響應(yīng)面法優(yōu)化馬鈴薯泥面包的加工工藝

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(1.甘肅省輕工研究院,甘肅蘭州 730000; 2.陜西科技大學(xué),陜西西安 710000)

馬鈴薯在我國種植面積廣,產(chǎn)量高,2014年，我國馬鈴薯種植面積達(dá)8277.3萬畝,鮮薯產(chǎn)量9500萬噸[1]。在我國，馬鈴薯主要作為蔬菜鮮食,而在加工方面以速凍馬鈴薯、淀粉、粉絲、粉皮、粉條、酒精等生產(chǎn)為主[2],馬鈴薯主食的加工比較鮮見。因此,2015年，國家農(nóng)業(yè)部提出馬鈴薯主食化戰(zhàn)略,使其成為我國第四大主糧。目前，我國馬鈴薯主食化研究已完成對馬鈴薯面條[3]、饅頭[4]、面包[5]等主食產(chǎn)品的第一代產(chǎn)品研發(fā),研究了全粉添加對馬鈴薯面團(tuán)的流變特性影響[6]。對于馬鈴薯主食化產(chǎn)品的開發(fā)均以馬鈴薯全粉為原料,而利用馬鈴薯泥加工主食產(chǎn)品鮮有報(bào)道。鮮薯薯泥與全粉相比,營養(yǎng)風(fēng)味物質(zhì)保存比較完整[7],而且減少烘干環(huán)節(jié),降低能耗成本[8-9]。

面包營養(yǎng)成分全面,易于消化利用[10],食用攜帶方便,工業(yè)面包的消費(fèi)市場越來越廣闊[11]。目前國內(nèi)外對面包的研究主要在延緩面包老化、延長貨架期、提高面包品質(zhì)、開發(fā)功能性面包及花色面包等方面[12]。在主食化以前,馬鈴薯已經(jīng)以添加劑的形式被加入到面包中。本研究以馬鈴薯泥代替全粉,采用一次發(fā)酵法[13]制作馬鈴薯面包,為馬鈴薯主食化研究和馬鈴薯泥面包的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯鮮薯 品種:新大坪,干物質(zhì)含量27.8%,淀粉20.19%,粗蛋白2.67%(供應(yīng)商)，產(chǎn)地:定西;小麥面粉 新疆新世紀(jì)面粉有限公司生產(chǎn);高活性干酵母 湖北安琪酵母股份有限公司;植物油、雞蛋、黃油、食鹽等 市售。

C21S47型電磁爐 浙江蘇泊爾股份有限公司;DS-1電動(dòng)高速搗碎機(jī) 德州潤昕實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;HM800和面機(jī) 青島漢尚電器有限公司;BCD-225AG海信冰箱 海信集團(tuán)有限公司;KBF115恒溫恒濕箱 德國Binder公司;ACL-1DH烘焙電烤箱 廣州愛廚樂烘焙設(shè)備有限公司;EZ-S多功能質(zhì)構(gòu)儀 日本島津公司;PB203-N型分析天平 Metler-Toledo公司;濕度計(jì) 上海精密儀器儀表有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 馬鈴薯泥加工工藝 新鮮馬鈴薯→清洗→蒸煮→自然冷卻→去皮→搗泥→馬鈴薯泥

篩選新鮮、無腐爛、大小適合、形狀圓整的馬鈴薯,用清水刷洗清潔后瀝干,然后在100 ℃條件下,蒸煮40 min,再將蒸煮冷卻后馬鈴薯搗碎制成薯泥,冷藏備用。

1.2.2 馬鈴薯泥面包制作工藝 馬鈴薯泥面包的加工采用一次發(fā)酵法,加工流程如下:

