響應面法優化馬鈴薯生漿饅頭的發酵工藝

曹燕飛，張鳳婕，張天宇，陳善峰，2，李宏軍，2，*

（1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博255049；2.樂陵希森馬鈴薯產業集團有限公司，山東樂陵253600）

我國馬鈴薯種植面積廣闊，產量高，環境適應性較好，且消費市場廣闊[1]。馬鈴薯具有豐富的營養物質和實用的醫藥價值。馬鈴薯中含人體必需的8 種氨基酸，其中賴氨酸是谷物中的限制氨基酸，與小麥粉配合可以使蛋白的功效提升[2]；馬鈴薯含有小麥和大米中所沒有的胡蘿卜素，有利于補充人體的維生素，減少與年齡有關的黃斑變性風險[3]；馬鈴薯含有豐富的膳食纖維，有助于腸道蠕動，可以預防便秘、防治癌癥等[4]。

世界上有許多國家將馬鈴薯泥（粉）與面粉混合共同制成各種面制主食，而我國也在2015年推出馬鈴薯主糧化戰略，通過產品研制和生產工藝創新，開發出符合我國居民飲食習慣的產品[5]。不少學者和科研院已經展開對馬鈴薯主糧產品的研究。冷進松等[6]探討影響馬鈴薯粉蒸烤饅頭加工的主要因素，經過Minitab 聯用正交設計優化出最佳工藝；Suresh Chandra 等[7]將馬鈴薯粉與米粉、小麥粉等混合在一起制作餅干，既改善了餅干的口感又增加了其營養價值；鄭捷等[8]研究表明適量添加馬鈴薯全粉，有利于提高面包的感觀品質，降低面包的老化速率，從而延長貨架期，但添加量高于15%將影響面包的比體積及感官得分；Liu 等[9]研究發現添加馬鈴薯全粉可以降低饅頭的血糖指數，增加饅頭營養成分。

在崇尚健康飲食的今天，饅頭是深受我國北方消費者喜歡的主食之一[10]，并且已經有研究人員成功研制出了馬鈴薯全粉饅頭，而以馬鈴薯生漿為原料制作的馬鈴薯饅頭鮮有報道。與全粉為原料相比，馬鈴薯生漿制作的饅頭能減少成本，適應老百姓的購買能力。因此本研究以馬鈴薯生漿為原料，用響應面法優化馬鈴薯生漿饅頭的發酵工藝，為馬鈴薯主糧化提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯（水分含量79.25%、淀粉含量13.08%、蛋白質含量1.25%）：市購；小麥粉（水分含量14.24%、淀粉含量68.50%、蛋白質含量9.11%）：淄博云海面粉廠；高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；維生素C：鄭州康本生物科技有限公司。

M400 搗碎機：中山市帝贊電器有限公司；B15 三功能攪拌機：廣東力豐機械制造有限公司；MT140 型系列軋面機：湖北省棗陽市巨鑫機械有限公司；DHN30A多功能電熱鍋：山東鍋老大有限公司；BRF-18C 醒發箱：廣州展卓商用設備制造有限公司。

1.2 馬鈴薯生漿饅頭的制作工藝

馬鈴薯生漿的制備：將馬鈴薯清洗去皮，用搗碎機進行打漿制得馬鈴薯生漿，加水量根據馬鈴薯生漿及面粉混合物的粉質吸水率的72%來配成濃度0.8%的維生素C 水溶液，將其立即倒入馬鈴薯生漿中得到稀釋的馬鈴薯汁。

和面：將1%高活性干酵母放入10 mL 溫水中活化3 min，再將稱量好面粉和由10%～30%馬鈴薯生漿經護色液稀釋得來的馬鈴薯汁混合物一起加入，在攪拌機中和面3 min。

發酵：將面團放入醒發箱中，在38 ℃，相對濕度80%條件下發酵50 min。

壓延成型：將發酵好的面團放入軋面機中進行壓延，壓面14 次后取出面帶，卷起、切割，質量約為40 g/個，然后進一步揉制成圓形。

醒發：將成型饅頭坯置于35 ℃、相對濕度為80%的醒發箱中醒發14 min。

蒸制：醒發結束后，將饅頭坯放入蒸鍋中蒸制30 min，取出冷卻1 h，待測。

1.3 馬鈴薯生漿饅頭的品質測定

1.3.1 馬鈴薯生漿饅頭的比容測定

用小米置換法測定饅頭比容，每個樣品重復測定3 次[11]。

1.3.2 馬鈴薯生漿饅頭的感官評價

參照GB/T 17320-2013《小麥品種品質分類》附錄A 的實驗室饅頭評定方法，對馬鈴薯生漿饅頭各項指標評分適當修改，評分標準見表1。由8 名具有專業知識的本科生和碩士研究生組成固定的品嘗小組進行評分[12]。

