響應面法在豆纖維橙味曲奇餅干研制中的應用

周曉潔,王秋普,趙良忠,*,尹玲紅,夏璜金,黃玉平

(1.邵陽學院食品與化學工程學院,湖南邵陽 422000; 2.豆制品加工技術湖南省應用基礎研究基地,湖南邵陽 422000;3.湖南省果蔬清潔加工工程技術研究中心,湖南邵陽 422000)

豆纖維是豆制品加工的副產品,每年產量可達2.8×109kg[1]。豆纖維富含膳食纖維,具有一定的生理和保健功能,能夠有效降低血液中膽固醇含量[2-3],有利于血糖和胰島素維持在正常水平,并促進腸胃的蠕動[4],對便秘、結腸癌、痔瘡等有一定的預防作用[5-6]。豆纖維水分含量高,營養豐富且容易發酸發臭,水分減少時容易發粘結團[7],目前豆纖維除少部分作為飼料外,絕大部分作為廢料丟掉,在食品中的利用率低,既造成了資源的浪費,同時污染了環境[8]。橙皮是柑橘類臍橙或香橙的果皮,其化學成分含有橙皮香精油、橙皮苷、橙皮素、果膠寡糖等[9],橙皮可入藥,主要起化痰止咳的作用,其煎劑能夠有效地抑制腸道、胃和子宮的運動[10]。少量的橙皮油(含量約為0.93%～1.95%)對慢性咽炎有著良好的治療效果,且對腎臟無刺激作用;橙皮苷和橙皮素可以有效地防止心血管疾病和預防癌癥[11-12];酸橙素可降低膽甾醇的含量[13]。

曲奇是一種高糖、高油脂的餅干,其口感酥松,但由于曲奇熱量高,且油脂易氧化變質,不符合現代人營養健康的消費理念[14]。為了改善曲奇產品的滋味與口感,同時增加餅干的膨松度,國內外學者做了很多相關研究,吳德智等[15]采用發酵法制備葛根渣膳食纖維及其酥性餅干的研制中將葛根渣經發酵后添加,膳食纖維的純度和物化性質均得到一定的提高,其餅干感官品質良好,硬度明顯提升。李素芬[16]在甘薯渣對曲奇餅干品質的影響研究中發現,當薯渣粉添加量為20%時,與對照(未添加)相比,曲奇餅干的硬度、酥脆性、黏著性、咀嚼性分別下降了76.3%、73.5%、76.7%和88.4%,且餅干的感官評價得分為75.3分。

本研究以面粉、豆纖維粉、橙皮糖等作為主要原料,采用響應面法優化設計確立豆纖維橙味曲奇餅干最佳工藝配方。利用橙皮的特殊氣味,賦予餅干獨特的清香;利用豆纖維的特性,可減少曲奇餅干的能量,改善它油膩的口感,并有效的增加橙皮與豆纖維的經濟附加值,從而豐富人類的膳食結構,以期為拓寬豆纖維粉、橙皮的利用范圍提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低筋面粉 湖南幸福廚食品公司;橙皮、豆纖維粉 由湖南省應用基礎研究基地提供;氯化鈣 湖北鑫恒業生物科技有限公司;CMC-Na 無錫市百瑞多化工產品有限公司;雞蛋、食鹽、黃油、白砂糖、小蘇打等 均市售;其他試劑均為分析純 購自國藥化學試劑有限公司;市售餅干 卜珂牌蔓越莓曲奇餅干。

YXD-40型烘烤箱 上海紅聯機械電器制造有限公司廠;FW177型粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;GZX-9140型電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;C20-SK2002型電磁爐 天津市泰斯特儀器有限公司;EL204型電子天平 梅特勒-托利多公司;6GXD-13型削皮機 廣州達橋食品設備有限公司;LS-5型質構儀 美國阿美特克(AMETEK)有限公司;CA-HM型熱量成分檢測儀 日本JWP有限公司。

1.2 制作工藝

1.2.1 工藝流程 見圖1。

圖1 豆纖維橙味曲奇餅干的制作工藝流程

1.2.2 操作要點 原料預處理:將橙皮用4%食鹽、0.4%明礬、1%氯化鈣等預處理后,再經清水漂洗2 h、瀝干、滲糖(橙皮∶糖液=1∶2,糖液以100 mL為計:蔗糖40 g、檸檬酸為0.2 g,食鹽為0.7 g)、烘干(80 ℃,2 h)得到橙皮糖;將干豆纖維、白糖用中草藥粉碎機粉碎后,得到白糖粉和粗豆纖維粉,粗豆纖維粉再經超微粉碎機粉碎,過篩(100目)得到實驗用豆纖維粉[17-18]。

油糖混合料制備:黃油裝于容器內置于熱水中軟化后,用打蛋器將其乳化,以面粉和豆纖維粉的總量為基準(即固定不變),將0.5%小蘇打、1%食鹽、20%雞蛋液、油糖(黃油+白糖=100 g)、橙皮糖加入乳化后的黃油中,攪勻,得到油糖等混合料;

