响应面法优化低聚合度菊糖面包加工工艺

赵天天，曹琦，赵丹，马小涵，邓婧，田俊青，刘雄

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

响应面法优化低聚合度菊糖面包加工工艺

赵天天，曹琦，赵丹，马小涵，邓婧，田俊青，刘雄*

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

利用响应面分析法研究低聚合度菊糖、大豆卵磷脂、乳化剂 和α-淀粉酶对面包老化和面包品质的影响。结果表明，在单因素试验中4种添加剂对面包的比容及硬度均有一定的改善作用，利用响应曲面法对面包的加工工艺参数进行优化，以面包硬度评分、比容以及感官评价作为检测指标，以综合评分为最终指标和响应值，通过响应面分析得到最佳参数以及各参数之间的相互作用，得到的最佳工艺配方为，低聚合度菊糖添加量 2.78%，硬脂酰乳酸钠(sodium stearoyl lactylate, SSL)添加量为0.64%，α-淀粉酶0.005 1%，大豆卵磷脂添加量0.87%，此时面包的综合评分为9.77，有效延缓了面包老化，改善了面包品质。

低聚合度菊糖；硬度；比容；响应面；面包品质

面包是一种营养丰富方便食品，已成为人们的主食之一，也是人们膳食纤维的主要来源之一[1]。面包在长期贮存后，会变得坚韧并出现皱折，面包芯丧失其柔软性，变得无弹性、干燥且易掉屑和香味丧失。这种现象便是面包的老化，据统计，面包因老化造成经济损失为3%～7%[2]，主要是由淀粉的老化造成——α-淀粉生成规则的β-淀粉的过程[3]。

本试验研究了低聚合度菊糖不同添加量对面包品质和抗老化特性的影响，菊糖是一种可溶性和可发酵的膳食纤维，不被人体消化道的酶消化[4]。具有双歧因子(益生元)和膳食纤维的双重功效。益生元在人的胃肠道上不被水解也不被吸收，进入肠道被双歧杆菌等益生菌专一利用，可以提高优势菌群的构成及数量，抑制有害菌的生长繁殖，建立良好的微生态环境，激活机体的免疫力、延缓衰老[5-7]；更能促进钙、铁、镁等矿物质的吸以及促进维生素的合成；能够提高血清血脂和降低结肠癌的风险[8]。关于菊糖在以前大多研究中[9-11]，表明，随着菊糖浓度增加和聚合度的增高[12-14]面包比容下降，而相比高聚合度菊糖相同添加量的低聚合度菊糖的面包体积有所增大。这也是本次研究的意义所在，相比混合菊糖，低聚合度的菊糖其生物活性更高，更容易被微生物利用，同时结合大豆卵磷脂、乳化剂SSL 和α-淀粉酶的功效；以便低聚合度菊糖面包的实际生产中根据具体情况选用合适的添加剂，达到延缓面包老化的目的。

1 材料与方法

1.1 材料

五得利五星特精高筋小麦粉，五得利面粉集团；菊糖，西安瑞林生物科技有限公司；高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司；白砂糖、黄油、食盐，均为市售；α-淀粉酶、SSL、大豆卵磷脂，河南千志商贸有限公司；低聚合度菊糖，实验室自制。

1.2 设备

Centrifuge5810型台式高速离心机，德国Eppendorf公司；真空冷冻干燥机，北京松源华兴科技公司；Fa2004A电子天平，上海精天电子仪器有限公司；搅拌机，广东东菱电器有限公司；醒发箱，广州三麦机械设备有限公司；远红外电热烤箱，广州番禹烘焙设备有限公司；Brookfield TC3质构仪，美国博勒飞公司。

1.3 实验方法

1.3.1 低聚合度菊糖的制备

菊糖原料配成料液比为1∶5(g∶mL)溶液，醇沉；4 ℃静置24 h，4 000 r/min离心10 min，得到上清液经过恒温水浴旋转蒸发，真空冷冻干燥后得到低聚合度菊糖。

1.3.2 面包的制作

采用一次发酵法制作面包，酵母1.5%、食盐1%、白糖10%、黄油10%、(均以混合粉质量计)；水(粉质仪测得的最佳吸水率的80%计)；原辅料混合搅拌成团、室温下静置10 min，分割面团30 g/个，整型。置于醒发箱内(湿度85%、温度38 ℃)醒发90 min，将醒发好的面团以上/下火温度为(180/160 ℃)烘焙10 min、放置室温冷却1 h、包装密封、待测。

