响应面主成分分析法优化马铃薯挂面工艺

,,2,*, ,,

(1.西南科技大学生命科学与工程学院,四川绵阳 621010;2.四川省生物质资源利用与改性工程技术研究中心,四川绵阳 621010;3.江油市春雨生态农业科技有限公司,四川江油 621700)

公艳1,熊双丽1,2,*,彭凌1,李安林1,薛朝云3

(1.西南科技大学生命科学与工程学院,四川绵阳 621010;2.四川省生物质资源利用与改性工程技术研究中心,四川绵阳 621010;3.江油市春雨生态农业科技有限公司,四川江油 621700)

本文以小麦粉、马铃薯全粉为主要原料,豆腐柴叶为辅料,采用单因素和Box-Behnken实验设计,响应面和主成分分析法优化马铃薯挂面加工工艺。结果表明:第1～第3主成分累计贡献率达到86.10%,足以描述马铃薯挂面质构、感官、烹调损失率和干物质吸水率综合反应的挂面品质。以主成分分析得到的规范化综合评分为响应值建立的二次多项式回归模型回归效果显著,拟合度较好(p<0.0001,R2=0.9699)。偏最小二乘法回归分析预测马铃薯挂面最佳综合评分工艺参数为:马铃薯全粉添加量31%,豆腐柴汁液添加量9%,醒发时间31 min,醒发温度25 ℃,理论综合评分值达到0.9194,该条件下马铃薯挂面规范化综合评分达0.9116,与模型预测值接近,表明以主成分分析得到的规范化综合评分为响应值建立的回归模型具有良好的预测能力。

马铃薯,豆腐柴,质构特性,主成分分析,响应面

马铃薯含有丰富的膳食纤维、蛋白质、维生素、矿物质及酚类物质[1],尤其具有其他蔬菜无可比拟的优质完全蛋白质特性[2-3],优良的食用营养和保健双重价值[4]。2015年,我国正式启动马铃薯主粮化战略,马铃薯添加到日常主食中,使马铃薯成为继稻谷、玉米、小麦之外的第四大主粮[2]。关于马铃薯挂面的研究也成为近年研究热点。

由于马铃薯不含面筋蛋白导致其加工性能较差,因此研究者在研究将马铃薯应用于面制品时多与小麦面粉混合使用[5]。赵煜[6]等认为马铃薯薯泥添加量42%,谷朊粉添加量2.1%,食盐添加量0.45%,食用碱添加量0.064%,在此条件下制得面条,薯味浓郁、适合大众口味;郭祥想[7]等认为马铃薯全粉添加量在20%以下时,干物质损失率较低,面条具有较好品质;魏园园[8]等发现马铃薯全粉添加量为10%时,马铃薯挂面具有较高的蒸煮品质和感官评分。各报道不尽一致,而且添加量低,烹调损失率较高、成型难,易浑汤,口感差[9-10]等问题凸显。

豆腐柴叶含有丰富的营养成分,且果胶含量丰富[11-13]。豆腐柴叶果胶具有良好的胶凝化、乳化和营养保健作用,已作为天然原料,广泛应用于食品、医药和化妆品等行业[14]。本文将豆腐柴叶作为天然绿色的胶凝剂添加到马铃薯挂面中,结合主成分分析和响应面实验法优化马铃薯挂面加工工艺,拟提升马铃薯添加量,增强营养保健价值,为马铃薯高含量高品质挂面生产工业化奠定一定的理论和应用基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金沙河家用小麦粉 河北金沙河面业集团有限责任公司;马铃薯雪花全粉 内蒙古富广食品有限公司;豆腐柴叶 采摘于四川绵阳江油豆腐柴基地,江油市春雨生态农业科技有限公司;食盐 市售。

