D-最优混料设计优化复配淀粉紫薯粉条配方

曾雪丹 张 灿 王章英 蒋光阳 申光辉 吴贺君 陈安均 黎杉珊 张志清

(1.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014；2.广东省农业科学研究院作物研究所，广东 广州 510000)

紫薯(IpomoeabatatasL.Poir)是一种富含维生素(A、B1、B2、C、E)、矿物质(Ca、Mg、K、Zn)和膳食纤维的重要农作物，由于其含有丰富的花青素，相比普通甘薯具有更高的食用价值和营养价值[1-2]。近年来，紫薯精深加工产品类型日益丰富多样，如发酵紫薯醋、紫薯酒以及传统薯类加工品等。其中，以淀粉为主要原料的粉条是最主要的利用方式之一，作为中国传统食品，粉条也需要逐步走向多元化研发。陈兵等[3]将新鲜菠菜榨汁后添加到甘薯淀粉中研制了一种菠菜粉条，产品具有很好的可接受性。赵萌等[4]用高直链淀粉含量的绿豆淀粉与红薯淀粉复配生产粉条，结果表明绿豆淀粉添加量为40%时所得粉条的蒸煮品质与感官品质最佳。邢丽君等[5-6]研究了全粉添加量和制作工艺对粉条质量的影响，结果表明在紫薯全粉添加量为12%时甘薯粉条品质较好。但以上研究主要集中于单一或2种原料的基础上，原料综合营养价值不充分，对紫薯原料(淀粉、废渣)的利用率不高。课题组前期研究[7]，将富含花青素的紫薯汁液用于紫薯饮料开发或提取花青素；同时，利用过滤后获得的紫薯渣及紫薯汁液中提取的紫薯淀粉作为紫薯粉条原料，与其它淀粉复配加工形成新型复配淀粉紫薯粉条。由于紫薯渣和紫薯淀粉中富含不溶性膳食纤维，其粉条口感和蒸煮特性均不理想，亟待对配方和工艺进行优化。

本研究拟采用被广泛应用于材料、食品、精油、饲料等各类产品[8-9]配方优化中使用的混料设计试验，以紫薯渣粉、紫薯淀粉复配红薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉为原料，以质构特性、蒸煮特性、感官特性综合评分为判定指标，通过相关性分析筛选出能表征粉条质量的综合指标，探讨优化新型复配紫薯粉条的复配淀粉配方，旨在进一步提高紫薯原料的利用率，为多淀粉复配紫薯粉条生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料与试剂

紫薯渣粉、紫薯淀粉：从新鲜紫薯中提取(课题组自制)；

紫薯：购于四川省雅安市雨城区；

红薯淀粉：泗水利丰食品有限公司；

木薯淀粉：老挝高盛有限公司；

马铃薯淀粉：宁夏雪冠淀粉有限公司；

乙醇、柠檬酸(一水)、氢氧化钠、盐酸、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、酒石酸钾钠：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；

石油醚(沸程为60～90 ℃)：分析纯，成都金山化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

色差仪：NR10QC型，三恩驰科技有限公司；

物性分析仪：TA.XT Pluse 型，超技仪器公司；

扫描电镜：Ultra型，卡尔·蔡司股份公司；

九阳榨汁机：JYL-C16T型，九阳股份有限公司；

电热鼓风干燥箱：101型，北京市永光明医疗仪器有限公司；

凯氏定氮仪：B324型，雷磁—上海仪电科学仪器股份有限公司；

漏粉机：YL90L1-4型，上海意洋机电有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紫薯粉条加工工艺

混合原料粉→调浆→打芡→和面→漏粉→冷却→自然晾干

按照试验设计比例称取原料，并加入0.1%的食盐，混匀。将原料混匀取15%混合原料，加入一定体积的水调浆打芡，与剩余面粉混匀进行和面，在沸水中漏粉。漏粉后预煮、冷却，再自然晾干。

1.2.2 紫薯粉条原料配比试验设计 根据对淀粉凝胶特性的探究及预试验经验所得，在Design expert 8.0 软件中，每个试验组5种原料粉(紫薯淀粉、红薯淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、紫薯渣粉)占比总和为1，详见表1，以粉条的质构特性、蒸煮特性、感官特性综合评分为指标进行混料设计。

1.2.3 原料淀粉相关指标的测定

(1)水分：根据GB 5009.3—2016标准中的恒重法测定。

(2)灰分：根据GB 5009.4—2016标准中的马弗炉法测定。

(3)粗蛋白含量：根据GB 5009.5—2016标准中的标准凯氏定氮法测定。

表1 D-混料最优设计试验设计Table 1 The mixture design of optimal on raw material proportions

(4)粗脂肪含量：根据GB 5009.6—2016标准中的索氏抽提法测定。

(5)淀粉凝胶强度：利用质构仪测定[10]。质构仪参数：探头为 P/0.5；测定速度 0.5 mm/s；下压距离 8.0 mm。

1.2.4 紫薯粉条感官评定 评定方法参照GB/T 23587—2009和赵萌等[4]的评定标准稍有改动。经浸泡蒸煮后的紫薯粉条由食品专业学生组成的12人品尝小组，并参照表2 粉条感官评定表进行评分。

