乳清粉-玉米酵子馒头生产配方的优化设计

冷进松，戴媛，朱珠，刘长虹，武腾

（1.吉林工商学院食品工程学院，吉林长春130062；2.粮油食品深加工吉林省高校重点实验室，吉林长春130062；3.吉林科技职业技术学院生物工程系，吉林长春130123；4.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001）

乳清粉是由牛奶加工干酪、凝乳酪或酪蛋白过程中产生的非常有价值的副产物，主要成分是乳糖、乳蛋白和矿物质[1]。乳清含有大量的乳清蛋白、乳糖、核黄素及几乎全部的水溶性盐类。含有组成蛋白质的全部20种氨基酸，与血浆蛋白质相似，属于全价蛋白质。并且具有良好的加工特性（溶解性、成胶性、持水性、黏度、黏附性、黏弹性、乳化性、起泡性）[2]。玉米营养丰富，含有的VA、VE及谷氨酸等成分，具有抗衰老的作用；玉米中还有赖氨酸和微量元素硒，有预防肿瘤的作用自然玉米面经过加工而成的玉米馒头则能有效防治老年黄斑性病变等，并可提高视力。所含膳食纤维能促进肠蠕动，缩短食物通过肠道的时间，以减少人体对有毒物质的吸收，从而防止或减少结肠癌的发生[3]。

酵子作为一种传统的馒头发酵剂，是一种多菌种面食发酵剂，含有大量酵母中不具有的产脂霉菌、产香霉菌和多种细菌等可增加馒头风味的菌种，使得经长期发酵后的面团具有其独特的口感和风味，深受广大消费者的喜爱，在市场上占有一定的市场份额，是酵母馒头所无法取代的[4]。以玉米粉为原料制作的玉米酵子为发酵剂，并添加以乳清粉，既增加了面包的营养价值，提供钙以及小麦蛋白中所缺乏的赖氨酸，与小麦粉在营养上起到互补作用，改善面包的营养品质，又可利用其加工特性改变成品的品质。

将Plaeken-Burman设计、爬陡坡试验和Box-Behnken设计联用于乳清粉-玉米酵子馒头加工中，并借助 Minitab16、Design expert8.0、origin7.5 软件对工艺进行二阶数值模型，获得了回归方程，对配方工艺进行模型数值预测并进行验证试验，结果良好。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甜乳清粉；玉米粉、馒头粉、蔗糖、食盐、鸡蛋。

1.2 仪器与设备

S200/DC-11/DCJ-1型组合烤炉：瑞典Sveba-Dahlen公司；RN10VL-2打蛋机：丹麦Bear公司；SZM10和面机：广州旭众食品机械有限公司；FJ24型醒发箱：广州市白云区亿高电器有限公司、HH-S型恒温水浴：江苏省金坛市环宇科学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 玉米酵子加工工艺流程

选取300 g面粉，将相当于面粉用量270%的热开水加入面粉中将其烫开，搅拌至无疙瘩之后凉至室温，然后将已用温水浸泡过的老酵头（面粉的5%）加入面糊中，在发酵温度为28℃条件下发酵180 min，接玉米面150 g，二次发酵120 min，接玉米面100 g，三次发酵120 min，接玉米面 100 g，四次发酵 100 min，拍成饼状，干燥后即可得到成品玉米酵子[5]。

1.3.2 工艺流程和操作要点

玉米酵子活化→配料→和面→发酵→二次和面→压面→分块→成型→醒发→沸水蒸制→冷却→产品

称取面粉550 g、玉米酵子25%（用35℃的水化开活化）、乳清粉3%，水300 mL、蔗糖5 g在80 r/min的立式搅拌机中搅拌，待面粉和成团5 min后移入温度38℃、相对湿度80%～85%的醒发室发酵60 min后取出；加入面粉150 g、食盐1 g，二次和面15 min，经压面机揉压25次后手工成型，醒发50 min；取出放入蒸箱内蒸制25 min即可[6]。

1.3.3 馒头品质评价方法

选取8名参加过食品感官课程培训的评价员集体评分取平均值（具体每一项的满分从最好到最差均分为三个级别），本研究参照馒头实验室评价方法制定的实验室乳清粉-玉米酵子馒头评价标准[7]。

