Expert 11軟件進行BBD響應面實驗設計，實驗設計見表6。

表6 響應面實驗設計及結果

2.3.2 主成分分析

采用SPSS 26.0軟件對表6中紅棗沙棘饅頭的各指標進行主成分分析。結果見表7、表8。

表7 各主成分的特征根、貢獻率及累計方差貢獻率

表8 成分載荷矩陣

由表7可知，主成分1、主成分2的累計貢獻率達93.313%，符合主成分累計貢獻率大于85%的原則，能夠從中了解到原始數據的大部分信息。

由表8數據可知，硬度決定主成分1，比容決定主成分2。對綜合評分進行處理，為了消除各變量之間的差異，減少變量的個數，進行降維，從而實現提升數據處理速度的目的，得到規范化綜合評分并作為響應值進行BBD響應面試驗實驗設計，數據見表9。

表9 規范化綜合評分

2.3.3 響應面實驗結果分析

使用Design-Expert 11 軟件對表6與表9中數據進行多元回歸擬合，得到方程：規范化綜合評分=0.95-0.194A-0.096B+0.062C+0.234AB+0.028AC-0.088BC-0.397A2-0.212B2-0.175C2

表10 回歸模型方差分析

對模型進行顯著性進行檢驗，由表10可知，響應面模型P<0.000 1擬合檢驗顯著；失擬項P=0.320 3>0.05失擬檢驗不顯著，因此可用該模型對實驗進行模擬。

分析模型中各項系數，可知因素A、B表現為極顯著(P<0.01)，因素C表現為顯著(P<0.05)；交互項AB表現為極顯著(P<0.01)，交互項BC表現為顯著(P<0.05)；二次項A2、B2、C2表現為極顯著(P<0.01)，在響應面預測實驗中，因素A、B、C的F值分別為107.66、26.12、10.97，表明3因素對紅棗沙棘饅頭規范化綜合評分的貢獻率為A(紅棗泥添加量)>B(沙棘汁添加量)>C(酵母添加量)。

2.4 驗證實驗

運用Design-Expert 11軟件對回歸方程進行計算，將紅棗泥、沙棘汁、酵母添加量取值范圍分別設定為9%～11%、3%～5%、1%～2%，并將目標值設定為最大值，獲得的最優組合：紅棗泥、沙棘汁、酵母添加量分別為10.11%、3.60%、1.63%，制得紅棗沙棘饅頭規范化綜合評分為1.016分。

根據實際情況將最優組合進行修改：紅棗泥、沙棘汁、酵母添加量設為10%、3.5%、1.5%，制得紅棗沙棘饅頭規范化綜合評分為0.944分。由上分析可知回歸模型準確，利用BBD響應面結合主成分分析法優化紅棗沙棘饅頭的配方和加工工藝的評價方法準確可行。

2.5 主要營養成分指標測定結果

對驗證實驗中的樣品與對照樣品進行營養成分指標測定，由表11可以看出，紅棗沙棘饅頭的蛋白質、脂肪、灰分、膳食纖維、碳水化合物、VC均高于中筋小麥粉饅頭(P<0.05)。由此可知，紅棗沙棘饅頭與中筋小麥粉饅頭相比具有豐富的營養成分。

表11 饅頭主要營養成分指標測定結果

3 結論

本研究通過單因素實驗確定各個因素的水平，并進行PB實驗設計，篩選出3個對紅棗沙棘饅頭品質影響最大的關鍵因素：紅棗泥添加量、沙棘汁添加量、酵母添加量。并在單因素實驗和PB實驗的基礎上，對紅棗沙棘饅頭的各項指標進行主成分分析，得出規范化綜合評分，作為響應值，用BBD設計實驗方案，通過實驗數據進行多元回歸擬合得到方程：Y=0.95-0.194A-0.096B+0.062C+0.234AB+0.028AC-0.088BC-0.397A2-0.212B2-0.175C2。對結果進行分析知，各因素影響紅棗沙棘饅頭顯著性的順序：紅棗泥>沙棘汁>酵母。

通過響應面分析，得到紅棗沙棘饅頭的最佳工藝配方為：中筋小麥粉質量100 g為基準，紅棗泥10%、沙棘汁3.5%、酵母1.5%、水40%、發酵時間50 min、發酵溫度38 ℃。采用此配方制作的紅棗沙棘饅頭柔軟有彈性，表面光滑、色澤明亮，剖面氣孔細小且分布均勻；食用不粘牙，甜味適中且賦有紅棗和沙棘特有的香氣，營養豐富。