響應面法優化即食燕麥粥配方工藝

張園園，霍瑞，喬健敏，王莉梅，李星云，康連和*

內蒙古自治區農牧業科學院（呼和浩特 010031）

燕麥是我國重要的特色農作物之一，也是世界及我國第六大糧食作物[1-2]。燕麥的營養較為豐富，其氨基酸組成更為合理，必需氨基酸占總氨基酸含量的33.14%，燕麥中的賴氨酸含量較多，是玉米、大米和小麥等農作物的2倍以上[3]。燕麥中脂肪含量高于其他谷物，質量分數占6%～11%，主要分布在燕麥的胚乳中，并且多為不飽和脂肪酸，相對總含量在80%左右[4-5]。燕麥中的膳食纖維含量較多，其中可溶性膳食纖維含量較高，尤其以獨有的β-葡聚糖而被人熟知，具有減少高脂血癥患者血液中脂肪含量、促進膽固醇排出并改善脂質代謝紊亂的作用。

粥是中國的傳統美食，具有食用方便、易消化吸收和輔助保健等作用，是嬰幼兒、老年人和病人的理想輔食。近年來，粥的研究熱點聚集在即食性和營養性兩方面。即食粥是由一種或多種原輔料按照不同比例及工藝調配而成的灌裝類產品，原料多為谷物雜糧。市面上的粥往往存在同質化嚴重和高血糖響應的問題，進而忽略粥可用材料的多樣性和對應的益生特性。試驗以燕麥、藜麥等為主要原料進行復配，通過響應面試驗優化配方，在即食粥中添加幾種原輔料以豐富產品的微量營養素，并改善粥體的穩定性，也具有促進食欲的色澤和較好的谷物風味品質，符合健康速食的理念，為復配谷物在即食食品方面的開發和利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

裸燕麥籽粒（內蒙古西貝匯通農業科技有限公司）；糯米、花生、紅蕓豆（市售）；藜麥（內蒙古谷農農牧業有限公司）；菊粉、木糖醇（江蘇瑞多生物工程有限公司）；黃原膠、D-異抗壞血酸鈉、蔗糖酯（均為食品級，南通英瑞達生物科技有限公司）。

濃硫酸、氫氧化鈉、無水乙醚、無水乙醇等（均為分析純）。

1.2 儀器與設備

SX-500型高壓蒸汽滅菌鍋（日本Tomy Digital Biology公司）；K35FK602型電烤箱（浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司）；SZC-C型脂肪測定儀（上海纖檢儀器有限公司）；UV2300Ⅱ雙光束紫外可見分光光度計（上海天美科學儀器有限公司）；PEN3型便攜式電子鼻傳感器（德國Airsense公司）；PB-10型賽多利斯pH計（上海奧豪斯儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

裸燕麥籽粒→除雜、清洗→烘烤→添加輔料（糯米、藜麥、花生、紅蕓豆和菊粉）→混合水和添加劑（木糖醇、黃原膠、蔗糖酯和D-異抗壞血酸鈉）→灌裝、壓蓋→殺菌→冷卻→成品

