聚類分析優化海藻酸鈉馬鈴薯淀粉無礬粉條配方工藝

張卓瓊,包毅然,郭軍

(內蒙古農業大學 食品科學與工程學院,內蒙古 呼和浩特,010018)

馬鈴薯是全球第四大糧食作物,也是內蒙古自治區盛產農作物[1]。據國家統計局2021年數據,內蒙古馬鈴薯年播種面積達26.79萬hm2,鮮薯年產量在122.93萬t,占全國6.86%,居全國第5[2],馬鈴薯淀粉年產量達17.47萬t,占全國26.88%,居全國第一[3]。隨著我國“馬鈴薯主糧化”戰略的實施,馬鈴薯由副食消費向主食消費轉變,多被加工成適應中國人飲食習慣的饅頭、面條和粉條等主食產品。不同植物來源的淀粉及其粉條品質特性有所不同[4-5],豆類粉絲蒸煮特性好、拉伸強度大,但成本高[6]。谷物類和薯類粉條(絲)不耐煮、硬度低、彈韌性差[7],傳統制法通常添加大量鉀明礬[KAl(SO4)2·12H2O]或銨明礬[NH4Al(SO4)2·12H2O]以賦予和提升其良好的口感及物性品質,但這無疑造成鋁的大量殘留。鋁不是人體必需元素,長期過量攝入在體內聚積產生慢性毒作用,與一系列神經系統疾病密切相關,如阿爾茨海默病、帕金森病和肌萎縮性側索硬化癥等[8]。GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》規定干粉條中鋁殘留量≤200 mg/kg,即鉀明礬添加量≤0.35%(干重)。近些年出售農家粉條因鋁含量嚴重超標而被判食品安全犯罪也不乏其例,不少案例鋁殘留量在1 000～2 000 mg/kg[9-11],相當于鉀明礬添加1.76%～3.51%(干重)。開發安全健康的無礬粉條(絲)勢在必行,目前多用生物多糖或多糖醛酸(生物膠)來替代明礬,多數報道用2種以上生物膠或配合必要的食用鹽類制作無礬粉條[12]。SAERI等[13]報道以質量分數25%玉米和質量分數75%大米淀粉為原料,添加質量分數0.6%卡拉膠制作的粉條感官評分較高,有較大的經濟效益和開發可行性。FENG等[14]在甘薯淀粉中添加質量分數0.5%海藻酸鈉、質量分數0.5%殼聚糖和質量分數3%蛋清蛋白制作粉條,拉伸強度1.58 g/mm2,蒸煮斷裂時間46 min,認為具有巨大的應用潛力。王娜等[15]在馬鈴薯淀粉中添加質量分數0.29%魔芋膠、質量分數0.53%卡拉膠和0.10%硬脂酰乳酸鈣鈉制作粉條,斷條率、質構特性和感官評分均接近質量分數0.1%明礬粉條。崔曉等[16]在小麥淀粉中加入總量為質量分數0.3%黃原膠和瓜爾膠(7∶3,質量比),質量分數0.6%聚丙烯酸鈉,增強了粉條的韌性和耐煮性。目前各種生物膠開發的無礬粉條品質特征缺乏系統比較,多數報道粉條的品質特性評價未全面覆蓋蒸煮、質構和感官特性,或關鍵指標不全;指標的對比用傳統描述性統計和差異檢驗,即對多個指標實際孤立分析,未引入化學計量學原理、策略和方法,因此不能全面直觀呈現粉條整體綜合品質特征,即不能直觀對比粉條的整體相似程度。

本研究對比魔芋膠、卡拉膠、黃原膠、沙蒿膠和海藻酸鈉5種生物膠對馬鈴薯粉條品質的改善作用,以內蒙古西部一種傳統明礬粉條驗方(傳統明礬粉條)和國標鋁限量明礬粉條(國標明礬粉條)為對照,對蒸煮特性(斷條率、糊湯值、膨潤度和出成率)、質構參數(硬度、彈性和拉伸力)和綜合感官評分8項評價指標進行了描述性統計和聚類分析,對比5種生物膠制作馬鈴薯粉條的綜合品質。響應面試驗并結合成本考慮進一步優化了海藻酸鈉馬鈴薯粉條的配方工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

