響應面法優化青稞焙烤工藝

易曉成，聶 慶，李雄波，楊 爽，萬 萍

（1.四川工商職業技術學院 酒類與食品工程系，四川 都江堰 611830；2.釀酒生物技術及應用四川省重點實驗室，四川 自貢 643000；3.成都大學 藥學與生物工程學院，四川 成都 610106）

青稞（Hordeum vulgare）是一種禾谷類作物，又稱大麥，盛產地是中國西藏、青海等高原以及四川盆地地區。因富含支鏈淀粉、蛋白質、維生素、膳食纖維、氨基酸、β-葡聚糖及微量元素等對人體有益的營養成分和重要的保健功能，青稞不僅作為藏族人民的主糧之一，還可以制作成青稞酒、青稞炒面、青稞饅頭、青稞餅干、青稞蛋糕以及青稞面條等，以其獨特的口感而深受歡迎[1-3]，青稞不僅是藏族人民的一種物質文化，還是一種精神文化。青稞作為酒類加工的原料，首先必須要進行糊化，傳統的方法主要是通過浸泡和蒸煮[4]，糊化后的青稞必須馬上進行后續的加工，不便于保存。

焙烤又稱為烘烤、烘焙，是指在物料燃點之下通過干熱的方式使淀粉產生糊化、蛋白質變性等一系列化學變化后，使物料達到熟化和干燥的目的，是面包、蛋糕類產品制作不可缺少的步驟，通過焙烤在物料熟化的同時，由于高溫下的淀粉和蛋白質的降解產物間發生劇烈的美拉德反應而賦予產品特殊的香味，而廣受歡迎[5-6]。目前國內對谷物焙烤的研究主要集中在焙烤谷物產品的開發：如大麥茶飲料[7]、玉米茶[8]、焙烤米粉[9]等，焙烤對谷物含有的生理活性物質及抗氧化活性的影響[10-11]，以及焙烤谷物的食品糖基化產物的定性、定量評價方法[12]等，國外對焙烤谷物對健康的影響也進行了相關的研究，如LUZARDO-OCAMPO I等[13]研究發現，食用焙烤玉米能夠減少慢性結腸炎。經過焙烤后的青稞，淀粉達到一定程度的糊化，有利于后續加工中淀粉酶的作用[14]，可作為酒類生產和加工食品的原料。而有關青稞焙烤工藝的研究鮮見報道。

本研究采用單因素試驗考察浸泡時間、浸泡溫度、焙烤時間、焙烤溫度對青稞糊化率的影響，并在單因素試驗的基礎上，以糊化率為響應值，采用響應面法優化青稞焙烤工藝，旨在為青稞熟化的新方法和新工藝提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞：青海新綠康食品有限責任公司；糖化酶（酶活10萬U/g）：北京奧博星生物技術有限責任公司；鹽酸、硫酸銅（均為分析純）：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

SK2-623型電烤箱：新麥機械（無錫）有限公司；FW-100型高速萬能粉碎機：北京中興偉業儀器有限公司；BSA124S型分析天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；PE20型精密pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；LD型電子分析天平：沈陽龍騰電子有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實業有限公司。

1.3 方法

1.3.1 焙烤青稞的制備

挑選優質且顆粒飽滿、均勻、無霉變、無破碎的青稞，用清水淘洗去灰塵和雜質，溫水浸泡，瀝去水分，攤涼20 min左右，再將青稞均勻鋪在烤盤中，放入已經預熱并達到規定溫度的烤箱中，按照設置的溫度和時間進行焙烤，得到焙烤青稞。

1.3.2 焙烤工藝優化

（1）單因素試驗

試驗選取浸泡溫度（20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃）、浸泡時間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、焙烤溫度（250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃、290 ℃）、焙烤時間（9.0 min、9.5 min、10.0 min、10.5 min、11.0 min、11.5 min、12.0 min）因素分別進行試驗，以青稞糊化率作為評價指標，探討各因素對焙烤的影響。

（2）響應面法試驗設計

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原則，以浸泡溫度（A）、浸泡時間（B）、焙烤溫度（C）、焙烤時間（D）為響應因子，以糊化率（Y）為響應值，運用響應面軟件Design-Expert.V.8.0.6設計4因素3水平試驗組，Box-Behnken試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.3 理化分析方法

糊化率的測定：按照參考文獻[15]中的方法進行。

式中：m1為青稞浸泡前的質量，g；m2為青稞浸泡前的質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 浸泡溫度對糊化率的影響

