响应面优化高纤馅料基础制备工艺

王家良,邓源喜,张冬青

(1.蚌埠学院食品与生物工程学院,安徽蚌埠 233010;2.蚌埠市产品质量监督检测中心,安徽蚌埠 233010)



响应面优化高纤馅料基础制备工艺

王家良1,邓源喜1,张冬青2

(1.蚌埠学院食品与生物工程学院,安徽蚌埠 233010;2.蚌埠市产品质量监督检测中心,安徽蚌埠 233010)

为了制备富含膳食纤维的高纤馅料,提高小麦麸皮的应用范围,本文以小麦麸皮为基料,采用食用胶复配的方法制备高纤馅料,并采用响应面法优化高纤馅料的基础制备工艺条件。分析小麦麸皮微粉、凝胶剂、羧甲基纤维素钠用量的变化对产品凝胶性、持水性、涂抹性的影响规律。结果表明:小麦麸皮与淀粉按3∶1复配,加入20%～25%的水,挤压膨化处理后粉碎,微粉的颗粒度为120～140目,凝胶剂为卡拉胶∶氯化钾=3∶2复配而成,1.4 g羧甲基纤维素钠与0.75 g凝胶剂边搅拌边加入100 mL水中,待分散后加热使其溶解,在溶液中边搅拌边加入38 g的小麦麸皮微粉,加热浓缩至水分含量为40%。在此条件下进行加工的高纤馅料,剪切力为1185 g/cm2,持水性为98.52%,易于涂抹、涂层厚度适宜、均匀,综合分值为94.67。

小麦麸皮,馅料,凝胶剂,羧甲基纤维素钠,加工工艺

小麦麸皮富含对人体有益的膳食纤维,据资料[1],其膳食纤维含量达40%左右,现大部分产出的麸皮用作饲料或培养辅料[2],其优质的膳食纤维没有得到合理使用。现有的关于小麦麸皮研究主要侧重于小麦麸皮中膳食纤维的提取、纯化、脱色及改性[3-5]。亦有部分研究将小麦麸皮处理后加工为高纤挂面、全麦面包等产品[6-7],而将小麦麸皮应用于馅料加工基本属于空白。馅料广泛应用于各种糕点作为芯料使用,正常馅料的生产是采用果蔬类制品或豆沙等含有果胶或蛋白等凝胶类成分的物质经高温熬煮制备[8-9]。由于所用的基础原料小麦麸皮膨化粉中不含果胶及蛋白等凝胶类成分,加工出的馅料无馅料的特性。因此,本研究利用不同食用胶的组合来满足其要求。由于不同食用胶的特性不同,在馅料中所起的作用亦不同。本研究筛选出卡拉胶、氯化钾、CMC复配以达这一目标。为了进一步提高小麦麸皮的应用范围,本研究以小麦麸皮为基料,采用卡拉胶与氯化钾复配达到馅料所需的凝胶性[10-11],其持水性与涂抹性以羧甲基纤维素钠与小麦麸皮的协同作用来满足,研究富含膳食纤维、口感细腻、嫩滑,形态饱满的馅料的基本制备工艺,以期为实际生产提供参考依据。

表2 高纤馅料综合评价Table 2 Comprehensive judgement of stuffing

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦麸皮 安徽雁湖面粉有限公司;卡拉胶 海南舒普生物科技股份有限公司;羧甲基纤维素钠(CMC),氯化钾 食品级。

电子分析天平FA1004、水分测定仪ZKF-1 上海精密仪器仪表有限公司;实验室挤压膨化机SLG70型 济南大彤机械设备有限公司;实验室专用超微粉碎机YQ50-1 上海赛山粉体机械制造有限公司;质构仪TA-X12 英国CNS Franell公司;数显水浴锅W-201B、台式高速离心机 江苏省金坛市医疗仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 小麦麸皮预处理 由于小麦麸皮的颗粒度大,如果直接以小麦麸皮为基料加工成馅料,会造成馅料口感粗糙、不滑润等缺点,本研究采用膨化后再微粉化的方式将小麦麸皮处理为麸皮微粉,经膨化处理后,还可以提高小麦麸皮中水溶性膳食纤维的比例,增加其营养均衡性。考虑膨化处理时,物料中淀粉及水分需达到一定比例,经前期实验,将小麦麸皮与淀粉按3∶1复配,在小麦麸皮与淀粉的混合物中加入混合物重量20%～25%的水,混合均匀。控制螺杆转速为170 r/min,挤压膨化温度为160 ℃对其混合物进行膨化处理,所得的小麦麸皮与淀粉膨化物置于粉碎机粉碎,粉碎后过筛,控制目数在120～140目,制得小麦麸皮膨化粉[12]。