表1 馬鈴薯生漿饅頭感官評分標準Table 1 Sensory evaluation standard of potato pulp steamed bread

1.4 單因素試驗

分別以不同的馬鈴薯生漿添加量、加水量、酵母添加量、發酵時間、發酵溫度進行單因素試驗，考察各不同因素對冷凍面團饅頭的感官品質的影響。試驗中固定面粉與馬鈴薯生漿的總質量，以總質量為基準，分別取0%、10%、15%、20%、25%、30%。加水量根據馬鈴薯生漿及面粉混合物的粉質吸水率的56%、64%、72%、80%、88%來計算，并且前期試驗得出馬鈴薯生漿添加量與粉質吸水率的公式為y=-1.254x+59.3，R2=0.979 9。

1.5 響應面試驗設計

根據單因素的結果確定5 個水平，以馬鈴薯生漿饅頭的感官評分為標準，采用五因素五水平二次旋轉正交試驗設計安排試驗。試驗因素水平編碼表如表2。

表2 試驗因素水平及編碼表Table 2 Experiment factors and levels table

1.6 數據分析

采用SAS9.1 軟件對數據處理并進行響應曲面分析，得到響應面圖，使用OriginPro 9.1 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 馬鈴薯生漿添加量的影響

馬鈴薯生漿添加量對饅頭感官品質的影響見圖1。

圖1 馬鈴薯生漿添加量對饅頭感官品質的影響Fig.1 Effect of potato pulp addition on sensory quality of steamed bread

本試驗選擇馬鈴薯生漿分別為0%、10%、15%、20%、25%、30%，研究馬鈴薯生漿添加量對饅頭感官品質的影響。從圖1 中可以看出，隨著馬鈴薯生漿的添加，饅頭的品質呈現下降趨勢，是因為馬鈴薯生漿中缺乏面筋蛋白，不利于面團的網絡結構的形成，降低饅頭的比容。考慮馬鈴薯生漿饅頭感官評價及營養價值，提高馬鈴薯生漿添加量，選擇20%的馬鈴薯添加量為宜。

2.1.2 加水量的影響

加水量對饅頭感官品質的影響見圖2。

圖2 加水量對饅頭感官品質的影響Fig.2 Effect of added water on sensory quality of steamed bread

本試驗選擇的加水量是根據馬鈴薯生漿及面粉混合物的粉質吸水率的56%、64%、72%、80%、88%來計算，研究加水量對饅頭感官品質的影響。由圖2可知，感官評分隨著加水量的增加呈現出先增加后減少的趨勢，加水量偏低時，不足以與面筋蛋白充分接觸形成面筋網絡結構，導致饅頭的體積較小，當加水量過高時，使面團過軟，饅頭不易成型。因此，加水量在72%時感官評分達到最大值，故72%的加水量適宜。

2.1.3 酵母添加量的影響

酵母添加量對饅頭感官品質的影響見圖3。

圖3 酵母添加量對饅頭感官品質的影響Fig.3 Effect of added yeast on sensory quality of steamed bread

酵母添加量分別為0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%，研究酵母添加量對饅頭感官品質的影響。由圖3可知，酵母的添加量為0.6%和1.2%時，饅頭的感官評分低，說明過多或過少都會使饅頭的品質下降。酵母粉添加量過低時，產氣量較小導致饅頭挺立發硬，比容小，酵母添加量過多時，使面團發酵過度，致使面筋網絡持氣性變差，饅頭塌陷，導致感官評分下降。因此，當添加量在0.8%時，饅頭的感官評分最大，故選擇酵母添加量為0.8%。

2.1.4 發酵時間的影響

發酵時間對饅頭感官品質的影響見圖4。

圖4 發酵時間對饅頭感官品質的影響Fig.4 Effect of fermentation time on sensory quality of steamed bread

選擇發酵時間分別為30、50、70、90、110 min，研究發酵時間對饅頭感官品質的影響。從圖4可知，發酵時間不足，饅頭體積小且外觀較差，質地偏硬，而面團發酵時間過長，面筋過度延伸，造成饅頭塌陷且表面不平，同時會產生異味，內部孔洞粗大不均勻，所以發酵時間50 min 為宜。

2.1.5 發酵溫度的影響

發酵溫度對饅頭感官品質的影響見圖5。

圖5 發酵溫度對饅頭感官品質的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on sensory quality of steamed bread