馬鈴薯泥、高筋粉、其他輔料→面團(tuán)調(diào)制→發(fā)酵→分割成型→醒發(fā)→整形→烘烤→冷卻→馬鈴薯泥面包成品

按配方稱取各原輔料,先將馬鈴薯泥、小麥高筋粉投入攪面機(jī)攪拌混合均勻,用30 mL 30 ℃的自來水將白砂糖、食鹽、奶粉溶解完全,并用30 mL 30 ℃的自來水活化酵母,即將酵母粉加入30 ℃溫水,攪拌5 min使其完全溶解,然后保持水溫靜置至酵母菌液液面有氣泡產(chǎn)生為止。將活化的酵母和溶解完全的白砂糖、食鹽、奶粉溶液加入到充分混勻的馬鈴薯泥與高筋粉中,攪拌至面筋基本形成后,再加入植物油和黃油攪拌直至面筋完全擴(kuò)展即可,即面團(tuán)可拉至薄膜紙樣且輕彈不破。將面團(tuán)在溫度為(36±2) ℃,相對濕度為80%～90%的恒溫恒濕箱中發(fā)酵2～4 h。發(fā)酵后的面團(tuán)室溫靜置20 min,然后以每個(gè)面胚50.0 g進(jìn)行分割,將分割后的面胚滾揉成圓形,使其表面光滑。將成型后的面團(tuán)送入醒發(fā)箱內(nèi)醒發(fā),控制醒發(fā)室溫度為35～37 ℃,相對濕度為80%～90%,醒發(fā)45 min。將醒發(fā)后的面胚裝盤送入烘焙爐開始烘焙,設(shè)定烘焙上火溫度為190 ℃,下火溫度為170 ℃,焙烤10 min后,將上火和下火溫度互換,再烘焙5 min后可出爐。最后將完成烘焙的面包置于常溫自然降溫1.5 h后封裝,即馬鈴薯泥面包。

1.2.3 馬鈴薯泥添加量的選擇 以馬鈴薯泥和小麥粉質(zhì)量之和為基準(zhǔn)(100),在單因素實(shí)驗(yàn)中,使馬鈴薯泥的添加量分別為基準(zhǔn)的10%、20%、30%、40%、50%,其余輔料添加量:白砂糖13%、黃油6.0%、酵母2.5%、食鹽1.5%、雞蛋6.0%、奶粉6.0%、植物油1.0%,添加適量水至形成面團(tuán)即可;參照1.2.2方法制成馬鈴薯泥面包,研究馬鈴薯泥的添加量對面包發(fā)酵時(shí)間、比容、含水量、高徑比和酸度的影響;同時(shí)進(jìn)行感官評價(jià)。

1.2.4 馬鈴薯泥面包制作單因素實(shí)驗(yàn) 在確定馬鈴薯泥添加量的基礎(chǔ)上,以馬鈴薯泥面包的比容為考核指標(biāo),固定酵母添加量3%、和面時(shí)間14 min、發(fā)酵溫度32 ℃,按照表1中所列因素和水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),其他輔料添加量參照1.2.3。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of single-factor experiments

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 面包比容是面包質(zhì)量的最直觀的依據(jù),以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),以酵母含量(%),和面時(shí)間(min)及發(fā)酵溫度(℃)為自變量,薯泥面包比容為響應(yīng)值,依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法,對薯泥面包加工工藝進(jìn)行優(yōu)化,分析因素與水平見表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments

1.3 馬鈴薯泥面包考核指標(biāo)的測定方法

1.3.1 馬鈴薯泥面包發(fā)酵時(shí)間的測定 面團(tuán)發(fā)酵時(shí)間的測量利用量筒法[14],將分割為30.0 g的面胚置于大量筒底部并壓實(shí),置于相對濕度為80%～90%,溫度36 ℃的恒溫恒濕箱內(nèi)發(fā)酵,記錄量筒放入箱內(nèi)的時(shí)間為T0,每間隔10 min觀察一次體積變化情況,直到量筒內(nèi)面團(tuán)體積不再變化為止,此時(shí)時(shí)間記為T1,最長發(fā)酵時(shí)間計(jì)算如下:

馬鈴薯面團(tuán)的最長發(fā)酵時(shí)間(min)=T1-T0

1.3.2 馬鈴薯泥面包比容的測定 參考GB/T 20981-2007面包中比容的測量方法-排米法測定面包比容[15]。

1.3.3 馬鈴薯泥面包含水量的測定 參考GB/T 20981-2007面包中水分的測量方法-恒重法[15]。

1.3.4 馬鈴薯泥面包高徑比的測定 利用直尺和直角尺組合的方法測量馬鈴薯泥面包的直徑和高度,計(jì)算出面包高度與直徑的比值:面包高徑比[16]。

1.3.5 馬鈴薯泥面包酸度的測定 參考GB/T 20981-2007面包酸度的檢測方法-滴定法[15]。

1.3.6 馬鈴薯泥面包的感官評分 將烘烤后的面包樣品自然降溫1.5 h后,由20位食品專業(yè)人員組建的感官評價(jià)評估小組分別品嘗,并對面包的形態(tài)、表皮色澤、組織結(jié)構(gòu)、彈柔性、口感及風(fēng)味等項(xiàng)目分別綜合評價(jià)打分,總分是100分,取其均值形成最終感官評價(jià)分值。感官評分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 馬鈴薯泥面包感官評分標(biāo)準(zhǔn) Table 3 Comprehensive evaluation of potato mud bread

