響應面法優化無麩質谷物饅頭制備工藝條件及其質構特性研究

李東紅，周大宇，楊晉杰，朱力杰，楊立娜，馬濤

（渤海大學食品科學與工程學院，遼寧錦州121013）

小麥粉是制作傳統饅頭常用的原料，因為含有麩質即面筋，在產品制作過程中形成三維網絡結構，能夠保留酵母發酵過程中產生的二氧化碳，并在蒸汽作用下拉伸，形成最終產品所特有的結構和蜂窩狀紋理。盡管麩質在饅頭制作過程中發揮著重要的作用，但是部分人群攝入麩質，會引發一種免疫介導疾病——乳糜瀉，不攝入含有麩質的食品是目前最有效的預防方法[1]。由于無麩質谷物粉不含麩質，故無麩質產品與小麥制品有很大差距，所以使用無麩質谷物粉生產高品質饅頭成為了一項重大的技術挑戰[2-3]。

玉米富含維生素和功能性物質，具有預防高血壓、延緩腦功能退化等功能[4]。大豆中含有多種人體必需氨基酸，蛋白質含量較高，具有保護心臟、美容養顏等功效[5]。糯米粉多為支鏈淀粉，其獨特的理化特性，富含鈣、鐵、磷等多種營養物質，具有健胃養脾，緩解腹脹腹瀉等功能特性[6]。本試驗以玉米粉、大豆粉和糯米粉為原料生產無麩質谷物饅頭，制作過程中添加適量的堿性蛋白酶、植物乳桿菌和谷氨酰胺轉氨酶（transglutaminase，TG酶）改善其質構與品質，為無麩質谷物饅頭研究開發提供基礎[7-8]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生黃豆粉（26.2%蛋白質，6.0%脂肪，41.2%碳水化合物，11.0%含水量）、玉米粉（6.7%蛋白質，11%脂肪，71.4%碳水化合物，12.4%含水量）：山東美樂嘉食品有限公司；糯米粉（7.6%蛋白質，0.9%脂肪，80.5%碳水化合物，12.3%含水量）：新鄉良潤全谷物食品有限公司；堿性蛋白酶（酶活10萬U/g）：河南萬邦實業有限公司；植物乳桿菌：善恩康生物科技（蘇州）有限公司；TG酶（酶活10萬U/g）：東圣生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

生化培養箱（SPX-150B-Z）：上海博迅實業有限公司醫療設備廠；中式電蒸鍋（MZ-SYS28-2B）：廣東美的生活電器制造有限公司；質構儀（TA-XT Plus）：英國Stable Micro Syetems公司；旋轉流變儀（Discovery HR-1）：美國 TA 公司；混合試驗儀（Mixolab2）：法國肖邦技術公司；電子天平（JY5002）：上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

無麩質谷物饅頭制作工藝流程：原料粉→加水混合→攪拌→一次發酵（堿性蛋白酶；pH8.0；60 min）→二次發酵（植物乳桿菌；pH6.5、TG酶；90 min）→切分→揉圓→醒發→蒸制→冷卻→成品。

1.3.2 配料

普通無麩質饅頭基礎配方：大豆粉30 g，玉米粉30 g，糯米粉 40 g，小蘇打 1.3 g，酵母 0.6 g，泡打粉0.6 g，半胱氨酸 0.8 g，胱氨酸 0.8 g，水 60 g。

1.3.3 單因素試驗

選取大豆粉、玉米粉和糯米粉為原料，利用混合試驗儀確定混合粉的配比，在此基礎上，探討堿性蛋白酶、植物乳桿菌和TG酶3種添加物的添加量對無麩質谷物饅頭質構特性和感官品質的影響，添加物以干粉為基準進行添加，進行單因素試驗[9-11]，試驗方案如表1所示。

表1 單因素試驗Table 1 Single factor experiment

1.3.4 制備條件優化

綜合考察單因素試驗結果，采用Box-Behnken方法設計響應面模型，選擇堿性蛋白酶添加量、植物乳桿菌添加量和TG酶添加量為影響因素，以饅頭的感官評分為響應值，采用三因素三水平的響應面法進行試驗[12]。試驗設計見表2。

表2 響應面因素水平編碼表Table 2 Response surface factor level coding table

1.3.5 面粉粉質特性的測定

混合試驗儀是測定面粉與水經混合形成面團的過程中面團流變特性變化的儀器。測定開始時，將谷物粉加入面缽中，混合試驗儀根據面粉的水分含量計算出吸水率并自動添加蒸餾水，由兩個“s”形的攪拌刀進行攪拌，在對應的時間內記錄兩個攪拌刀對面團的力矩（N·m），根據相應的力矩參數分析不同比例谷物粉的粉質特性[13]。混合試驗儀工藝參數如表3所示。混合試驗儀參數含義如表4所示。

