响应面法优化黑木耳莜麦饼干的配方

陈金凤，马娟娟，李倩兰，韩娜，常延江，张盛贵

(甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070)

饼干是一种以小麦粉为原料，加入油脂、糖等其他辅料经焙烤而形成的食品.由于具有耐贮藏、易携带等优点，深受消费者喜爱[1].随着社会发展及人民生活水平日益提高，纯小麦粉饼干已不能满足人们对营养的需求，将非小麦粉辅料引入或替代一部分小麦粉已然成为市场发展趋势，应运而生出口味独特，风味不一的饼干，如薯类饼干[2]、膳食纤维饼干[3]、水果类饼干[4]、杂粮饼干[5-7]、食用菌饼干[8]等.黑木耳也被称之为“素中之荤”，具有益气强身、补气血、润肺、止血等功能，它能减肥、防癌、治便秘、防冠心病和白糖尿病，抗血凝、抗血栓、降血脂，降低血液黏度，软化血管，使血液流动顺畅，减少心血管疾病发生[9-10].由于黑木耳自身不含淀粉，因此将黑木耳与低筋面粉混合制成休闲饼干，能够使消费者在日常饮食中汲取丰富的营养物质，起到保健的作用，符合现代消费者需求.唐平等[11]对黑木耳新型产品进行调查，结果表明人们对黑木耳焙烤食品具有较高的接受度和期望值.但目前市场上的黑木耳焙烤产品远远不能满足人们的需求.莜麦所含氨基酸种类齐全，脂肪、膳食纤维及维生素等丰富，蛋白质含量高，具有降血脂、降血压、预防糖尿病等多种保健功效[12].开发莜麦保健面制品，同样可以起到丰富人类饮食结构和预防疾病的作用.近年来有学者对黑木耳饼干和莜麦饼干进行了一些相关研究：陈红等[13]发现黑木耳的添加量为15%、油脂和绵白糖添加量均为35%时，黑木耳饼干口感酥松，香甜可口，黑木耳在饼干表面分布均匀，饼干感官评分最高.莎娜等[14]研究表明莜麦曲奇饼干的最佳配方为莜麦粉50 g，黄油105 g，白砂糖75 g，奶粉10 g.刘洪元等[15]发现利用蒸煮莜麦面为主要成分制作饼干，可以避免以生莜麦面或市售莜麦面为主要成份所制饼干所具有的色乌、味苦及有异味之缺点.通过前人的研究，对黑木耳、莜麦饼干工艺优化有了一定的了解，但将黑木耳和莜麦同时添加制作饼干的报到目前相对较少，因此，本试验将黑木耳与莜麦同时添加进低筋面粉，研究黑木耳、莜麦、植物油和白砂糖添加量对黑木耳莜麦饼干感官的影响，确定最佳配方，旨在开发一款口感、色泽和形态俱佳的黑木耳莜麦饼干，这对于优化人们的饮食结构，增加黑木耳及莜麦的价值，为黑木耳和莜麦产品的深加工提供了新的思路与参考依据.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

低筋面粉：青岛百乐麦食品有限公司；黑木耳：甘肃省康县兴源土特产商贸有限责任公司；莜麦粉、植物油、白砂糖、黄油、食盐、奶粉、泡打粉和鸡蛋均为市售.

1.2 仪器与设备

分析天平：上海越平科学仪器有限公司；万能高速粉碎机：浙江红景天工贸有限公司；家宝德(UKOEO)电烤箱：珠海家宝德科技有限公司；MT-5家用压面机：龙口市复兴机械有限公司；金属筛：新乡市高服机械股份有限公司；电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；LyoQuest-85冻干机：西班牙泰事达公司.

1.3 方法

1.3.1 基本配方 以100 g低筋面粉为基准，添加食盐0.64%、泡打粉1.37%、黄油10%、奶粉为2.5%、鸡蛋液40%，其余的黑木耳粉、莜麦、植物油和白砂糖添加量由单因素试验确定[16].

