响应面-主成分分析法研制莲房膳食纤维曲奇

蒋旖旋，龚超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勋，易阳（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023）



响应面-主成分分析法研制莲房膳食纤维曲奇

蒋旖旋，龚超，侯莉莉，徐燕燕，王宏勋，易阳*
（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023）

摘要：在单因素试验明确莲房不溶性膳食纤维添加量、黄油添加量、烘烤温度和时间对曲奇饼干品质影响的基础上，建立四因素回归模型优化饼干制作工艺。分别以各感官评价项的总评分及主成分分析得到的综合评分为指标，采用响应面法优化得到2套工艺参数，结合实际应用比较后确定曲奇饼干制作的最优参数为：不溶性膳食纤维添加量3.8 %、黄油添加量60%、烘烤时间11min、烘烤温度196℃。采用三点弯曲测试分析饼干的硬度、脆性和酥性，发现其品质与脆性和酥性均存在显著负相关性（P<0.05）。建立莲房膳食纤维曲奇饼干的制作工艺，探析其品质评价指标及方法，可为莲房的开发利用提供参考。

关键词：莲房；膳食纤维；曲奇饼干；响应面；主成分分析

莲房是睡莲科植物莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）的成熟花托，常用于炮制莲房炭[1]，具有止血、化瘀、祛湿的功效[2]。然而，随着医药科技水平的进步，莲房炭已逐渐淡出市场。近年来，籽莲产业规模不断壮大，作为副产物的莲房产量也明显增加，除了少部分用于食用菌栽培基质外[3]，大多被丢弃，造成资源浪费和环境污染。从产业发展、农户增收、环境保护等多方面考虑，莲房的综合利用有重要现实意义。当前，莲房的研究热点主要集中在原花青素的提取纯化、结构鉴定和生物活性评价[4]，而对其膳食纤维的开发应用仍属空白。

当前，各种精制加工面粉深受人们喜爱，膳食偏好导致膳食纤维摄入量减少[5]。越来越多的证据表明，膳食纤维的摄入量与慢性疾病（肠道疾病、肥胖病、糖尿病、心血管疾病）之间存在密切的关系[6]。膳食纤维的适量添加不仅能赋予食品功能特性，而且可能产生新的风味或改善品质[7]。曲奇饼干是焙烤市场的主导产品之一，但随着消费者对饮食的关注程度增加，健康和享受的双重要求成为产品研制的重要风向标[8]。膳食纤维曲奇饼干迎合消费需求，但其研制却鲜见报道。为此，本文考察莲房不溶性膳食纤维（IDF）添加量、黄油添加量、烘烤时间和温度对曲奇饼干感官品质的影响，结合主成分分析法和响应面法优化制作工艺，并探讨饼干感官与质构品质之间的相关性，旨为莲房膳食纤维曲奇饼干开发及质量评价提供参考。

1材料与方法

1.1材料与试剂

莲房：湖北万荷堂莲业发展有限公司提供，经热风干燥后粉碎至50目～300目；无盐黄油：阿根廷SUKI公司；低筋小麦粉（蛋白质含量13 %）：河南金龙面业有限公司；细砂糖：广东福正东海食品有限公司；泡打粉：江门高迪食品有限公司；鸡蛋、盐等辅料：均为市售产品。

1.2仪器与设备

SE602F电子天平：美国Ohaus公司；TA.XT-plus食品物性测试仪：英国Stable Micro System公司；BOK35电烤箱：佛山市贝奥电器有限公司；YB-1000A多功能粉碎机：永康市速锋工贸有限公司；HM4400客浦搅拌器：北京中兴柏粹电器有限公司。

1.3方法

1.3.1莲房IDF制备

莲房粉经4倍体积的75 %乙醇浸泡过夜后过滤干燥，采用α-淀粉酶和木瓜蛋白酶分步酶解去除莲房粉中的蛋白质及淀粉，过滤酶解残渣，洗涤干燥后得到莲房IDF。经GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》方法测定[9]，样品中总膳食纤维（TDF）含量为94.32 %，IDF含量为93.84 %。

