響應面-主成分分析法優化山藥韌性餅干配方

王 琳,熊雙麗,李安林

(西南科技大學生命科學與工程學院,四川綿陽 621010)

山藥(Dioscoreaopposita),又稱淮山藥、懷山藥、山薯、山藥薯,屬薯蕷科(Dioscoreaceae)山藥屬(Dioscorea),是我國傳統的藥食同源性植物,既是一種重要中藥又是常見蔬菜[1-2]。山藥大面積分布于山西、湖南、云南、廣西、四川等地區,有產量大、質量優等優勢。山藥塊莖中含有多種營養成分及活性物質,具有免疫調節、降血糖、抗氧化、延緩衰老、腸胃調節等保健功能[2-3]。Hou等[4]研究發現,山藥含蛋白質(Dioscorin),抑制胰蛋白酶活性,可能有調節體內酸堿平衡功效,對呼吸系統有重要影響[5]。

隨著生活質量的提高,人們的健康意識日益增強,對功能性食品的需求不斷增加,對于天然產物和功能性食品的研究和開發利用也越來越多。山藥開發利用市場潛力非常大,雖然我國已開展了山藥功能性食品的相關研究,但產品單一,研究不夠深入,且目前關于山藥韌性餅干研究較少。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

本研究以山藥粉為功能性原材料,以感官評價與質構作為評價指標,在單因素實驗基礎上,通過響應面-主成分分析法優化山藥韌性餅干配方,以提升餅干品質、拓寬山藥應用領域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低筋小麥粉 肇慶市福加德面粉有限公司;山藥生粉(以下稱山藥粉) 河南焦作溫縣;綿白糖 山東雅匯糖業有限公司;橄欖油 益海嘉里食品營銷有限公司;大豆改性磷脂(以下稱磷脂) 河南思維生物技術有限公司;食用鹽 四川南充順城鹽化有限責任公司;碳酸氫銨 四川省高宇化工有限公司;小蘇打 天津渤化永利化工股份有限公司;市售山藥薄餅(干) 東高唐好佳佳食品有限公司。

TA XTplus物性測試儀 英國SMS公司;HH-S型數顯恒溫水浴 金壇市正基儀器有限公司;萬分之一電子分析天平 上海賽多利斯儀器系統有限公司;VH-36型遠紅外線食品烤爐 成都瑞昌儀器制造有限公司;DMT-5型電動家用壓面機 龍口市復興機械有限公司;pH-030(A)型干燥/培養二用箱 上海齊欣科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 山藥韌性餅干工藝流程 主要工藝過程如下:將過80目篩的山藥粉和低筋面粉按一定比例預攪拌好,加入橄欖油混合均勻后,輔料按一定比例勻漿投入混合粉中,攪拌均勻,在38～40 ℃溫度條件下調制5 min,然后置于室溫下靜置10～20 min,根據需要而定[6]。用壓面機進行輥軋9～13次,面坯厚約2～3 mm[7-8],采用帶有針柱的凹花印模壓模成型[9]。將箱提前預熱10 min左右,使烘烤溫度均勻。上火溫度170 ℃,下火溫度150 ℃條件下,烘烤時間通過研究山藥添加量對烘烤時間的影響確定。

1.2.2 山藥粉添加量對烘烤時間影響 經前期預實驗得到山藥韌性餅干基礎配方、烘烤溫度、烘烤時間。采用預實驗烘烤溫度(上火溫度:170 ℃,下火溫度:150 ℃),探索山藥添加量(0%、10%、20%、30%、40%、50%)對烘烤時間影響。烤箱預熱10 min,放入整形好的餅干坯,烘烤至棕黃色,記錄烘烤時間。

1.2.3 單因素實驗設計 根據預實驗結果,研究山藥粉、水、綿白糖、磷脂、橄欖油添加量對餅干感官品質與質構特性的影響。以粉(低筋面粉+山藥粉)100%計,通過預實驗確定單因素實驗基本條件:山藥粉30%、橄欖油16%、綿白糖20%、水28%、磷脂1%、碳酸氫銨0.5%、小蘇打1%、鹽1%。各因素的水平分別為:山藥添加量:0%、10%、20%、30%、40%、50%;水添加量:20%、24%、28%、32%、36%;橄欖油添加量:8%、12%、16%、20%、24%。糖添加量:12%、16%、20%、24%、28%;磷脂添加量:0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%。單因素實驗中的固定量與基本條件中相同。

1.2.4 響應面試驗設計 根據單因素實驗結果,以山藥添加量、水添加量、橄欖油添加量、磷脂添加量為考察指標,以餅干硬度、餅干柔韌性、感官評分為響應值,根據Box-Behnken設計原理設計響應面試驗,如表1所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Test factors and levels

1.2.5 餅干感官評價 邀請16名評價人員對餅干進行評分,試吃每一個系列的餅干前,要求漱口,減少實驗誤差。結合GB/T 20980-2007[10]制定餅干評分標準,如表2所示。