1.3.2 工艺流程 原料预处理 → 辅料预混 → 面团调制 → 辊压成型 → 焙烤、冷却 → 成品饼干.

1.3.3 操作要点 按配方要求准确称取低筋面粉、黑木耳粉、莜麦、植物油、白砂糖、黄油、食盐、泡打粉、鸡蛋液和奶粉等，将食盐、白砂糖、泡打粉等搅拌溶于蛋液，再和剩余原料一并加入面粉中缓慢滚揉直至形成面团，该过程保持温度在37～40 ℃[13]。滚揉结束后静置约10 min，使面团表面光滑，再经压面机压成2.0～3.0 mm厚的面片[17]，并用模具制作成型。分别给烤盘和面坯刷油后置入烤箱，设置上火和下火温度分别为220 ℃和180 ℃，烘烤7～8 min，烤至饼干完全上色.

1.3.4 黑木耳干燥方式对饼干品质的影响

1.3.4.1 黑木耳预处理 热风干燥：将黑木耳用温水浸泡、清洗干净后切除根部，均匀置于烤筛放入烘箱.干制分4个阶段：第1阶段温度控制在43 ℃，时间约2 h；第2阶段温度控制在48 ℃，时间约3 h；第3阶段温度控制在53 ℃，时间约5 h；第4阶段温度控制在58 ℃，时间约4 h，待黑木耳全干后置于干燥器中冷却至室温，用粉碎机粉碎并过80、100和120目的筛网，将粉末装入自封袋于室温下贮藏备用.

真空冷冻干燥：将黑木耳用温水浸泡、清洗干净后切除根部，置于-80 ℃冰箱预冷6 h，打开冻干机，选择半自动模式，设置真空度0.070 mBar，调至冷冻模式，将预冷样品放入冷肼冷冻30 h，随后切换至抽真空模式续冻12 h.将冻干后的黑木耳用粉碎机粉碎并过80、100和120目的筛网，将粉末装入自封袋于室温下贮藏备用.

1.3.4.2 黑木耳干燥方式的筛选 将热风干燥与真空冷冻干燥后的黑木耳粉碎后过120目筛，以100 g低筋面粉为基准，固定2种120目黑木耳粉末添加量为10%，莜麦、植物油和白砂糖添加量分别为8%、25%和25%，其余原辅料添加量保持不变，根据产品的感官评分确定黑木耳的干燥方式.

1.3.5 烘干后黑木耳粉末目数对饼干品质的影响 以100 g低筋面粉为基准，固定黑木耳粉末、莜麦、植物油和白砂糖添加量分别为10%、8%、25%和25%，黑木耳粉末分别过80、100、120和140目筛，其余原辅料添加量保持不变，根据产品的感官品质评分标准确定黑木耳粉末的最优目数.

1.3.6 单因素试验 参考陈红和李程程等[13,18]制作饼干的方法，以100 g低筋面粉为基准，在食盐0.64%、泡打粉1.37%、黄油10%、奶粉2.5%、鸡蛋液40%的条件下，固定其他条件不变，设置120目黑木耳粉末添加量 5%、7.5%、10%、12.5%、15%、莜麦粉添加量4%、6%、8%、10%、12%、植物油添加量15%、20%、25%、30%、35%和白砂糖添加量15%、20%、25%、30%、35%，以总感官评分为指标，进行单因素试验，每个试验重复3次.

1.3.7 响应面试验设计 根据单因素试验结果进行响应面设计，优化黑木耳莜麦饼干配方.各试验组的编码与取值见表1.

表1 Box-Behnken 设计因素水平表

1.3.8 感官评定 参考表2感官评定标准[13]，由10名专业人员组成评价小组，对黑木耳莜麦饼干进行评定.

表2 感官评定标准

1.4 数据分析

运用Origin 8.6进行绘图，运用SPSS 19.0和和Design Expert 8.0.5进行数据分析，采用Tukey’s HSD进行方差分析，P<0.05表示差异显著.