1.2.2 凝胶剂的制备 卡拉胶在低浓度下为流体,钾离子可以在卡拉胶的的螺旋结构中搭桥,形成大分子的网状结构而生成热可逆凝胶,脆度较大,主要起馅料的胶凝作用。本研究拟以两者复配以达到馅料所需的凝胶性。以卡拉胶与氯化钾总浓度为1%为基础,改变两者配比,测定其凝胶强度,实验设计见表1。

1.2.3 高纤馅料水分的测定 参照GB5009.3-2010 食品安全国家标准 食品中水分的测定,第四法 卡尔·费休法。

表1 卡拉胶、氯化钾配比设计Table 1 Compound of carrageenin and potassium chloride design

1.2.4 高纤馅料的凝胶性评价 使用质构仪,选择柱形探头(Column form Probe150)对每种样品分别进行剪切力测定。测定条件设置如下:探头测量模式为阻力测试(Measure Force in Compression);探头下行速度为2.0 mm/s,探头返回速度为2.0 mm/s,下行距离为10 mm,样品厚度为12 mm,每次测定次数为10次,取平均值。

1.2.5 高纤馅料涂抹性评价 馅料的涂抹性难以采用仪器进行定量测定其指标,本研究参照果酱等馅料的涂抹方式,利用手工涂抹,按正常在面包等制品上涂抹果酱的方式进行涂抹,观察其涂抹难易程度及涂层的情况进行打分来完成。

1.2.6 高纤馅料的持水性评价 准确称取离心管重量W0,将高纤馅料置于离心管2/3高度,称量W1,将离心管放入离心机中,在3000 r/min转速下离心10 min,取出,除去上层液体,称量W2,每份样品重复3次。

1.2.7 高纤馅料综合性评价 对馅料而言,其质量好坏由单一指标难以进行评价,本研究参照文献[13],综合凝胶性、持水性及涂抹性三方面对其进行评价,评价标准见表2。

1.2.8 单因素实验设计 将小麦麸皮与淀粉按一定比例复配,加入一定量水,置于膨化机上,控制参数进行膨化处理,膨化后粉碎过筛。取一定体积的冷水,边搅拌边加入凝胶剂和CMC的混合物,待分散后加热使其溶解。然后将胶体溶液冷却至室温,然后在溶液中边搅拌边加入小麦麸皮微粉,搅拌加热浓缩至水分含量为40%。以加工馅料使用100 mL水为基料,分别以小麦麸皮微粉用量(25、30、35、40、45、50 g)、凝胶剂用量(0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 g)、CMC用量(0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g)为影响因素,分析不同的加工条件对高纤馅料凝胶性、持水性及涂抹性的影响。在此基础上,采用Disign Expert8.0.6软件,根据Box-Behnken的实验设计原理,以综合分值为响应值,设计3因素3水平响应面实验。

表4 凝胶剂配比实验结果Table 4 Results of compound of carrageenin and potassium chloride design

注:实验号1～9对应于表1的实验设计。

表5 不同小麦麸皮微粉用量对产品的综合分值影响Table 5 Effects of dosage of wheat bran powder on comprehensive evaluation of product

1.2.9 响应面实验设计 根据BBD原理设计实验,在单因素实验的基础上,采用三因素三水平的响应面分析方法进一步实验。选择小麦麸皮微粉用量、凝胶剂用量及CMC用量3个因素为自变量,以高纤馅料的综合评价为响应值,确定这3个自变量对高纤馅料的综合评价的影响,以及最佳工艺条件组合。实验因素与水平设计见表3。

表3 Box-Behnken实验设计因素与水平Table 3 Three factors and their coded levels used in Box-Behnken design

1.3 数据统计分析

采用Design-Expert 8.0.6 Trial软件进行响应面实验及数据分析，结合Excel作图。

2 结果与讨论

2.1 凝胶剂的确定

由表4可知,随着卡拉胶与氯化钾配比的上升,凝胶强度逐渐增加,当卡拉胶∶氯化钾=3∶2时,凝胶强度达到最大值,随之凝胶强度又下降,本研究以卡拉胶∶氯化钾=3∶2复配作为凝胶剂。

