响应面法优化生湿面防褐变工艺

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(1.湖南农业大学食品科技学院,湖南长沙 410128;2.长沙凯雪粮油食品有限公司,湖南长沙 410008)

面条在亚洲居民饮食文化中占据重要的一席之地。近年来,生湿面作为日益兴起的一种新型方便面制品,其口感风味俱佳,新鲜营养,相比于通过干燥和油炸方式降低面条中水分含量而制得的挂面和方便面,更能满足消费者对食品安全健康营养的饮食消费需求[1-2]。然而生湿面水分含量高,成分复杂,在常温条件下贮藏易发生褐变,其主要外在表现为表面色泽变暗,且颜色分布不规则,严重影响外观,降低了产品的商业价值[3]。因此,褐变问题是生湿面贮藏期间需要研究者们亟待解决的难点之一。影响面条色泽变化的因素众多,既与小麦粉的色泽、制粉工艺、多酚氧化酶(PPO)活性等密切相关,还与面粉中主要组分如蛋白质、淀粉、脂肪的含量等有关,生湿面的制作工艺以及贮藏环境等因素也占有部分的原因[4-5]。

目前,有关褐变的机理仍未明确,有研究表明:生湿面发生褐变其重要因素为面粉中PPO，在有氧条件下可催化酚类物质转变为醌类物质，进而产生黑色素,从而引起酶促褐变[6]。因此,抑制生湿面PPO的活性,是维持其良好感官品质和色泽的关键出发点。当前生湿面抑制褐变的措施常采用物理、化学方式,如热处理、酸处理、添加酶活抑制剂等[7-8]。牛猛等[9]采用超声波与抗坏血酸联用,对生湿面中PPO活性产生协同抑制作用,有效地抑制了褐变的发生。李华等[10]考察了抗坏血酸、柠檬酸、异抗坏血酸和植酸这类有机酸对生湿面护色的效果,其主要通过降低面条体系中的pH来防止褐变。茶多酚抗氧化性较强,能抑制氧化酶的活性,可与促进酶促褐变的金属离子螯合,从而抑制褐变[11];马铃薯淀粉可改善面条的色泽,提高面条的食用品质[12];葡萄糖氧化酶可利用氧气将葡萄糖分子上的醛基转变为羧基,生成葡萄糖酸,抑制褐变的发生[13];热烫作为一种物理手段常应用于果蔬护色方面,如生姜汁、南瓜叶、香蕉浆等,能有效钝化PPO的活性,排除氧气,从而达到抑制酶促褐变的目的[14]。热烫实现成本低,便于操作,然而鲜见其在生湿面防褐变研究中的应用。本试验主要通过研究热烫时间、茶多酚、马铃薯淀粉、葡萄糖氧化酶、抗坏血酸对生湿面防褐变效果的影响,筛选出抑制褐变效果较好的几个因素并采用响应面法优化,以期获得最优的生湿面防褐变工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高筋面粉 长沙杨裕兴食品有限公司提供;鸡蛋、食用碱 市售;抗坏血酸、葡萄糖氧化酶 德国三颗星食品物料公司;马铃薯淀粉 河南恩斯食品有限公司;茶多酚 深圳恒生生物科技有限公司。

DK-98-IIA型电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司;电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;BS216型压面机型 石家庄西美特炊事机械制造有限公司;WSC-Y型自动测色色差计 北京光学仪器厂;GZ-250-S型生化培养箱 韶关市广智科技设备发展有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 生湿面的制作 称取高筋粉100 g,称取质量比为26%饮用水(煮沸后备用)、0.3%食用碱以及4%全蛋液,将其充分混匀,进行手工和面,和面完毕时,要求面絮呈松散的颗粒状,手握可成团,轻轻搓揉仍可松散复原即可。将其置于压面机上,将辊距从5 mm逐步调至3.5 mm,每档反复压延3～4次,最后形成厚3.5 mm、组织细密、厚薄均匀、平整光滑的面片,将压延好的面片切成10 cm×10 cm,采用真空包装袋普通密封包装后即可。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 热烫时间对生湿面防褐变效果的影响 根据1.2.1中制作好生湿面用真空包装袋密封包装,置于设有85 ℃的恒温水浴锅的中央位置,分别热烫50、60、70、80、90 s,在28 ℃下贮藏，定期测定其色度,并计算色差值ΔE。