1.3.2曲奇饼干制作工艺及要点

油经室温软化后，置于搅拌器中匀速搅拌至顺滑，加入适量细砂糖继续搅拌至顺滑且体积稍有膨大；加入适量全蛋液搅拌至蓬松、乳白的奶油霜状；黄油中筛入事先混匀的低筋面粉（100.0 g）、泡打粉及一定质量比的莲房IDF，拌匀后转入裱花带中挤压成型；将饼胚置于预热的电烤箱中烘烤，烘烤结束后自然冷却至35℃～40℃[10-11]，装袋密封后于干燥器内避光保存，一周内完成相关分析测试。

1.3.3单因素试验

选取莲蓬IDF添加量、黄油添加量、烘烤时间及温度为试验因素，经预试验确定其固定水平分别为4%、60 %、190℃、12 min。单因素试验中各因素的水平：IDF添加量为2%、4%、6%、8%、10%；黄油添加量为40%、 50%、60%、70%、80%；烘烤时间为8、10、12、14、16min；烘烤温度为170、180、190、200、210℃。

1.3.4响应面试验

在单因素试验的基础上，采用Box-Benhnken的中心组合设计安排四因素三水平试验，试验因素及水平见表1。

表1试验因素和水平Table 1 Factors and levels of the experiment

1.3.5感官评价

莲房IDF曲奇饼干品质评价采用综合感官评分法。筛选10位食品相关专业人员以盲标法分别对饼干的形态、色泽、气味、滋味、口感、组织和杂质进行评分，总评得分为各项分值之和[12]。评分标准参考曲奇饼干行业标准略作调整[13]，如表2所示。

表2曲奇饼干感官评分标准Table 2 The standard of sensory evaluation for cookies

1.3.6质构特性分析

曲奇饼干质构特征采用物性测试仪HDP/3PB探头进行三点弯曲试验[14-15]，TA程序设计如下：测试模式为压缩；测前速度5.00 mm/s；测中速度1.7 mm/s；测后速度10.0 mm/s；目标模式为应变40 %；触发力为5.0 g。每组样品平行测定3次。取信号曲线的最大值为样品的硬度（g），取最大信号峰前的破裂峰数为样品的脆性，取曲线起点到最大峰值的线性距离为酥性（g·s）。

1.4数据处理

响应面试验设计及结果分析采用SAS（V8）软件处理；组间数据差异比较采用SPSS19软件S-N-K检验分析，显著性水平为P<0.05；Pearson相关性采用SPSS19软件进行0.01和0.05水平双侧检验；主成分分析采用SPSS19软件进行因子分析。

2结果与分析

2.1单因素试验结果

2.1.1 IDF添加量

IDF添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图1。

图1 IDF添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.1 Effects of IDF addition on the sensory quality of cookie

IDF添加量介于2 %～6 %之间对曲奇饼干的感官评分无显著影响（P>0.05），但添加量增加至8 %后感官评分显著下降（P<0.05）。IDF添加量过大产生如下影响：破坏饼干花纹的完整度，但对其组织结构影响不显著；IDF的深棕色会掩盖产品焙烤色泽；减弱曲奇特有的气味和滋味；口感的硬度会明显增加。高添加量的IDF可能增加饼干的松密度[16-17]，造成表面花纹易断裂。饼干的硬度与其持水性呈正相关[16]，随着IDF添加量的增加，饼干的硬度随之增强。考虑尽可能提高产品的膳食纤维含量并保证品质，确定IDF添加量为4 %～8 %。

2.1.2黄油添加量

现售的曲奇饼干一般油脂含量高达75 %以上，而黄油含量是影响其品质的重要因素[12]。黄油添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图2。

图2黄油添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.2 Effects of butter addition on the sensory quality of cookie

曲奇饼干感官评分随着黄油添加量的增大呈增加趋势，而超过50 %后分值无显著增加（P>0.05）。添加量40 %的分值显著低于60 %～80 %（P<0.05），但与50 %无显著差异（P>0.05）。黄油添加量大有利于产品成型，且色泽和气味特征较好，但油脂含量过高易产生氧化哈败、食用后油腻感强、产品过于酥脆不易保存、生产成本增加。故而选择黄油添加量为50 %～70 %。