2 结果与分析

2.1 黑木耳粉末干燥方式及粉末目数的确定

2.1.1 黑木耳干燥方式对饼干品质的影响 本试验选用热风干燥、真空冷冻干燥两种干燥方式干燥黑木耳，2种产品感官评价时发现热风干燥黑木耳莜麦饼干片形整齐，颜色均匀，口感酥脆；真空冷冻干燥黑木耳莜麦饼干表面不光滑，有孔洞.由图1可知，热风干燥处理黑木耳莜麦饼干的感官评分显著高于真空冷冻干燥黑木耳莜麦饼干，这是由于真空冷冻干燥得到的黑木耳内部具有多孔的海绵状，黑木耳在后期接触水分后能够迅速吸水而膨胀，因此在面团调制环节冻干黑木耳粉大量吸水膨胀，体积增大，使得最终加工得到的饼干表面不平整，影响其感官品质.此外，黑木耳粉碎后过筛时发现热风干燥的黑木耳过筛容易，而真空冷冻干燥的黑木耳过筛困难；热风干燥处理原料耗时短，一次可制备大量干制黑木耳，真空冷冻干燥耗时长，每次干燥的黑木耳量有限，因此本试验选择热风干燥处理黑木耳原料.

图1 干燥方式对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 1 Effect of drying methods on Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

2.1.2 黑木耳粉末目数对饼干品质的影响 由图2可知，添加80目黑木耳粉末时饼干表面粉末状黑木耳明显，由于木耳颗粒较大，使得饼干表面平整度受到影响，此外食用口感粗糙，导致饼干感官评分相对较低.随着黑木耳粉末目数的增加，木耳颗粒粒径逐渐变小，粉质变得细腻，饼干的颜色和平整度得到改善，食用时木耳颗粒感逐渐趋于不明显，口感变得圆润，饼干感官评分显著增大.在这与高婷婷等[19]在研究黑木耳粉粒度对天然木耳纸感官评分的影响得到的结果类似.当黑木耳粉末的目数达到120目时，饼干表面颜色均匀且黑木耳粉末分布均匀，片形整齐，入口口感细腻光滑，感官评分达到最大值.当粉末目数继续增大到140目时，饼干口感无明显改善，140目与120目黑木耳粉末加工出的饼干感官评分之间不存在显著性差异，且由于黑木耳在粉碎时处理时间增长，因此后续单因素试验选用120目黑木耳粉末进行试验.

图2 黑木耳粉末目数对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 2 Effect of Auricularia auricula powder mesh size on Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 黑木耳粉末添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响 由图3可知，黑木耳粉末添加量由5%增

图3 黑木耳粉末添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 3 Effect of Auricularia auricula powder addition on Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

加至7.5%时，，饼干的感官评分显著性增大，当黑木耳粉末添加量为5%时，由于添加量太少导致饼干颜色偏白，无法体现黑木耳饼干的特点.黑木耳粉末添加量由7.5%增大至15%过程中，饼干感官评分之间没有显著性差异.试验结果表明当黑木耳粉末添加量为10%时，黑木耳粉末均匀地分布于饼干表面，饼干颜色均匀，深浅适宜.这与李程程等[18]在利用正交试验研究黑木耳燕麦饼干时发现黑木耳粉末(100目)的最佳添加量为10%一致.当黑木耳粉末添加量增大至15%时，饼干颜色过深、表面平整度变差且有较大孔洞产生，食用口感变差.这与陈红等[13]在研究1～2 mm黑木耳颗粒对黑木耳饼干感官品质的影响时得到的结果类似.此外，由于黑木耳粉末添加量过高会使得和面过程困难，因此，选择 7.5%、10%、12.5%的黑木耳粉末的添加量作为响应面试验的 3个水平.