通常青稞的含水量為11.4%～14.0%[16-17]，直接焙烤的青稞淀粉糊化率不高，通過浸泡增加青稞水分含量，進而提高其淀粉的糊化率[18]。不同浸泡溫度對青稞吸水率和淀粉糊化率的影響，結果見圖1。

圖1 浸泡溫度對糊化率和吸水率的影響Fig.1 Effect of soaking temperature on gelatinization ratio and water absorption ratio

由圖1可知，當浸泡溫度在20～40 ℃時，青稞的吸水率和糊化率均隨著浸泡溫度的升高呈上升趨勢；浸泡溫度達到40 ℃時，糊化率達到最高值92.71%，此時的吸水率為63.85%；浸泡溫度高于40 ℃之后，隨著浸泡溫度的升高，青稞吸水率幾乎趨于穩定而糊化率則呈下降趨勢。這主要是因為青稞淀粉的糊化溫度在58.8～65.2 ℃[19]，當溫度高于50 ℃后浸泡會造成部分淀粉在此溫度條件下糊化而溶出，進而使得糊化率降低，另外，浸泡溫度超過40 ℃后，雖然吸水率增加但是明顯出現了青稞粒吸水不均而崩裂的現象，經焙烤后，出現較多青稞粉，使原料損失，也是造成糊化率低的原因。由此可見，并不是吸水率越高對青稞的糊化越有利。因此，確定最適浸泡溫度為40 ℃。

2.1.2 浸泡時間對糊化率的影響

在確定浸泡溫度的前提下，不同浸泡時間對青稞吸水率和淀粉糊化率的影響，結果見圖2。

圖2 浸泡時間對糊化率及吸水率的影響Fig.2 Effect of soaking time on gelatinization ratio and water absorption ratio

由圖2可知，青稞吸水率隨著浸泡時間在1～5 h范圍的延長而增大，而淀粉的糊化率呈現出先增加后下降的趨勢。在浸泡時間3 h時，吸水率為63.85%，糊化率達到最大值92.71%。這是由于隨浸泡時間增加，青稞的吸水率緩慢升高，但超過3 h，由于吸水過度，造成青稞粒脹破，經焙烤后出現較多青稞粉，造成青稞的質量損失，糊化率反而下降，同時，過度浸泡使得青稞中的可溶性糖類溶出，也會使得糊化率降低。因此，確定最適浸泡時間為3 h。

2.1.3 焙烤溫度對糊化率的影響

不同焙烤溫度對青稞糊化率的影響，結果見圖3。

圖3 焙烤溫度對糊化率的影響Fig.3 Effect of baking temperature on gelatinization ratio

由圖3可知，隨著焙烤溫度在250～290 ℃范圍內的升高，糊化率呈現先增加后降低的趨勢，在焙烤溫度270 ℃時，糊化率達到最高值92.71%。這是因為隨著焙烤溫度升高，青稞被快速加熱，使青稞溫度超過淀粉的熔點進入熔融狀態，破壞淀粉粒的原有結構糊化率逐漸增大[20]；但是當溫度繼續升高超過270 ℃后，青稞出現了焦化的現象，繼續升高溫度甚至出現部分青稞炭化的現象，造成糊化率降低。因此，確定最適焙烤溫度為270 ℃。

2.1.4 焙烤時間對糊化率的影響

不同焙烤時間對青稞淀粉糊化率的影響，結果見圖4。

圖4 焙烤時間對糊化率的影響Fig.4 Effect of baking time on gelatinization ratio

由圖4可知，隨著焙烤時間在9.0～12.0 min范圍內的延長，青稞中淀粉的糊化率呈現先上升后下降的趨勢，在焙烤時間為11.5 min時，糊化率達到最大值為92.71%。這是因為隨著焙烤時間延長，淀粉在高溫下溶脹、分裂、熟化程度增加，糊化率也就增加，但是隨著焙烤時間繼續延長，高溫糊化使青稞粒中的水量含量急劇減少，從而促進了青稞中的糖類和蛋白質間的美拉德反應[21]，其產物不能被糖化酶作用或抑制了糖化酶的作用，從而表現出糊化率降低，且焙烤時間過長出現焦化甚至是炭化現象，從而造成糊化率降低。因此，確定最適焙烤時間為11.5 min。

2.2 響應面試驗結果與分析

在單因素試驗基礎上，以浸泡溫度（A）、浸泡時間（B）、焙烤溫度（C）、焙烤時間（D）為響應因子，以糊化率（Y）為響應值，根據Box-Behnken 試驗設計的統計學要求，設計了29組試驗，Box-Behnken試驗設計與結果見表2，對模型進行方差分析，結果見表3。