2.1.3烘烤时间

烘烤时间对曲奇饼干感官评分的影响见图3。

图3烘烤时间对曲奇饼干感官评分的影响Fig.3 Effects of baking time on the sensory quality of cookie

烘烤时间由8 min延长至16 min的过程中，曲奇饼干的感官评分先增大后减少。烘烤时间介于10 min～14 min的感官评分无明显差异（P>0.05），但均显著高于8 min（P<0.05）。烘烤16 min的感官品质最差（P< 0.05）。烘烤时间不足，饼干的色泽和风味欠佳，且质地较软。而烘烤过度导致饼干焦糊，且质地硬实。因此，选择烘烤时间为10 min～14 min为宜。

2.1.4烘烤温度

烘烤温度对曲奇饼干感官评分的影响见图4。

图4烘烤温度对曲奇饼干感官评分的影响Fig.4 Effects of baking temperature on the sensory quality of cookie

温度在180℃～210℃的范围内对曲奇饼干感官品质无显著影响（P>0.05），但温度超过210℃后品质显著下降（P<0.05）。烘烤温度220℃时，饼干花纹及饼体边缘出现焦状，且特有的曲奇风味变弱。考虑到烘烤温度与时间潜在的交互作用，选择温度范围为180℃～200℃。

2.2响应面试验结果

2.2.1回归模型检验

响应面试验安排及结果如表3所示。

表3试验设计及结果Table 3 Experimental design and results

以IDF添加量X1、黄油添加量X2、烘烤时间X3、烘烤温度X4为试验因素，建立以感官评价总评分值Y1为考察指标的回归模型：

回归模型各项P值及其决定系数如表4所示。

感官评分Y1、Y2、Y3、Y5、Y6的回归模型达极显著水平（P<0.01），气味Y4的回归模型显著（P<0.05），而组织Y7的回归模型不显著（P>0.05）。各因素对总评和形态的影响为IDF添加量>烘烤温度>黄油添加量>烘烤时间；对色泽和气味的影响为：IDF添加量>烘烤温度>烘烤时间>黄油添加量；对滋味的影响为：IDF添加量>黄油添加量>烘烤温度>烘烤时间；对口感的影响为：IDF添加量>黄油添加量>烘烤时间>烘烤温度。逐项显著性检验结果显示，一次项仅对气味和组织无显著影响（P>0.05），平方项对气味、口感和组织无显著影响（P>0.05），而交互项对形态、气味和组织无显著影响（P>0.05）。

2.2.2双因素交互作用分析

各因素对莲房IDF曲奇饼干感官品质的影响见表4和图5。

表4回归模型各项P值及其决定系数Table 4 P values and determination coefficients of the regression models

图5各因素对曲奇饼干感官指标的交互影响Fig.5 Interactions of factors on the sensory index of cookie

交互项X1X2仅显著影响饼干的形态（P<0.05），将其他因素固定在零水平：当IDF添加量处于-1水平时，黄油添加量对形态影响不明显；当IDF添加量处于1水平时，形态品质随黄油添加量增加而增强；黄油添加量在任一试验水平下，过高或过低的IDF添加量都无法获得最佳的形态品质。交互项X1X4仅对曲奇饼干感官总评分值和滋味有显著影响（P<0.05），且影响趋势基本一致，将其他因素固定在零水平：当IDF添加量处于-1水平时，总评和滋味品质随烘烤温度增大而增强；当IDF添加量处于1水平时，总评和滋味品质随烘烤温度增大而减弱；当烘烤温度处于-1水平时，IDF添加量对总评和滋味品质的影响不明显；但烘烤温度处于高水平时，总评和滋味品质随IDF添加量增加而急剧减弱。交互项X3X4对除形态外的各感官品质均有显著影响（P<0.05），且总体趋势基本一致，将其他因素固定在零水平：当烘烤时间处于低水平时，各品质随烘烤温度增大而增强；当烘烤时间处于高水平时，各品质随烘烤温度增大而减弱，反之亦然。

2.2.3最佳工艺条件优化

采用RSREG Procedure分析回归模型得到一个极值点（Y1=86.08），该点各因子的编码值为：X1=-1.247 1、X2=-0.830 8、X3=-0.868 8、X4=1.325 1。为便于实际应用，调整得到第一套工艺参数为IDF添加量3.5 %、黄油添加量52 %、烘烤时间10 min、烘烤温度203℃。

