響應面法優(yōu)化冷凍面團饅頭冷凍工藝

胡家勇，秦先魁*，鄭革，邱燕霞，陳淑平（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430000）

響應面法優(yōu)化冷凍面團饅頭冷凍工藝

胡家勇，秦先魁*，鄭革，邱燕霞，陳淑平
（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430000）

為確定冷凍面團饅頭最佳冷凍工藝參數(shù)，在單因素試驗基礎上，選擇冷凍時間，冷凍溫度為自變量，饅頭感官評分、饅頭比容、饅頭硬度為響應值，利用Box-Benhnken中心組合試驗和響應面分析法，研究各自變量及其交互作用對冷凍面團饅頭感官評分、比容、硬度的影響。通過回歸分析和響應面曲面圖，得到最優(yōu)工藝參數(shù)并進行驗證試驗。結果表明，冷凍溫度為-30℃，冷凍時間為30 min時，饅頭感官評分（85.2分）、比容（2.45 cm3/g）及硬度（485.47 g/kg）均達到最佳值。

冷凍面團；饅頭；冷凍時間；冷凍溫度；響應面法

饅頭作為我國人民的傳統(tǒng)主食，一般用小麥粉經(jīng)發(fā)酵蒸制而成，具有色白、皮軟、光滑、蓬松等特點，比容一般在2.3～3.0 cm3/g[1]之間。饅頭是我國發(fā)酵面食中最大的一類品種，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在我國北方，用于制作饅頭的小麥粉占面粉總用量的70%[2]左右，而南方雖以大米為主食，但用于制作饅頭、包子等食品的小麥粉仍占較大比例。

饅頭要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，就必須解決產(chǎn)品的保藏問題。饅頭因水分含量高，極易受微生物污染而腐敗變質，另外，面團中糊化淀粉的老化問題也較嚴重。速凍面團技術有望解決這一難題。速凍技術在保持食品色、香、味、形及營養(yǎng)方面的顯著效果是其得以迅速發(fā)展、倍受世人青睞的最主要原因。速凍饅頭口味清淡，適合中國人的消費習慣，與中式的菜系、粥品、湯類搭配適宜可口[3]。面團通過低溫速凍，可迅速通過-5～-1℃[4]的最大冰晶生成區(qū)，使自由水變成大量細而密的冰晶，抑制酶的活性且不會破壞面筋網(wǎng)絡結構，同時，在一定程度上抑制了淀粉的老化，使其在冷藏環(huán)境中得以長期保存。

目前冷凍面團產(chǎn)品的整體感官品質與現(xiàn)制現(xiàn)售品還有一段距離，在生產(chǎn)中還容易出現(xiàn)萎縮、變色、裂紋等質量問題，如冷凍面團經(jīng)長期冷凍貯藏會導致面團品質下降，醒發(fā)時間增加、面包硬度增加、比容減小等[5]；FUKUNAGA J等[6]研究表明，由于冷凍系統(tǒng)（冷凍、凍藏、解凍）的影響導致冷凍面團食品在生產(chǎn)過程中品質發(fā)生變化，隨著冷凍面團冷藏時間的延長，產(chǎn)品質量不斷降低。

冷凍面團冷凍參數(shù)的研究可以從一定程度上改善冷凍面團萎縮、裂紋等質量問題，為冷凍面團工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的參數(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉：益康面粉有限公司；耐低溫酵母：安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設備

DW-40L醫(yī)用低溫速凍冰箱、BCD-539WT海爾冰箱：青島海爾集團股份有限公司；TA-XT2i物性測試儀：英國Stable Micro System公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 冷凍面團饅頭制作

先將干料低速攪勻，加水后低速攪拌至成團，再高速攪拌7 min。面團稍作整理后放入醒發(fā)箱（溫度30℃，濕度80%）內(nèi)發(fā)酵45 min，取出面團壓面10次趕氣，然后將面團分割成100 g/塊，手揉成型（成型高度6 cm），-30℃速凍30 min，真空包裝，-18℃冷藏保存，解凍，醒發(fā)，蒸制20 min。