表1 馒头评分标准Table 1 the scoring criteria of steamed bread

1.3.4 测定方法

1.3.4.1 馒头质量与体积测定

取馒头冷却至室温的馒头称重，并用塑料薄膜包严，用菜籽置换法测定体积，同一样品测定两次，相差值小于或等于10mL时取平均值，大于10 mL重新测定。

1.3.4.2 馒头高度测定

取馒头，去掉薄膜，用卡尺量取馒头底部与顶点高度，同一样品从不同侧面测量2次，相差值小于或等于0.2 cm时取平均值，大于0.2 cm重新测定。

1.3.4.3 外观评价

取馒头，用面包刀切开，观察馒头表面色泽、表面结构、形状、内部气孔结构细密均匀程度，底部是否有死烫斑，并逐项打分。

1.3.4.4 品尝评价

取馒头，稍凉，用食指按压，评价弹柔性，掰一小块，观察是否易掉渣，放入口中，细嚼5 s～7s，感觉有否咬劲，是否粘牙、干硬，咀嚼后能否完全化开以及气味如何，并逐项打分。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 乳清粉添加量对馒头品质的影响

乳清粉添加量对馒头品质的影响见图1。

图1 乳清粉添加量对馒头品质的影响Fig.1 The effect of whey powder amount on the quality of steamed bread

由图1可知，馒头感官评分随乳清粉添加量的增加呈先上升后下降的趋势。其中在添加量为2%时，馒头感官评分最高。因为乳清粉含有较多的乳清蛋白和乳糖，可增加面筋蛋白质，提高产品的筋力。由于乳清蛋白变性后形成凝胶，能吸收水分和脂肪，增强产品的拉伸。同时，由于乳清粉中含有大量乳糖，既可改善产品风味，也可为微生物繁殖提供营养。当乳清粉添加量过多时，馒头本来的风味被掩盖，产品结构容易发生塌陷。

2.1.2 玉米酵子添加量对馒头品质的影响

玉米酵子添加量对馒头品质的影响见图2。

图2 玉米酵子添加量对馒头品质的影响Fig.2 The effect of corn jiaozi amount on the quality of steamed bread

由图2可知，随着添加量的增加馒头的感官评分呈先上升后下降趋势，达到25%时，感官评分最高。因为，随着酵子添加量的增加，面团里的发酵菌数量增多，产气量以及发酵副产物种类更加丰富，使馒头体积增大，质地松软，增加了馒头的风味及外观评分。随着添加量的增加，会使面团过酸，产品速度过快，内部组织粗糙，馒头表面有不均与的斑点。

2.1.3 水添加量对馒头品质的影响

水添加量对馒头品质的影响见图3。

图3 水添加量对馒头品质的影响Fig.3 The effect of water amount on the quality of steamed bread

由图3可知，随着加水量的增加感官评分呈先上升后下降趋势。加水量为60%时评分最高。较大的加水量，可改善馒头重量和体积，但添加过多，会使馒头的白度和外观形状较差。出现皱缩、烫斑等异常现象。加水量较少，虽然白度和外观较好，但表皮质量、内部结构和比容较差，感官评分低[8]。

2.1.4 蔗糖添加量对馒头品质的影响

蔗糖添加量对馒头品质的影响见图4。

图4 蔗糖添加量对馒头品质的影响Fig.4 The effect of sucrose amount on the quality of steamed bread

由图4可知，蔗糖添加量在0.1%～0.4%范围内，馒头感官评分值随蔗糖添加量的增加而明显增大，但蔗糖添加量大于0.4%时，感官评分呈下降趋势。适宜的添加量可以增加馒头的口感和风味，添加过多，会抑制微生物的生长，口感过于甜腻。另外，糖多还会使面团发黏，影响面团的发酵、成型，从而影响馒头的质量[9]。

2.1.5 食盐添加量对馒头品质的影响

食盐添加量对馒头品质的影响见图5。

图5 食盐添加量对馒头品质的影响Fig.5 The effect of salt amount on the quality of steamed bread

由图5可知，随着食盐添加量的增加，感官评分呈先上升后下降的趋势。适宜的添加量，可以提高馒头风味鲜美、柔和。可调节控制面团发酵速度，使面筋质地细密，增强面筋筋力，改善馒头内部组织结构[10]。