表3 混合試驗儀參數的設定Table 3 Mixing experimenter parameter settings

表4 混合試驗儀參照表Table 4 Hybrid experiment instrument reference table

1.3.6 質構特性

取20 mm×20 mm×20 mm的饅頭芯，25℃冷卻1 h，用質構分析儀測定饅頭的硬度、彈性、膠著度、咀嚼度等參數。試驗參數如下：壓縮率50%，速度為1 mm，觸發力0.05 N，兩種壓縮過程停留時間為10 s，探頭為P50[14]。

1.3.7 饅頭的感官評定

參照GB/T 35991-2018《糧油檢驗小麥粉饅頭加工品質評價》，選用6名有感官評定經驗且經過訓練的人員（其中男性、女性各3名），對無麩質谷物饅頭進行感官評價，取平均值[15]（具體的饅頭品質評分精確到0.01分）。無麩質谷物饅頭感官評分標準見表5。

表5 饅頭感官品質評分表Table 5 Steamed bread sensory quality rating table

1.3.8 流變特性

取經發酵后的面團2 g，使用帶有40 mm平行板探頭的流變儀進行測定，間隙為1 mm，溫度為25℃，頻率為0.1 Hz～10 Hz，應變為0.2%，分別測量彈性模量（G′）和黏性模量（G″），評估其流變特性[16]。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 粉配比對谷物粉粉質特性的影響

不同比例的谷物粉對谷物粉粉質特性的影響見表6。

粉配比為大豆粉∶糯米粉∶玉米粉=3∶3∶4的條件下，目標力矩（C1）接近1.1，且C1-C2值最小，表明蛋白質弱化程度較小[17]。在此比例下，淀粉糊化特性較大，糊化穩定性最強，不容易回生，此時的面粉特性較其它比例更適合制作饅頭。分析原因可能是粉配比在3∶3∶4情況下，糯米粉的增加，能夠提升混合粉的吸水率，使混合粉接近面粉特性，粉質特性較好[18]。

表6 粉配比對谷物粉粉質特性的影響Table 6 Effect of powder ratio on the grain characteristics of grain flour

2.1.2 堿性蛋白酶添加量對無麩質谷物饅頭品質的影響

向谷物粉中分別添加3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的堿性蛋白酶（堿性蛋白酶的添加量以玉米、大豆和糯米的混合粉為基準），測定其質構特性，結果見表7。

由表7可知，隨著堿性蛋白酶添加量的增加，硬度和咀嚼性均呈現先減少后平穩的趨勢。饅頭質構分析在一定范圍內，硬度和咀嚼性數值越小，饅頭越柔軟。較高彈性和膠著度在一定程度上反映了饅頭具有較好的膨脹性、柔韌性和組織結構穩定性[3]。分析原因可能是酶解作用破壞蛋白質內部結構，構架失去支撐作用，硬度減小，咀嚼性也隨之減小，彈性較強，此時無麩質谷物饅頭較為柔軟。結合感官品質評分，確定堿性蛋白酶的合適添加量為4.5%。

表7 堿性蛋白酶添加量對饅頭品質及感官評分的影響Table 7 Effect of alkaline protease on quality and sensory score of steamed bread

2.1.3 植物乳桿菌添加量對無麩質谷物饅頭品質的影響

面團配方如1.3.2操作，向面團中分別添加1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%植物乳桿菌（植物乳桿菌的添加以玉米、大豆和糯米的混合粉為基準），測定其質構特性，試驗結果如表8所示。

由表8可知，硬度和咀嚼性隨植物乳桿菌的添加呈現先下降再上升的趨勢，當添加量為2.5%時，硬度和咀嚼性相對較低，表明此時無麩質谷物饅頭較為柔軟。植物乳桿菌降解糖類和蛋白質，產生有機酸和游離氨基酸后，pH值降低，為TG酶發揮最大活力提供適宜條件，促進其發揮最大作用[19]。結合感官品質評分，確定植物乳桿菌的合適添加量為2.5%。

表8 植物乳桿菌添加量對饅頭品質及感官評分的影響Table 8 Effects of Lactobacillus plantarum on quality and sensory score of steamed bread

2.1.4 TG酶添加量對無麩質谷物饅頭品質的影響

面團的制備工藝如1.3.1所述，配方如1.3.2所述，向面團中分別添加1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%TG酶（TG酶的添加以玉米、大豆和糯米的混合粉為基準），測定其質構特性，結果見表9。

由表9可知，隨著TG酶添加量的增加，饅頭的硬度和咀嚼性先下降再上升，彈性呈相對平穩的趨勢。TG酶添加量為混合粉的2.5%時，無麩質谷物饅頭的硬度和咀嚼性較低，表明饅頭較為柔軟。分析原因可能是面團在發酵過程中TG酶促進蛋白質進行交聯，蛋白質網狀結構強度增大，利于饅頭成型[20]。但隨著TG酶添加量增加，吸水量持續增大，面團黏度增加，發酵性能降低。結合感官品質評分，確定TG酶的合適添加量為2.5%。