1.3.2 饅頭品質感官評價方法

冷凍面團饅頭感官評分標準（滿分100分）見表1。

表1 冷凍面團饅頭感官評分標準[7]Table 1 Sensory evaluation criteria of steamed bread

1.3.3 TPA質構儀硬度、咀嚼性測定[8]

用菜刀將饅頭從豎直方向切成厚度1.5 cm的均勻薄片，取中部兩片，采用質構儀進行質地剖面分析（texture profile analysis，TPA）測試，測試采用P100探頭，雙試驗取平均值。參數(shù)設定：測試前速率1.00 mm/s；測試速率1.00 mm/s；測試后速率2.00 mm/s；下壓程度50.00%；距離25.000 mm；測試力5.0 g。

1.3.4 比容的測定

利用體積測量儀對樣品進行質量、體積的測定，得出密度值及其與之對應的比容。

1.3.5 最佳冷凍參數(shù)的響應面試驗設計

根據(jù)響應面分析軟件提供的模型，設冷凍溫度（x）、冷凍時間（y）因素為自變量，饅頭感官評分、比容、硬度分別為響應值，設計2因素3水平的試驗，并根據(jù)單因素試驗結果選定二因素的零水平和波動區(qū)。試驗因素及水平的取值見表2。

表2 響應面試驗因素水平編碼Table 2 Factors and levels of response surface methodology

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

單因素試驗：利用Origin 8.5繪制變化折線圖。

響應面試驗：采用Excel回歸分析（regression analysis）得到顯著性方程，然后規(guī)劃求解，再應用Origin 8.5軟件繪制相應的曲面圖和等高線，并進行響應面分析。

2 結果與討論

2.1 單因素分析

2.1.1 冷凍時間對饅頭各項指標的影響

速凍冰箱溫度設定為-30℃不變，將制作好的面團置于速凍冰箱中，分別冷凍15 min、25 min、30 min、35min、45min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d取出解凍、醒發(fā)、蒸制，測定不同冷凍時間下冷凍面團饅頭的感官評分、比容、硬度，結果如圖1所示。

圖1 各項指標與冷凍時間的關系曲線圖Fig.1 Relationship curve between each index and freezing time

由圖1可知，當冷凍溫度一定時，在15～45min范圍內(nèi)，隨著冷凍時間的增長，感官評分、比容均呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，硬度值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，30 min左右為其轉折點，此時冷凍面團饅頭各項指標均表現(xiàn)最好，感官評分為84.2分，比容為2.43 cm3/g，硬度為482.4 g/kg。

2.1.2 冷凍溫度對饅頭各項指標的影響

將制作好的面團置于速凍冰箱中，分別于-20℃、-25℃、-30℃、-35℃、-40℃條件下冷凍30 min后取出，置于-10℃冰箱中冷藏，5 d后取出解凍、醒發(fā)、蒸制，測定不同冷凍溫度條件下冷凍面團饅頭的感官評分、比容、硬度值，結果如圖2所示。

圖2 各項指標與冷凍溫度的關系曲線圖Fig.2 Relationship curve between each index and freezing temperature

由圖2可知，當冷凍時間一定時，在-40～-20℃的溫度范圍內(nèi)，隨著冷凍溫度的升高，感官評分、比容均呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，硬度值呈現(xiàn)先下降，后上升的趨勢，-30℃左右為其轉折點，此時冷凍面團饅頭各項指標均表現(xiàn)最好，感官評分為85.3分，比容為2.43 cm3/g，硬度為482.5 g/kg。

2.2 冷凍條件對饅頭品質的影響分析

根據(jù)Box-Benhnken設計組合試驗的設計原理[9-15]，為確定最佳工藝參數(shù)，選擇二元二次組合設計表作為試驗操作方案，具體條件設置如表3所示，根據(jù)設計方案表進行試驗操作，分別以比容、感官評分、硬度值和失水率為試驗結果，對數(shù)據(jù)進行二次回歸擬合，經(jīng)過簡化和優(yōu)化后得到帶交互項和平方項的二次方程，分析各因素的主效應和交互效應，在一定的水平范圍內(nèi)得出試驗最佳值。試驗測定結果見表3。

表3 響應面分析試驗結果Table 3 Results of response surface methodology

2.2.1 感官評分分析

根據(jù)表3的感官評分結果，為分析各參數(shù)對感官評分結果的影響，對試驗結果進行回歸分析，結果如表4所示。

表4 饅頭感官評分回歸分析結果Table 4 Regression analysis results of steamed bread sensory evaluation score

從表4可以看出：x、y、xy的P＞0.05，冷凍溫度和冷凍時間的交互作用對感官評分影響不顯著，x2的0.01＜P＜0.05，說明其對感官評分有顯著影響，y2的P值均＜0.01，對饅頭感官評分的影響極顯著。