表4 馬鈴薯泥添加量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of potato mud addition

注：同一行不同小寫字母表示差異性顯著(p<0.05),相同小寫字母表示差異不顯著,表5～表7同。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert 8.0軟件、Microsoft Excel 2010軟件對單因素實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖分析,利用t-test檢驗(yàn)對各單因素實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,p<0.01為極顯著,0.010.05為不顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬鈴薯泥添加量選擇實(shí)驗(yàn)

按照1.2.3的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出馬鈴薯泥添加量對考核指標(biāo)的影響結(jié)果如表4。

面團(tuán)發(fā)酵時(shí)間是指面團(tuán)通過酵母發(fā)酵膨大至最大體積所用的時(shí)間,發(fā)酵時(shí)間越短,周轉(zhuǎn)次數(shù)增加,效能提高。面包比容是評價(jià)面包質(zhì)量的最直觀的依據(jù),其值可直接反應(yīng)面包體積的大小;面包的高徑比大小客觀反應(yīng)了面包的起發(fā)與形狀,其值越大面包起發(fā)越好,形狀越飽滿[17]。

從表4數(shù)據(jù)看出,隨著面包中馬鈴薯泥添加量的增加,面包的發(fā)酵時(shí)間呈顯著的(p<0.05)先降后升的趨勢,在薯泥添加量接近40%時(shí)面團(tuán)發(fā)酵時(shí)間最短,為100 min;相反面包高徑比呈顯著的(p<0.05)先增后降的趨勢,在薯泥含量在40%時(shí)出現(xiàn)最大值,為0.57;面包的比容在薯泥添加量為0～40%時(shí)呈顯著(p<0.05)下降趨勢,大于40%時(shí)變化不明顯;當(dāng)薯泥添加量超過50%時(shí),面包水分含量明顯增加;面包酸度整體呈穩(wěn)中有降趨勢,但均符合GB/T 20981-2007[15]的要求；而馬鈴薯面包的感官評價(jià)隨薯泥添加量的增加呈顯著的(p<0.05)先增后降趨勢,在薯泥添加量在40%時(shí)面包品質(zhì)最好,評分最高,為75.2。馬鈴薯泥中含有較多的鉀、鎂、氯等元素,適量添加能刺激酵母生長,加速酵母發(fā)酵產(chǎn)氣,面包發(fā)酵速度加快[18],同時(shí)馬鈴薯淀粉加熱易被糊化,并能迅速水解為酵母的碳源,促使酵母快速發(fā)酵[11],使面包迅速完全起發(fā),面包發(fā)酵時(shí)間縮短;但是馬鈴薯泥中不含面筋蛋白,如若面團(tuán)中添加量過高,對面團(tuán)中面筋蛋白有稀釋作用,減弱面團(tuán)中面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,削弱面團(tuán)的強(qiáng)度,面團(tuán)不能完全起發(fā)或者發(fā)酵時(shí)間增加,面團(tuán)比容較小,高徑比變小[19-20]。此外，馬鈴薯泥的持水性比小麥高筋粉的持水性強(qiáng),薯泥的增加會提高面包中的含水量,提高面包出品率,但過量會造成面包品質(zhì)下降[19]。在馬鈴薯面包的感官評價(jià)方面,面包中馬鈴薯泥的添加使面包具有馬鈴薯特有風(fēng)味,提高面包感官品質(zhì),但薯泥含量超過40%左右時(shí),會明顯降低馬鈴薯泥面包的品質(zhì),面包感官評價(jià)明顯降低,這與陳代園[14]的研究結(jié)果相同。