1.3.2 操作要點

原料篩選：燕麥、糯米、藜麥等原料，要求顆粒飽滿、無蟲害、無霉變，去除土塊和沙石等雜質。

原料預處理：主料燕麥、藜麥、糯米，用清水洗凈，撈出、瀝干，備用；輔料紅蕓豆、花生，用清水洗凈，瀝干，備用。

烘烤燕麥米：裸燕麥籽粒經過清水潤洗至水分20%，在170 ℃電烤箱中烘烤一定時間。

灌裝、壓蓋：將不同原料按一定比例稱量后，放入馬口鐵罐中，將一定比例的水與添加劑先混合均勻，灌入馬口鐵罐中。使用壓蓋機進行壓蓋。

殺菌：121 ℃，25 min。

冷卻：放在室溫條件下自然冷卻，24 h后進行感官評定。

1.3.3 燕麥籽粒烘烤時間

研究燕麥籽粒烘烤5，10，15，20和25 min時，對即食燕麥粥的影響。

1.3.4 配方優化單因素試驗

裸燕麥籽粒經過清水潤洗至水分20%，在170 ℃電烤箱中烘烤20 min。物料按20 g計，固定裸燕麥籽粒添加量50%、糯米添加量15%、藜麥添加量15%、剩余物料花生、紅蕓豆、菊粉質量比1∶1∶1、料液比1∶7（g/mL），燕麥粥總體按160 g計，添加2.4%木糖醇、0.3%黃原膠、0.12%蔗糖酯和0.05% D-異抗壞血酸鈉。選取裸燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比4個因素，保持其中3個因素固定不變，對1個變量進行單因素試驗以確定響應面優化自變量。單因素試驗中各因素的水平分別為：裸燕麥籽粒添加量40%，45%，50%，55%和60%；藜麥添加量5%，10%，15%，20%和25%；木糖醇添加量2%，2.2%，2.4%，2.6%和2.8%；料液比1∶6，1∶6.5，1∶7，1∶7.5和1∶8（g/mL）。

1.3.5 響應面優化試驗

根據Box-Behnken試驗設計原理，在單因素試驗的基礎上，以燕麥添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比4個因素為自變量，以感官評分為響應值，設計四因素三水平的響應面試驗，確定即食燕麥粥的最佳配方工藝，并進行驗證試驗。

1.3.6 感官評分表

加工好的燕麥粥常溫放置24 h后，邀請10名經過培訓的食品相關專業人員參考即食粥燕麥感官評分標準（表1）進行感官評定。

表1 即食粥燕麥感官評分標準

1.3.7 基本營養成分和理化指標的測定

利用均質機對成品處理后樣液的基本營養成分和理化指標進行測定（脂肪、蛋白質、膳食纖維、固形物含量和pH等）。

粗脂肪含量的測定參考GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法；粗蛋白含量的測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法；膳食纖維含量的測定參考GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》中的酶重量法；固形物含量和pH的測定參考GB/T 10786—2006《罐頭食品檢驗方法》；可溶性固形物含量的測定參考GB/T 10786—2006《罐頭食品檢驗方法》中的折光計法。

1.3.8 電子鼻測定

參照孫學穎等[6]的方法略作修改。稱取3 g已混勻的樣品溶液放入10 mL頂空瓶中，于80 ℃水浴20 min后取出靜置平衡5 min，在室溫環境下用PEN3型便攜式電子鼻傳感器對樣品進行檢測。電子鼻條件：初始進樣流量300 μL/min，取樣間隔時間1 s，清洗時間120 s，檢測時間120 s，零點修剪時間1 s，每組樣品做3次平行重復。

1.3.9 數據處理

所有試驗重復3次，結果計算表示為平均值±標準差；采用Origin 2018軟件繪制圖表，采用Design-Expert 13.0軟件進行響應面試驗優化分析。

2 結果與分析

2.1 燕麥籽粒烘烤時間對燕麥粥感官品質的影響

適當的烘烤使燕麥中淀粉糊化并在老化階段與其他物質發生物理交聯，食用可使血糖緩慢升高，避免快消化產生的血糖效應。烘烤后的燕麥發生美拉德反應，產生宜人的風味和色澤，烘焙時間對裸燕麥粥的感官評價影響如圖1所示。

圖1 燕麥籽粒烘烤時間對燕麥粥感官評價的影響

隨著燕麥籽粒烘焙時間的增加，燕麥粥的感官評分先增大后減小，烘烤20 min時達到最大值，為84分。這是因為烘烤溫度過低或過高會使燕麥籽粒熟化度不足或者糊化過度，影響產品色澤和口感，營養成分也未完整保留[7]，因此選擇20 min為最佳烘烤時間。

2.2 原料配比的單因素試驗結果

2.2.1 燕麥籽粒添加量對燕麥粥感官評分的影響

由圖2可知，隨著燕麥籽粒添加量的增加，燕麥粥的感官評分先上升后下降，燕麥籽粒添加量50%時感官評分達到最大。燕麥為粥中最主要原料，提供較高的營養價值和獨特的勁道口感，并且燕麥中的水溶性膳食纖維可以增加粥體溶液的穩定性，但添加過量的燕麥會使口感單一，并且使粥的黏稠度過高，因此燕麥籽粒最適添加量為50%。

