單形重心設計優化面團發酵劑配比的研究

劉安偉，呂瑩果，陳 潔

河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

面條是我國的傳統主食之一，種類繁多，其中拉制類面條需要用拉伸性能良好的面團制作。Meerts等[1]研究發現適度的發酵作用可以改善面團的流變學特性。常見的發酵方法有酵母發酵、酵子發酵、乳酸菌發酵等[2-4]。筆者前期試驗發現添加酵母菌發酵后的面團蓬松多孔、產氣嚴重；使用酵子發酵后的面團易產生氣泡、松軟發黏，都不利于拉制類面條的制作，這也與相關研究結果一致[5]。與酵母發酵和酵子發酵相比，乳酸菌發酵緩慢而且柔和[6]，對面團的延伸性能有良好的改善作用，具有提高面團拉伸性能的潛力。

單形重心設計是混料設計中的一種試驗方法，主要用于產品配方的優化研究，在冶金、制藥、化工、食品等生產領域應用廣泛[7-9]。Design-Expert作為一款試驗設計軟件，可用于多因素試驗設計與分析，具有使用方便、簡潔、高效等優點[10-12]。利用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的Simplex Centroid Design對3種乳酸菌(植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌)進行混料設計試驗，探究混合菌發酵對面團拉伸性能的影響，通過構建模型、分析預測得到發酵劑最佳配方，為面團拉伸性質的研究以及發酵拉制面條的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高筋粉：鄭州金苑面業有限責任公司；加碘食鹽：河南省鹽業總公司；植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌：山東中科嘉億生物工程有限公司。

1.2 儀器與設備

NBL1602e電子天平：艾德姆衡器(武漢)有限公司；B5A多功能攪拌機：廣州市威萬事實業有限公司；HWS-80B恒溫恒濕培養箱：北京市恒諾利興科技有限公司；HJ-6磁力攪拌器：金壇華峰儀器有限公司；PHS-25pH計：杭州齊威儀器有限公司；TA-XT Plus質構儀：英國STABLE MICRO SYSTEM公司。

1.3 方法

1.3.1 發酵面團的制備

稱取4 g乳酸菌發酵劑，倒入裝有蒸餾水的燒杯中，用玻璃棒不斷攪拌使其充分溶解。將發酵劑和200 g高筋粉、4 g食鹽、104 mL蒸餾水一起倒入和面缸中和面10 min，將和好的面團放入盆中，用保鮮膜蓋好，依次標上序號，再放入34 ℃的發酵箱中進行發酵。

1.3.2 拉伸性質的測定

取50 g發酵面團放置在質構儀A/KIE模具里，壓制成2 mm×60 mm的面團條，取出面團條立即用質構儀進行拉伸試驗，直到將面團條拉斷，得到面團的抗拉伸力-延伸性曲線。面團條在拉斷瞬間所產生的最大阻力(g)稱作拉斷力，拉斷所產生的距離(mm)稱作拉伸距離。測試條件：測前速度2.0 mm/s；測中速度3.3 mm/s；測后速度10.0 mm/s；應變位移70.0 mm；引發類型，自動；引發力5.0 g。

1.3.3 面團pH值的測定

稱取10 g發酵面團樣品，放入錐形瓶中，加入90 mL蒸餾水，磁力攪拌30 min，靜置10 min后用酸度計測定該懸濁液的pH值。

1.3.4 單形重心設計

使用Design-Expert 8.0.6.1軟件對3種乳酸菌進行有約束的單形重心設計，以挑選出最優的發酵劑配方。根據預試驗情況，設定約束條件：3種混合乳酸菌的總添加比例為100%；植物乳桿菌是酸面團發酵中的優勢菌種，發酵效果顯著，所以添加比例不能低于50%，設置為50%～100%；乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌最小添加比例和最大添加比例均為0%和50%。設計出的發酵劑混料配比見表1。