感官评价指标较多，且这些指标之间的Pearsom相关系数较高（数据未呈现），若都用于品质评价可能造成严重的共线性问题，且增加分析过程的工作量[14]。为此，对响应面试验中的各感官评价指标进行主成分分析，结果见表5。

第一主成分的方差贡献率为70.201 %，涵括原始指标的大部分信息，能反映样品的整体信息[18]。根据成分矩阵建立曲奇饼干的综合评价模型：Z= 0.789Y2+ 0.943Y3+0.906Y4+0.952Y5+0.796Y6+0.591Y7。

表5各主成分的特征值及其贡献率Table 5 The characteristic values and contribution rates of the principal components

将表3中试验结果代入上述模型中，建立以综合评分Z为指标的回归模型达极显著水平（P<0.001），相比Y1回归模型的决定系数R2值更高。进一步分析回归模型极值点（Z=66.10）的各因子编码值为X1=-1.119 5、X2=-0.015 1、X3=-0.369 7、X4=0.586 9，经调整后得到第二套工艺参数为IDF添加量3.8 %、黄油添加量60 %、烘烤时间11 min、烘烤温度196℃。

分别采用以上两套优化的工艺参数制备莲房IDF曲奇饼干，验证试验结果与回归模型预测结果的基本吻合。两套最优参数下的曲奇饼干品质比较由图6可见。

图6两套最优参数下的曲奇饼干品质比较Fig.6 Comparison in sensory qualities between cookies prepared by two optimized technologies

其形态、口感和组织评分无显著差异（P>0.05），但第二套参数具有较高的色泽、气味和滋味评分（P< 0.05），说明主成分提取分析对建立产品感官评分指标有重要指导意义。

2.3感官及物性指标的相关性分析

关于饼干的质地评价主要依靠感官方法，评价结果存在一定的模糊性和主观性。饼干的质构特性是影响其感官品质的重要因素，同时也对其加工、品质检验、包装、运输和储存有重要指导意义[19]。采用三点弯曲测试对曲奇饼干的质构特性（硬度、脆性和酥性）进行测定（表3），进一步分析质构与感官的相关性如表6所示。

表6感官及物性指标之间的Pearson相关系数Table 6 The Pearson correlation coefficients between sensory and textural indexes

口感、组织、感官总评和综合评分两两之间存在极显著的正相关性（P<0.01）。感官总评和综合评分分别与脆性及酥性呈现显著的负相关性（P<0.05），说明曲奇饼干的酥脆性越高，其品质可能越低，与关裕亮等的研究结果吻合[19]。同时也说明，曲奇饼干的酥性和脆性可用于其品质优劣的表征。此外，酥性与脆性和硬度之间存在极显著的正相关性（P<0.01），而三者在感官总评80分及综合评分60以上的数值并非成正态分布，其原因可能与品质评分的人为偏差及裱花袋挤压成型的非均一性有关。莲房膳食纤维曲奇评价标准的仪器量化还有待进一步研究。

3　结论

通过单因素试验考察了莲房IDF添加量、黄油添加量、烘烤温度和时间对曲奇饼干品质的影响，采用响应面法和主成分分析法优化其制备工艺，并依靠验证试验确定优化的莲房膳食纤维曲奇饼干工艺参数为：IDF添加量3.8 %、黄油添加量60 %、烘烤时间11 min、烘烤温度196℃。基于主成分分析方法建立的膳食纤维曲奇饼干感官评价模型，相比传统的各指标项累计，不但能减少分析工作量，而且能获得较好的工艺条件。此外，曲奇饼干的酥性和脆性与其感官品质存在显著的相关性，预示物性分析方法在饼干品质评价上的可行性。本文建立了莲房IDF曲奇饼干的制作工艺，明确了其品质评价指标及方法，可为莲房深加工提供参考。