馬鈴薯淀粉;魔芋膠(食品級魔芋精粉);卡拉膠(食品級iota型);黃原膠(食品級);沙蒿膠(食品級);海藻酸鈉(食品級);CaCl2,KCl(食品級);明礬(鉀明礬),市售。

1.2 儀器設備

SYH58型壓粉機,鴻祥炊事機械廠;IKA-RW20型頂置式機械攪拌器,德國IKA集團;TA.XT Plus型質構儀,英國Stable Micro System公司;TAS-986紫外可見分光光度計,北京普析通用有限責任公司;數顯式推拉力計,ALIYIQI公司。

1.3 方法

1.3.1 鮮濕粉條制備工藝流程

無礬粉條制備流程:稱取1 kg馬鈴薯淀粉,其中100～200 g馬鈴薯淀粉用75～150 mL溫水(60～70 ℃)攪拌均勻,再加入200～400 mL沸水攪拌成芡團。將生物膠和鹽離子(以淀粉總量計)(表1和表2)與400～450 mL的熱水(80～90 ℃)攪拌成生物膠溶液。將制備好的芡團和生物膠溶液與800～900 g淀粉混合,揉成光滑緊實的淀粉團。將淀粉團放入壓粉機擠壓出條,在沸水中煮沸定形再撈入涼水中冷卻,瀝干水分后裝袋。

表1 生物膠篩選因素水平表Table 1 Factor and level for bio-gum screening

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Response surface test factor and level

明礬粉條制備流程:與上述制備流程一致,其中生物膠溶液替換為明礬溶液。分別將淀粉總量的0.35%和1.75%的明礬與400～450 mL的熱水(80～90 ℃)攪拌成明礬溶液,與芡團一起揉制成面團。

1.3.2 生物膠篩選

選取魔芋膠、卡拉膠、黃原膠、沙蒿膠和海藻酸鈉5種生物膠分別制作馬鈴薯無礬粉條。試驗以國標鋁限量明礬粉條(國標明礬粉條)和一種內蒙古西部傳統明礬粉條(傳統明礬粉條)為對照,以粉條的斷條率、糊湯值、膨潤度、出成率、硬度、彈性、拉伸力和感官評分為評價指標,比較5種生物膠粉條的綜合品質特性。根據文獻報道的經驗配方[7,17-18],設計生物膠的添加量水平(干料重)見表1。

1.3.3 海藻酸鈉粉條配方優化

在生物膠篩選試驗基礎上,選擇海藻酸鈉、CaCl2和漂煮時間3個因素,根據中心組合試驗設計(central composite design,CCD)原理,設計3因素5水平響應面優化試驗,因素水平見表2。斷條率可反映粉條的蒸煮特性,拉伸力可反映粉條的彈韌性,是評價粉條品質的重要指標[4],感官評分是食品品質評價中較為綜合的指標,故以斷條率、拉伸力和感官評分為響應值確定馬鈴薯無礬粉條最優配方工藝。

1.3.4 粉條評價指標測定

斷條率:參照譚洪卓等[19]的方法稍作修改,取100根長10 cm無機械損傷的粉條,煮沸30 min后冷卻,煮后的粉條總數記為X,按公式(1)計算斷條率。

(1)

膨潤度和糊湯值:參照陳兵[20]的方法測定,稱取3.0 g干粉條在100 mL的蒸餾水中煮沸15 min,冷卻瀝干水分后稱重計為m1。將粉條于105 ℃烘干4 h后稱重記為m2,按公式(2)計算膨潤度。煮后的粉條湯冷卻至室溫,用紫外分光光度計在波長650 nm處測定吸光值,記為糊湯值。

(2)

出成率:稱取1 kg馬鈴薯淀粉記為M1,按1.3.1節制作成濕粉條,在瀝水籃中瀝水10 min稱重記為M2,按公式(3)計算粉條的出成率。

(3)

硬度和彈性:參照HAN等[21]的方法稍作修改,選取無機械損傷的粉條煮沸15 min,冷卻后瀝干水分進行全質構測試(texture profile analysis, TPA),測試探頭:P/36R;TPA測試條件:觸發力5 g,壓縮比50%,測試前速度2 mm/s,測試中速度1 mm/s,測試后速度2 mm/s。每次試驗將3根粉條置于測試平臺上測量。