TA.XTplus物性测试仪 stable Micro system Ltd UK;PH-030(A)干燥/培二用箱 上海齐欣科学仪器有限公司;DMT-5电动面条机 龙口市复兴机械有限公司;C21-SK2101美的多功能电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司;HR-2006飞利浦打浆机 飞利浦电子香港有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 豆腐柴叶凝胶剂的制备 称取20 g采摘于8月份新鲜豆腐柴叶洗净,用80 ℃的热水烫漂30 s,加入50 mL水,打浆机打浆后用纱布过滤,将过滤液按比例添加到马铃薯全粉-小麦粉混合粉中。

1.2.2 马铃薯挂面的制作工艺流程 配料(马铃薯全粉、小麦粉、豆腐柴汁液、食盐)→和面→熟化→压面切条→干燥→成品。

称取一定比例的马铃薯全粉-小麦粉混合粉,加入一定比例盐水和豆腐柴汁液,充分搅拌成面絮,揉成面团,一定温度下醒发一定时间后,用电动压面机压至光滑,制得厚度为1 mm,宽度4 mm的面条,自然晾干后的面条切成20 cm即为样品。

1.2.3 普通挂面的制作 称取一定量小麦粉,食盐添加量为1.5%,水添加量35%,充分搅拌成面絮,揉成面团,25 ℃下醒发31 min,用电动压面机压至光滑,制得厚度为1 mm,宽度4 mm的面条,自然晾干后的面条切成20 cm即为样品。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 马铃薯全粉添加量的确定 马铃薯全粉添加量分别为0、10%、25%、30%、35%、40%、45%,固定食盐添加量1.5%(以面粉干重计),豆腐柴汁液添加量8%,水添加量35%,25 ℃下醒发30 min制得挂面,研究马铃薯全粉添加量对马铃薯挂面感官品质和烹调损失率的影响。

1.2.4.2 豆腐柴汁液添加量的确定 豆腐柴汁液添加量分别为0、4%、8%、12%、16%,固定马铃薯全粉添加量35%,食盐添加量1.5%,水添加量为分别为43%、39%、35%、31%、27%,25 ℃下醒发30 min制得挂面,研究豆腐柴汁液添加量对马铃薯挂面感官品质和烹调损失率的影响。

1.2.4.3 醒发时间的确定 25 ℃下分别醒发0、15、30、45、60 min,固定马铃薯全粉添加量35%,食盐添加量1.5%,豆腐柴汁液添加量8%,水添加量35%制得挂面,研究醒发时间对马铃薯挂面感官品质和烹调损失率的影响。

1.2.4.4 醒发温度的确定 醒发温度分别为5、15、25、35、45 ℃,固定马铃薯全粉添加量35%,食盐添加量1.5%,豆腐柴汁液添加量8%,水添加量35%,醒发30 min制得挂面,研究醒发温度对马铃薯挂面感官品质和烹调损失率的影响。

1.2.4.5 食盐添加量的确定 食盐添加量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,固定马铃薯全粉添加量35%,豆腐柴汁液添加量8%,水添加量35%,25 ℃下醒发30 min制得挂面,研究食盐添加量对马铃薯挂面感官品质和烹调损失率的影响。

1.3 Box-Behnken Design响应面优化实验设计

在单因素实验基础上,根据Box-Behnken的中心组合设计原理,进行4因素3水平(见表1)的实验设计,为更加客观地评价马铃薯挂面品质,优化实验增加了质构和干物质吸水率测定,并采用主成分分析法将马铃薯挂面品质8个指标降维成3个指标,并计算综合评分,以规范化综合评分为响应值,确定马铃薯挂面最优制作工艺。

表1 响应面分析实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface design

1.4 马铃薯挂面品质评价方法

1.4.1 感官评定 感官评定人员为食品专业10位同学(由4名男生和6名女生组成,均经过感官评定培训)依次对马铃薯挂面进行感官评分,评分标准(参照LS/T3212-2014中感官评定,结合马铃薯和豆腐柴叶特有风味制作)见表2。