表2 紫薯粉条感官评分表Table 2 Sensory evaluation reference of starch vermicelli

1.2.5 紫薯粉条质构测定 将浸泡后的粉条在沸水中煮10 min进行质构测定。

(1)拉伸强度的测定：参照和赵萌等[5]方法并做如下修改。用游标卡尺测量并计算粉条横截面积。测试参数：探头ASPR；感应力10 g；拉伸距离50.0 mm；测试前、中、后的速度分别是2.0，1.0，2.0 mm/s。拉伸强度按式(1)计算：

P1=F1÷S，

(1)

式中：

P1——拉伸强度，g/mm2；

F1——最大拉力，g；

S——粉条的横截面积,mm2。

(2)TPA模式测定及剪切参数的测定：测试参数：探头 A/LKB-F；感应力20 g；测试应变90%；测试速度1.7 mm/s，测试前后速度2.0 mm/s。测定并记录TPA数据(黏性、弹性、凝结力、胶黏性、咀嚼性、回复力)及剪切应力按式(2)计算：

P2=F2÷S，

(2)

式中：

P2——剪切应力，g/mm2；

F2——最大剪切应力，g；

S——粉条的横截面积,mm2。

1.2.6 紫薯粉条蒸煮测定

(1)断条率的测定：取20根浸泡后的粉条置于500 mL 沸水中煮制20 min，挑出并数清断条的根数，按式(3)计算熟粉条断条率。

D=N÷20×100%，

(3)

式中：

D——断条率，%；

N——断条根数。

(2)蒸煮损失的测定：称取1 g左右干基粉条，记重为α。将预泡后的粉条放入100 mL沸腾的蒸馏水中煮10 min。将粉条放于坩埚中，测定其重量；将粉条放入105 ℃烘箱烘干至衡重，测定其重量;再将干粉条取出称量。膨胀系数及蒸煮损失[11]分别按式(4)、(5)进行计算：

E=(W1-W2)÷W3×100%，

(4)

L=(α-W3)÷α×100%，

(5)

式中：

E——膨胀系数，%；

L——蒸煮损失，%；

α——原干粉条重量，g；

W1——煮后粉条与坩埚的总质量，g；

W2——恒重后粉条与坩埚的总质量，g；

W3——恒重后粉条的重量，g。

1.2.7 紫薯粉条色泽测定 使用色差仪测定浸泡后的紫薯粉条色泽。结果以亮度值(L*)、红绿值(a*)、黄蓝值(b*)表示，比较不同试验组制作粉条之间的色泽差异[12]。

1.2.8 紫薯粉条微观结构扫描电镜观察 使用扫描电镜(ESEM)观察粉条微观结构[5]，分别制备浸泡后的紫薯粉条、浸泡后并煮制10 min粉条及煮制20 min后的粉条作为测试样品。

1.2.9 数据处理 采用Design-Expert 8.0.6 对试验进行设计，采用SPSS 23 统计软件中的Duncan法进行方差分析和相关性分析；若无特殊说明，所有数据都是3次测试所取的平均值。

2 结果与分析

2.1 紫薯粉条原料的测定与分析

紫薯渣粉和紫薯淀粉的水分、蛋白质、脂肪、灰分的测定结果分别为：6.788%、4.120%、0.857 g/100 g、0.956 g/100 g；10.033%、0.939%、0.755 g/100 g、0.224 g/100 g。粉条是一种以淀粉为主要原料制成的产品，淀粉中的蛋白质、脂肪等元素也能影响粉条的营养价值[13]，紫薯渣粉丰富的膳食纤维能增强紫薯粉条的营养价值。

使用单一的紫薯淀粉与紫薯渣粉制作的紫薯粉条易断条、质地较差。本研究结合其它薯类淀粉复配得到紫薯粉条新配方，优化了紫薯粉条的品质。结果表明，红薯淀粉的凝胶强度最大，为(257.57±2.91)g，木薯淀粉[(215.72±3.20)g]与紫薯淀粉[(143.97±3.06)g]次之，马铃薯淀粉[(84.73±4.27)g]最小。淀粉凝胶的形成是由于淀粉颗粒在糊化冷却过程中会通过氢键交联聚合，形成三维网络凝胶结构[14]，而且淀粉凝胶强度与粉条的品质存在显著关系[15]，因此根据不同淀粉凝胶强度的高低初步确定添加量范围：红薯淀粉添加量大于木薯淀粉，马铃薯淀粉添加量最小，紫薯淀粉和紫薯渣粉作为紫薯风味的原料粉，在保证粉条质量的条件下尽可能多的添加。