拉伸力:取10根長10 cm無機械損傷的粉條煮沸15 min,冷卻后瀝干水分,將粉條對折掛在鉤具上,兩端在夾具上夾緊,均勻轉動搖桿,記錄粉條斷裂瞬間的拉力值。

感官評定:采用定性分級的感官評定方法,將粉條感官品質劃分為3個等級“好、中、差”三級,賦值對應賦值3.0～1.0分。由10名研究生對煮熟的粉條(傳統明礬粉條包括其中)品嘗和主觀評分,進行多輪次雙盲評定。從粉條的表觀狀態、色澤、透明性、風味和口感5個方面進行綜合評價,定性評分標準見表3。

表3 感官定性評分標準Table 3 Sensory qualitative scoring standard

1.4 數據處理

1.4.1 聚類分析

每組樣品均做5次平行試驗,用Pirouette軟件對多個評價指標的原始數據進行標準化預處理,再進行偏最小二乘法判別分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)得到得分圖和載荷向量圖,前者可直觀顯示各組粉條在空間的投射聚類特征,與對照組的聚類距離,結合根向量圖則可找到聚類位置的決定特征指標。用Pirouette軟件經預處理后進行層次聚類分析(hierarchical cluster analysis,HCA)得到系統樹圖,系統樹圖顯示層次聚類的每一個步驟及其結果,包括合并族群帶來的距離的變化,直觀顯示樣品間以多高的相似度被合并在一起。

1.4.2 常規統計

試驗數據用SPSS軟件做常規描述性統計分析,結果以“平均值±標準差”的形式表示。用Design-Expert軟件做響應面試驗數據分析。

2 結果與分析

2.1 生物膠篩選

在單因素和正交試驗的基礎上,選出5種生物膠在試驗范圍內的最佳添加量與2種明礬粉條比較綜合品質。將粉條的8個評價指標數據做標準化預處理再進行PLS-DA,結果見圖1。

a-得分圖;b-載荷向量圖

因子1的貢獻率為56.7%,因子2的貢獻率為30.4%,在比較樣品間的聚類距離時,主要考慮因子1所在的x軸,其次是因子2所在的y軸。如圖1-a所示,各種粉條聚類趨勢明顯,海藻酸鈉粉條與傳統明礬粉條的聚類距離最近,即綜合品質最相似,其次是魔芋膠、黃原膠粉條,且二者綜合品質相似。卡拉膠和沙蒿膠粉條與傳統明礬粉條的綜合品質相差最大,與國標明礬粉條綜合品質相似。故5種生物膠粉條的綜合品質由優到差排列:海藻酸鈉>魔芋膠>黃原膠>卡拉膠>沙蒿膠。如圖1-b所示,斷條率和糊湯值是卡拉膠、沙蒿膠和國標明礬粉條聚類的決定特征指標,結合描述性統計分析,這3種粉條的斷條率和糊湯值較高,蒸煮品質較差。拉伸力、彈性、硬度和感官評分是海藻酸鈉、傳統明礬、黃原膠和魔芋膠粉條聚類的決定特征指標。海藻酸鈉和傳統明礬粉條與上述4個評價指標的聚類距離更近,與糊湯值和斷條率聚類距離最遠,結合描述性統計分析,這2種粉條的硬度、彈性、拉伸力和感官評分較高,綜合品質更優。

對粉條的指標數據做標準化預處理再進行HCA,對比5種生物膠粉條和2種明礬粉條的指標模式相似度,結果見圖2。5種生物膠粉條中海藻酸鈉粉條與傳統明礬粉條的指標模式相似度最高,二者的相似度為55.2%;黃原膠和魔芋膠粉條與傳統明礬粉條的相似度為42.3%;卡拉膠和沙蒿膠粉條與傳統明礬粉條無相似度,與PLS-DA結果一致。黃原膠和魔芋膠粉條的相似度為72.5%,卡拉膠和沙蒿膠粉條的相似度為61.5%。7種粉條被分為兩大類,其中海藻酸鈉、傳統明礬、黃原膠和魔芋膠以42.3%的相似度聚為一類,卡拉膠、沙蒿膠粉條和國標明礬粉條以39.2%的相似度聚為一類。

圖2 生物膠粉條與明礬粉條HCA樹狀圖Fig.2 HCA dendrogram of bio-gum starch noodles and alum starch noodles