表2 山藥韌性餅干感官評分標準與細則Table 2 Yam toughness biscuits sensory scoring standards and rules

1.2.6 餅干質構測定 采用質構儀,選擇三點彎曲試驗[11],測定餅干的硬度和柔韌性。使用HDP/3PB探頭;測中速度:2.00 mm/s;位移:15.00 mm。每組樣品測定6次,取平均值。

1.2.7 主成分提取與規范化處理 將餅干硬度、餅干柔韌性、感官評分的原始數據進行主成分分析,將得到綜合評分(F)進行規范化處理,得到規范化綜合得分(Z),以規范化綜合評分(Z)為響應值,確定餅干最優配方[12]。

C1、C2:第1、2主成分貢獻率,F1、F2:第1、2主成分得分,Fmin:綜合評分最小值,Fmax:綜合評分最大值。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel進行基本數據處理,origin 9.0制圖,響應面設計以及結果分析使用Design-Expert 8.0.6進行處理,采用SPSS 13.0進行主成分分析并將數據標準化[13]。

2 結果與分析

2.1 山藥粉添加量對烘烤時間影響

如圖2,隨山藥添加量增加,烘烤時間下降。可能是因為山藥中含有豐富的膳食纖維[14],山藥量增加,面團膳食纖維增加,吸水率增加。在相同水添加量下,隨山藥量增加,面團含水量減小,烘烤時間降低,若不減少烘烤時間,餅干會出現焦糊現象。以此確定餅干烘烤時間。

圖2 山藥添加量對烘烤時間的影響Fig.2 Effect of yam addition on baking time

2.2 單因素實驗

如表3,未添加山藥粉時餅干硬度最大,可能是因為未添加山藥粉,面團形成致密面筋網絡結構,面團具有較強的凝聚力和彈性,使餅干硬度較強。山藥添加量在0%～20%范圍內,硬度下降;20%～30%硬度上升,30%后呈下降趨勢。可能是山藥粉的引入稀釋面筋蛋白,阻礙面筋網絡形成[15-16],降低面團彈性,使餅干結構變疏松。隨山藥粉添加比例增加,面團中膳食纖維含量增加,膳食纖維作用占主導地位,餅干硬度增加,但由于山藥粉的添加使餅干結構疏松多孔,降低餅干的總體強度,餅干硬度又出現下降[17]。未添加山藥粉時餅干柔韌性最大,后隨山藥粉添加量增加,先增加后減小,差異不顯著(P>0.05)。在0%～20%范圍,隨山藥粉增加,感官評分呈上升趨勢,因為有山藥風味,硬度適中;在20%～50%范圍,感官評分逐漸下降,山藥粉添加過多,粘牙感增強,因此山藥粉最佳添加量為20%～30%。

表3 各因素對餅干品質影響Table 3 The influence of various factors on the quality of biscuits

餅干柔韌性越小,則餅干越脆。餅干的硬度及柔韌性隨水添加量增加先下降后上升。硬度在20%～28%呈下降趨勢,差異不顯著(P>0.05),在28%～36%,餅干硬度顯著增大(P<0.05)。可能是因為水分的增加使得淀粉糊化程度更高,烘烤過后餅干變得更硬[18]。水添加量增加,感官評分先增后減,28%時達極值,水為32%時,面團較為粘稠,不易成團,不適合制作餅干。因此水最佳添加量為26%～30%。

隨橄欖油添加量增加,餅干硬度顯著減小,柔韌性逐漸減小,可能是因為橄欖油較少時,面筋形成較多,使得餅干硬度較大;反之,當橄欖油添加量較多時,油起到反水化作用,阻礙面筋網絡形成,使餅干口感疏松,硬度下降。感官評分先增大后減小,橄欖油過多時,餅干烘烤易出現較大凹底,組織狀態較差,韌性較差,餅干不酥脆。若橄欖油添加量太多,面團出油較多,粘彈性變差,面團不易成團,餅干成型困難,口感較油膩[19-20]。因此油的最佳添加量為12%～16%。

隨糖添加量增加,餅干硬度上升;餅干柔韌性變化趨勢差異不顯著(P>0.05)。可能是因為韌性餅干糖添加量較少,對面團的反水化作用不明顯,主要是發生焦糖化反應,引起餅干色澤與滋味的改變[21]。評分隨糖添加量增加,先增加后減小。糖量偏少時,餅干滋味寡淡,但糖量過多,焦糖化反應過度,可能會導致餅干烘烤后出現焦糊現象[22],且味道過甜。因此糖最佳添加量為20%。