表2 马铃薯挂面感官评分标准Table 2 The standard of sensory evaluation for potato noodles

1.4.2 熟断条率、最佳蒸煮时间的测定 参照标准LS/T3212-2014中的方法。

1.4.3 挂面的干物质吸水率、烹调损失率的测定 参照郭颖[15]的方法。

1.4.4 质构的测定 将达到最佳蒸煮时间的马铃薯挂面捞出过冷水,用滤纸吸干表面水分,取三根平行放置于物性仪载物台上进行测试,选取探头P/35,测前速度1.00 mm/s,测中速度1.00 mm/s,测后速度10.00 mm/s,应变位移70%,触发力5.0 g,每秒点数200 pps,测定挂面的硬度、回复能量、回复性、咀嚼性和弹性,每组测量五次,取平均值[16]。

1.5 分析方法

1.5.1 主成分分析 对马铃薯挂面品质各指标进行主成分分析,得到原始数据的特征值、贡献率及累积贡献率,对特征值大于1的因子[17],提取主成分。

1.5.2 马铃薯挂面品质的综合评分 按式(1)计算马铃薯挂面各个实验组的综合得分后按公式(2)将得到的综合评分F进行规范化处理。

F=(F1Y1+F2Y2+F3Y3)/C

式(1)

Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

式(2)

式(1)中:F为综合评分;F1、F2和F3为主成分1、2和3的得分;Y1,Y2,Y3为主成分的特征值;C为累积特征值。

式(2)中:Z为规范化综合评分;F为综合评分;Fmax为综合评分最大值;Fmin为综合评分最小值。

1.5.3 数据处理 用Microsoft Excel进行基本数据处理,响应面设计及结果分析用软件Design-Expert 8.0.6进行处理,用软件SPSS 21.0进行主成分分析,采用origin8.0制图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 马铃薯全粉添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响 由图1可知,马铃薯全粉添加量小于30%时,随着马铃薯全粉添加量的增加，马铃薯挂面感官评分呈上升趋势且马铃薯全粉添加量为30%时,感官评分达到最高85.7,继续增加马铃薯全粉的添加量,感官评分呈下降趋势。烹调损失率随着马铃薯全粉添加量的增加呈明显上升趋势,这可能因为马铃薯全粉不含面筋蛋白[18],马铃薯全粉的增加使面筋的网格结构进一步减弱变得结构疏散从而导致挂面的烹调损失率上升。结合感官评分,故选择马铃薯全粉的添加量为25%～35%。

图1 马铃薯全粉添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响Fig.1 Effect of potatoes granules amount on sensory score and cooking loss rate of potato noodles

2.1.2 豆腐柴汁液添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响 由图2可以看出,马铃薯挂面烹调损失率随着豆腐柴汁液添加量的增加而明显降低,可能因为豆腐柴叶中的果胶形成有弹性的凝胶有效的增加面团的延展性,蛋白质含量较高的豆腐柴汁液与面团中的水分形成面筋网格结构[19],进而提高了挂面的品质。豆腐柴汁液添加量在0～8%时,马铃薯挂面的感官评分随着豆腐柴汁液添加量的增加而升高,随后感官评分开始下降,豆腐柴汁液添加量为8%时,制作出来的马铃薯挂面感官评分达86.4,具有马铃薯的清香,继续增加豆腐柴汁液的添加量到16%时制作出的马铃薯挂面,豆腐柴叶的味道对马铃薯的清香有所掩盖,故选择豆腐柴汁液的添加量为4%～12%。

图2 豆腐柴汁液添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响Fig.2 Effect of Premna microphylla Turcz Juice amount on sensory score and cooking loss rate of potato noodles

2.1.3 醒发时间对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响 由图3可以看出,醒发时间在30 min内时,感官评分随着醒发时间的延长而升高,在30 min时,感官评分最高,之后开始下降。而且马铃薯挂面的烹调损失率随着醒发时间的延长,呈现出先下降后上升的趋势,这与郭祥想[7]等人的研究结果一致,适当的延长面团的醒发时间,有利于淀粉和蛋白质充分吸收水分,从而形成均匀的网格结构,制作出的面条品质较好,但是过度延长面团的醒发时间会使面团内部结构不在变化甚至变得松软,面团内部水分向表面迁移,使得面团表面黏性增加,在压面过程中容易粘辊。结合感官评价,醒发时间的选择为15～45 min。