油糖料與面料混合:將一定量豆纖維粉和低筋面粉添加入油糖混合物中,攪勻至無白心為止;

再經曲奇餅干模型固型、-18 ℃冷凍1 h、烘烤(180 ℃,烘烤20 min)、自然冷卻、真空包裝等得到成品。

1.3 試驗設計

1.3.1 單因素實驗

1.3.1.1 研究不同豆纖維粉添加量對曲奇餅干品質的影響 以面粉與豆纖維粉總量為基準,固定橙皮糖添加量15%、油糖(100 g)質量比為2∶1,分別添加20%、25%、30%、35%、40%的豆纖維粉制成餅干,并對其感官評分和硬度進行綜合評定,研究豆纖維粉添加量對產品品質的影響。

1.3.1.2 研究不同橙皮糖添加量對曲奇餅干品質的影響 以面粉與豆纖維粉總量為基準,固定豆纖維粉添加量25%、糖油(100 g)質量比為2∶1,分別添加5%、10%、15%、20%、25%的橙皮糖制成餅干,并對其感官評分和質構進行綜合評定,研究橙皮糖添加量對產品品質的影響。

1.3.1.3 研究不同油糖質量比對曲奇餅干品質的影響 以面粉與豆纖維粉總量為基準,固定豆纖維粉添加量25%、橙皮糖添加量25%、分別按4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的糖油(100 g)質量比制成餅干,并對其感官評分和質構進行綜合評定,研究糖油質量比對產品品質的影響。

1.3.2 響應面設計試驗 根據單因素試驗結果,利用Design-Expert 8.0.6b Box-Behnken 方法進行響應曲面優化試驗,優化豆纖維橙味曲奇餅干配方。因素水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素水平表

1.4 評價方法

1.4.1 感官評價標準 由10名有一定品評經驗的食品專業人員按照表2的標準進行評定,并保持每次感官測定人數不變,參照GB 7100-2015[19]中餅干的感官標準,從外觀、色澤、滋味與口感、組織結構四個方面評定,每次感官評定的最終得分取10人評判分數的平均值。

表2 感官評分標準表

1.4.2 硬度測定 將曲奇餅干于室溫下進行二次壓縮試驗。測定條件為:探頭型號P/35,測試前、中、后速率分別為40、30、40 mm/s,觸發力0.05 N,壓縮形變率40%,中間停留時間5 s。同一批次餅干選擇3塊,進行測定,取其平均值[20]。

1.4.3 理化指標的測定 蛋白質含量的測定:參照GB 5009.5-2016[21];水分含量的測定:參照GB 5009.3-2016[22];脂肪含量的測定:參照GB 5009.6-2016[23];餅干中的堿度的測定:根據GB/T 20980-2007[24]。

1.4.4 豆纖維橙味曲奇餅干與市售餅干熱量對比 研究用熱量成分檢測儀對最優配方條件下曲奇餅干與卜珂牌蔓越莓曲奇餅干進行測定并對比。

1.5 數據處理

運用Design-Expert 8.0.6 b軟件進行方差分析,采用Excel 2003軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗及其結果分析

2.1.1 豆纖維粉添加量對餅干品質的影響 由圖2可以看出,豆纖維粉的添加量對餅干的感官評分和硬度等都有很大的影響。隨著豆纖維粉添加量的增加,餅干感官評分先增大,當達到25%時感官評分最高，之后呈下降趨勢,而硬度隨著豆纖維粉添加量的增加而增大,而豆纖維粉比例太高,餅干硬度太大,咀嚼費勁,口感變粗糙。黃益前[25]在豆渣膳食纖維餅干的研制,也得出當豆纖維量添加到一定量時,產品不易成型且口感粗糙。因此,豆纖維粉添加量為25%時,餅干口感略微粗糙、組織結構好、硬度適中、色澤金黃,綜合考慮響應面試驗豆纖維粉最適添加量為25%左右。

圖2 豆纖維粉對餅干品質的影響

2.1.2 橙皮糖添加量對餅干品質的影響 由圖3可知,當橙皮糖添加量低于15%時,餅干感官評分和硬度隨著橙皮糖的添加而增加;當橙皮糖添加量超過15%時,餅干感官評分隨橙皮糖的添加量增加而下降,但硬度隨橙皮糖的添加而緩慢上升,其主要由于橙皮糖添加量超過一定比例,其組織結構欠佳,硬度大,產品不抗震、不利于產品的包裝運輸,且會掩蓋豆纖維獨特的口感。因此,橙皮糖添加量為15%,其橙香味協調、口感清新無膩味感、組織結構較好、硬度適中,餅干的感官品質最佳。