2.1.6 鸡蛋添加量对馒头品质的影响

鸡蛋添加量对馒头品质的影响见图6。

图6 鸡蛋添加量对馒头品质的影响Fig.6 The effect of egg amount on the quality of steamed bread

由图6可知，鸡蛋添加量在5%～25%时，感官评分呈逐渐上升趋势，在20%～40%时，呈急剧下降趋势。鸡蛋蛋黄中含有的卵磷脂，具有良好的乳化性能，可使油、水乳化均匀分散到面团中，增加制品的疏松性。蛋白是一种发泡性溶胶，经搅拌含有气泡，分布于面团中，会使组织蓬松，使馒头的弹性、比容等指标均有上升。但是过量添加也会对馒头品质造成负面影响，如使制品出现蛋腥味[11]。

2.2 利用响应面法优化乳清粉－玉米酵子馒头加工配方参数

2.2.1 Plackett－Burman试验设计筛选关键影响因子

在单因素试验基础上，对乳清粉添加量（%）、玉米酵子添加量（%）、水添加量（%）、蔗糖添加量（%）、食盐添加量（%）、鸡蛋添加量（%）6个因素进行考察，每个因素取低水平“－1”和高水平“l”。另设1个虚拟列，设计实验次数N=12的Plackett－Burman实验，以感官评分Y为回应值。Plackett－Burman试验因素及水平及结果见表2，利用Minitab16对试验结果进行回归分析，得到各影响因素的偏回归系数及其显著性，分析结果见表3。

表2 Plackett-Burman试验设计表及实验结果Table 2 Plackett-Burman design and experimental results

表3 偏回归系数及影响因子的显著性分析Table 3 Analysis of partial regression coefficient and Significance of factors

2.2.2 最陡爬坡试验结果

根据Plackett－Burman试验设计试验，确定以玉米酵子添加量（x1）、鸡蛋添加量（x2）、乳清粉添加量（x3）3个主要因素为自变量，以感官评分（Y）为回应值，其因素水平编码见表4。

表4 最陡爬坡试验设计及结果Table 4 The design and results of steepest ascent test

由表4可知：第3组实验的馒头感官评分最高。这说明最优试验在第3组实验附近。故以实验3的条件为响应面实验因素水平的中心点，玉米酵子添加量、鸡蛋添加量、乳清粉添加量分别为25%、20%、2.0%，进行下一步研究。

2.2.3 响应面分析法（CCD）优化乳清粉－玉米酵子馒头加工配方

基于单因素实验设计，对优化提取条件进行了一系列的试验，在最陡爬坡实验的基础上，根据Box－Benhnken的中心组合试验设计原理。利用Design－Expert8.0.5b进行 Response Surface Methodology（RSM）响应面法优化影响馒头感官评分的3个主要因素：玉米酵子添加量、鸡蛋添加量、乳清粉添加量进行优化组合。考察目标为感官评分，试验因素水平安排以及根据以上水平编码设计试验表格并检测响应值结果见表5。

表5 响应面分析方案及结果Table 5 Design and results of response surface methodology

对表5数据进行二次多元回归拟合，可求出影响因素的一次效应、二次效应以及交互效应的关联方程并可绘制出响应面图。该模型通过二阶经验模型对变量的响应行为进行表征，即：

式中：Y 为响应值，β0、βi、βii分别表示偏移项、线性偏移和二阶偏移系数，βij为交互效应系数，xi为各因素的编码值。对表7试验数据进行多元回归拟合得到感官评分（Y）对编码自变量x1、x2和X3的二次多项式回 归 方 程 ：Y=90 －2.88X1+0.13X2－1.50X3－2.50X1X2－0.25X1X3+7.25X2X3－5.25－6.75－4.00。