1.2.2.2 护色剂对生湿面防褐变效果的影响 面粉中分别加入不同添加量(以面粉质量比计算)的护色剂:茶多酚(0.008%、0.010%、0.012%、0.014%、0.016%);马铃薯淀粉(2%、4%、6%、8%、10%);葡萄糖氧化酶(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%);抗坏血酸(0.012%、0.014%、0.016%、0.018%、0.020%),并根据1.2.1的方法制作好生湿面用真空包装袋密封包装,在28 ℃下贮藏，定期测定其色度,并计算色差值ΔE,探究各单一护色剂的褐变抑制效果。

1.2.3 响应面试验 根据单因素实验结果,选取防褐变效果较优的三个因素:热烫时间、葡萄糖氧化酶添加量、抗坏血酸添加量为自变量,以色差值为响应值,设计Box-Benhnken三因素三水平的响应面优化试验,以确定生湿面的最优防褐变工艺条件,各因素和水平见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平表Table1 Factors and levels of Box-Behnken experiment design

1.2.4 色差值的测定 采用色差仪分别测定生湿面片制作完成后0、2、4、6、8、10、24 h时面片的L*、a*、b*值,其中L*代表面片的亮度值,取值从0～100表示颜色由黑到白;a*代表面片的红绿值,+a*呈红色趋势、-a*呈绿色趋势;b*代表面片的黄绿值,+b*呈黄色趋势、-b*呈蓝色趋势。ΔE代表面片某时间段间的色差值,体现面片的褐变程度,ΔE值越小,表示褐变程度越轻,反之亦然[15-16]。

式中：ΔL=L0-L,Δa=a-a0,Δb=b-b0,其中L0、a0、b0为0 h样品的色泽参数;L、a、b为除0 h外某贮藏时间点样品的色泽参数。

1.3 数据处理 试验数据以平均值±标准差的形式表示,采用Origin Pro 8.5软件进行制图,SPSS 18.0进行数据分析,Design Expert 8.0.6软件进行响应面分析以及方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 热烫时间对生湿面防褐变效果的影响 PPO对热不稳定,采用短时高温处理可使PPO失活,从而抑制酶促褐变,一般而言,热处理温度控制在75～95 ℃下便可使大多数酶失活[17]。如图1所示,生湿面片在不同热烫时间处理条件下,随着贮藏时间的延长,色差值均有所升高,贮藏10～24 h时色差值上升趋势相对较快,经过不同热烫时间处理条件下的生湿面片与CK组相比存在显著性差异(P<0.05)。贮藏10 h后,热烫时间为80 s的面片色差值与热烫时间为90 s的样品存在显著性差异(P<0.05),且色差值低于其它组。这说明热烫可以使引起生湿面褐变的PPO失活,从而进一步有效控制褐变,但热烫时间过长,更大程度地钝化酶活的同时可能会造成非酶褐变,其次导致面条熟化,品质改变[18-19]。综合考虑,选取热烫时间为60～80 s进行后续试验。

图1 热烫时间对生湿面色差值的影响Fig.1 Effects of blanching time on color difference of fresh wet noodles

2.1.2 葡萄糖氧化酶添加量对生湿面防褐变效果的影响 面粉中含有的天然色素也是影响面条色泽的重要因素之一,其中叶黄素、胡萝卜素等色素易被氧化,不稳定,葡萄糖氧化酶在有氧条件下通过促使葡萄糖产生过氧化氢,使其氧化面条中这类色素而达到护色目的[20-21]。如图2所示,加入不同葡萄糖氧化酶添加量的生湿面片在贮藏时间内色差值显著低于CK组样品(P<0.05),其中贮藏2～6 h时面片色差值的增长速率较快,而6～24 h时色差值的增长速率趋于平缓;葡萄糖氧化酶添加量为0.01%和0.04%两个样品间色差值差异不显著(P>0.05)。贮藏6 h后,葡萄糖氧化酶添加量为0.03%的面片色差值相比于添加量为0.05%的样品呈现显著性差异(P<0.05),且对生湿面褐变抑制效果最佳。综合考虑,选取葡萄糖氧化酶添加量为0.02%～0.04%进行后续试验。