餅干硬度隨磷脂添加量增大而減小。磷脂添加到2.0%,餅干柔韌性一直減小,但添加到2.5%磷脂時,柔韌性增大,但不明顯,可能是因為磷脂具有乳化作用,能夠改善面團筋性,使餅干疏松[23]。感官評分先增加后減小。磷脂過多,面團易出油,餅干有苦澀味。因此磷脂最佳添加量為0.5%～1.5%。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 響應面設計方案及結果 選擇山藥粉添加量(X1)、水添加量(X2)、橄欖油添加量(X3)、磷脂添加量(X4)為因素,餅干硬度(Y1)、餅干柔韌性(Y2)、感官評分(Y3)為響應值,進行響應面方案設計。方案及結果如表4。

表4 響應面設計方案及結果Table 4 Response surface design scheme and results

續表

2.3.2 主成分分析 如表5,將累計貢獻率超過85%主成分提取出來,本試驗選取兩個主成分,累積貢獻率達87.192%,提取兩個主成分可體現餅干品質。

表5 各變量特征值及相應的貢獻率Table 5 Characteristic value of each variable and corresponding contribution rate

表6給出兩個主成分的特征向量,可由此得出兩個主成分表達式。

表6 兩個主成分的特征向量Table 6 Eigenvectors of two principal components

兩個主成分表達式用F1、F2表示,ZY1、ZY2、ZY3分別為餅干硬度、餅干柔韌性、感官評價的標準化結果。計算F:綜合評分值,Z:規范化綜合得分。

F1=0.782ZY1+0.835ZY2-0.863ZY3

F2=0.614ZY1-0.392ZY2+0.176ZY3

表7 主成分得分及規范化綜合得分Table 7 Principal component score and standardized comprehensive score

續表7

2.3.3 響應面結果分析 以規范化綜合得分為響應值,建立多元回歸模型,回歸方程:

表8 方差分析結果Table 8 Results of ANOVA

如圖3所示,3D圖像是向上凸曲面。固定山藥量,規范化綜合得分先隨水添加量增加而增大,且越來趨于平緩,而后減小;固定水添加量,規范化綜合得分先隨山藥添加量增加而增大,且增大趨勢越來越不明顯,而后減小,兩者交互作用顯著。

圖3 山藥添加量和水添加量響應曲面圖Fig.3 Response surface graph of yam addition and water addition

如圖4所示,3D圖像是向上凸的曲面。固定山藥量,規范化綜合得分隨油增加先增加后減小;固定油添加量,規范化綜合得分隨山藥增加而增大后減小。從等高線圖疏密度可知,山藥添加量對規范化綜合得分的影響大于油添加量對于規范化綜合得分的影響。兩者交互作用顯著。

圖4 山藥添加量和油添加量響應曲面圖Fig.4 Response surface graph of yam addition and oil addition

如圖5所示,3D圖像是向上凹凸結合的曲面,說明在該交互作用下規范化綜合得分在實驗所測范圍沒有極值。固定山藥添加量,規范化綜合得分隨磷脂增加而減小,且減小趨勢越來越明顯;固定磷脂添加量,規范化綜合得分隨山藥增加先減小后增加,增加趨勢逐漸不明顯。從等高線圖疏密度可知,山藥添加量對規范化綜合得分的影響小于磷脂添加量對于規范化綜合得分的影響,兩者交互作用顯著。

圖5 山藥添加量和磷脂添加量響應曲面圖Fig.5 Response surface graph of yam addition and phospholipid addition

2.3.4 驗證試驗結果 以空白餅干(無山藥粉)與市售餅干作參照便于分析本試驗餅干質構,市售餅干硬度:(702.60±62.02) g,柔韌性:(0.631±0.062) mm,感官評分:76.00±2.92,空白餅干質構數據如表3。根據響應面結合主成分分析得山藥韌性餅干最佳配方為:山藥粉添加量28%,水添加量26.76%,橄欖油添加量13.30%,磷脂添加量0.76%,此條件下由響應面預測得到餅干規范化綜合得分0.725,測得餅干硬度:(697.01±20.83) g,柔韌性:(0.292±0.018) mm,感官評分:81.80±3.63。此條件下,質構特性高于空白餅干,在硬度上與市售餅干相近,綜合感官評分,山藥的添加有利于改善餅干品質。

3 結論

以餅干色澤為判斷指標研究山藥添加量對烘烤時間的影響,將感官評價與餅干質構結合,在單因素實驗基礎上,通過主成分分析與響應面結合的試驗方法優化山藥韌性餅干最佳配方:以粉(低筋面粉+山藥粉)100%計,山藥粉添加量28%,水添加量26.76%,橄欖油添加量13.30%,磷脂添加量0.76%,糖添加量20%,食鹽1%,小蘇打1%,碳酸氫銨0.5%。烘烤溫度:上火170 ℃,下火150 ℃,時間12 min。此條件下,餅干品質優良,口感松脆,具有獨特的山藥風味,山藥含量高,并且山藥中含多種功能性因子,山藥餅干有很大的研究潛力。