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析,確定馬鈴薯泥面包中薯泥的適宜添加量為40%。

2.2 馬鈴薯鮮薯面包加工工藝優(yōu)化

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1.1 酵母含量對薯泥面包品質(zhì)的影響 酵母的生存率及產(chǎn)氣力是關(guān)系到薯泥面包面團(tuán)品質(zhì)的重要因素[21]。表5看出,隨著酵母添加量的增加,面包比容呈顯著的(p<0.05)先增后降的趨勢,面包高徑比呈顯著增加(p<0.05)后微降的趨勢,硬度呈現(xiàn)出顯著下降(p<0.05)后微升的變化。在酵母含量為4%時(shí),面包高徑比和比容出現(xiàn)最大值,分別為0.57和3.70 mL/g,面包硬度出現(xiàn)最小值,為4.95 N,面包起發(fā)程度良好。主要原因是在一定范圍內(nèi),酵母數(shù)量的增加可提高面團(tuán)中酵母活細(xì)胞數(shù)和產(chǎn)氣能力,提高面團(tuán)發(fā)酵能力,使面包啟發(fā)程度好,比容增大,高徑比增加,硬度減小;但酵母含量的增加,會提高酵母死細(xì)胞產(chǎn)生的谷胱甘肽的含量,谷胱甘肽易將面筋結(jié)構(gòu)中的二硫鍵還原為巰基,進(jìn)而破壞面筋蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[22],當(dāng)谷胱甘肽對面團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響大于酵母對面團(tuán)起發(fā)的影響后,面包不能完全起發(fā),會使面包高徑比變小,比容降低,硬度增大。綜合上述分析,確定最佳酵母添加量為4%。

表5 酵母添加量對面包品質(zhì)的影響Table 5 Effect of yeast content on the quality of potato mud bread

表6 和面時(shí)間對面包品質(zhì)的影響Table 6 Effect of dough making time on the quality of potato mud bread

表7 發(fā)酵溫度對面包品質(zhì)的影響Table 7 Effect of fermentation temperature on the quality of potato mud bread

2.2.1.2 和面時(shí)間對薯泥面包品質(zhì)的影響 和面時(shí)間對面筋網(wǎng)絡(luò)的形成有重要的作用,而面筋網(wǎng)絡(luò)的形成好壞直接影響了面團(tuán)質(zhì)量和面包體積[21]。表6可看出,在10～16 min內(nèi),面包高徑比和比容隨和面時(shí)間增加呈顯著(p<0.05)增加趨勢,在16 min時(shí),分別出現(xiàn)最大值0.57和3.72 mL/g,而硬度變化為先顯著(p<0.05)下降,和面時(shí)間超過14 min后稍有上升,在14 min時(shí)出現(xiàn)最小值5.19 N;在14～18 min時(shí),面包高徑比、比容、硬度變化均不顯著。究其緣由主要是適宜的和面時(shí)間能夠讓面筋蛋白跟水較好結(jié)合,組建比較穩(wěn)定的面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生數(shù)量密集、均勻分布的孔洞,為面團(tuán)充分發(fā)酵,儲存大量CO2氣體奠定基礎(chǔ);當(dāng)和面時(shí)間過長時(shí),已經(jīng)形成的面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到機(jī)械破壞,已經(jīng)形成的面團(tuán)孔洞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,不能均勻有效存儲CO2氣體,使薯泥面團(tuán)硬度,面包高徑比減小,比容減小,硬度增加[23-24]。綜合和面時(shí)間對面包高徑比、比容和硬度的影響后,確定最佳和面時(shí)間為14 min。

2.2.1.3 發(fā)酵溫度對薯泥面包品質(zhì)的影響 發(fā)酵溫度影響酵母的活性,從而影響面包起發(fā)程度和發(fā)酵時(shí)間。從表7看出,在24～36 ℃范圍內(nèi),隨著發(fā)酵溫度的增加,面包高徑比和比容呈顯著(p<0.05)增加趨勢,并在36 ℃時(shí)分別出現(xiàn)最大值,為0.56和3.71 mL/g,并趨于穩(wěn)定微降的趨勢,而面包硬度表現(xiàn)出顯著下降趨勢,溫度超過36 ℃后變化不明顯。原因一方面是當(dāng)溫度較低時(shí),酵母活性較低,在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氣體較少,面包不能完全起發(fā),面團(tuán)比較堅(jiān)實(shí),高徑比和比容較小,硬度較大,可延長發(fā)酵時(shí)間,但從規(guī)模化生產(chǎn)的角度出發(fā),效率過低;原因二是當(dāng)溫度過高時(shí),酵母活性增加,部分酵母會出現(xiàn)早衰或者死亡,加速谷胱甘肽的產(chǎn)生,破壞面團(tuán)中面筋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),致使面包比容和高徑比稍有降低,硬度變化微小[22]。綜合上述分析,確定最佳發(fā)酵溫度為36 ℃。