圖2 燕麥籽粒添加量對燕麥粥感官評分的影響

2.2.2 木糖醇添加量對燕麥粥感官評分的影響

由圖3可知，隨著木糖醇添加量的增加，燕麥粥的感官評分先上升后下降，木糖醇添加量2.4%時感官評分達到最大。木糖醇是一種低熱量的甜味替代劑，大量研究證實其安全性和益處，具有抗高血糖、緩解便秘和調節免疫等作用，并可通過被結腸微生物發酵產生丁酸鹽[8]，但過量的木糖醇不僅導致甜度過高，同時也會使內分泌系統出現代謝紊亂的現象。因此木糖醇最適添加量為2.4%。

圖3 木糖醇添加量對燕麥粥感官評分的影響

2.2.3 藜麥添加量對燕麥粥感官評分的影響

藜麥中富含人體所需的9種必需氨基酸和賴氨酸，脂肪中不飽和脂肪酸占80%左右，同時，藜麥中豐富的皂苷、黃酮類物質、多酚和植物甾醇等具有多種生物活性，在食療領域發揮著有益功效[9]。

由圖4可知，隨著藜麥添加量的增加，燕麥粥的感官評分呈輕微波動型，藜麥添加量10%時感官評分達到最大，藜麥具有低熱量、低升糖指數和無麩質等特點，可以改善機體的酸堿平衡[10]，預防慢性病的發生[11]，以感官評價為前提，藜麥最適添加量為10%。

圖4 藜麥添加量對燕麥粥感官評分的影響

2.2.4 料液比對燕麥粥感官評分的影響

由圖5可知，隨著料液比中液體占比增大，燕麥粥的感官評分先上升后下降，料液比1∶7（g/mL）時感官評分達到最大值。較低的液料占比會使即食燕麥粥的黏稠度增加，并且降低消費者的食欲，增加成本；過高的液料占比則會使即食燕麥粥黏稠度下降變稀，口感及風味變淡，營養含量相對變少，因此最適的料液比為1∶7（g/mL）。

圖5 料液比對燕麥粥感官評分的影響

2.3 響應面試驗結果與分析

根據單因素試驗結果確定最適的燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量以及料液比，因素水平表見表2。采用響應面法優化試驗，以感官評分為響應值，確定最佳工藝配方組合，結果見表3。

表3 響應面試驗設計與結果

使用Design-Expert 13.0軟件對表3試驗數據進行多元回歸擬合，得到響應值Y（感官評分）對影響即食燕麥粥的4個因素（A燕麥籽粒添加量、B藜麥添加量、C木糖醇添加量、D料液比）的二次多項回歸模型：Y=85.16-1.13A+0.466 7B+0.610 0C-0.049 2D-0.235 0AB-0.060 0AC-0.052 5AD-0.135 0BC+0.650 0BD-0.490 0CD-1.68A2-1.11B2-0.707 8C2-1.13D2。

由表4可知：回歸模型F值為35.94，P值＜0.000 1，表明回歸模型顯著；失擬項P值為0.077 5＞0.05，說明失擬項不顯著，說明該模型與實際試驗有較好的擬合；回歸決定系數R2=0.972 9，說明有97.29%的響應面值符合此模型；校正決定系數Radj2為0.945 9，說明94.59%的試驗數據的變化可用該回歸模型參考。該模型擬合程度良好，試驗誤差小，回歸方程可以較好地描述各因素與感官評分之間的關系，因此可以利用方程模型對即食燕麥粥的工藝配方進行優化。

表4 回歸模擬方差分析

由回歸方程系數的顯著性表明，4個因素對即食燕麥粥感官評分影響的重要程度為A＞C＞B＞D，即燕麥籽粒添加量＞木糖醇添加量＞藜麥添加量＞料液比，其中燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量對感官評分的影響顯著或極顯著（P＜0.05，P＜0.01），料液比對感官評分的影響不顯著（P＞0.05），交互項AB、AC、AD、BC對即食燕麥粥感官評分的影響不顯著（P＜0.05），交互項BD、CD對即食燕麥粥感官評分的影響極顯著（P＜0.01），二次型A2、B2、C2、D2對即食燕麥粥感官評分的影響均為極顯著（P＜0.01）。

2.4 各因素的交互作用對即食燕麥粥感官評分的影響

由圖6（a）～（c）可知，燕麥籽粒添加量與藜麥添加量、木糖醇添加量、料液比的交互作用曲線彎折程度稍大，等高線呈現近橢圓形。燕麥籽粒添加量的變化對感官評價的影響大于其他因素的變化對感官評價的影響，說明燕麥籽粒添加量對感官評分的影響較大。