参考文献：

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:化学工业出版社, 2010:257

[2]汪志慧,孙智达,谢笔钧.莲房原花青素的稳定性及热降解动力学研究[J].食品科学, 2011, 32(7): 77-82

[3]孔利华,李咏梅,刘红,等.莲壳栽培木耳的试验研究[J].湖南农业科学, 2007(5): 82-83,86

[4]陈超群.莲房的化学成分研究[D].昆明:云南中医学院, 2013: 24-32

[5] Barros F, Alviola J N, Rooney L W. Comparison of quality of refined and whole wheat tortillas[J]. Journal of Cereal Science, 2010, 51(1): 50-56

[6] Brownlee I A. The physiological roles of dietary fiber[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 25(2): 238-250

[7] Yan H, Wang Z, Xiong J, et al. Development of the dietary fiber functional food and studies on its toxicological and physiologic properties[J]. Food and Chemical Toxicology, 2012, 50(9): 3367-3374

[8]英敏特信息咨询(上海)有限公司.健康和享乐并重的曲奇和甜味饼干市场[J].中国食品工业, 2008(11): 35-36

[9]中华人民共和国卫生部. GB/T 5009.88-2008食品中膳食纤维的测定[S].北京:中国标准出版社,2008:1-6

[10]张新富,王玉,杨绍兰,等.绿茶曲奇饼干的研制[J].食品工业科技, 2009, 30(5): 278-279, 282

[11]刘晶晶,蔡静,许喆娴,等.血糯米软曲奇的生产工艺及货架期测定[J].食品科学, 2013, 34(12): 71-75

[12] Dansby M A, Bovell-Benjamin A C. Sensory characterization of a ready-to-eat sweetpotato breakfast cereal by descriptive analysis[J]. Journal of Food Science, 2003, 68(2): 706-709

[13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 20980-2007饼干[S].北京:中国标准出版社, 2007:4-5

[14]姜松,胡慧群,赵杰文.三点弯曲法测定饼干在贮藏过程中的质地变化[J].中国粮油学报, 2009, 24(3): 25-30

[15] Saleem Q, Wildman R D, Huntley J M, et al. Material properties of semi-sweet biscuits for finite element modelelling of biscuit cracking[J]. Journal of Food Engineering, 2005, 68(1): 19-32

[16]刘宇,程建军.豆渣膳食纤维对酥性饼干特性的影响[J].食品工业科技, 2012, 33(4): 173-176

[17]张艳荣,张雅媛,王大为.玉米膳食纤维在饼干中应用的研究[J].食品科学, 2005, 26(8): 138-142

[18]何新益,汪姣,任小青,等.花色馒头的制备及质构特性主成分分析[J].中国粮油学报, 2011, 26(7): 108-112

[19]关裕亮,褚庆华,周志荣.曲奇饼干质量控制的研究[J].中国粮油学报, 1997, 12(4): 6-13

Development of Lotus Seed Pot Dietary Fiber Cookie by Response Surface Methodology and Principal Component Analysis

JIANG Yi-xuan，GONG Chao，HOU Li-li，XU Yan-yan，WANG Hong-xun，YI Yang*
（College of Food Science & Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，Hubei，China）

Abstract：The effects of lotus seed pot IDF addition，butter addition，baking temperature and time on the sensory qualities of cookies were investigated by single factor experiment. Then，their regression model was established. The total points of the organoleptic items and the synthetical points obtained by principal component analysis were respectively used as the index to optimize the technological parameters of cookies based on response surface methodology. The optimized parameters，which were finally confirmed by practical comparison in sensory quality，were as follows：IDF addition was 3.8 %，butter addition was 60 %，baking temperature was 196℃，and baking time was 11 min. The three-point bending test indicated that the correlation between sensory quality and brittlement was negatively significant（P <0.05）. This work provides the processing technology of cookies enriched with dietary fiber from lotus seed pot，and explores the evaluative index and method for cookie quality. It can be used as a reference for the development of lotus seed pot.

Key words：lotus seed pot；dietary fiber；cookies；response surface methodology；principal component analysis

收稿日期：2014-09-30

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.025

*通信作者：易阳（1986—），男（汉），讲师，博士，从事功能食品研究。

作者简介：蒋旖旋（1992—），女（汉），本科，从事农产品加工研究。

基金项目：湖北省科技支撑计划项目（YJNO136）