表1 單形重心設計Table 1 Simplex centroid design %

1.3.5 數據分析

每組進行3個平行試驗，取平均值。采用Excel 2013對數據進行統計，SPSS 16.0進行單因素方差分析，Origin 2017繪圖。

2 結果與討論

2.1 乳酸菌對面團拉伸性能的影響

植物乳桿菌是傳統酸面團中最具競爭力的優勢菌種，在發酵過程中會對蛋白質進行降解，產生小分子肽段、氨基酸和乳酸等物質，可增加面團風味[13]。乳雙歧桿菌作為雙歧桿菌的一種，具有發酵活力高、穩定性良好和抑菌性等特點[14]。嗜酸乳桿菌在酸性條件下能夠生長繁殖，可保證面團持續發酵[15]。3種乳酸菌單菌對發酵面團拉伸性能及pH值的影響見圖1—圖3。

圖1 發酵時間對乳酸菌面團拉斷力的影響Fig.1 Effect of fermentation time on the tensile force of lactic acid bacteria dough

圖2 發酵時間對乳酸菌面團拉伸距離的影響Fig.2 Effect of fermentation time on the tensile distance of lactic acid bacteria dough

圖3 發酵時間對乳酸菌面團pH值的影響Fig.3 Effect of fermentation time on the pH of lactic acid bacteria dough

圖1、圖2為乳酸菌面團拉斷力和拉伸距離隨發酵時間的變化情況，與對照組相比，加入乳酸菌發酵后的面團拉斷力明顯下降，拉伸距離顯著增加，且隨著發酵時間的延長，拉斷力不斷下降，拉伸距離逐漸增大，這表明適當的發酵作用可以提高面團的拉伸性能。乳酸菌在發酵過程中會生成乳酸、乙酸等有機酸，面團pH值降低，內源蛋白酶被激活，促進面筋蛋白降解，使面筋的網狀結構改變，面團的延伸性和松軟度增加[16-18]。添加植物乳桿菌的面團在整個發酵過程中拉斷力最小，發酵前6 h拉伸距離最大，可見植物乳桿菌對面團拉伸性能影響最大。4種面團在發酵6 h后拉伸距離均出現下降，這可能是由于面團發酵過度，導致面筋網絡結構被破壞，面團拉伸距離迅速下降[16]。圖3反映了面團pH值隨發酵時間的變化，與空白對照組相比，加入乳酸菌發酵后的面團pH值下降顯著。隨著發酵時間的延長，面團pH值不斷減小，在發酵6 h后添加植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌的面團pH值迅速下降，而加入乳雙歧桿菌的面團pH值變化不大?？梢钥闯?，植物乳桿菌在整個發酵過程中優勢最明顯、效果顯著，其次是嗜酸乳桿菌，而乳雙歧桿菌發酵效果最差。此外，為防止面團發酵過度，發酵時間應控制在6 h以內。一方面發酵時間過長會導致拉伸距離下降，另一方面pH值下降較大會導致面團偏酸。

2.2 單形重心設計試驗

江月[19]研究發現混合菌比單菌發酵效果好。單菌發酵緩慢柔和，面團發酵時間較長，為優化生產工藝，需縮短發酵時間，宜采用混菌發酵。植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌屬于同型發酵乳酸菌，乳雙歧桿菌屬于異型發酵乳酸菌，混合發酵能生成多種化合產物，可提高面團營養價值[20]。此外，嗜酸乳桿菌、乳雙歧桿菌是公認的兩種最安全的對人體有益菌，兩種菌配合使用，相輔相成，具有調節腸道菌群平衡、增強免疫力等功效[21]。預試驗嘗試將兩種菌混合發酵，發現沒有3種菌混合發酵效果好。為探究3種菌混合發酵對面團拉伸性質的影響，按表1進行了單形重心設計試驗， 結果見圖4—圖6。

圖4 發酵時間對乳酸菌混菌面團拉斷力的影響Fig.4 Effect of fermentation time on the tensile force of lactic acid bacteria mixture dough

圖5 發酵時間對乳酸菌混菌面團拉伸距離的影響Fig.5 Effect of fermentation time on the tensile distance of lactic acid bacteria mixture dough

圖6 發酵時間對乳酸菌混菌面團pH值的影響Fig.6 Effect of fermentation time on the pH of lactic acid bacteria mixture dough

