响应面-主成分分析法优化马铃薯饼干配方

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(宁夏大学农学院,宁夏银川 750021)

马铃薯属茄科,一年生草本植物,在我国已有多年的种植历史,现已成为新世纪最具有发展潜力的作物之一。马铃薯不仅含有矿物质、蛋白质、碳水化合物、无机盐等营养成分,也含有禾谷类作物没有的抗坏血酸以及胡萝卜素,具有强身益气、缓急止痛、和胃健脾等保健功效[1-5],可预防高胆固醇、慢性胃炎等疾病[6],这些优点使其在食品中的用途更加广泛。我国马铃薯产量高,但在深加工方面远不及其他发达国家。一方面,我国马铃薯以鲜食为主,种类单一,缺乏适合我国居民饮食习惯的主食产品。另一方面,马铃薯全粉中不含有面筋蛋白,因而不具有面团特有的粘弹性,导致加工性能较差。2015年,农业部启动马铃薯主粮化发展战略[7],以期达到马铃薯由副食消费转向主食消费、原料产品转向产业化成品、温饱消费转向健康消费的目的,使其逐渐成为即玉米、小麦、稻米外的又一大主粮。国家对马铃薯的生产、加工都及其重视,目前,已有学者对马铃薯面条[8]、米粉、面包[9]等进行研究。

饼干口感酥脆,外观精巧,是一种方便大众的休闲食品[10],深受广大消费者喜爱,但是饼干中糖和油脂含量较高,热量较大,这限制了其在食品领域的销售。因此,对高营养、低热量饼干的工艺配方进行改良,是合乎当今食品消费领域的重要举措。随着消费者生活水平及健康理念的提高,人们对日常饮食也提出了更高的营养和健康要求。为此,本文在传统饼干配方基础上,用黄油代替动物油脂,以饼干成品的感官综合评分和硬度、咀嚼性、脆性等质构特性为评价指标,在单因素试验基础上,利用响应面法和主成分分析法对其工艺参数进行优化,进而为马铃薯饼干的开发提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯全粉 宁夏法福来食品股份有限公司;低筋面粉 潍坊风筝面粉有限责任公司;白砂糖、小苏打、盐、鸡蛋辅料 市售。

ACS-30电子秤 武义县金宇恒器有限公司;SQP电子天平 多利斯科学仪器北京有限公司;HM315打蛋器 青岛汉尚电器有限公司;TA-XT plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems有限公司;HO-405电烘箱 青岛汉尚电器有限公司;MUMX25TLCN多功能食物料理机 斯洛文尼亚公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料配方 原料配比(马铃薯全粉+低筋面粉=100 g),黄油45 g,白砂糖30 g,鸡蛋20 g,全脂奶粉10 g,碳酸氢钠0.5 g,食盐1.0 g,水适量。

1.2.2 马铃薯饼干的制作 原料→乳化→面团调制→静置→成型→焙烤→冷却→成品[11]

原料预处理:低筋面粉和马铃薯粉分别过60目筛备用。乳化:将黄油放在室温下软化,用打蛋器打发,再按比例加入白砂糖打发并加入全蛋液,全蛋液分三次加入,当颜色打发至发白时停止打发。面团调制:先将其他辅料均匀混合后再与低筋面粉混合,倒入多功能厨师机进行快速搅拌调粉,在面团调制时,调制温度控制在22～26 ℃,先慢后快,减少面团捏合时间,将面团调制的具有一定的塑性及韧性且不粘手可停止调制。静置:将面团调制结束后置于常温下醒发15 min。焙烤:将辊扎成型的饼干放入烘箱,上火温度为180 ℃,下火温度为150 ℃,共烤制15 min。

1.2.3 单因素实验 参照预实验,选取对品质影响较大的3个因素,即马铃薯全粉和低筋面粉的质量比、白砂糖添加量、黄油添加量为主要因素,研究各个因素对马铃薯饼干的质构特性和感官品质的影响。以低筋面粉与马铃薯全粉的含量为100%计,其他辅料添加量按与低筋面粉与马铃薯全粉的百分比进行计算。通过预实验确定的单因素实验基本条件为:低筋面粉与马铃薯全粉的质量比为7∶3、黄油的相对含量45%,白砂糖的相对含量25%,其他辅料的相对含量为全脂奶粉5%、鸡蛋10%、碳酸氢钠0.25%、食盐0.5%。各因素梯度分别为低筋面粉与马铃薯的质量比:9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5;黄油的相对含量:15%、25%、35%、45%、55%;白砂糖的相对含量:5%、15%、25%、35%、45%。