圖3 橙皮糖添加量對餅干品質的影響

2.1.3 黃油與白糖的比值對餅干品質的影響 由圖4可以看出,隨著黃油與白糖的比值降低,橙皮豆纖維餅干感官評分值呈先上升后下降變化趨勢,當糖油質量比高于2∶1時,餅干油味較重,易破裂,硬度小易形變,并且甜味小甚至無甜味;當糖油質量比低于2∶1時,餅干表面出現裂縫、氣泡,口感偏硬,不脆,過甜,感官指標得分相應的下滑。因此,選擇響應面試驗糖油質量比為2∶1左右。

圖4 糖油質量比對餅干品質的影響

2.2 豆纖維橙味曲奇餅干響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計與結果分析 在單因素實驗的基礎上,根據Box-Behnken試驗設計原理,以感官評價總分(Y)為響應值,選取A(橙皮糖添加量)、B(糖油質量比)、C(豆纖維粉添加量)三個因素,進行三因素三水平響應面優化試驗,共17個實驗點,響應面試驗結果見表3。

2.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析 運用Design-Expert 8.0.6對表3進行多元回歸擬合,得到豆纖維橙味曲奇餅干感官評價總分(Y)對自變量橙皮糖添加量(A)、糖油質量比(B)、豆纖維粉添加量(C)的多元回歸方程:

表3 響應面試驗設計方案及結果

Y=86.36+4.13A+2.60B+3.50C-0.95AB+1.15AC-0.45BC-6.48A2-4.48B2-5.93C2。

對回歸模型進行方差分析,結果見表4。

表4 豆纖維橙味曲奇餅干研究結果的方差分析

2.2.3 響應面分析 響應面圖形是響應值(感官評分分值Y)對各個試驗因素所構成的三維的曲面圖,從圖上可以找出最佳參數以及各個參數之間的相互作用。感官評分分值Y對橙皮糖添加量(A)、油糖質量比(B)、豆纖維粉添加量(C)所構成的三維的曲面圖見圖5～圖7。

由圖5～圖7可知,響應面圖形是凸起、開口朝下的曲面,說明感官評分分值Y存在極值,該值為響應面的最高點,各個試驗因素的最佳作用點都位于試驗設計值范圍內。在豆纖維粉添加量一定的條件下,隨豆纖維粉的增大,橙皮糖添加的增加,感官評分呈先上升后下降趨勢,由此可見適當的豆纖維粉和橙皮糖可以改善橙皮豆纖維曲奇餅干的口感。等高圖可判定交互作用的顯著性,等高圖趨向橢圓,交互作用顯著,反之,則不顯著,AB、AC、BC的等高圖均趨于圓形,說明AB、AC、BC之間的交互作用不顯著。等高線的疏密程度可判定各因素對感官評分的影響大小,等高線越密,影響越大,反之則越小,故A對餅干感官品質的影響比B、C的影響大,C對餅干感官品質的影響比B的影響大,這與方差分析的結果是一致的。

圖5 Y=f(A,B)的響應面圖

圖6 Y=f(A,C)的響應面圖

圖7 Y=f(B,C)的響應面圖

2.2.4 響應面優化結果 通過Design-Expert 8.0.6軟件分析,預測出豆纖維橙味曲奇餅干最佳配方:豆纖維粉添加量25.87%,橙皮糖添加量為16.08%,油糖質量比為2.22∶1,此時模型預測橙皮豆纖維曲奇餅干感官評價總分為87.7分,考慮到生產實際所需,調整配方:豆纖維粉添加量26%,橙皮糖添加量為16%,油糖質量比為2∶1。在此工藝條件下,進行了3次驗證性試驗,測得橙皮豆纖維曲奇餅干感官評價總分為(87.3±1.1)分,與理論預測值較為接近,偏差為0.4%,說明模型的擬合程度較好,具有實用價值。

3 產品品質性能檢測

對最佳配方下研制的豆纖維橙味曲奇餅干進行感官指標評定,理化指標和硬度測量和熱量對比分析(8個平行樣),實驗結果表明,曲奇餅干感官指標(外觀、色澤、滋味、口感和組織結構)(見表5)、理化指標(見表6)不僅符合國家標準,且有獨特的豆香味和橙皮清香味,熱量(見圖8)均比市售餅干低。

表5 感官指標

表6 理化指標

圖8 產品與市售餅干的熱量對比分析

4 結論

本實驗在單因素實驗的基礎上,采用響應面分析法建立多元二次非線性回歸方程,以感官評分為指標,優化豆纖維橙味曲奇餅干配方。得到各因素對豆纖維橙味曲奇餅干的感官評分的影響大小依次為:橙皮糖添加量、豆纖維粉添加量、油糖質量比。將預測出的豆纖維橙味曲奇餅干最佳配方與實際生產結合,以面粉與豆纖維粉總量為基準,豆纖維粉26%、橙皮糖16%、油糖質量比2∶1的配方做驗證性實驗,得到與理論預測值較為接近的(87.3±1.1)分的感官評分,說明模型的擬合程度較好。通過將副產物豆纖維與橙皮利用起來制作成餅干,符合科學、健康、營養的膳食，同時也增加了企業的經濟效益,具有較好的市場前景。