2.2 紫薯粉条综合品质评分

对优化设计试验中25组配方加工制成的紫薯粉条的质构特性、蒸煮特性、感官特性进行测定，并做综合评分。

紫薯粉条质构特性采用主成分分析法进行综合评分，将25组试验组的8项质构指标(拉伸强度、剪切应力、黏性、弹性、凝结力、胶黏性、咀嚼性、回复力)在SPSS软件中做主成分方差分析，分析结果如表3所示，根据累积贡献率>85%的原则，选取前4个主成分。将25组试验组各成分得分(F1、F2、F3、F4)在质构综合得分公式T1=F1×0.509 65+F2×0.182 92+F3×0.123 12+F4×0.094 02 中计算得T1，如表4所示。T1值越大表明粉条的质构指标越好，该复合配方越适合生产紫薯粉条。王永强等[16]在鲜湿米粉的质构分析中同样采用了主成分分析法，最终提取5个主成分，相比而言本研究更加精炼地提取了主成分。

紫薯粉条蒸煮特性综合评分，为消除指标间值域范围不同对客观评分的影响，先使用SPSS标准化将蒸煮特性指标(断条率、膨胀度、蒸煮损失)通过描述标准化得到断条率标准值Z1、膨胀度标准值Z2、蒸煮损失标准值Z3。由于粉条断条率和蒸煮损失与粉条品质呈负相关，膨胀度与粉条质量呈正相关，因此按照T2=-Z1+Z2-Z3计算蒸煮特性的综合评分，结果见表4。当断条率和蒸煮损失值越小及膨胀度越大时，T2值越大，紫薯粉条的蒸煮特性也就越好，越适合用于生产优质的紫薯粉条。

感官特性得分由12位食品专业人员品尝打分汇总求其平均分所得，感官得分如表4所示。感官总评分为综合评分T3。其中，外形(G1)、气味(G2)、组织状态(G3)、口感(G4)的感官评分项能够代表不同的感官质量，总分T3能代表总体感官质量。

2.3 原料配方模型的建立

借助Design-Expert 8.0分别以质构特性综合品质(T1)、蒸煮特性综合品质(T2)和感官特性综合品质(T3)作为表1中25组配方试验的响应值，以紫薯淀粉(A)、红薯淀粉(B)、木薯淀粉(C)、马铃薯淀粉(D)、紫薯渣粉(E)原料的添加量为自变量，进行回归拟合，拟建立 3 个综合品质的回归模型。但响应值蒸煮特性的综合品质(T2)未能构建合适模型(模型不显著)；而鲜湿米粉[16]的蒸煮特性最终能构建合适的模型，可能是挑选的蒸煮特性测定指标不同造成的。又将质构特性综合品质、蒸煮特性综合品质、感官特性综合品质及色泽中的各测定指标做了相关性分析，最终结果如表5所示。

通过测定指标的相关性分析，蒸煮特性指标与感官特性综合品质和质构特性综合品质均表现出相关性，粉条各指标间很多交互之处。因此，在评价粉条总体品质时可简化测定指标，就本研究的紫薯粉条而言，其蒸煮特性的相关指标能够从质构特性综合品质、感官特性综合品质中体现。25组试验配方粉条断条率为0.00%～0.15%，蒸煮损失为4.66%～6.92%，膨胀率为198.8%～317.3%，参考前人[17-18]研究的粉条蒸煮特性，显示其粉条的蒸煮特性均为良好。综上所述，质构特性综合品质和感官特性综合品质这2个响应值能较全面地代表粉条的质量。

最终选取质构特性综合品质(T1)、感官特性综合品质(T3)为响应值建立回归模型并得到最优配方。对质构特性综合品质(T1)进行方差分析和多项回归拟合，拟合所得二次多项式回归方程：

表3 相关矩阵特征值、方差贡献率及成分系数Table 3 The eigenvalues and cumulative percentage of correlation matrix

表4 质构、蒸煮及感官综合得分表†Table 4 Comprehensive value of textural,cooking and sensory properties

†F1、F2、F3、F4分别为质构综合指标主成分分析提取出的4个主成分得分，T1为质构特性综合品质综合得分；Z1、Z2、Z3分别为断条率、膨胀度、蒸煮损失的标准值，T2为蒸煮特性的综合评分；G1、G2、G3、G4分别为感官评分中的外形、气味、组织状态、口感，T3为感官综合评分。

T1=21.276 71A+61.805 81B-115.628 30C+511.011 34D+182.330 35E-71.140 28AB+108.831 23AC-662.189 34AD-254.144 07AE+109.787 04BC-865.897 92BD-368.809 42BE-51.620 22CD-159.922 48CE-744.462 23DE。

