响应面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕工艺的研究

刘琳琳，孙冰玉，王丽超，吕铭守，张 光，陈凤莲，石彦国

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150076）

响应面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕工艺的研究

刘琳琳，孙冰玉，王丽超，吕铭守，张 光，陈凤莲，*石彦国

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150076）

近年来，无谷蛋白焙烤食品的研究引起越来越多的关注。由于在海绵蛋糕的制作过程中，不需要形成很强的面筋蛋白网络，且面筋蛋白是麸质过敏者的主要过敏源，因此考虑选用不含面筋蛋白的大米粉代替传统烘焙用小麦粉，并加入糯米粉改善米粉特性，从而提高米粉海绵蛋糕质构形成效果。试验以糯米粉添加量、水添加量和蛋糖搅打时间为自变量，以米粉糊密度、蛋糕弹性和体积指数为响应值，用响应面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕配方及工艺。结果表明，糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖搅打时间10 min时蛋糕的品质最佳。在此条件下，评价指标的预测值分别为米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕弹性0.90，蛋糕体积指数12.52 cm。

响应面法；无谷蛋白；海绵蛋糕；大米粉；糯米粉

随着饮食习惯的变化及医学诊断水平的提高，目前全世界每100个人中就有1个麸质过敏患者[1]，他们对含谷蛋白的麦粉食物异常敏感，其最有效的治疗方法是避免食用含谷蛋白饮食，如各种麦类[2]。无谷蛋白食品是为特殊营养用途而专门生产或加工，以满足特殊膳食需求的食品，因此研究和开发无谷蛋白食品具有重要的现实意义。

在海绵蛋糕的制作中，不需要形成很强的面筋网络结构，因此富含面筋蛋白的小麦粉并不是海绵蛋糕所必不可少的原料。有研究者尝试在海绵蛋糕中加入大麦、黑麦、小米、高粱或者黑小麦[3-5]等原料粉替换海绵蛋糕中的小麦粉，由于大米粉和小麦粉在面筋含量上的巨大差异，会导致大米海绵蛋糕内部结构松散、易碎，从而降低海绵蛋糕感官品质。为解决这一问题，有研究者在蛋糕中加入树胶或者同时加入树胶和酶[6-8]，用来改善米粉原有特性。

试验从原料天然性角度出发，考虑到糯米粉在改善米粉海绵蛋糕质构形成效果方面与树胶或酶有相似效果，因此以糯米粉为辅助原料，改善米粉海绵蛋糕品质上的不足。通过对米粉糊性质、海绵蛋糕品质（形态学和质构参数）的综合评价，优化无谷蛋白海绵蛋糕配方及工艺条件。目前，国内对无谷蛋白焙烤食品的研究较少，以糯米粉改善米粉海绵蛋糕性质尚无相关研究；对海绵蛋糕的相关研究多采用感官评价方法，试验采用米粉糊性质、海绵蛋糕形态学及质构参数指标，对海绵蛋糕品质进行可量化的综合评价。在试验设计中，响应面法可以建立连续变量曲面模型，对因素及其交互作用进行评价[9-10]，并可以在多个评价指标同时取得相对极值的情况下，得出自变量的最优值。因此，采用响应曲面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕的配方及生产工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

普通粳米粉（过80目筛）、糯米粉（过80目筛）、鲜鸡蛋、白砂糖、泡打粉，均为市售。

1.1.2 主要仪器设备

TA-XT2i型质构仪，北京微讯超技仪器技术公司产品；XYF-K型红菱系列高级食品烤炉，浙江柳市电子仪表厂产品；CS-B5A型打蛋器，广州市番禺区昌盛机电设备有限公司产品；电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司产品；游标卡尺，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 测定方法

（1）米粉糊密度的测定。用米粉糊质量除以一定质量米粉糊的体积，单位g/cm3。

（2）蛋糕弹性的测定。参照美国谷物化学家协会2000年的标准[7]并略有修改，使用TA-XT2i型质构分析仪，采用TPA 2次压缩模式对海绵蛋糕进行质构分析。测定条件如下：海绵蛋糕样品切成边长2.5 cm的立方体，探头P35，形变25%，测试前速度2.00 mm/sec，测试速度1.00 mm/sec，测试后速度2.00 mm/sec，2次压缩之间的时间间隔5 s，每个样品进行3次平行，取平均值。

（3）蛋糕体积指数的测定。参照美国谷物化学家协会的方法[12]。

1.2.2 试验设计

在对各因素预试验的基础上，通过响应面法确定海绵蛋糕中糯米粉添加量、水添加量和蛋糖搅打时间的最优水平，采用Box-Behnken试验设计方法。试验设计3个因素，每个因素3个水平，分别是糯米粉添加量（X1：5%，10%，15%），水添加量（X2：20%，25%，30%），蛋糖搅打时间（X3：10，15，20 min）；其他因素对试验结果影响不显著，固定为白砂糖添加量100%，鸡蛋添加量130%，泡打粉添加量2.5%；选择米粉糊密度、蛋糕弹性和体积指数作为响应值。