图3 醒发时间对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响Fig.3 Effect of fermentation time on sensory scoreand cooking loss rate of potato noodles

2.1.4 醒发温度对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响 由图4可知,醒发温度从0 ℃上升到45 ℃时,烹调损失率呈下降趋势,可能因为较低的醒发温度使蛋白质膨润值较低,紧密的面筋蛋白分子结构不利于面筋蛋白分子间的聚合,因此无法形成良好的面筋网格结构;随熟化温度的上升,蛋白质膨润值增强,松散的面筋蛋白分子结构有利于面筋蛋白分子间的聚合,进一步形成均匀的网格结构[20],一般认为30 ℃左右时蛋白质膨润值最高,若温度过高易引起蛋白质变性,导致面筋数量减少[21],结合感官评价,故醒发温度的选择为15～35 ℃。

图4 醒发温度对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响Fig.4 Effect of fermentation temperature on sensory score and cooking loss rate of potato noodles

2.1.5 食盐添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响 由图5可以看出,食盐添加量的增加对马铃薯挂面的烹调损失率影响不大,感官评分在食盐添加量达到2%时明显降低,因为添加量为2%,马铃薯挂面有明显咸味。较低的食盐添加量可能通过盐溶作用增加蛋白质的吸水作用,蛋白质之间氢键作用增大,面筋收敛使得弹性和延伸性增强[22]。而盐添加量过高,可能产生盐析作用,破坏蛋白质网络结构。大量文献显示[23-24,28],食盐添加量一般为1%～2%效果最好,故选择食盐添加量为1.5%。

图5 食盐添加量对马铃薯挂面感官评分和烹调损失率的影响Fig.5 Effect of salt amount on sensory score and cooking loss rate of potato noodles

2.2 响应面实验

根据表1进行二次旋转多元回归实验,研究各因素与马铃薯挂面质构、烹调损失率、干物质吸水率和感官评分的关系。实验结果见表3。

表3 Box-Behnken 实验设计及结果Table 3 Box-Behnken experimental design and results

2.2.1 马铃薯挂面品质主成分分析 主成分分析在将原始变量转变为主成分的过程中,同时形成了反映主成分和指标包含信息量的权数,以计算综合评价值,有效解决了多指标评价参数的问题[25]。本文利用主成分分析,将马铃薯挂面品质8个指标降维成几个综合指标,评价其品质。

对表3中马铃薯挂面品质各指标数据用SPSS 21.0进行主成分分析[26-28],主成分的特征值、贡献率和累积贡献率见表4,主要指标的特征向量见表5。根据主成分分析,累积贡献率大于85%原则,提取三个主成分时,累积贡献率达到86.10%,说明提取的三个主成分能够全面反映马铃薯挂面的品质信息[29]。通过各个指标的特征向量值可以看出,决定第一主成分的指标主要是咀嚼性和回复能量;决定第二主成分的是弹性、硬度、回复性和干物质吸水率;决定第三主成分的是烹调损失率和感官评分。

表4 相关成分的特征值及贡献率Table 4 Eigenvalue and variance contribution rates of the related components

根据第一、第二、第三主成分得分,按公式(1)计算马铃薯挂面各个实验组的综合评分F[30],由于不同指标间具有不同的单位和变异程度,为消除量纲影响和变量自身变异大小和数值大小的影响,因此将综合评分F按公式(2)进行规范化处理得到综合评分Z,见表6。

表5 主要指标的特征向量Table 5 Eigenvectors of principal components

表6 主成分得分值及规范化综合评分Table 6 Principal component scores and standardized score

表7 回归模型方差分析Table 7 Analysis of variance for the regression model

注:**表示差异极显著(p<0.01);*表示差异显著(0.01

2.2.2 马铃薯挂面的配方工艺优化 响应面回归模型的建立与检验 响应面优化马铃薯挂面的配方工艺方案见表3,以表6中规范化综合评分Z为响应值,利用Design-Expert 8.0.6进行数据处理得到回归模型方程:

Z=0.91+0.059A+0.09B+0.025C-0.021D-0.18AB-0.12AC-0.09AD-0.078BC-0.08BD-0.00635CD-0.23A2-0.29B2-0.087C2-0.35D2

由表7可以看出,模型的一次项A,B为极显著,C,D不显著,交互项AB,AC极显著,AD,BC,BD显著,CD不显著,二次项A2,B2,C2,D2均表现为极显著,由各因素F值的大小得出对响应值影响最大的因素为豆腐柴汁液添加量,其次是马铃薯全粉添加量,再次是醒发时间,最后为醒发温度。

2.2.3 各因素交互分析 由图6可知,固定醒发温度和醒发时间在0水平,响应面图曲线陡峭可以看出马铃薯全粉添加量和豆腐柴汁液添加量对响应值Z具有极显著影响,当A<29,B<6时,等高线较密集,表明在此范围内,马铃薯全粉和豆腐柴汁液添加量的变化对响应值Z影响大,继续增加马铃薯全粉和豆腐柴汁液添加量,响应值Z达到最大值后开始呈缓慢下降趋势。

图6 Z=f(马铃薯全粉添加量,豆腐柴汁液添加量)响应面图Fig.6 Z=f(Potatoes granules amount,Premna microphylla Turcz Juice amount)Response surface and contour

由图7可知,固定豆腐柴汁液添加量和醒发温度在0水平,当A<29,C<27时,等高线较密集,表明在此范围内,马铃薯全粉添加量和醒发时间的变化对响应值Z影响大,交互作用极显著,当在较长醒发时间下,随着马铃薯全粉添加量的不断增加,响应值Z缓慢上升,达到极值后下降趋势明显增大。

图7 Z=f(马铃薯全粉添加量,醒发时间)响应面图Fig.7 Z=f(Potatoes granules amount,Fermentation time)Response surface

由图8可知,固定豆腐柴汁液添加量和醒发时间在0水平,当A<29,D<20时,等高线较密集,表明在此范围内,马铃薯全粉添加量和醒发温度的变化对响应值Z影响大,继续增加马铃薯全粉添加量和醒发温度,响应值Z达到最大值后开始呈缓慢下降趋势。

图8 Z=f(马铃薯全粉添加量,醒发温度)响应面图Fig.8 Z=f(Potatoes granules amount,Fermentation temperature)Response surface

由图9可知,固定马铃薯全粉添加量和醒发温度在0水平,豆腐柴汁液添加量和醒发时间对响应值Z影响显著,Z值随着因素的变化而变化,当B<6,C<27时,等高线较密集,表明在此范围内,马铃薯全粉添加量和醒发温度的变化对响应值Z影响较大。

图9 Z=f(豆腐柴汁液添加量,醒发时间)响应面图Fig.9 Z=f(Premna microphylla Turcz Juice amount,Fermentation time)Response surface and contour

由图10可知,固定马铃薯全粉添加量和醒发时间在0水平时,豆腐柴汁液添加量在较高水平时,随着醒发温度的不断升高,响应值Z上升到极值后开始缓慢下降。

图10 Z=f(豆腐柴汁液添加量,醒发温度)响应面图Fig.10 Z=f(Premna microphylla Turcz Juice amount,Fermentation temperature)Response surface

通过软件Design-Expert 8.0.6对所得到的响应面模型进行分析,得到马铃薯挂面制作工艺最优参数为马铃薯全粉添加量31%,豆腐柴汁液添加量9%,醒发时间31 min,醒发温度25 ℃,理论综合评分值达到0.9194。