2.2 单因素实验结果

2.2.1 小麦麸皮微粉用量 小麦麸皮微粉中含有较多的膳食纤维,另具有一定的吸水膨胀性,小麦麸皮加入量对高纤馅料的影响结果如表5。

由表5可知,随着小麦麸皮微粉用量的增大,馅料的凝胶强度逐渐降低,持水性逐渐增加,主要由于麸皮微粉进入卡拉胶与氯化钾形成了大分子凝胶网状结构,麸皮中含有的多糖可能与卡拉胶分子中的硫酸基及羰基作用,替代了部分K+离子的搭桥,导致馅料的凝胶强度降低。同时,由于麸皮微粉富含膳食纤维,而膳食纤维具有较强的吸附水的能力[14-15],因此,持水性与膳食纤维的量呈正比关系。对于涂抹性,麸皮微粉用量越大,越易于涂抹,但过多的膳食纤维会导致涂层较厚并且使涂层的均匀性下降,综合考虑,适宜的小麦麸皮微粉用量为35～45 g。

2.2.2 凝胶剂用量 凝胶剂的使用直接影响到高纤馅料的质构,凝胶剂用量对高纤馅料的影响结果如表6。

由表6可知,随着凝胶剂用量的增大,馅料的凝胶强度逐渐增加,综合分值亦随之增加,由于凝胶剂中含有卡拉胶,卡拉胶为多糖,亦具有一定的持水能力,持水性也逐渐增加,当凝胶剂达到0.7 g以上时,持水性变化不大,可能由于凝胶剂中含有氯化钾,氯化钾量的增加会造成馅料的盐析,卡拉胶持水与氯化钾的盐析对馅料的持水性基本达到一个平衡。当凝胶剂加入量过高,形成的馅料的凝胶强度过大,涂抹困难及涂抹时涂层不均匀,馅料过硬及涂抹性下降均会导致综合分值下降,综合考虑,适宜的凝胶剂用量为0.6～0.8 g。

2.2.3 CMC用量 CMC主要影响馅料的涂抹性及持水性,与卡拉胶也会产生协同作用,CMC用量对高纤馅料的影响结果如表7。

表6 不同凝胶剂用量对产品的综合评价的影响Table 6 Effects of dosage of gels on comprehensive evaluation of product

表7 不同CMC用量对产品的综合评价的影响Table 7 Effects of dosage of CMC on comprehensive evaluation of product

由表7可知,随着CMC用量的增大,馅料的凝胶强度逐渐下降,原因可能为,卡拉胶与氯化钾形成的凝胶为双螺旋连续链进行结合而形成的大分子网状胶体结构。CMC溶于水后,其分子结构为葡萄糖组成的纤维二糖,其羟基被羧甲基醚化,为阴离子纤维素醚。形成的大分子链状物与K+与卡拉胶形成的凝胶产生一定的拮抗作用,导致凝胶强度逐渐下降。而CMC优良的持水性能使馅料的持水性持续上升,当CMC用量达到1.4 g时,馅料基本不失水。随着CMC用量的增加,涂抹性及涂层质地逐渐改善,但过多的CMC会造成凝胶强度下降及馅料涂层过厚导致综合分值下降,适宜的CMC用量为1.0～1.4 g。

2.3 响应面实验

2.3.1 响应面实验结果 影响高纤馅料质量的指标主要为其凝胶性、持水性及涂抹性,其主要受小麦麸皮微粉、凝胶剂及CMC用量的协同影响,根据单因素实验结果,采用响应曲面(RSM)中的Box-Behnken Design(BBD)实验设计方案,选择高纤馅料加工中的小麦麸皮微粉用量、凝胶剂用量及CMC用量为响应因子,以综合分值为响应值,建立响应面曲面模型,设计了3因素3水平共17个实验点的响应面实验,优化高纤馅料加工配方。实验方案及结果见表8。

表8 响应面优化高纤馅料实验结果 表8 Results for high dietary fiber stuffing response surface analysis

表10 回归方程的可信度分析Table 10 Analysis of reliability of the regression equation

由表8可知,实验共进行17次,将实验数据采用Design Expert8.0.6软件对数据进行分析,得到以综合分值(Y)为目标函数的二次回归模型为:Y=92.40-1.75A+4.25B+1.25C+3.75AB-4.75AC+1.25BC-4.83A2-3.83B2-1.82C2。

2.3.2 响应面模型的显著性检验 为了检验方程的有效性,对回归方程分别进行方差分析,结果见表9。

表9 综合分值的回归方程方差分析Table 9 Analysis of variance(ANOVA)of the linear regression equation of sensory scores