1.3.3 单因素试验

以面包比容和面包硬度为指标，分别考察不同比例的低聚合度菊糖、α-淀粉酶、硬脂酰乳酸钠以及大豆卵磷脂对面包品质的影响。

参考各种添加剂的最佳使用添加范围，确定添加水平如下：

低聚合度菊糖：0%、2.5%、5%、7.5%、10% (低聚和度菊糖+小麦粉为100 g计)；α-淀粉酶：0%、0.005%、0.01%、0.02%、0.03%；

硬酯酰乳酸钠：0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%；大豆卵磷脂：0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%(3种均按照小麦粉100 g计)。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，选取低聚合度菊糖、α-淀粉酶、SSL、大豆卵磷脂4个因素，以面包综合评分为响应值，采用Central Composite Design响应面分析法对面包工艺配方进行4因素5水平中心组合试验，利用 Design-Expert 软件进行数据处理和回归分析。

1.4 检验方法

1.4.1 面包综合评分

响应面设计试验取面包硬度评分，比容，感官评价为测定指标，以面包综合评分为最终响应值，面包综合评分=硬度评分×0.3+比容评分×0.3+感官评分×0.4。

1.4.2 面包比容的测定

烘焙好的面包在室温下冷却后，根据GB/T20981—2007《面包油菜籽置换法》的方法，测定面包的体积和质量。

面包比容=体积(mL)/质量(g)

(1)

(2)

1.4.3 面包硬度的测定方法

面包硬度的测定，将冷却后的面包装入包装袋并密封后，置于通风处于室温下贮藏，单因素试验取贮藏期待测的面包样品测定其1、3、5、7 d的质构指标。响应面试验取贮藏期24 h的面包样品，测定时将面包切成(40×40×30) mm的面包块进行测定。质构仪设定参数为：选用探头为TA4/1000，测前速度2.0 mm/s测试速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，压缩形变40%，每个样品重复3次，取平均值。

(3)

1.4.4 面包感官评定

对冷却 2 h的新鲜面包进行感官评定，感官评定人员数为20名，分别对面包的色泽、组织结构、口感、风味和总体可接受度进行评分。

(4)

表1 感官评定标准Table 1 Sensory evaluation criteria

1.4.5 数据处理

运用 Microsoft excel 2007 和 Origin 9.0处理数据，采用SPSS 22.0和 Design-Expert 软件进行数据统计分析，运用方差分析法(ANOVA)进行显著性差异分析，显著性差异水平选取p<0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 低聚合度菊糖添加量对面包硬度及面包品质的影响

表2 低聚合度菊糖添加量对面包硬度与比容的影响Table 2 Effect oflow polymerization degree inulin on the hardness and the specific volume of bread

注:平均值±标准偏差，同一列不同字母表示差异显著(p<0.05)。表3～表5同。

由表2可知，随着低聚合度菊糖添加比例的增加，面包的比容呈逐渐增大的趋势，而在面包发酵过程中随着低聚合度菊糖添加量的增加，面团发酵时间延长，面包比容增加，说明低聚合度菊糖能够被微生物利用，增加面包面团的产气量，增大面团发酵体积。同时低聚合度菊糖的添加能减缓面包的老化进程，从贮藏过程面包第7天硬度结果可以看出，添加低聚合度菊糖的面包硬度显著均低于空白组，说明低聚合度菊糖具有吸湿性，能够减缓水分的流失，降低面包硬度；因此结合比容和质构的结果，以及发酵时间，确定在响应面试验中低聚合度菊糖的添加范围在0%～5%。

2.1.2 α-淀粉酶对面包硬度和面包品质的影响

由表3可以看出，α-淀粉酶添加量越大面包硬度越小，但α-淀粉酶添加量越高面包越容易发黏导致面包品质下降，同时可以看出，随着α-淀粉酶添加量的增加，面包比容呈上升的趋势，当α-淀粉酶添加量在0.03%时，面包比容呈下降趋势，说明α-淀粉酶活性适中时，有助于增大面包的发酵体积并使酵母均匀发酵，产生CO2，使得产气能力与持气能力相配合，从而使面包内部结构均匀，气孔一致。但α-淀粉酶活性太大时，会使面包心发粘，口感变差，而且面团发酵速度过快，面团结构塌陷，使面包表面上出现凸凹不平的现象。根据实验结果来看，α-淀粉酶对面包品质、抗老化性有明显的改良作用，综合考虑确定在响应面试验中α-淀粉酶的添加范围在0%～0.01%为佳。