表2 Box-Behnken試驗設計與結果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

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

用Design-Expert.V.8.0.6統計軟件對表3的試驗數據進行統計分析，得到試驗因素對糊化率影響的多元二次回歸方程如下：

由表3可知，回歸方程模型P＜0.000 1，表明模型極顯著，說明方程對試驗的擬合度好、誤差小，因此該模型可以真實地擬合和推測實際情況；失擬項P=0.122 0＞0.05，不顯著，表示試驗結果和數學模型擬合良好，可用該數學模型推測試驗結果；模型的決定系數R2=0.995 8，調整決定系數R2Adj=0.991 5，說明實際值與預測值高度相關；變異系數（coefficient of variation，CV）=0.28%，說明本試驗有較高的置信度，試驗穩定結果可靠。綜上，該模型可以用作最佳試驗條件的推測。

由表3回歸模型顯著性檢驗結果可以看出，一次項A、D，二次項A2、B2、C2、D2，交互項AB、AC、AD、BC、CD對糊化率的影響極顯著（P＜0.01），一次項B、C對糊化率的影響顯著（P＜0.05），而交互項BD則影響不顯著（P＞0.05）。由此可見，試驗設計的四個因素均不同程度的對響應值產生極顯著或顯著的影響，說明該試驗設計的因素選擇是成功的。

利用Design-Expert.V.8.0.6對表3的數據進行二次多元回歸擬合，得出響應面圖及等高線圖，能直觀地反映出各因素兩兩間交互作用對糊化率的影響，結果見圖5。

圖5 浸泡溫度、浸泡時間、焙烤溫度和焙烤時間交互作用對糊化率影響的響應面及其等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between soaking temperature,soaking time,baking temperature and baking time on gelatinization ratio

由圖5a可知，當浸泡溫度不變時，隨著浸泡時間不斷延長，糊化率呈先增后減的趨勢；當浸泡時間不變時，隨著浸泡溫度的升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度較大，說明浸泡溫度和浸泡時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5b可知，當浸泡溫度不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；當焙烤溫度不變時，隨著浸泡溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤溫度的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5c可知，當浸泡溫度不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；而焙烤時間不變時，隨著浸泡溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5d可知，當焙烤溫度保持不變時，隨著浸泡時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；而浸泡時間不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖的橢圓度大，說明浸泡溫度和焙烤時間的交互作用對糊化率的影響極顯著；由圖5e可知，當焙烤時間保持不變時，隨著浸泡時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢，但變化趨勢不明顯；而浸泡時間不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢，但變化趨勢不明顯；等高線圖的橢圓度較小，說明浸泡時間和焙烤時間顯交互作用對糊化率的影響不顯著；由圖5f可知，當焙烤時間保持不變時，隨著焙烤溫度升高，糊化率呈先增后減的趨勢；當焙烤溫度不變時，隨著焙烤時間延長，糊化率呈先增后減的趨勢；等高線圖橢圓度大，說明焙烤時間和焙烤溫度的交互作用對糊化率的影響極顯著。

2.3 最佳工藝條件的驗證

通過Design-Expert.V.8.0.6 軟件得出青稞焙烤最佳工藝條件為浸泡溫度34.94℃，浸泡時間3.50h，焙烤溫度267.54℃，焙烤時間11.59 min，在此條件下青稞糊化率的預測值為93.36%，為驗證焙烤的最佳條件，并考慮試驗的可操作性，修改條件為浸泡溫度35.0 ℃，浸泡時間3.5 h，焙烤溫度268.0 ℃，焙烤時間12.0 min。在此優化條件下，進行3組平行試驗結果取其平均值，青稞糊化率實際值為93.18%，與預測值僅相差0.19%，兩者結果高度相符。因此，采用響應面法優化后得到的青稞焙烤工藝條件是可行的。

3 結論

采用響應面法對青稞焙烤工藝進行優化得出最佳工藝條件為浸泡溫度35 ℃，浸泡時間3.5 h，焙烤溫度268 ℃，焙烤時間12 min，該優化條件下青稞糊化率可達到93.18%。經焙烤后的青稞產品具有獨特的香味，可以作為釀酒、發酵飲品的原料，也可以直接作為青稞茶泡飲，還可經磨粉后沖調食用或添加到各類沖調食品中，具有廣泛的用途。