1.2.4 响应面试验设计 以单因素试验为基础,选取低筋面粉和马铃薯粉的质量比、黄油、白砂糖为自变量,感官综合评分作为响应值,根据Box-Benhnken中心组合原理设计三因素三水平的试验,确定马铃薯饼干的最佳工艺配方,如表1所示。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.5 马铃薯饼干的感官评价标准 将制成的马铃薯饼干按照是否含有杂质、组织状态、滋味与口感和色泽为感官指标进行评分。选取10名通过专业培训的食品专业学生组成感官评价小组,对马铃薯饼干进行评价与分析,每组样品测3次,结果取其平均值[12],感官评定标准[13]见表2。

表2 感官评定标准Table 2 Standard of comprehensive quality grading of biscuits

1.2.6 质构测定 由质构分析仪对样品的硬度、韧性、咀嚼性、脆度[14-16]进行测定,以评价饼干的品质。测定条件:选择TP(texture profile analysis)测试程序,选用P/2探头,测前速率1.0 mm/s,测中速率1.0 mm/s,测后速率1.0 mm/s,形变量为60%,测试应变位移为3 mm,触发力5 g,每块饼干取三个点测试,剔除最大值和最小值,结果求平均值。

1.3 主成分提取与数据处理

对马铃薯饼干的各个指标进行了主成分分析,得到原始数据的特征值、累计贡献率及贡献率,将大于1的特征值因子进行主成分提取。马铃薯饼干的综合评分[17]按以下公式计算,并将得到的综合评分进行规范化处理,得到规范化综合[18]得分。

F=(F1Y1+F2Y2+F3Y3)/C

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

式中,F为综合评分,F1、F2、F3为饼干的主成分1、2、3的得分,Y1、Y2、Y3为主成分的特征值,C为累积特征值,Z为规范化综合得分,Fmax为综合评分中最大值,Fmin为综合评分中最小值。

响应面实验设计以及结果分析使用Design-Expert 8.6 软件进行处理,采用SPSS 17.0软件对主成分[19-21]进行因子分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 低筋面粉和马铃薯全粉质量比对马铃薯饼干品质的影响 由表3知,随着马铃薯全粉添加量的增加,感官评分呈现先增加后下降的趋势;当低筋面粉和马铃薯全粉的质量比为7∶3时,饼干外形完整,香气浓郁,感官评分最高,达到86分。随着低筋面粉和马铃薯全粉的质量比增加,饼干制作中面团变软,不易成型,导致成品饼干外形欠佳。当低筋面粉与马铃薯全粉的质量比为7∶3时,饼干的韧性和脆度最高,分别为713.06 g/s和1785.00 mm。饼干的硬度呈先降低后升高的趋势,而其韧性和脆度呈先升高后下降的趋势。其原因可解释为:马铃薯全粉添加到低筋面粉中稀释了面筋,削弱了面团的强度,使马铃薯饼干产生酥脆感。当马铃薯全粉添加超过一定量时,会降低面粉蛋白与油脂的结合力,进而促进水化作用,使饼干硬度增加。因此,适宜的马铃薯全粉与低筋面粉质量比为7∶3。

表3 马铃薯添加量对饼干质构特性和感官的影响Table 3 Effect of potato flour addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.2 黄油添加量对马铃薯饼干品质的影响 由表4可知,当黄油的添加量为45%时,马铃薯饼干感官评分最好,为88分。随着黄油添加量的增多,饼干的硬度逐渐降低,饼干的韧性先升高后降低。黄油的添加量会影响饼干的品质,因为油脂分布在淀粉微粒和面筋蛋白周围,会形成一层薄的油膜,限制面团的吸水从而控制面筋的胀润性,油膜的隔离使面筋微粒相互粘合形成面筋网络,从而降低了饼干的抗裂能力,使面团粘性差,不容易成型。当黄油添加量较少时,会使成品变形严重,表面无光泽,口感差。面筋形成多,减少内部应力的产生,使饼干的抗裂能力增加,不易使其破碎。当黄油添加量过多时,面团的粘性较差,在整形时饼干表面会有少许裂纹,烘烤后口感粗糙。因此,适宜的黄油添加量为45%。

表4 黄油添加量对饼干质构特性和感官的影响Table 4 Effect of butter addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.1.3 白砂糖添加量对马铃薯饼干品质的影响 白砂糖的添加量对马铃薯饼干品质的影响如表5所示。由表5可知,随着白砂糖添加量的增加,除脆度以外,硬度和韧性均逐渐上升。这是因为糖可以降低面团的吸水能力,延长面团的形成时间,适量的糖也可增加面团的延伸度、拉伸能力。当白砂糖添加较多时,糖的反水化作用会过量限制面筋的发展,使成品的口感过硬,无疏松的口感。当白砂糖的添加量较少时,糖的反水化作用不明显。在饼干的制作中,要有足够量的糖。一是为了使饼干的甜度适当,二是因为糖的焦糖化作用与美拉德反应,使饼干表面呈现黄色至金黄色,从而使饼干的色泽更加诱人。综合感官评分,最终得出白砂糖的添加量为25%。

表5 白砂糖添加量对饼干质构特性和感官的影响Table 5 Effect of white granulated suger addition amount on sensory and textural properties of biscuit