2.2.4 模型方差分析对上述回归模型进行方差分析

模型方差分析对上述回归模型进行方差分析见表6。

表6 回归模型系数及显著性检验Table 6 Variance analysis results of regression model

表6结果表明，模型是显著的（P＜0.05），RSquared=0.927 3，Adj R －Squared=0.833 8，Pred R －Squared=0.836 6，模型变异系数为3.48%，精密度为8.909，说明模型准确度和精密度都较高，用该模型进行分析和预测是合理的。

由表6可知，一次项X1显著，由F值和Prob＞F可知，单因素的影响顺序为X1＞X3＞X2，即玉米酵子添加量＞乳清粉添加量＞鸡蛋添加量；交互作用项X2X3极显著；二次项极显著。

2.2.5 回应曲面分析

回应曲面分析见图7。

绘制三维响应面曲线模型是分析各自不同变量对某个指标影响最好的方法[12－13]。图7a显示了玉米酵子添加量和鸡蛋添加量与馒头感官评分关系的响应面3D图形，由图可以看出，曲面图形变化随玉米酵子添加量升高变化幅度高于鸡蛋添加量变化。当保持鸡蛋添加量固定，感官评分随玉米酵子添加量变化呈先上升后缓慢下降趋势，添加量在24%～26%之间时，感官评分达到最大值，这是由于随着酵子添加量的增加，馒头在发酵过程中产酸过多，产气过快，会造成馒头的口感偏酸，内部组织不均匀，感官品质下降。当保持玉米酵子添加量固定，感官评分随鸡蛋添加量变化幅度不明显。由此可知，玉米酵子添加量对馒头感官评分的影响大于鸡蛋添加量。图7b显示了玉米酵子添加量和乳清粉添加量与馒头感官评分关系，由图可知，当保持乳清粉添加量固定，馒头感官评分随玉米酵子变化呈先上升后缓慢下降趋势，添加量在24%～26%时，感官评分达到最大值。由图7c可以看出，随鸡蛋添加量变化，曲面变化比较陡峭；随鸡蛋添加量的改变，曲面呈快速上升状态，当添加量超过19%后，其下降幅度较加大；随乳清粉添加量变化，响应曲面变化幅度较大。当固定添加量在1.9%～2.1%时，馒头的感官评分最高。

图7 两因素交互作用对馒头品质影响的响应曲面图Fig.7 Response surface and contour plots showing the interaction effects of whey amount，corn jiaozi amount，water amount，Sucrose amount，salt amount and egg amount on steamed bread quality

2.2.6 最佳条件的确定

为了确定最佳工艺配方条件，对回归方程取一阶偏导数等于零解方程组得x1=－0.249 42，x2=－0.079 27、x3=0.251 54，此时Y=90.57，即乳清粉－玉米酵子馒头的最佳加工配方参数为玉米酵子添加量为23.75%、鸡蛋添加量为19.6%、乳清粉添加量为1.874%。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用最佳提取工艺条件进行馒头的加工，考虑到实际操作的便利，将工艺配方参数修正为：玉米酵子添加量25%、鸡蛋添加量为20%、乳清粉添加量2%，

为进一步验证回归模型的有效性，以优化结果进行4次重复试验，测得平均感官评分值为90.45，接近于预测值，表明模型可靠，预测结果准确。

3 结论

Design－expert8.0响应面软件是一种研究玉米酵子添加量、乳清粉添加量、鸡蛋添加量等影响馒头感官评分的工艺条件优化的工具。在本研究中，馒头配方工艺条件的优化利用了Plackett－Burman试验设计，对较多的参考因素进行了筛选，利用最陡爬坡试验结合Box－Behnken设计对工艺配方参数进行数值优化并建立经验二阶多项式回归模型，对回归模型进行统计分析，获得最优化工艺。本实验结合了Plackett－Burman（PBD）、SAE 和 Box－Behnken Design 3种设计方法，从试验结果看，PBD找出了主要影响因素为玉米酵子添加量、鸡蛋添加量、乳清粉添加量。BBD设计对主要影响因素进行精确优化并建立了二阶经验数学模型。方差分析发现模型显著性（P＜0.05），准确度和精密度均较高[14]。响应曲面分析研究了各因素交互作用对响应值的影响。模型求解得最优工艺配方参数，即玉米酵子添加量为25%，鸡蛋添加量为20%和乳清粉添加量为2%。

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