响应曲面试验设计见表1。

1.2.3 工艺流程

1.2.4 数据处理

利用Design Expert.V 8.0.6软件对试验结果进行处理，通过对响应曲面及等高线的分析获得最优工艺参数，采用多元二次回归方程拟合响应值与因素之间函数关系。多元二次回归方程模型如下：

在回归方程中，Xi是自变量（X1是糯米粉添加量，X2是水添加量，X3是蛋糖搅打时间），bi是模型参数，Ys是响应值（分别代表米粉糊密度、蛋糕弹性、体积指数）。利用回归方程模型和相应的等高线图，确定各试验因素的最优值，在此基础上优化试验条件并预测最佳响应值。所有样品均进行3次平行，采用方差分析（ANOVA）进行方程和系数显著性检验，以p＜0.05为显著（*）。

2 结果与讨论

无谷蛋白米粉海绵蛋糕回归方程见表2。

为了使模型具有较好的拟合性，R2应大于0.80[13]。由表2可知，回归方程的R2均大于0.90，方程高度拟合。失拟项是用来评估方程可靠性的一个重要数据，如果显著表明方程模拟的不好，不显著表明方程模拟较好。p值大小表明模型及各个考查因素的显著性水平。

米粉糊密度是决定海绵蛋糕品质的一个重要物理特性，它代表了搅拌过程中混入面糊中气泡的保存率。米粉糊在搅拌过程中不断地充入空气，充入的空气越多，米粉糊质量越轻，同等质量面糊烤出的海绵蛋糕体积越大，因此米粉糊密度是影响焙烤后海绵蛋糕体积大小的重要因素[14]。目前对米粉糊密度影响因素的研究较少，主要集中在蛋糕品质改良剂、添加剂及糖醇对米粉糊密度的影响，如海藻酸钠、黄原胶、梭甲基纤维素、单甘酯、麦芽糖醇等[5-16]。关于糯米粉对米粉糊密度的影响尚未有相关研究。

糯米粉及水添加量对米粉糊密度的影响见图1，水添加量及蛋糖搅打时间对米粉糊密度的影响见图2。

表2 无谷蛋白米粉海绵蛋糕回归方程

图1 糯米粉及水添加量对米粉糊密度的影响

图2 水添加量及蛋糖搅打时间对米粉糊密度的影响

由表2、图1及图2可知，糯米粉添加量对米粉糊密度有显著影响（p＜0.001），即糯米粉的添加会降低米粉糊中气体的充入量；水添加比例在20%～30%时，对米粉糊密度影响不显著（p＞0.05）；蛋糖搅打时间在10～20 min时，对米粉糊密度有较显著影响（p＜0.05）。

糯米粉及水添加量对蛋糕弹性的影响见图3，水添加量及蛋糖搅打时间对蛋糕弹性的影响见图4。

图3 糯米粉及水添加量对蛋糕弹性的影响

图4 水添加量及蛋糖搅打时间对蛋糕弹性的影响

由表2、图3及图4可知，糯米粉添加量对海绵蛋糕弹性影响显著（p＜0.001），水添加量和蛋糖搅打时间对海绵蛋糕弹性影响不显著（p＞0.05）。Martínez-Cervera S等人[17-18]研究认为，蛋糕弹性与蛋糕内部气孔数量有显著的正相关性，即蛋糕内部气孔数量少会使蛋糕弹性降低。结合图1，糯米粉添加量与米粉糊密度呈正相关，即糯米粉增加，米粉糊密度增大，蛋糕内部气泡减少，因此可以推论糯米粉增加会使蛋糕弹性降低。刘小翠等人[19]在研究稻米直链淀粉含量与淀粉凝胶弹性关系时认为，随着直链淀粉含量增大，淀粉分子的刚性增强、内聚力减小，会使淀粉凝胶弹性增大，即直链淀粉含量与淀粉凝胶弹性呈正相关。图3中，随着糯米粉添加量增加，蛋糕弹性降低。糯米粉中直链淀粉含量几乎为零，增加糯米粉添加量会使蛋糕中直链淀粉含量降低，从而使蛋糕弹性降低，这与刘小翠等人的研究结论一致。