2.2.4验证实验 在最优工艺条件下进行马铃薯挂面验证实验,实验结果见表8,通过对表8各指标数值进行主成分分析得到马铃薯挂面规范化综合评分为0.9116±0.06,与预测值基本一致,说明该回归模型准确,主成分分析与响应面分析法相结合对马铃薯挂面工艺进行优化的综合评价方法是准确可行的。

2.2.5与普通挂面对比 以制作的普通挂面为对照组,规范化综合评分为参考标准,对表8普通挂面各指标数值进行主成分分析得到规范化综合评分为0.7788±0.06,明显低于马铃薯挂面规范化综合评分,说明马铃薯挂面综合品质优于普通挂面且易被大众所接受。

表8 马铃薯挂面和普通挂面各个指标值Table 8 Potato noodles and ordinary noodles each index value

3 讨论与结论

目前研究者研究结果表明,马铃薯全粉添加量一般在20%左右,其马铃薯面条感官品质较好。如马栎[31]等人对马铃薯面条加工工艺的研究,王蔚新[32]等人研究的马铃薯荞麦面条,其添加量均低于本实验31%的研究结果。本研究以马铃薯全粉和面粉为主要原料,以豆腐柴叶作为天然绿色的胶凝剂,在单因素的基础上,通过响应面和主成分分析法优化马铃薯挂面加工工艺,且最优参数为:马铃薯全粉添加量31%,豆腐柴汁液添加量9%,醒发时间31 min,醒发温度25 ℃,该条件下制得马铃薯挂面规范化综合评分达0.9116,与模型预测值0.9194接近,表明以主成分分析得到的规范化综合评分为响应值建立的回归模型具有良好的预测能力。

在最优工艺条件下制得的马铃薯挂面,口感爽滑,有弹性,其断条率为0且营养全面丰富,有效地解决了马铃薯面条口感差,断条率高等问题,制得的马铃薯挂面符合面条行业标准。今后将马铃薯作为主食应用到日常面食中,其添加量和品质有待于进一步研究。

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Optimizationofpotatonoodlestechnologybyresponsesurfacemethodologyandprincipalcomponentanalysis

GONGYan1,XIONGShuang-li1,2,*,PENGLing1,LIAn-lin1,XUEChao-yun3

(1.School of Life Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Engineering Research Center for Biomass Resource Utilizationand Modification of Sichuan Province,Mianyang 621010,China;3.Jiangyou Chunyu Ecological Agricultural Science and Technology Company,Jiangyou 621700,China)

In this paper,wheat flour and potato granules were used as main raw materials,and thePremnamicrophyllaTurczleaves were used as auxiliary materials.The single factor and Box-Behnken experimental design,response surface analysis(RSA)and principal component analysis(PCA)were used to optimize the processing technology of potato noodles in this paper. The results showed that the first to third principal components cumulative percentages contribution was 86.10%,which could be sufficient to reflect the quality of noodles with comprehensive response of the texture indexes,sensory,cooking loss rate and dry matter water absorption rate. The regression coefficient of the two polynomial regression model established by principal component analysis was significant,and had better fit degree(p<0.0001,R2=0.9699). Partial least squares regression analysis predicted that the best comprehensive score for the process parameters was:potato granules of 31%,PremnamicrophyllaTurczJuice of 9%,fermentation time of 31 min,fermentation temperature of 25 ℃. The comprehensive score of the theory reached 0.9194.The actual measured value was 0.9116 which was consistent with the model predicted value. The results indicated that the regression model established by principal component analysis has had a good predictive ability.

potato;PremnamicrophyllaTurcz;texture properties;principal component analysis;response surface methodology

2017-05-25

公艳(1991-),女,在读硕士研究生,研究方向:农产品精深加工及综合利用,E-mail:gongyan727@yeah.net。

*通讯作者:熊双丽(1977-),女,博士,教授,研究方向:功能性食品加工与安全,E-mail:xiongshuangli@ swust.edu.cn。

四川省生物质资源利用与改性工程技术研究中心专职科研创新团队建设基金项目(14tdgc04)；江油市豆腐柴种植与综合利用及示范(2017NFP0178)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)23-0143-09

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.028