由圖4—圖6可以看出，與單菌發酵面團相比，混合菌發酵面團的拉斷力和pH值快速下降，拉伸距離迅速增大。由于乳酸菌配比的不同，部分類型的面團拉伸距離在發酵4 h時已達到最大值，繼續發酵拉伸距離開始出現下降，可見混菌發酵的速度更快。面團在發酵4 h時有著較小的拉斷力和較大的拉伸距離，此時的測量值能夠較好地反映面團的拉伸性能。衡量面條拉伸性能應該綜合考量拉伸距離和拉斷力兩個指標，面條拉斷力小并不代表拉伸距離一定長，可能缺少一定的強度和韌性；面條拉斷力較大，表明面條強度大、不易拉斷，但也不能說明拉伸距離一定很短。為了使模型擬合程度更好，測試結果更加準確，在試驗次數最少的前提下，Design-Expert 8.0.6.1軟件自動設計增加了4組測試點進行單形重心設計試驗，結果見表2。

采用Design-Expert 8.0.6.1軟件對表2中數據進行回歸擬合，統計分析得到兩項指標的回歸方程。

Y1=110.66A+115.57B+107.65C-15.72AB-18.29AC-39.54BC-195.61ABC；

Y2=35.17A+34.09B+35.97C+3.63AB+5.16AC+9.53BC+57.58ABC，

式中：Y1為拉斷力；Y2為拉伸距離；A為植物乳桿菌添加比例；B為乳雙歧桿菌添加比例；C為嗜酸乳桿菌添加比例。

根據所選擇的回歸方程對拉斷力和拉伸距離建模，等高線模型見圖7和圖8。

表2 拉伸距離和拉斷力的測定結果Table 2 Measurement results for tensile distance and tensile force

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

由圖7和圖8可以看出，乳酸菌混菌發酵的效果比單菌的好，3種乳酸菌混合發酵的面團有著較小的拉斷力和較大的拉伸距離。為確定模型的合理性，對拉斷力和拉伸距離進行了方差分析，見表3。由表3可知，拉斷力模型P=0.008 8<0.01，說明建立的模型高度顯著，而失擬誤差P=0.056 6>0.05，說明回歸方程的失擬誤差不顯著，表明建立的方程擬合性較好，可信度較高。拉伸距離模型P=0.011 6>0.01，說明建立的模型顯著，而失擬誤差P=0.127 5>0.05，說明回歸方程的失擬誤差不顯著，表明建立的方程擬合性較好，可信度較高。

圖7 面團拉斷力的等高線Fig.7 The contour of dough tensile force

圖8 面團拉伸距離的等高線Fig.8 The contour of dough tensile distance

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

注：P<0.01為極顯著；P<0.05為顯著；P>0.05為不顯著。

根據模型給出的預測結果，當植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌添加比例為63.81%、15.80%、20.39%時，面團拉斷力預測值最小，為95.49 g；當植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌添加比例為64.34%、15.59%、20.07%時，面團拉伸距離預測值最大，為39.34 mm。兩模型得到的配方比例接近，為方便實際操作，取植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌添加比例為64%、16%、20%。為進一步確定發酵劑最佳配比，對該配方進行了驗證試驗，結果為發酵4 h面團的拉斷力(94.48±1.12) g、拉伸距離(40.13±0.34) mm，與預測值差異較小，說明所獲得目標值配比及預測值可靠性較強。

3 結論

對含有3種乳酸菌的發酵劑進行有約束的單形重心設計試驗，建立了植物乳桿菌、乳雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌配比與拉斷力和拉伸距離之間的回歸模型，確定了發酵劑的最佳比例：植物乳桿菌64%、乳雙歧桿菌16%、嗜酸乳桿菌20%，測得面團在發酵4 h拉伸性能達到最佳，此時拉斷力(94.48±1.12) g，拉伸距離(40.13±0.34) mm。驗證試驗發現預測結果可靠性強，證明單形重心設計可以較好地應用于面團發酵劑配比的研究中，且該方法具有簡潔、高效、直觀性強等優點，是研究發酵劑配比非常有效的一種方法。