以評分結果為目標值，感官評分（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時間（y）之間的回歸方程如下：

其中，R2=0.923 6，R2Adj=0.828 1，P=0.023 6＜0.05，表明建立的回歸方程顯著。

根據(jù)回歸方程，應用規(guī)劃求解得出：當冷凍溫度x= -30.35℃，冷凍時間y=28.51 min時，制備的饅頭的感官評分達到最大值，為85.65分；考慮到實際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時間y=30 min，所制備的饅頭的感官評分為85.26分。

響應面分析各因素與感官評分之間的變化關系，繪制響應面的三維表面圖如圖3所示。

圖3 溫度與時間對饅頭感官評分影響的響應曲面及等高線Fig.3 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread sensory evaluation

由圖3可以看出，冷凍溫度和冷凍時間對饅頭的感官評分影響較大，曲面很好的反應了兩兩因素對感官評分的雙重影響。在固定冷凍溫度下，樣品感官評分隨冷凍時間的增長，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當冷凍溫度固定時，感官評分隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時間二者的交互作用對樣品感官評分結果影響不顯著。

2.2.2 比容分析

根據(jù)表3比容的測定結果，為分析各參數(shù)的顯著性，采用回歸分析，結果如表5所示。

表5 饅頭比容回歸分析結果Table 5 Regression analysis results of steamed bread specific volume

從表5可以看出，冷凍溫度x和冷凍時間y的P值均＞0.05，冷凍溫度和冷凍時間對比容的影響不顯著，x2和xy的0.01＜P＜0.05，說明其對比容有顯著影響，y2的P＜0.01，對比容的影響極顯著。

以測得的比容作為試驗結果，比容（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時間（y）之間的回歸方程如下：

z=1.764-0.030x+0.015y-0.00067x2-0.0004y2-0.00034xy

其中R2=0.916 2，R2Adj=0.811 6，P=0.028 2＜0.05，表明建立的回歸方程顯著。

根據(jù)回歸方程，應用規(guī)劃求解得出：當冷凍溫度x=-30.43℃，冷凍時間y=31.68 min時，制備的饅頭的比容達到最大值，為2.46 cm3/g；考慮到實際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時間y=30 min，所制備的饅頭的比容為2.44 cm3/g。

響應面分析各因素與比容之間的變化關系，繪制響應面三維表面圖如圖4所示。

由圖4可知，在固定冷凍溫度下，樣品比容隨冷凍時間的增長，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當冷凍溫度固定時，比容隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時間二者的交互作用對樣品比容有顯著影響。

圖4 溫度與時間對饅頭比容影響的響應曲面及等高線Fig.4 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread specific volume

2.2.3 硬度

根據(jù)表3中的硬度值，為分析各參數(shù)對硬度值的影響，對試驗結果進行回歸分析，其結果如表6所示。

表6 硬度回歸分析結果Table 6 Hardness’regression analysis

從表6可以看出：y、x2及y2的P值均＜0.01，說明這些因素對比容的影響極顯著；xy的P＞0.05，冷凍溫度和冷凍時間的交互作用對硬度的影響不顯著。

以硬度值為目標值進行回歸分析，硬度值（z）與冷凍溫度（x）、冷凍時間（y）之間的回歸方程如下：

其中：R2=0.990 1，R2Adj=0.977 6，P=0.004＜0.01，表明建立的回歸方程非常顯著根據(jù)回歸方程，應用規(guī)劃求解得出：當冷凍溫度x=-30.58℃，冷凍時間y=28.57 min時，制備的饅頭的硬度達到最小值，為483.56 g/kg；考慮到實際操作的可行性，選擇最佳參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時間y=30 min，所制備的饅頭的硬度值為482.37 g/kg。

利用響應面分析各因素與饅頭硬度之間的變化關系，繪制響應面的三維表面圖如圖5所示。

由圖5可知，在固定冷凍溫度條件下，樣品硬度值隨冷凍時間的增長，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，當冷凍溫度固定時，硬度隨冷凍溫度的上升也呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。從等高線的形狀可以看出，冷凍溫度和冷凍時間二者的交互作用對樣品的硬度影響不顯著。

圖5 溫度與時間對饅頭硬度影響的響應曲面及等高線Fig.5 Response surface plot and contour line of interaction between temperature and time on steamed bread hardness