注:“p>F”值<0.05表示差异显著,标注为*;“p>F”值<0.01表示差异极显著,标注为**。

2.3.3 响应面分析及条件优化

2.3.3.1 小麦麸皮微粉加入量和凝胶剂用量对高纤馅料综合分值的影响 由图1可知,当CMC用量处在中心点时,小麦麸皮微粉用量在35～45 g范围内,随着凝胶剂用量的增加,综合分值先逐渐升高,达到最大值后再逐渐下降。同样当凝胶剂用量在0.6～0.8 g范围内,综合分值先缓慢升高,达到最大值后再显著下降,所以小麦麸皮微粉加入量和凝胶剂用量对高纤馅料综合分值存在极显著的交叉作用。

图1 小麦麸皮微粉加入量和凝胶剂用量交互作用 对综合分值影响的响应面Fig.1 Response surface plots for the effects of wheat bran powder amount and gels amount on the comprehensive evaluation

2.3.3.2 小麦麸皮微粉加入量和CMC用量对高纤馅料综合分值的影响 由图2可知,当凝胶剂用量处在中心点时,小麦麸皮微粉用量在35～45 g范围内,随着CMC用量的增加,综合分值先显著升高,当用量达到1.3 g后,上升比较平缓。同样当CMC用量在1.0～1.4 g范围内,综合分值先显著升高,达到最大值后再缓慢下降,所以小麦麸皮微粉加入量和CMC用量对高纤馅料综合分值存在极显著的交叉作用。

图2 小麦麸皮微粉加入量和CMC用量交互作用 对综合分值影响的响应面Fig.2 Response surface plots for the effects of wheat bran powder amount and CMC amount on the comprehensive evaluation

2.3.3.3 凝胶剂加入量和CMC用量对高纤馅料综合分值的影响 由图3可知,当小麦麸皮微粉用量处在中心点时,凝胶剂用量在0.6～0.8 g范围内,随着CMC用量的增加,综合分值先缓慢升高,达到最大值后再缓慢下降。同样当CMC用量在1.0～1.4 g范围内,随着凝胶剂用量的增加,综合分值先逐渐升高,达到最大值后再缓慢下降,所以凝胶剂加入量和CMC用量对高纤馅料综合分值存在显著的交叉作用。

图3 凝胶剂加入量和CMC用量交互作用 对综合分值影响的响应面Fig.3 Response surface plots for the effects of gels amount and CMC amount on the comprehensive evaluation

2.3.4 验证实验 采用Design Expert8.0.6软件求解方程,得出最优的高纤馅料加工条件为:准确称取1.4 g CMC与0.75 g凝胶剂,边搅拌边加入100 mL水中,待分散后加热使其溶解。然后在溶液中边搅拌边加入37.5 g的小麦麸皮微粉,搅拌加热浓缩至水分含量为40%,此时的高纤馅料综合分值为94.72。考虑到实际操作的可行性,将此加工条件修正为小麦麸皮微粉使用量为38 g,凝胶剂用量为0.75 g,CMC用量为1.4 g,为了验证此加工条件的可靠性,采用修正后的条件进行三次平行验证实验,验证实验剪切力平均为1185 g/cm2,持水性平均为98.52%,易于涂抹、涂层厚度适宜、均匀,综合分值的平均值为94.67,与理论预测值基本相同。因此,在单因素实验基础上,通过响应面分析将影响高纤馅料的综合分值的因素进行优化,其综合分值高于单因素实验的综合分值,说明该实验优化的结果可靠。

3 结论

经本次研究,可以得出以下结论:

以小麦麸皮为基料,加工高纤馅料是可行的,小麦麸皮在加工高纤馅料前,需与淀粉混合后进行膨化处理,膨化后需经超微粉碎机粉碎,控制目数为120～140目用于加工高纤馅料;

以卡拉胶∶氯化钾=3∶2复配为凝胶剂,以加工馅料使用100 mL水为基准,凝胶剂使用量为0.75 g,羧甲基纤维素钠使用量为1.40 g,小麦麸皮膨化微粉使用量为38 g，得到的高纤馅料的水分含量为40%,口感细腻、嫩滑,形态饱满,馅料的剪切力为1185 g/cm2,持水性为98.52%,易于涂抹、涂层厚度适宜、均匀,综合分值为94.67。

[1]张梅红,钟葵,刘丽娅,等. 小麦麸皮营养与质量安全品质

分析[J].麦类作物学报,2012,32(6):1090-1095.