表3 不同添加量的α-淀粉酶对面包硬度与比容的影响Table 3 Effect of alpha amylase on the hardnessand the specific volume of bread

2.1.3 SSL对面包硬度及面包品质的影响

硬脂酰乳酸钠(SSL)是一种具有良好的亲水亲油性的乳化剂，并且可以使面包具有较好的高温急胀的效果，同时可以增大面包的发酵体积，使烘焙的面包成品表皮不易塌顶和收缩，能够起到延缓面包老化效果。由表4可以看出，加入SSL后面包比容先增大后减小，且SSL添加量在0.6%时面包比容达到最大值。对添加不同量SSL的面包进行硬度检测，可以看出，SSL对面包的抗老化性具有很明显的改善作用，这主要是由于SSL的脂肪酸基团伸入到直链淀粉α螺旋构型中，与其形成稳定的螺旋复合物，从而达到抑制直链淀粉的老化的作用。当添加量为0.6%时，抗老化性比空白组面包有显著的改良，随着添加量的增加，面包硬度继续降低。因此在单因素试验结果中选择SSL的最佳添加范围在0.3%～0.9%作为响应面实验的范围。

表4 不同添加量的SSL对面包硬度与比容的影响Table 4 Effect of SSLon the hardness and the specific volume of bread

2.1.4 大豆卵磷脂对面包硬度及面包品质影响

由试验结果表5也可以看出，面包第1天硬度随着大豆卵磷脂添加量的增加逐渐降低，并且面包经过贮藏7 d的硬度也比未添加大豆卵磷脂的硬度显著性降低，这更能充分证明大豆卵磷脂具有延缓面包老化，延长面包货架期的功效。由比容结果得出，添加大豆卵磷脂后，面包比容缓慢增加，当大豆卵磷脂添加量大于0.9%之后面包比容下降，但可以看出将大豆卵磷脂添加到面粉中，可以起乳化作用。由于大豆卵磷脂含有大量的亲水性基团，遇水可以成为形成乳化物，在搅拌过程中可以使面团中的油脂部分乳化，从而使得面筋充分的吸收，同时面团在烘焙过程中受热膨胀，使蛋白质膨松成为泡沫状，凝固定型，从而增大面包体积，增大面包比容，提高面包品质。而且大豆卵磷脂中还含有脑磷脂，具有强的抗氧化作用，因此可以延缓面包制品的老化进程。结合实验结果选择大豆卵磷脂添加量为0.6%～1.2% 作为相应面试验的最佳添加范围。

表5 大豆卵磷脂对面包硬度与比容的影响Table 5 Effect of soybean lecithin on the hardness and the specific volume of bread

3 CCD实验设计与统计分析

3.1 试验因素和水平的选取

综合以上单因素试验分析结果，选取低聚合度菊糖(A)、SSL(B)、α-淀粉酶(C)、大豆卵磷脂(D) 这 4 个因素，对面包工艺配方进行4因素5水平中心组合试验，CCD试验因素及水平见表6。

表6 中心组合设计因素水平表Table 6 Factors and levels for Central Composite Design

3.2 响应面回归模型的建立与显著性检验分析

采用响应面分析方法研究上述4个因素的交互作用对面包工艺配方的影响。以A，B，C，D为自变量，综合评分作为响应值进行响应面分析，试验设计与结果见表7。

利用 Design-Expert 软件对中心组合试验结果(表8)进行二次多项式回归拟合，回归拟合结果得到响应值与4个编码自变量之间的初步回归模型为：

Y=9.73+0.17A+0.12B+0.043C-0.10D-0.12AB-0.069AC+0.044AD-0.066BC-0.057BD-8.246e-3CD-0.28A2-0.23B2-0.21C2-0.24D2

(5)

式中：Y综合评分；A、B、C、D则分别代表低聚合度菊糖SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂的编码值。

表8 回归模型方差分析Table 8 Analysis of variance for regression model

注：p<0.001，表示差异极显著；p<0.01，表示差异高度显著；p<0.05，表示差异显著。

3.3 响应面分析

根据回归模型分析结果，为研究各变量的交互作用，并在各添加范围内确定各因素的最优取值范围，采用Design-Expert 软件进行数据统计分析各自变量对面包综合评分交互影响的相应响应曲面图以及等高线图(图1到图6)。