各組粉條品質特性參數描述性統計見表4。各組生物膠粉條的出成率均低于明礬粉條,但沙蒿膠粉條的出成率顯著(P<0.05)高于其他生物膠粉條。海藻酸鈉粉條的8項品質指標參數均優于國標明礬粉條,其中斷條率和糊湯值最低,硬度、彈性和拉伸力最大,優于傳統明礬粉條。魔芋膠粉條的糊湯值、斷條率、硬度、拉伸力優于國標明礬粉條,彈性最大優于傳統明礬粉條。黃原膠粉條的斷條率、糊湯值、硬度、拉伸力優于國標明礬粉條,彈性優于傳統明礬粉條。卡拉膠粉條的斷條率、硬度、拉伸力優于國標明礬粉條,但膨潤度和彈性較低。沙蒿膠粉條的膨潤度較大,接近傳統明礬粉條,但斷條率和糊湯值最高、硬度最低,蒸煮品質差。感官得分是食品品質評價較為綜合的評價指標,5種生物膠的感官評分均優于國標明礬粉條,按感官得分由高到低排列:海藻酸鈉>魔芋膠>黃原膠>卡拉膠>沙蒿膠,與PLS-DA對5種生物膠粉條的綜合品質排序一致。

表4 生物膠粉條與明礬粉條的品質特征Table 4 Quality characteristics of bio-gum starch noodles and alum starch noodles

2.2 海藻酸鈉粉條配方工藝優化

2.2.1 正交試驗配方優化

海藻酸鈉粉條的PLS-DA見圖3。因子1的貢獻率為31%,因子2的貢獻率為29.4%,因子3的貢獻率為18.8%,在比較樣品間的距離時主要考慮因子1所在的x軸,其次是因子2所在的z軸和因子3所在的y軸。如圖3-a所示,添加0.5%海藻酸鈉的粉條與國標明礬粉條的聚類距離較近,即綜合品質最相似。2%和2.5%海藻酸鈉粉條的綜合品質相似。1%和1.5%海藻酸鈉粉條品質相似,并接近傳統明礬粉條,其中1%海藻酸鈉、1%CaCl2粉條的綜合品質最接近傳統明礬粉條。如圖3-b所示,糊湯值和斷條率是0.5%海藻酸鈉粉條和國標明礬粉條聚類的決定特征指標,結合描述性統計分析其的糊湯值和斷條率較大,蒸煮品質較差。膨潤度和硬度是2%和2.5%海藻酸鈉粉條聚類的決定特征指標,結合描述性統計分析其膨潤度和硬度較大。彈性、拉伸力和感官評分是1%、1.5%海藻酸鈉和傳統明礬粉條聚類的決定特征指標,其中1.5%海藻酸鈉、1.5%CaCl2粉條與斷條率和糊湯值聚類距離最遠,與感官評分、拉伸力、彈性、硬度和膨潤度聚類距離較近,綜合品質優于傳統明礬粉條。

a-得分圖;b-載荷向量圖

海藻酸鈉和CaCl2正交試驗直觀分析和方差分析見表5和表6,以斷條率和拉伸力為評價指標,A4B3為最優配方,即添加2%海藻酸鈉和1.5%CaCl2粉條斷條率最低,拉伸力最大。以感官評分為評價指標,A3B3為最優配方,即添加1.5%海藻酸鈉和1.5%CaCl2感官評分最高。海藻酸鈉和CaCl2均顯著(P<0.05)影響粉條的斷條率、拉伸力和感官評分,影響程度排序:A(海藻酸鈉)>B(CaCl2)。考慮成本和感官評分選擇1.5%海藻酸鈉和1.5%CaCl2為最優配方。

表5 海藻酸鈉、CaCl2正交試驗直觀分析Table 5 Visual analysis of sodium alginate and CaCl2 orthogonal test

表6 海藻酸鈉、CaCl2正交試驗方差分析Table 6 Variance analysis of sodium alginate and CaCl2 orthogonal test

2.2.2 響應面試驗配方工藝優化

表8 回歸模型方差及可信度分析表Table 8 Analysis of variance and reliability of regression model

0.05)感官評分。響應曲面圖(圖4)可直觀反映2個自變量對響應值的影響,曲面越陡說明該因素對響應值影響越顯著[22],與方差分析一致。對試驗結果進行多元回歸擬合分析,可得到Y1(斷條率)、Y2(拉伸力)、Y3(感官評分)與各因素A、B、C之間的二次多項模型:

Y1=3.16+0.3A-0.175B+0.5C-0.3AB+0.3AC+1.08A2+0.78B2+0.75C2

Y2=65.4-1.42A+1.63B+1.66C+3.04AB-2.08AC-3.42A2-5.82B2-5.73C2

Y3=13.69A+0.34B+0.29C-0.19AB-0.77A2-0.57B2-0.35C2

模型預測最優配方(干料重)工藝為:海藻酸鈉1.47%,CaCl21.52%,漂煮時間89.43 s。將配方工藝參數取整為:海藻酸鈉1.5%,CaCl21.5%,漂煮時間90 s,與明礬粉條的品質比較見表9。海藻酸鈉粉條的斷條率、膨潤度、硬度、彈性、拉伸力和感官評分均顯著優于傳統明礬粉條(P<0.05),綜合品質優于傳統明礬粉條。

表9 海藻酸鈉粉條與明礬粉條品質特性比較Table 9 Comparison of quality properties of sodium alginate starch noodles and alum starch noodles

3 討論

馬鈴薯淀粉是內蒙古自治區特產,也是加工粉條和粉絲等傳統食品的理想原料,但馬鈴薯無礬粉條(絲)研究報道較少,有限的報道在粉條品質特性的評價方面,未全面覆蓋蒸煮、質構和感官特性,或一些關鍵指標不全面;尤其是指標的對比用傳統描述性統計和差異檢驗,即對多個指標實際孤立分析,不能全面直觀呈現粉條的綜合品質特征和整體相似度。為開發理想的馬鈴薯無礬粉條,對5種生物膠粉條從8個特性指標進行了比較。顯然聚類分析可實現多變量的整體分析,可直觀地呈現哪一種生物膠粉條以8個指標最接近傳統明礬粉條,同時也可直觀看到每一種生物膠粉條哪一種特性更突出。這是一次創新的嘗試。化學計量學可用于食品營養品質特征的聚類、分類、判別分析和建模,即可利用食品本身的多指標數據集對食品進行物種、品級、種養殖方式、加工方式及產地來源真實性的判別[23-26],但在食品配方工藝優化研究中尚未見報道。多指標的配方工藝優化,同樣適合采用多變量統計原理和方法,進行聚類距離和相似度分析,從而實現產品整體特征的比較,直觀呈現整體相似度或差異。

本研究沒有對生物膠進行復配,直接比較了5種生物膠對馬鈴薯粉條品質的改善。描述性統計和聚類分析都表明,海藻酸鈉可顯著提高粉條的蒸煮品質和硬度,而魔芋膠和黃原膠可提高彈性和拉伸力。后續的研究中在充分掌握各種生物膠特性前提下,2種或多種生物膠復配來完善馬鈴薯粉條的配方工藝,進一步提高感官特性,并降低加工成本。不同植物淀粉特性也有所不同,不同淀粉與生物膠配合特性也有待應進一步實驗掌握。

4 結論

結果變量數據進行標準化預處理消除量綱,可有效平衡8個指標變量的權重,從而獲得最客觀的聚類(分類)效果,與傳統的感官、蒸煮和質構逐一統計比較結果一致。海藻酸鈉粉條與傳統明礬粉條聚類距離最近,指標模式相似度為55.2%;其次為魔芋膠、黃原膠粉條,指標模式相似度為42.3%;卡拉膠、沙蒿膠粉條與傳統粉條聚類距離最遠,兩者模式相似度為61.5%,兩者與國標鋁限量明礬粉條接近,三者斷條率和糊湯值最高,其他品質特性最差。優化后的海藻酸鈉粉條的最佳配方(干料重)工藝為:海藻酸鈉1.5%、CaCl21.5%、漂煮時間90 s,各項品質均優于傳統明礬粉條,其物料成本為3.36元/kg濕粉條。海藻酸鈉復配CaCl2制作馬鈴薯無礬粉條,可消除食用安全隱患并賦予其更優的品質特性。將化學計量學分析嫁接到食品配方工藝優化,實現了多指標、多組試驗的綜合比較和評價,直觀觀察多指標共同構成的特征模式的距離、相似度及決定或影響因素,對食品品質綜合評價具有指導意義。