[2]闫华娟,刘金福,王晓闻,等.小麦麸皮酶解液对低盐固态发酵酱油品质的影响[J].食品与发酵工业,2014,40(9):85-88.

[3]黄纪念,孙强,王长虹,等.羧甲基化法制备高持水力麦麸膳食纤维研究[J].中国粮油学报,2012,27(6):94-100.

[4]贺永惠,王清华,黄会丽,等. 蒸汽爆破提高小麦麸皮中水溶性戊聚糖含量及热重分析[J].农业工程学报,2015,31(13):286-289.

[5]陈季旺,刘英,孙勤,等. 燕麦麸膳食纤维脱色工艺及对产品特性的影响[J].农业工程学报,2008,24(11):247-250.

[6]田晓红,刘艳香,汪丽萍,等.麸皮粗细度对全麦粉挂面品质的影响[J].粮油食品科技,2015,23(5):7-10.

[7]齐琳娟,李为喜,董晓丽,等. 小麦麸皮和大豆粉对面包营养成分及风味的影响[J].中国粮油学报,2013,28(1):19-20.

[8]耿欣,仇宏伟.影响蓝莓果馅品质的因素[J]. 食品研究与开发,2013,32(10):93-96.

[9]李一卓,李光磊,尚京.榴莲酥馅心制作工艺研究[J].食品研究与开发,2014,35(22):57-59.

[10]陈从贵,姜绍通,张慧昱,等.高静压与K-卡拉胶对低脂猪肉凝胶保水和质构的影响[J].农业工程学报,2007,23(10):35-40.

[11]张萍,李晓东,霍贵成.涂抹型再制干酪配料的选择及其对质地的影响[J].东北农业大学学报,2007,38(2):190-195.

[12]赵妍嫣,徐苗均,姜绍通,等.小麦麸皮膳食纤维挤压加工工艺研究[J].包装与食品机械,2012,30(1):1-4.

[13]王家良,张家训,陈龙.低糖石榴酱制作工艺探讨[J].食品与发酵工业,2009,35(3):100-104.

[14]刘倍毓,郑红艳,钟耕,等.小米麸皮膳食纤维成分及物化特性测定[J].中国粮油学报,2011,26(10):30-34.

[15]王晓曦,范玲,马森,等.麦麸酚基木聚糖对发酵面团特性和馒头品质的影响[J].农业工程学报,2015,31(17):302-307.

Response surface optimization ofthe basics preparation of high dietary fiber stuffing

WANG Jia-liang1,DENG Yuan-xi1,ZHANG Dong-qing2

(1.School of Food and Biological Engineering,Bengbu College,Bengbu 233010,China;2.Bengbu Center of Product Quality Supervision and Inspection,Bengbu 233010,China)

In this paper,wheat bran was used as raw material. Based on the previous and single factor experiments,the amount of wheat bran powder,the dosage of gel,the amount of CMC were used as the independent variable and the sensory comprehensive score were selected as the response value. According to the response Box-Benhnken test,the prediction principle of quadratic polynomial regression equation was simulated by the analysis of three factors and three levels,and the preparation process of high fiber filling material was optimized. The results showed that the model was of great difference,and the established regression equation for sensory score of high dietary fiber had an excellent goodness of fit. Therefore high dietary fiber could be analyzed and predicted by the model. Factors influencing sensory score of high dietary fiber were in the order as follows:gel dosage>amount of wheat bran powder>CMC dosage. The response surface plots showed that the interaction between amount of wheat bran powder and dosage of gel was extremely significant and those between amount of wheat bran powder and CMC dosage was also extremely significant,while the interaction between dosage of gel and CMC dosage was significant. The optimum technological conditions were wheat bran powder dosage of 38 g(wheat bran∶starch=3∶1,120～140 mesh of size),gel dosage of 0.75 g,CMC dosage of 1.4 g. Under these conditions,the product was evenly coated,the coating thickness was suitable,the shear stress was 1185 g/cm2,the water holding capacity was up to 98.52%,and the sensory score was as high as 94.67,which was highly consistent with the predictive value. The conclusion was drawn that the results of this study would provide a reference for the research and development of high fiber fillings.

wheat bran;stuffing;gels;sodium carboxymethyl cellulose;processing technology

2016-12-08

王家良(1964-)，男，本科，教授，主要从事农产品加工方面的研究，E-mail:wangjiangliang1964@126.com。

安徽省教育厅科学研究重大项目(KJ2016SD36)；安徽省科技厅重点研究与开发项目(1704a07020097)。

TS210.9

B

1002-0306(2017)13-0147-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.027