2.2 响应面试验结果

在单因素实验结果的基础上,根据Box-Benhnken中心组合实验原理,以感官评价的综合评分为响应值(Y),选取A(低筋面粉与马铃薯全粉质量比)、B(黄油添加量)、C(白砂糖添加量)为试验因素,进行响应面试验设计,共17个试验点,响应面试验设计及结果见表6。

表6 响应面试验设计及结果Table 6 Box-Benhnken experimential design and results

2.3 马铃薯饼干的主成分分析

采用SPSS 17.0对马铃薯饼干品质的各个指标进行主成分分析。根据大于85%的累计贡献率原则,提取的2个主成分累计贡献率为86.28%,解释为提取的2个主成分的全部指标为86.28%的信息,可以较全面反映马铃薯饼干的品质信息。由饼干指标特征向量绝对值的大小看出,决定第1主成分的主要指标是感官评分、咀嚼性;决定第2主成分的主要指标是硬度、韧性、脆度。

表7 马铃薯饼干品质中主成分的贡献率及特征值Table 7 Characteristic values and contribution rates of principal components in quality of potato biscuit

为消除变量自身数值大小的影响,对综合评分进行规范化处理后得到规范化评分,再以该评分作为响应面的响应值进行响应面分析,其结果如表8所示。

表8 主成分得分值与规范化综合评分Table 8 Principal component scores and standardized score

2.4 规范化综合评分的响应面分析

2.4.1 响应面优化实验 利用Box-Behnken 8.0.6软件对表6的实验数据进行多元回归拟合,得到的回归模型方程:

Y=0.83+0.059A-0.057B-0.013C+0.043AB-0.03AC+0.08BC-0.17A2-0.35B2-0.12C2

方程回归分析及方差分析结果见表9。在所选取的因素水平范围内,F值代表着各因素对马铃薯饼干综合品质影响的强度,F值越大,则表明影响作用越强。从表9可以看出,对马铃薯饼干建立的规范化综合评分回归模型p<0.01,极显著，失拟项p=0.5000>0.05,说明失拟项不显著,表明该方程可用,R2=0.9553,说明模型实际拟合效果较好,自变量与响应值之间的线性关系显著,可以用此方程确定马铃薯饼干的最佳配方。表9中A、B、C的p<0.01,达到极显著的影响水平,交互项AB的p<0.05,AC、BC的p<0.01,二次项A2、B2、C2的p<0.01,对响应值都具有极显著性。在试验所选取的因素范围内,按照对产品影响排序:A>B>C。

表9 回归模型方差分析Table 9 Analysis variance of regression model

响应面能够直接反应各因素与响应值之间的关系以及各因素间的交互作用,响应面的坡度越陡,等高线密集形成椭圆形则表明两个因素的交互作用的影响就越大。从图1可以看出,3个响应面均开口向下呈凸形曲线,表明响应面有极大值,也说明最优配方在所设计的因素范围之内。低筋面粉与马铃薯全粉的质量比与黄油的添加量的响应面坡度较陡峭,其等高线呈椭圆形,表明AB的交互作用变化明显。低筋面粉与马铃薯全粉质量比与白砂糖添加量的响应曲面的坡度比较陡峭,其等高线也呈椭圆形,则表明BC的交互作用极显著。由低筋面粉与马铃薯全粉质量比与黄油添加量的响应曲面的坡度陡峭程度可知,其坡度较明显,表明两者的交互作用变化明显。由图中的响应面曲面的坡度可知,其坡度较明显,等高线密集呈椭圆形,则表明AC的交互作用极显著(p<0.01)。

图1 各因素间的交互作用Fig.1 Interactions between the reaction factors

2.4.2 验证试验 利用Design-Expert 8.6软件对所得方程进行计算,确定饼干的最佳配方参数:低筋面粉与马铃薯全粉的质量比为7∶3，黄油添加量45.49%，白砂糖添加量24.75%。在此条件下,规范化综合评分为0.7818。根据实际条件,将参数修正后的最佳配方:黄油添加量45%，白砂糖添加量25%，低筋面粉与马铃薯全粉的质量比为7∶3,得到的规范化综合评分为0.7773,与预测的数值基本一致,则表明该模型基本准确,响应面分析法与主成分分析法相结合对马铃薯饼干的配方进行优化的方法确实可靠,有实用价值。

3 结论

本研究以低筋面粉和马铃薯全粉为主要原料,在单因素实验的基础上,通过主成分分析结合响应面法优化马铃薯饼干加工工艺,最优参数:低筋面粉与马铃薯全粉的质量比为7∶3,黄油添加量45%,白砂糖添加量25%。在此条件下马铃薯饼干得到的理论综合评分为0.7818，与实测值0.7773基本一致。在实验过程中,对马铃薯饼干品质影响最大的是马铃薯全粉的添加量,影响较小的是白砂糖的添加量。