图2 葡萄糖氧化酶添加量对生湿面色差值的影响Fig.2 Effects of glucose oxidase amount on color difference of fresh wet noodles

2.1.3 抗坏血酸添加量对生湿面防褐变效果的影响 抗坏血酸具有强还原性,可将酶促褐变过程中产生的醌还原成酚,还可与醌结合产生脱氢抗坏血酸和邻二酸,同时可减少体系中的氧含量,从而间接抑制多酚氧化酶的活性,延滞了黑色素的生成[22-23]。如图3所示,色差值随着抗坏血酸添加量的增加整体呈现出先降低后增高的趋势,抗坏血酸添加量为0.018%和0.020%的两个面片间色差值无显著性差异(P>0.05)。抗坏血酸添加量为0.014%的面片色差值在贮藏时间内与CK组样品存在显著性差异(P<0.05),且低于其它各处理组。抗坏血酸添加量多高或过低都不利于护色,可能与其自身氧化,加剧了面片的不稳定性,造成非酶促褐变有关[24]。综合考虑,选取抗坏血酸添加量为0.012%～0.016%进行后续试验。

图3 抗坏血酸添加量对生湿面色差值的影响Fig.3 Effects of ascorbic acid amount on color difference of fresh wet noodles

2.1.4 茶多酚添加量对生湿面防褐变效果的影响 茶多酚具有抗氧化作用,可抑制褐变,有利于色素的稳定[25]。如图4所示,CK组和茶多酚处理组样品在常温下贮藏时,色差值会随着贮藏时间的增加而增大,且在0～10 h时上升趋势较快。当茶多酚添加量为0.008%时,对生湿面褐变抑制效果最佳。但随着茶多酚添加量的增大,色差值逐渐增大,面片表面颜色反而相对变差,可能与茶多酚自身带有颜色,且PPO可催化茶多酚氧化聚合成茶红素、茶黄素等深色物质有关[26]。添加茶多酚的面片色差值总体要低于CK组,说明茶多酚对生湿面褐变具有一定的抑制作用。但相比于葡萄糖氧化酶、抗坏血酸,其褐变抑制效果较差。

图4 茶多酚添加量对生湿面色差值的影响Fig.4 Effects of tea polyphenol amounton color difference of fresh wet noodles

2.1.5 马铃薯淀粉添加量对生湿面防褐变效果的影响 马铃薯淀粉护色效果的体现一方面可能由于马铃薯淀粉能够通过束缚更多水而使多酚氧化酶的活性降低,同时,促使淀粉和蛋白质分子之间紧密连接形成致密的结构,从而抑制氧化反应造成的褐变;另一方面,淀粉颗粒较小,易与面粉混匀,对光的反射程度偏大,色泽较好[5,12,27]。如图5所示,马铃薯淀粉处理下的生鲜面随着贮藏时间的延长,色差值均低于CK组,表明马铃薯淀粉对生湿面有护色效果。随着马铃薯淀粉添加量的增大,面片色差值呈现先下降后升高的趋势,当添加量为4%时,各时间段内色差值均最小,对生湿面褐变抑制效果最佳。但相比于葡萄糖氧化酶、抗坏血酸,其褐变抑制效果较差。

表3 模型回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

图5 马铃薯淀粉添加量对生湿面色差值的影响Fig.5 Effects of potato starch amount on color difference of fresh wet noodles

注:**为差异极显著(P<0.01);*为差异显著(P<0.05)。

2.2 响应面优化设计及结果

综合单因素实验结果,以热烫时间、葡萄糖氧化酶添加量、抗坏血酸添加量为自变量,色差值为响应值,采用Box-Behnken中心组合试验设计原理,进行三因素三水平共17个实验点的响应面试验,对生湿面防褐变工艺进行优化,响应面试验方案及结果见表2。