選擇發酵溫度分別為30、33、36、39、42 ℃，研究發酵溫度對饅頭感官品質的影響。由圖5可知，饅頭的感官品質隨著發酵溫度的升高呈現出先增加后減少的趨勢，當發酵溫度為36 ℃時，適宜酵母生長而產生大量的氣體，使面團逐漸形成蜂窩狀結構，導致饅頭內部形成均勻多孔的結構，饅頭的感官評分達到最大值，故選擇適宜的發酵溫度為36 ℃。

2.2 正交試驗安排與結果

根據表2試驗因素水平編碼表，采用二次正交旋轉組合試驗設計來安排試驗，對馬鈴薯生漿饅頭的感官評分進行測定，試驗安排與數據如表3所示。

表3 試驗安排與結果Table 3 Experiment arrangement and results

2.3 馬鈴薯生漿饅頭感官評分的響應面結果分析

將表3中馬鈴薯生漿饅頭的試驗結果運用SAS9.1 數據分析軟件進行二次多元回歸擬合獲得回歸方程，并對得到的回歸方程系數顯著性檢驗、回歸模型方差分析及響應面，結果見表4、表5。

采用SAS9.1 軟件對數據進行回歸分析，5 個因素對馬鈴薯生漿饅頭感官評分經過擬合得到回歸方程：

表4 回歸方程的系數顯著性檢驗Table 4 Significance test of regression equation coefficient

表5 馬鈴薯生漿饅頭感官評分的回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of potato pulp steamed bread sensory score by regression model

Y=83.631944+3.041667X1-5.041667X2-0.041667X3-1.541 667X4-2.958 333X5+1.562 500X2X1+0.187 500X3X1-0.937 500X3X2+1.312 500X4X1+0.187500X4X2-0.187500X4X3+0.312500X5X1+0.437500X5X2-2.437500X5X3-2.062500X5X4-3.572 917X12-2.572 917X22-2.447 917X32-2.572 917X42-1.197 917X52

由表4可看出，影響馬鈴薯生漿饅頭感官評分的因素按照主次順序為：加水量＞馬鈴薯生漿添加量＞發酵溫度＞發酵時間＞酵母添加量。模型中因素X1、X2、X5對饅頭的感官評分極顯著，因素X4較顯著；因素X12、X22、X32、X42對饅頭的感官評分極顯著，因素X52較顯著；因素X5X3、X5X4交互作用顯著，X2X1、X4X1交互作用較顯著；其他不顯著。

對回歸模型進行方差分析，結果見表5。由表5可知：此模型的決定系數R2為0.967 5，線性、二次項、總回歸均極顯著，交互項顯著；失擬不顯著。說明該回歸模型的擬合程度較好，5 個因素與馬鈴薯生漿饅頭的感官評分是可行的。

運用SAS 9.1 軟件分析數據得出各因素對馬鈴薯生漿饅頭感官評分的響應曲面，根據響應曲面獲得其變化規律。各因素交互作用對馬鈴薯生漿饅頭感官評分的影響見圖6。

圖6（a）是饅頭工藝參數加水量、發酵溫度、發酵時間維持在零水平時，馬鈴薯生漿與酵母添加量交互作用與等高線。由圖6（a）可知，當酵母添加量恒定時，饅頭的感官評分隨著馬鈴薯生漿添加量的增加呈現出拋物線趨勢，這與孫維思等[13]研究饅頭的感官評分隨馬鈴薯添加量的增加出現先升高后下降的結論一致。這是因為饅頭中添加馬鈴薯生漿會賦予其特殊的風味和色澤，但是添加量超過20%，由于馬鈴薯淀粉中不含有面筋蛋白，會降低面團中的面筋蛋白含量，面團的延伸性、拉伸面積減少，從而使面團的面筋結構和流變特性弱化，進一步導致馬鈴薯饅頭在加工過程中出現塌陷，產品的可塑性差[14]。當馬鈴薯生漿添加量固定時，饅頭的感官評分隨著酵母添加量的增加呈現拋物型趨勢，酵母添加量為0.9%時達到最高點，這種變化趨勢與蘇東民等[15]研究饅頭的感官評分隨酵母添加量增加先升高后下降的結論相一致。

圖6 因素交互作用對馬鈴薯生漿饅頭感官評分的影響Fig.6 Effect of factor interaction on sensory score of steamed bread with potato pulp