图1 SSL和低聚合度菊糖对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.1 SSL and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

从响应曲面图可以反映各因素对响应值的影响程度，响应面曲线越陡，表明该因素对响应值的影响越大。由图1(a)、2(a)、5(a) 和6(a)响应面可知，各因素对面包综合评分的影响效果依次是：A>B>C>D，分析结果与方差分析的结果相一致。等高线图可以直观地反映出两变量之间交互作用的显著性。两个自变量处于中心水平时，每条轮廓线的弯曲程度说明交互作用项之间的显著程度，曲率越大，越趋向椭圆，表明两因素交互作用程度越大，而越趋于圆形则表明两因素交互作用越小。图6(b)等高线轮廓形状趋于圆形，表明CD两因素的交互作用不显著。其余五个交互作用项的等高线图均呈椭圆，表明交互作用均显著，并且图1 (b)等高线曲率最大，图2 (b)、图4(b)次之，因此可以得出AB交互作用极显著，AC、BC交互作用高度显著。

图2 α-淀粉酶和低聚合度菊糖对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.2 Alpha amylase and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

图3 大豆卵磷脂和低聚合度菊糖对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.3 Soy lecithin and low degree of polymerization inulin effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

图4 α-淀粉酶和SSL对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.4 Alpha amylase and SSL on bread comprehensive score influence of response surface and contour

图5 大豆卵磷脂和SSL对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.5 Soybean lecithin and SSL on bread comprehensive score influence of response surface and contour

图6 大豆卵磷脂和α-淀粉酶对面包综合评分影响的响应面和等高线Fig.6 Soy lecithin and alpha amylase effect on bread comprehensive score of the response surface and contour

最佳工艺条件的确定与验证通过响应面分析可以得到最佳添加量以及各因素之间的相互作用。通过软件分析，从CCD试验结果得到最佳工艺参数为：低聚合度菊糖添加量2.78%，SSL添加量为0.64%，α-淀粉酶0.005 1%，大豆卵磷脂添加量0.87%，此条件面包的综合评分为9.77。

验证试验结果：在响应面优化的最佳工艺条件下，进行验证试验，结果测得面包的硬度评分为9.6，面包比容为4.6，面包的感官评分为28，综合评分达到9.69，与预测值的精度达到99.18%，试验结果证明了CCD试验模型可用于面包品质的预测。

4 结论

通过对添加低聚合度菊糖、SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂对面包的优化研究，以面包硬度、比容和感官评分为评价指标，以最终的综合评分为响应值，单因素实验表明，通过添加低聚合度菊糖、乳化剂SSL、α-淀粉酶和大豆卵磷脂对面包比容和面包硬度均达到了改善作用。结合单因素试验，通过响应面优化试验确定了面包的最佳工艺配方为：确定低聚合度菊糖添加量2.78%、SSL添加量0.64%、α-淀粉酶添加量0.005 1%、大豆卵磷脂添加量0.87%。得到面包比容为4.66 cm3/g，综合评分为9.77。通过响应面试验得到的最佳工艺使面包品质得到了明显改善，面包具有较强的持水性，老化速率明显降低，面包各项感官品质得到改善，面包货架期延长。

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Optimizationoflowdegreepolymerizedinulinbreadqualitybyresponsesurfacemethodology

ZHAO Tian-tian, CAO Qi， ZHAO Dan, MA Xiao-han, DENG Jing, TIAN Jun-qing, LIU Xiong*

(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The effects of low polymerized degree inulin、soy lecithin、SSL and alpha amylase on the aging of bread and bread quality were studied. Single factor experiment showed that four additives all had certain effect on improving bread specific volume and hardness. The response surface method was used to optimize the processing parameters of bread, bread hardness, specific volume and sensory evaluation. And the comprehensive score was set as the final score and response value. Through the response surface analysis, the interaction between different parameters and the best parameters were obtained. The optimum formula of bread was: 2.78% low polymerized inulin, 0.64% sodium stearoyl lactylate (SSL), 0.005 1% alpha amylase and 0.87% soybean lecithin. Using the above formula, the comprehensive score of bread was 9.77, the aging speed of bread was delayed and the quality of bread was improved.

low degree of polymerization inulin；hardness；specific volume；response surface；Bread quality

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014240

硕士研究生(刘雄教授为通讯作者，E-mail: liuxi-ong848@hotmail.com)。

2017-03-06，改回日期：2017-04-20