2.2.2 莜麦添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响 由图4可知，当莜麦添加量为10%时，饼干感官评分显著高于其余4组莜麦添加量对应的饼干感官评分，且其余4组莜麦添加量对应的饼干感官评分之间不存在显著性差异.莜麦粉添加量为12%的饼干感官评分显著低于添加量为10%的饼干感官评分，这是由于莜麦自身有使人无法接受的苦味，且该苦味在饼干加工过程中很难去除[15]，因此当莜麦粉添加量过高时，饼干感官品质反而下降，最终确定莜麦的最佳添加量为10%.

2.2.3 植物油添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响 在饼干面团制作中加入适量的植物油可以在面筋蛋白和淀粉颗粒表面形成油膜保护层，组织水分子向内部渗透，使面团吸水性降低，面筋胀润性得到控制，同时面筋粒不易粘合，面团可塑性好[20-21].由图5可知，随着植物油添加量的增加，黑木耳莜麦饼干的感官品质呈现先上升后下降的趋势，在植物油添加量为25%时感官评分达到最高，显著高于其余4组植物油添加量对应的饼干感官评分，且其余4组植物油添加量对应的饼干感官评分之间无显著性差异.植物油添加量过低时，面团略干，但饼干可以成型，烤制出来的饼干表面干燥，多裂痕；植物油过量时，面团过软，得饼干不易成型，且口感油腻，酥化过度，容易破碎.因此，最终确定植物油的最佳添加量为25%.

图4 莜麦添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 4 Effect of naked oats addition on Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

图5 植物油添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 5 Effect of vegetable oil addition on Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

2.2.4 白砂糖添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响 白砂糖可以通过美拉德反应和焦糖化作用[22]，赋予饼干令人愉悦的金黄色及香味。白砂糖具有抗氧化功能可延缓油脂氧化酸败，延长饼干的保质期。此外，白砂糖对面团的流变学性质有很大的影响，随着白砂糖含量增大，饼干面团的稠度和粘结力降低，有助于面团酥性的形成。这是由于糖具有反水化作用，会与面筋蛋白竞争水分，使得面筋蛋白水合作用不充分[23-24]。此外，糖和水的相互作用有利于产品体积的形成[25]。从图6可知，饼干的感官评分随着白砂糖添加量的增大呈现先上升后下降的趋势，白砂糖添加量为25%时饼干感官评分显著高于添加量为30%和35%，白砂糖添加量为30%和35%对应的饼干感官评分显著高于添加量为20%和15%.

图6 白砂糖添加量对黑木耳莜麦饼干品质的影响Figure 6 Effect of sugar addition on Auricularia auriculaand naked oats biscuit quality

这是由于白砂糖添的添加量低于25%时，饼干甜味偏淡且酥松性较差；当白砂糖添加量高于25%时，饼干甜度和热量值均过高.此外，大量摄入蔗糖会增加糖尿病、肥胖症等的发病几率.因此，综合考虑选择白砂糖的最终添加量为25%.

2.3 响应面优化黑木耳莜麦饼干加工工艺

2.3.1 响应面设计及试验结果 以单因素试验结果为基础，进行四因素三水平的响应面分析试验，考察黑木耳粉末添加量(X1)、莜麦添加量(X2)、植物油添加量(X3)和白砂糖添加量(X4)对黑木耳莜麦饼干品质的影响，结果见表3.

表3 Box-Benhnken试验设计及结果

对表3中数据进行多元回归拟合[26]，建立感官评分(Y)的二次响应回归方程：

Y=95.36-1.67X1+1.07X2-1.73X3-1.90X4+2.20X1X2-2.75X1X3-2.35X1X4+0.40X2X3-4.30X2X4-4.85X3X4-5.47X12-6.27X22-5.17X32-7.02X42

对该模型和回归模型系数进行显著性检验，结果分别见表4和表5.

由表4可知，模型P<0.000 1说明模型达到显著水平，失拟项在P=0.05水平上不显著(P=0.286 7>0.05)，决定系数R2为0.959 3说明评价值变异中有95.93%是由变量引起，校正后决定系数R2adj为 0.918 5，表明模型方程很好地拟合感官评分与配方之间的关系，试验误差小，仅有约8%的感官评分不能由此模型进行解释[19,27].当信噪比大于4代表试验合意，本试验信噪比为16.71，说明试验比较合意.综上所述，可以用该模型来预测黑木耳莜麦饼干的感官评分.