圖6（b）是饅頭工藝參數酵母添加量、發酵溫度、發酵時間維持在零水平時，馬鈴薯生漿與加水量交互作用與等高線。由圖6（b）可知，馬鈴薯生漿饅頭的感官評分隨著加水量的增加，緩慢上升，當加水量在70%左右時達到最大，超過75%時饅頭的品質顯著降低。分析可知，加水量低時不能與面筋蛋白充分接觸形成面筋，而在和面過程中面團的蛋白質面筋網絡結構是由水和蛋白質的水化作用形成的，從而影響饅頭的內部結構，使饅頭比容減少，沒有飽滿的外形；加水量過高時，酵母的增殖速度會隨著面團含水量的增加而加快，面團發酵速度快，但形成的面筋網絡不夠牢固容易使CO2沖破而破裂，饅頭表皮會出現氣孔、顏色分布不均勻，從而會使饅頭的品質下降[16]。當加水量保持不變時，饅頭的感官評分隨著馬鈴薯生漿添加量增加時先增高后下降。

圖6（c）是饅頭工藝參數馬鈴薯生漿添加量、發酵時間、發酵溫度維持在零水平時，酵母添加量與加水量交互作用與等高線。當加水量恒定時，隨著酵母添加量的增加，饅頭的感官評分升高，達到一定程度后感官評分開始下降。分析可知，在面團發酵過程中酵母會產生CO2，生成乙醇及其他揮發性風味物質，賦予饅頭特有的風味[17]。酵母添加量少時，在發酵過程中產生的氣體不足會使面團氣孔不均勻，饅頭的彈韌性不好；當酵母用量過多時，酵母在面團發酵過程中產氣過多過快，使饅頭局部有塌陷，較粘牙，影響其綜合評分[18]。當酵母添加量一定時，饅頭的感官評分隨著加水量增加先增高后下降。

圖6（d）是饅頭工藝參數馬鈴薯生漿添加量、加水量、酵母添加量維持在零水平時，發酵溫度與發酵時間交互作用與等高線。當發酵溫度保持不變時，馬鈴薯生漿饅頭的感官評分隨著發酵時間的延長先升高，但時間超過55min 后饅頭的品質迅速下降。發酵時間影響饅頭的品質是通過面團中酵母的產氣量及引起的化學變化實現的[19]。發酵時間短時，饅頭體積小且不夠松軟，內部組織不良；時間過度，面筋延伸過長使饅頭塌陷、表面不光澤，同時發酵時間過長時，饅頭就會產生酸性氣味，品質下降[6]。當發酵時間不變時，隨著發酵溫度的升高，饅頭的感官評分先增大后減少。分析可知，溫度能夠影響酵母菌的生長繁殖速率，影響面團釋放CO2的速率，從而對饅頭的發酵過程產生影響。溫度過低時，面團中產生的CO2量因酵母菌生長緩慢而不足，致使面團不能形成疏松多孔結構，饅頭表皮顏色不均、硬度過大；溫度過高時就會抑制酵母菌的生長速度，產氣量就會下降，從而使面團中面筋強度減弱，饅頭容易塌陷[19]。

2.4 嶺回歸尋找最優工藝范圍

以饅頭感官評分為考察指標，運用嶺回歸尋優確定最優發酵工藝參數范圍，結果見表6。

根據表6可以得出，經過嶺回歸選優得到最佳發酵工藝參數范圍為：馬鈴薯添加量20%～21%，加水量68%～72%，酵母添加量0.8%～0.9%，發酵時間50 min～52 min，發酵溫度33 ℃～36 ℃。

表6 馬鈴薯生漿饅頭感官評分的嶺回歸尋優分析Table 6 Analysis of ridge regression for potato pulp steamed bread sensory score

2.5 驗證試驗安排及結果

發酵工藝參數的驗證試驗結果見表7。

表7 驗證試驗結果Table 7 The results of verification test

由表7的數據可以得出，在最優發酵工藝參數范圍內，馬鈴薯生漿饅頭的感官評分數據均在較好范圍內，說明參數優化是可靠的。所以最終確定發酵工藝參數是：馬鈴薯生漿添加量為21%，加水量68%、酵母添加量0.9%、發酵時間52 min、發酵溫度35 ℃。在此條件下的馬鈴薯生漿饅頭的感官評分是89 分。

3 結論

以普通面粉和馬鈴薯生漿為原料，利用響應面法對馬鈴薯生漿添加量、加水量、酵母添加量、發酵時間、發酵溫度5 個因素進行優化，可以得到最佳工藝條件組合：馬鈴薯生漿添加量為21%，加水量68%、酵母添加量0.9%、發酵時間52 min、發酵溫度35 ℃，在此條件下的馬鈴薯生漿饅頭的感官評分是89 分。通過對馬鈴薯生漿饅頭的發酵工藝研究，探索各因工藝參數對發饅頭感官品質的影響，為馬鈴薯糧食主糧化提供一定的數據參考。