表2 响应面试验方案及结果Table 2 Scheme and results of Box-Behnken experiment

2.2.1 回归模型的建立及方差分析 以色差值为响应值,利用Design-Expert8.0.6软件对表2中的试验数据进行处理与分析,通过回归拟合得到二次多项式模型如下:

Y=2.35-0.34A-0.11B+0.065C-0.025AB+0.035AC+0.075BC+0.25A2+0.25B2+0.091C2

2.2.2 响应面分析 图6～图8分别表示热烫时间、葡萄糖氧化酶添加量和抗坏血酸添加量之间的交互作用对生湿面色差值的影响。由图6、图7所示,两两因素交互作用不显著。由图8可知,葡萄糖氧化酶添加量与抗坏血酸添加量交互作用的响应面图呈先降低后升高的抛物线型趋势,且坡度偏陡,等高线的形状呈椭圆形,表明抗坏血酸添加量与葡萄糖氧化酶添加量交互作用显著,对色差值的影响程度较高。当抗坏血酸添加量固定时,色差值随着葡萄糖氧化酶添加量的增加呈现先快速下降后缓慢升高的趋势;当葡萄糖氧化酶添加量固定时,色差值随着抗坏血酸添加量的增加呈现先缓慢下降后缓慢升高的趋势。

图6 热烫时间与葡萄糖氧化酶添加量对生湿面色差值影响的响应面图Fig.6 Response surface graph for the effect of blending time and glucose oxidase amount on color difference of fresh wet noodles

图7 热烫时间与抗坏血酸添加量对生湿面色差值影响的响应面图Fig.7 Response surface graph for the effect of blending time and ascorbic acid amount on color difference of fresh wet noodles

图8 葡萄糖氧化酶添加量与抗坏血酸添加量对生湿面色差值影响的响应面图Fig.8 Response surface graph for the effect of glucose oxidase and ascorbic acid amount on color difference of fresh wet noodles

通过Design Expert 8.0.6软件处理分析得到,生湿面防褐变工艺最佳条件为:热烫时间77.61 s、葡萄糖氧化酶添加量为0.034%、抗坏血酸添加量为0.013%,预测此时色差值为2.18。按照上述优化工艺条件处理生湿面,考虑实际的易操作性,将防褐变工艺条件修改为热烫时间77 s、葡萄糖氧化酶添加量为0.03%、抗坏血酸添加量为0.013%。为验证该模型所得结果的可靠性,进行三次平行验证试验,得到生湿面色差值为2.23,与预测值较相符,相对误差为0.14%,表明响应面法优化得到的生湿面防褐变工艺条件准确可靠,具有一定的实际参考价值。

3 讨论与结论

微生物生长繁殖及褐变是当前生湿面流通过程中存在的两大技术瓶颈,本试验采用普通密封包装,包装好的生湿面放于常温(28 ℃)下贮藏,当贮藏时间超过24 h时,测定其菌落总数已超过生湿面微生物限量标准106lg(CFU/g),已不可食用,且贮藏24 h后肉眼可见面条色泽变差。生湿面在贮藏期间,其色泽指标基本采用非等间距时间段进行测定,且生湿面ΔL值在贮藏12～24 h基本无显著变化。通过预试验得到,样品L值和ΔE值在贮藏10～24 h基本无显著性变化,故本试验未进行时间细化。

在单因素实验的基础上,通过Box-Benhnken响应面优化试验,建立热烫时间、葡萄糖氧化酶添加量和抗坏血酸添加量对生湿面色差值的回归模型,该模型下得到影响生湿面色差值的因素主次顺序为热烫时间>葡萄糖氧化酶添加量>抗坏血酸添加量,确定生湿面最佳防褐变工艺条件为热烫时间77 s、葡萄糖氧化酶添加量为0.03%、抗坏血酸添加量为0.013%,此条件下生湿面色差值为2.23,与模型预测值相接近,表明模型对试验拟合性较高,适用于生湿面防褐变工艺的优化。本研究所得的防褐变工艺有利于改善生湿面易褐变等问题,但影响生湿面色泽的因素较多,抑制生湿面褐变研究仍存在较大的上升空间,可以从不同面粉种类、非酶褐变等方面进行进一步研究。