圖6 燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比的相互作用對感官評分的響應面結果

由圖6（d）可知，藜麥添加量與料液比的交互作用曲線彎折程度較大。由圖6（e）可知，藜麥添加量與木糖醇添加量的交互作用曲線彎折程度較大，等高線呈現圓形，說明藜麥添加量與木糖醇添加量的交互作用不明顯，而與料液比較為明顯。由圖6（f）可知，木糖醇添加量與料液比的交互作用曲線彎折程度大，且等高線為橢圓形，說明木糖醇添加量與料液比這兩因素之間的交互作用較為顯著。木糖醇添加量的變化對感官評分的影響大于料液比的變化對感官評分的影響，說明在木糖醇添加量與料液比添加量這兩因素中，木糖醇添加量對感官評分的影響較大。

綜上所述，在即食燕麥粥配方中，燕麥籽粒添加量與木糖醇添加量是影響即食燕麥粥口感的主要因素。燕麥作為主要原料，為產品提供營養、風味以及獨特筋道的口感[12-13]，燕麥β-葡聚糖的溶解性質使成品呈現良好的懸浮穩定性[14]；木糖醇作為甜味劑為產品提供甜味，豐富即食燕麥粥的風味特征，盡管研究表明長期攝入木糖醇不會影響人體腸道葡萄糖的吸收[15]，但高劑量甜味替代劑可能引起神經激素調節能力的損傷[16]。因此需要嚴格的控制燕麥籽粒的添加量及木糖醇的添加量，以確保即食燕麥粥的口感風味及安全性。

2.5 即食燕麥粥配方優化

根據Design-Expert 13.0軟件分析可得即食燕麥粥的最佳工藝配方：燕麥籽粒添加量48.81%、藜麥添加量9.32%、木糖醇添加量2.53%、料液比1∶6.79（g/mL）。在此條件下，所預測的產品感官評分為85.96分。根據實際情況，將即食燕麥粥的最優配方調整為燕麥籽粒添加量48.8%、藜麥添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL），所得到的感官評分為85.59分。

2.6 即食燕麥粥品質評價

2.6.1 即食燕麥粥的基本營養成分

由表5可知，即食燕麥粥所提供的能量為182 kJ（43.48 kcal），這歸因于合適的料液比以及高膳食纖維含量，可以帶來飽腹感的同時提供低能量需求[17]。Zhang等[18]探究8種全谷物的體外消化并給出針對不同人群的膳食建議，結果發現由燕麥、藜麥或蕎麥制成的粥被認為比其他粥更健康，因為它們的血糖指數和血糖負荷較低，可消化蛋白質含量和氨基酸生物可及性較高，膳食纖維含量較高（＞12%）。試驗加工的即食燕麥粥可為人體提供營養物質的同時減少能量攝入。

表6 即食燕麥粥理化指標

2.6.2 即食燕麥粥理化指標評價

通過測定，即食燕麥粥的固定物含量65%、可溶性固形物含量7.8%、pH 6.5、干燥物含量16.1%。即食燕麥粥理化性質符合QB/T 2221—2019《粥類罐頭》濃稠型甜粥罐頭要求。

2.6.3 即食燕麥粥電子鼻分析

W1C、W3C和W5C對芳香成分敏感[19]，由圖7可知，傳感器對樣品的響應值都比較大，尤其是W1C（對苯類芳香成分靈敏）和W5C（對短鏈烷烴芳香成分靈敏），因此最優配方制得的即食燕麥粥產品具有較多揮發性香氣成分，加熱食用可增加風味。

圖7 燕麥粥的電子鼻雷達分析圖譜

3 結論

通過單因素試驗和響應面試驗得到即食燕麥粥優化后的條件：燕麥籽粒添加量48.8%、藜麥添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL）。在此條件下，即食粥的感官評分為85.59分，營養成分和理化指標均符合國家標準，膳食纖維含量較高且熱量較低，每100 g即食粥可滿足每天24%的膳食纖維需求，具有營養全面、溶液性質穩定和良好風味的特點。未來在即食燕麥粥相關領域的研究應注重配方與藥食同源原料庫及新食品原料庫的結合，做到以燕麥為主體，食品輔料替代添加劑并改善粥的穩定性，整體產品具備益生特性。試驗結果為健康輔食和速食食品提供參考。