2.2.2 響應(yīng)面分析

2.2.2.1 響應(yīng)面結(jié)果 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Result of response surface design methodology

2.2.2.2 回歸方程的建立與分析 采用Design Expert 8.0對實(shí)驗(yàn)值采取二元回歸擬合,模擬出馬鈴薯泥面包的比容對酵母添加量、和面時(shí)間和發(fā)酵溫度的二次多項(xiàng)回歸方程為:Y=3.94+0.018A+0.024B+0.046C-0.013AB-0.018AC-0.010BC-0.33A2-0.19B2-0.023C2。

表9 ANOVA分析結(jié)果Table 9 Results of ANOVA analysis

注：**表示差異極顯著(p<0.01);*表示差異顯著(p<0.05)。

由表9數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,p<0.0001表示所得回歸方程的模型極顯著。失擬檢測p=0.5413>0.05不顯著,表明此回歸的模型比較理想,可信度較高。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9987,表示該模型與實(shí)際擬合程度好,能說明99.87%響應(yīng)值的變化,結(jié)果誤差小。信噪比為67.318>4,說明實(shí)驗(yàn)精度很高。綜合以上分析得知,該模型可較準(zhǔn)確的模擬酵母含量、和面時(shí)間以及發(fā)酵溫度三個(gè)因素對馬鈴薯面包比容值的影響。

由表9看出,擬合方程的一次項(xiàng)A、B、C及二次項(xiàng)A2、B2、C2為極顯著(p<0.01),二次項(xiàng)AB、AC交互作用表現(xiàn)為顯著,表示其對馬鈴薯面包比容有交互影響,各因素對面包比容影響的大小排序依次為C(發(fā)酵溫度)>B(發(fā)酵時(shí)間)>A(酵母含量)。

2.2.2.3 馬鈴薯面包制作工藝優(yōu)化 依據(jù)所建立的二元回歸擬合方程所建立的模型對影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析,得出馬鈴薯面包最優(yōu)加工條件:酵母的添加量為4.0%,和面時(shí)間為14.07 min,發(fā)酵溫度為38 ℃。對模型計(jì)算出的加工參數(shù)進(jìn)行修正為酵母添加量為4.0%,和面時(shí)間為14 min,發(fā)酵溫度為38 ℃;在最優(yōu)條件下模型預(yù)測的馬鈴薯面包比容值為3.96 mL/g。

2.2.2.4 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件的可靠性,采用計(jì)算出的最優(yōu)條件制作馬鈴薯面包進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),做3組平行實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3.93、3.95、3.95 mL/g,最終比容平均值為3.94 mL/g,與模型計(jì)算出的預(yù)測值的誤差僅為0.51%。因此,利用二元回歸擬合對馬鈴薯面包制作的工藝優(yōu)化的條件具有可靠性。

3 結(jié)論

本研究通過單因素實(shí)驗(yàn),得出馬鈴薯泥在面包中最佳含量為40%,在此含量時(shí),面團(tuán)相對發(fā)酵用時(shí)較短,感官品質(zhì)最佳;同時(shí)利用響應(yīng)面分析法和Design Expert 8.0軟件對馬鈴薯面包制作工藝進(jìn)行優(yōu)化,確定最佳條件為:酵母含量4.0%,和面時(shí)間14 min,發(fā)酵溫度為38 ℃。并通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),在此參數(shù)下的面包比容為3.94 mL/g,與模型計(jì)算出的預(yù)測值的相對誤差僅為0.51%,說明采用響應(yīng)面法對馬鈴薯面包制作參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)確可行。通過本實(shí)驗(yàn)所用方法加工馬鈴薯泥面包簡單,相對于馬鈴薯全粉,風(fēng)味保留更完全,耗能更低,對馬鈴薯主食化研究和馬鈴薯泥面包的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

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