表9 TG酶添加量對饅頭品質及感官評分的影響Table 9 Effects of TG enzyme on quality and sensory score of steamed bread

由單因素試驗結果可知，堿性蛋白酶添加量為4.5%、植物乳桿菌添加量為2.5%、TG酶添加量為2.5%時，饅頭品質特性較好。感官評價能夠直觀地反映出無麩質谷物饅頭的品質，綜合分析，選取感官評分為響應值進行響應面分析，確定出3種添加物添加量的最優組合。

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 回歸模型的建立與分析

對堿性蛋白酶添加量（A）、植物乳桿菌添加量（B）、TG酶添加量（C）進行三因素三水平響應面試驗，試驗結果見表10。方差分析見表11。

表10 響應面設計方案及結果Table 10 Design scheme and result of response surface

采用Design-Expert試驗設計軟件對表10的數據進行多元回歸擬合，得到二次多項式回歸方程：Y=72.13+0.21A-0.98B-0.37C+0.04AB+0.79AC+0.37BC-2.27A2-1.69B2-2.48C2。

表11 回歸模型方差分析Table 11 Variance analysis of regression model

由表11可知，影響無麩質谷物饅頭感官評分的順序為：植物乳桿菌添加量＞TG酶添加量＞堿性蛋白酶添加量。回歸方程模型P＜0.000 1，該模型極顯著，失擬項P=0.466不顯著，說明該回歸方程是可行的。模型的決定系數R2為0.977 4，R2adj為0.948 3，表明感官評分的實際值與預測值擬合較好。由此可知，各試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。

2.2.2 響應面兩兩因素間交互作用

繪制響應面三維立體圖見圖1～圖3[21]。

由圖1可知，當TG酶添加量一定時，堿性蛋白酶添加量與植物乳桿菌添加量交互作用不顯著，植物乳桿菌添加量對感官評分影響顯著，且隨植物乳桿菌添加量的增加先上升后下降。由圖2可知，當植物乳桿菌添加量一定時，堿性蛋白酶添加量與TG酶添加量交互作用不顯著。由圖3可知，植物乳桿菌添加量和TG酶添加量交互作用顯著，感官評分隨兩種添加物添加量的增加變化較大。利用Box-Behnken設計響應面對試驗結果進行優化，得出最佳工藝參數：堿性蛋白酶添加量為4.5%，植物乳桿菌添加量為2.4%，TG酶添加量為2.3%，模型預測感官評分為72.313。為驗證試驗可靠性，選取最優添加量制作無麩質谷物饅頭進行感官評定，取3組平行，感官評分平均值為71.667，與預測值相符，表明響應面優化無麩質谷物饅頭加工工藝的可靠性較高[22-24]。

圖1 堿性蛋白酶添加量和植物乳桿菌添加量對饅頭感官評分的影響Fig.1 Effects of alkaline protease and Lactobacillus plantarum on sensory evaluation of steamed bread

圖2 堿性蛋白酶添加量和TG酶添加量對饅頭感官評分的影響Fig.2 Effects of alkaline protease and TG enzyme on sensory evaluation of steamed bread

圖3 植物乳桿菌添加量和TG酶添加量對感官評分的影響Fig.3 Effects of Lactobacillus plantarum and TG enzyme on sensory evaluation

2.3 優化結果對面團流變學特性的影響

根據響應面試驗預測的最佳工藝參數，做3組重復試驗，分別測試其面團的流變學特性，結果如圖4所示。

圖4 優化結果對面團流變學特性影響Fig.4 Influence of optimization results on the rheology of dough

動態流變通常用于表征面團及面筋蛋白的黏彈性質。由圖4可知，隨振動頻率的升高，3組平行試驗的G′和G″均呈上升趨勢，表明面團的黏彈性較佳。第1組和第2組試驗中G′＞G″，第3組試驗中雖然G′＜G″，但是其黏彈性均高于第1、2組，以上結果表明通過最優配方制作出的面團柔軟性較好，耐形變能力較強，面團內部結構較為堅實，面團具有較好的加工性能[25]。

3 結論

本試驗在確定玉米粉、大豆粉和糯米粉合理配比的基礎上，研究堿性蛋白酶、植物乳桿菌和TG酶的添加量對無麩質谷物饅頭質構及品質的影響。在單因素試驗的基礎上，以感官評分為響應值，通過響應面法確定了無麩質谷物饅頭的最優工藝配方。當谷物粉（大豆粉、糯米粉和玉米粉質量比為3∶3∶4）為100 g時，堿性蛋白酶添加量為4.5%，植物乳桿菌添加量為2.4%，TG酶添加量為2.3%，按此配方制作的無麩質谷物饅頭感官評分為71.667分，品質較好。

在今后的研究中，需要對面團形成的網狀結構進行分析，探索添加物對于面團的作用，尋找酶類相關替代物，解決經濟問題。