糯米粉及水添加量对蛋糕体积指数的影响见图5，水添加量及蛋糖搅打时间对蛋糕体积指数的影响见图6。

图5 糯米粉及水添加量对蛋糕体积指数的影响

由表2、图5及图6可知，糯米粉及水添加量、蛋糖搅打时间对海绵蛋糕体积指数均有显著影响。由图5可见，随着糯米粉添加量的增大，蛋糕体积指数减小。通过比较糯米粉和粳米粉的糊化特性曲线可知，糯米粉的起始糊化温度较低，并且达到峰值黏度迅速，因此可以推断出，糯米粉糊化后使米粉糊黏性增加，抑制了蛋糕内部气体膨胀，从而使蛋糕体积指数降低。这一结论与Sahi S S等人[20]的研究结果一致，他们认为虽然高黏度的面糊有利于气体保持，但也会抑制面糊中气体膨胀，从而使蛋糕体积较小。水添加量与蛋糕体积指数呈正相关，随着水添加量的增加，蛋糕体积指数逐渐增大。由图6可知，蛋糖搅打时间为11 min时，蛋糕体积指数取得最大值；蛋糖搅打时间低于11 min时，蛋糖搅打时间与蛋糕体积指数呈正相关；蛋糕搅打时间高于11 min时，蛋糕体积指数逐渐减小。由表2蛋糕体积指数回归方程可知，蛋糖搅打时间与糯米粉添加量、水添加量之间有显著的交互作用。豆康宁等人[21]研究认为，蛋糖液在搅打过程中由融化期到干性发泡期，蛋糖液体积逐渐增大，干性发泡期后再继续搅打，到干泡沫期，鸡蛋液有所塌陷，蛋糖液体积有所减小，从而使蛋糕体积减小。另一方面，蛋糖液搅打初期泡沫由大而粗糙的形式逐渐变得小而细腻，在此过程中蛋糕体积指数不断变大。另外，米粉糊在搅打初期形成的气泡较大，在焙烤过程中大气泡快速合并，气泡数减少，从而蛋糕体积指数较小。

利用Design Expert.V 8.0.6软件处理试验数据确定糯米粉添加量、水添加量及蛋糖搅打时间，最佳点的确定是在最小米粉糊密度、最大蛋糕弹性、最大蛋糕体积指数的条件下，最优值分别为糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖搅打时间10 min。在此条件下，响应值的预测值分别是米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕弹性0.90，体积指数12.52 cm。在最优配方及工艺的条件下，验证试验结论为米粉糊密度0.56 g/mL，蛋糕弹性0.91，蛋糕体积指数12.52 cm。试验结果较稳定，有较好的重现性，证实响应曲面优化试验配方及工艺结果可靠。

图6 水添加量及蛋糖搅打时间对蛋糕体积指数的影响

3 结论

通过响应面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕技术条件，试验发现糯米粉添加量、水添加量和蛋糖搅打时间都会显著影响蛋糕体积指数。其中，糯米粉添加量与米粉糊密度呈正相关，与蛋糕弹性和体积指数呈负相关；水添加量与蛋糕体积指数呈正相关，对米粉糊密度、蛋糕弹性影响不显著；蛋糖搅打时间与米粉糊密度、蛋糕体积指数呈正相关，对蛋糕弹性影响不显著。响应曲面优化试验获得的最佳工艺条件是糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖搅打时间10 min；此时各响应值的预测值分别是米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕弹性0.90，蛋糕体积指数12.52 cm。结果表明，响应曲面法优化无谷蛋白米粉海绵蛋糕配方及工艺结果稳定可靠，可以为无谷蛋白米粉海绵蛋糕的研究和生产提供参考。

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Optimization of Sponge Cakes of Gluten-free of Rice Flour by Response Surface Methodology

LIU Linlin，SUN Bingyu，WANG Lichao，LV Mingshou，ZHANG Guang，CHEN Fenglian，*SHI Yan'guo
（College of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China）

The impact of gluten-free bakery products has caused more and more attention.In making sponge cake，gluten network formation is not essential and it is the major cause of allergies for the gluten sensitivity，therefore gluten-free of rice flour can be used instead of wheat flour.A certain amount of glutinous rice flour is used to improve properties of rice flour and the effect of sponge cake texture forming.Response surface methodology is used to optimize the formulation of gluten-free rice sponge cakes.The independent variables are glutinous rice flour content，water content and eggs-sugar string time.The quality factors evaluated are paste density，springing of the crumb and volume index.The optimal result is 5%glutinous rice flour，22.03%water and eggs-sugar string time for 10 minutes.Under these conditions，the cake paste density is 0.58 g/mL，springing of the crumb is 0.90 and volume index is 12.52 cm.

response surface methodology；gluten-free；sponge cake；rice flour；glutinous rice flour

TS213.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.034

1671-9646（2017）05b-0021-04

2017-04-15

2014年黑龙江省应用技术研究与开发计划课题“稻米食品加工关键技术研究”（GA14B201）。

刘琳琳（1986—），女，在读博士，研究方向为大豆、谷物化学与加工机理。

*通讯作者：石彦国（1960—），男，硕士，教授，研究方向为谷物与大豆化学及加工原理。