分析冷凍溫度和冷凍時間對饅頭品質產(chǎn)生此種影響的原因是：當冷凍溫度偏低時，會造成酵母的大量死亡，從而使饅頭比容較小，評分偏低，硬度值增加，失水率升高；當冷凍溫度偏高時，面團內(nèi)部自由水結成冰晶的速度過慢，從而導致形成大量形狀不規(guī)則的大冰晶，這些冰晶的形成會破壞面團的面筋網(wǎng)絡，從而破壞面團品質[26]。當冷凍時間過長時，面團失水嚴重，面團持水性下降，從而導致面團龜裂，同時還破壞了面筋網(wǎng)絡結構，導致面團品質下降，評分降低，硬度值增加；冷凍時，面團內(nèi)的自由水在冷凍過程中形成較大的冰晶，體積增大，同時，由于空氣的熱脹冷縮，使得面團內(nèi)部空氣所占的體積減少，冷凍時間過短，冰晶體積的擴大量小于空氣體積的減少量，面團表皮出現(xiàn)皺紋，從而對饅頭品質產(chǎn)生負面影響。

2.2.4 驗證試驗

出于可操作性考慮，參考規(guī)劃求解所得的最佳工藝參數(shù)，選取冷凍溫度-30℃，冷凍時間30 min進行試驗驗證。3次重復試驗測定結果如表7所示。

表7 驗證試驗測定結果Table 7 Determination result of verification test

對比驗證試驗結果與理論值，可見試驗值與模型理論值非常接近，重現(xiàn)性良好。因此，冷凍溫度-30℃，冷凍時間30 min可作為冷凍面團工業(yè)化生產(chǎn)的冷凍參數(shù)指導。

3 結論

根據(jù)單因素試驗結果分析：當冷凍溫度為-30℃保持不變時，在15～45 min的冷凍時間范圍內(nèi)，制作的冷凍面團饅頭比容、感官評分均隨著時間的增長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，30 min左右達到最大值。當冷凍時間為30 min保持不變時，在-40～-20℃的冷凍溫度范圍內(nèi)，制作的冷凍面團饅頭比容、感官評分均隨著溫度的上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，-30℃左右達到最大值；硬度先下降后上升，-30℃左右達到最小值。故冷凍溫度為-30℃、冷凍時間為30 min制作的冷凍面團饅頭品質最佳。

回歸分析及響應面分析結果顯示：冷凍溫度和冷凍時間對饅頭比容的影響不顯著；冷凍溫度對饅頭感官評分和硬度有顯著影響，冷凍時間對饅頭感官評分和硬度影響非常顯著；另外，冷凍溫度和冷凍時間二者的交互作用對樣品比容有顯著影響，對樣品感官評分和硬度影響不顯著。響應面分析結果表明，-30℃、30 min制作冷凍面團饅頭品質最佳，與單因素結果基本一致。

選取最佳工藝參數(shù)為冷凍溫度x=-30℃，冷凍時間為y=30 min，結合驗證試驗結果，說明本試驗分析得到的最佳工藝參數(shù)具有實際參考價值。

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Optimization of frozen steamed bread dough freezing process by response surface methodology

HU Jiayong,QIN Xiankui*,ZHENG Ge,QIU Yanxia,CHEN Shupin
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430000,China)

Inordertodeterminethe optimumfreezingparametersoffrozendough,onthebasisofsinglefactorexperiment,using freezing time and freezing temperature as the independent variable,sensory score,specific volume and hardness as the response value,based on single factor test,through Box-Benhnken center composite design and response surface methodology,the independent variable and the interaction effect on sensory evaluation score,specific volume and hardness of the steamed bread was studied.Through regression analysis and response surface plot,the optimal process parameters were acuqired and verification test was conducted.The results showed that when the freezing temperature was-30℃,freezing time was 30 min,the sensory score,specific volume and hardness achieved the optimum value(which were 85.2,2.45 cm3/g and 485.47 g/kg,respectively).

frozen dough;steamed bread;freezing time;freezing temperature;response surface methodology

TS219

A

0254-5071（2014）07-0063-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.014

2014-05-29

湖南金霞糧食產(chǎn)業(yè)科技服務項目（532100711025）

胡家勇（1990-），男，碩士研究生，研究方向為糧食工程。

*通訊作者：秦先魁（1962-），男，副教授，碩士，研究方向為糧食工程。