表4 回归模型的方差分析结果

表5 黑木耳莜麦饼干感官总分回归方程系数显著检验

*表示显著( 0.01

由表 5可知，回归方程中一次项X1、X3、X4，二次项X12、X22、X32、X42，交互项X1X3、X2X4、X3X4对黑木耳莜麦饼干的感官评分影响极显著(P<0.01)，交互项X1X2、X1X4对黑木耳莜麦饼干的感官评分影响显著(P<0.05)，而X2、X2X3对黑木耳莜麦饼干的感官评分影响不显著.对影响黑木耳莜麦饼干感官评分的各因素按主次顺序排列为:白砂糖添加量>植物油添加量>黑木耳粉末添加量>莜麦添加量.

2.3.2 响应面分析 研究表明，响应面图可直观反映出各各自变量间的交互作用及自变量对响应值的影响。等高线图越倾向于椭圆形表示两因素交互作用显著[28-29]。由图7-A～F可知，所有的响应面图都是曲面且开口朝下，说明响应值均存在极值，各因素最佳作用点都在试验设计范围内.对比图7-A～F发现，图7-D中响应面图在底面的投影图接近圆形，其余图7-A～C和图7-E～F中响应面图在底面的投影图均呈椭圆形，说明X2X3的交互作用不显著，对饼干感官评分的影响较小；其余X1X3、X1X2、X1X4、X2X4、X3X4之间的交互作用显著，对饼干感官评分的影响均较大；此外，图7-B、7-E和7-F中响应面图坡度陡峭，且响应面图在底面的投影图更加扁平，说明X1X3、X2X4和X3X4之间的交互作用极显著，对饼干感官评分的影响均最大，这与方差分析结果相符.

图7 黑木耳粉末、莜麦、植物油和白砂糖添加量及其交互作用对黑木耳莜麦饼干品质影响的响应面图Figure 7 Response surface showing the interative effects of Auricularia auricula powder,naked oats,vegetable oil and sugar additionon Auricularia auricula and naked oats biscuit quality

2.3.3 最佳工艺条件检验 通过回归模型的预测，得到黑木耳莜麦饼干制作的最佳工艺条件：黑木耳粉末添加量 9.17%、莜麦添加量10.22%、植物油添加量24.59%、白砂糖添加量24.37%，预测响应值为 95.68.为检验响应面法的可靠性，采用上述最优条件进行验证试验，通过3组平行验证试验，得到黑木耳莜麦饼干的3组感官评分分别为 96.1、94.26、95.38，平均感官评分为95.25，与预测值之间的误差小于1%，说明模型具有实用性.

3 结论

1) 热风干燥黑木耳莜麦饼干片形整齐，颜色均匀，口感酥脆，感官评分高；真空冷冻干燥黑木耳莜麦饼干表面不光滑，有孔洞.随着黑木耳粉末目数的增大，饼干的颜色、平整度和口感均得到改善，120目与140目感官评分差异不大，综合考虑，选取热风干燥后粉碎过120目的黑木耳粉末制备饼干.

2) 本试验利用Box-Behnken设计及响应面分析确定饼干感官评分的影响主次顺序为白砂糖添加量>植物油添加量>黑木耳粉末添加量>莜麦添加量.黑木耳莜麦饼干的最优配方为黑木耳粉末添加量 9.17%、莜麦添加量10.22%、植物油添加量24.59%、白砂糖添加量24.37%，此工艺下生产出的黑木耳莜麦饼干表面有光泽，薄厚均匀、片形整齐，饼干断面层次分明且呈均匀多孔状，口感酥脆，咀嚼时无黑木耳颗粒感，风味能被消费者所接受，但本试验只是针对黑木耳莜麦饼干的基础配方进行优化，后期还可以对饼干的工艺参数进行进一步的研究.