(6)

对感官特性综合品质(T3)进行方差分析和多项回归拟合，拟合所得二次多项式回归方程:

T3=445.675 96A+319.274 98B+424.375 29C-4 652.108 96D+227.533 10E-994.398 96AB-1 764.519 82AC+6 105.813 24AD-1 137.220 24AE-485.528 47BC+4 095.239 09BD-410.762 59BE+5 013.617 28CD+198.577 55CE+5 559.488 27DE。

(7)

表6中对方程(6)进行方差分析表明，F=8.33，P<0.001，说明此模型极显著；失拟项F=1.52，P=0.328 5，失拟不显著;确定系数R2=0.921 1。其中交互项BD、BE在提高粉条质构特性上产生了极显著作用，红薯淀粉(B)和马铃薯淀粉(D)的交互作用可整体增强紫薯粉条的质构特性，而红薯淀粉(B)和紫薯渣粉(E)的交互作用可能需要均衡用量来提高紫薯粉条的质量。对方程(7)进行方差分析表明，F=5.43，P=0.005 3，说明此模型极显著；失拟项F值为0.96，P值为0.518 6，失拟不显著;确定系数R2=0.883 8。其中AC、DE之间的交互作用在提高粉条感官特性上产生了极显著的作用，紫薯淀粉(A)和木薯淀粉(C)都属于黏性较好的淀粉，在保证紫薯粉条的品质的情况下，紫薯淀粉添加量的增加有助于提高粉条的感官品质。同理，紫薯渣粉(E)不利于紫薯粉条的成形，但有助于提高紫薯粉条的感官品质，在能确保粉条成形的条件下提高紫薯渣的添加量有助于提高紫薯粉条的感官品质。

综上，质构特性和感官特性2项综合指标，模型拟合程度较好，可以用此模型较好地反映紫薯粉条的质构综合品质与原料比例的关系。

2.4 紫薯粉条混料配方的优化与验证

在 Design-Expert 8.0中，用最优混料设定各组分的变化范围，且设定质构综合品质、感官综合品质目标值为最大值[16]。运行软件给出最优组合为紫薯淀粉35.0%、红薯淀粉15.0%、木薯淀粉18.5%、马铃薯淀粉9.5%、紫薯渣粉22.0%，综合评分预测值质构综合品质T1=1.24、感官综合品质T3=83.2，最终验证试验所得试测值(T1=1.25±0.26，T3=82.71±1.78)与预测值相近。

表5 指标的相关性分析†Table 5 Correlation analysis of indicators

† ** 表示P<0.01水平上相关性显著；* 表示P<0.05水平上相关性显著。

表6 质构特性和感官特性回归模型及因素的方差分析†Table 6 Variance analysis of textural and sensory properties regress model and factor

† ** 表示P<0.01水平上相关性显著；* 表示P<0.05水平上相关性显著。

2.5 最优配方紫薯粉条的微观表征

对优化后的紫薯粉条进行微观表征，样品分别为75 ℃ 浸泡20 min、沸水煮制10 min和沸水煮制20 min的粉条。由图1可知，浸泡后的粉条通过蒸煮，其孔径变大，粘连部分表面变得光滑紧致。其孔径变大的原因，可能是蒸煮过程中随着吸水粉条膨胀度也随之增加。在蒸煮过程中，随着蒸煮时间延长糊化程度增加，所以粘连部分表面变得光滑紧致，这也与煮20 min的粉条更有弹性和韧性相符。但从图1中可看出，粉条截面孔径较多并较大，可对优化后的配方进行工艺改良，从而提高粉条质量。

图1 不同样品的SEM图Figure 1 The SEM photos of different samples

3 结论

以紫薯渣粉、紫薯淀粉、红薯淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉为紫薯粉条的基本原料，利用不同原料粉性质不同和彼此间的交互作用，其产品口感爽滑、具有紫薯特有色泽。用Design-Expert 8.0软件设计的25组试验组，并测定其色泽指标、蒸煮指标、感官指标、质构指标，利用主成分分析法、无量纲标准法对各指标进行综合评分。得到质构特性综合品质(T1)、蒸煮特性综合品质(T2)和感官特性综合品质(T3)为响应值，在Design-Expert 8.0软件中进行线性回归拟合并建立模型。根据指标的相关性分析和模型拟合情况最终选定T1和T3作为混料设计优化响应值。最终优化得到的配方的添加量为：紫薯淀粉35.0%、红薯淀粉15.0%、木薯淀粉18.5%、马铃薯淀粉9.5%、紫薯渣粉22.0%。最终验证实验得到的结果与预测值相符，说明混料设计模型较为准确。此研究开拓了紫薯粉条的研究思路，丰富了紫薯加工产品的种类。在此混料配方的基础上，粉条的工艺有待进一步研究。