单形重心设计优化面团发酵剂配比的研究

刘安伟，吕莹果，陈 洁

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

面条是我国的传统主食之一，种类繁多，其中拉制类面条需要用拉伸性能良好的面团制作。Meerts等[1]研究发现适度的发酵作用可以改善面团的流变学特性。常见的发酵方法有酵母发酵、酵子发酵、乳酸菌发酵等[2-4]。笔者前期试验发现添加酵母菌发酵后的面团蓬松多孔、产气严重；使用酵子发酵后的面团易产生气泡、松软发黏，都不利于拉制类面条的制作，这也与相关研究结果一致[5]。与酵母发酵和酵子发酵相比，乳酸菌发酵缓慢而且柔和[6]，对面团的延伸性能有良好的改善作用，具有提高面团拉伸性能的潜力。

单形重心设计是混料设计中的一种试验方法，主要用于产品配方的优化研究，在冶金、制药、化工、食品等生产领域应用广泛[7-9]。Design-Expert作为一款试验设计软件，可用于多因素试验设计与分析，具有使用方便、简洁、高效等优点[10-12]。利用Design-Expert 8.0.6.1软件中的Simplex Centroid Design对3种乳酸菌(植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌)进行混料设计试验，探究混合菌发酵对面团拉伸性能的影响，通过构建模型、分析预测得到发酵剂最佳配方，为面团拉伸性质的研究以及发酵拉制面条的制备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋粉：郑州金苑面业有限责任公司；加碘食盐：河南省盐业总公司；植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌：山东中科嘉亿生物工程有限公司。

1.2 仪器与设备

NBL1602e电子天平：艾德姆衡器(武汉)有限公司；B5A多功能搅拌机：广州市威万事实业有限公司；HWS-80B恒温恒湿培养箱：北京市恒诺利兴科技有限公司；HJ-6磁力搅拌器：金坛华峰仪器有限公司；PHS-25pH计：杭州齐威仪器有限公司；TA-XT Plus质构仪：英国STABLE MICRO SYSTEM公司。

1.3 方法

1.3.1 发酵面团的制备

称取4 g乳酸菌发酵剂，倒入装有蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒不断搅拌使其充分溶解。将发酵剂和200 g高筋粉、4 g食盐、104 mL蒸馏水一起倒入和面缸中和面10 min，将和好的面团放入盆中，用保鲜膜盖好，依次标上序号，再放入34 ℃的发酵箱中进行发酵。

1.3.2 拉伸性质的测定

取50 g发酵面团放置在质构仪A/KIE模具里，压制成2 mm×60 mm的面团条，取出面团条立即用质构仪进行拉伸试验，直到将面团条拉断，得到面团的抗拉伸力-延伸性曲线。面团条在拉断瞬间所产生的最大阻力(g)称作拉断力，拉断所产生的距离(mm)称作拉伸距离。测试条件：测前速度2.0 mm/s；测中速度3.3 mm/s；测后速度10.0 mm/s；应变位移70.0 mm；引发类型，自动；引发力5.0 g。

1.3.3 面团pH值的测定

称取10 g发酵面团样品，放入锥形瓶中，加入90 mL蒸馏水，磁力搅拌30 min，静置10 min后用酸度计测定该悬浊液的pH值。

1.3.4 单形重心设计

使用Design-Expert 8.0.6.1软件对3种乳酸菌进行有约束的单形重心设计，以挑选出最优的发酵剂配方。根据预试验情况，设定约束条件：3种混合乳酸菌的总添加比例为100%；植物乳杆菌是酸面团发酵中的优势菌种，发酵效果显著，所以添加比例不能低于50%，设置为50%～100%；乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌最小添加比例和最大添加比例均为0%和50%。设计出的发酵剂混料配比见表1。

表1 单形重心设计Table 1 Simplex centroid design %

1.3.5 数据分析

每组进行3个平行试验，取平均值。采用Excel 2013对数据进行统计，SPSS 16.0进行单因素方差分析，Origin 2017绘图。

2 结果与讨论

2.1 乳酸菌对面团拉伸性能的影响

植物乳杆菌是传统酸面团中最具竞争力的优势菌种，在发酵过程中会对蛋白质进行降解，产生小分子肽段、氨基酸和乳酸等物质，可增加面团风味[13]。乳双歧杆菌作为双歧杆菌的一种，具有发酵活力高、稳定性良好和抑菌性等特点[14]。嗜酸乳杆菌在酸性条件下能够生长繁殖，可保证面团持续发酵[15]。3种乳酸菌单菌对发酵面团拉伸性能及pH值的影响见图1—图3。

图1 发酵时间对乳酸菌面团拉断力的影响Fig.1 Effect of fermentation time on the tensile force of lactic acid bacteria dough

图2 发酵时间对乳酸菌面团拉伸距离的影响Fig.2 Effect of fermentation time on the tensile distance of lactic acid bacteria dough

图3 发酵时间对乳酸菌面团pH值的影响Fig.3 Effect of fermentation time on the pH of lactic acid bacteria dough

图1、图2为乳酸菌面团拉断力和拉伸距离随发酵时间的变化情况，与对照组相比，加入乳酸菌发酵后的面团拉断力明显下降，拉伸距离显著增加，且随着发酵时间的延长，拉断力不断下降，拉伸距离逐渐增大，这表明适当的发酵作用可以提高面团的拉伸性能。乳酸菌在发酵过程中会生成乳酸、乙酸等有机酸，面团pH值降低，内源蛋白酶被激活，促进面筋蛋白降解，使面筋的网状结构改变，面团的延伸性和松软度增加[16-18]。添加植物乳杆菌的面团在整个发酵过程中拉断力最小，发酵前6 h拉伸距离最大，可见植物乳杆菌对面团拉伸性能影响最大。4种面团在发酵6 h后拉伸距离均出现下降，这可能是由于面团发酵过度，导致面筋网络结构被破坏，面团拉伸距离迅速下降[16]。图3反映了面团pH值随发酵时间的变化，与空白对照组相比，加入乳酸菌发酵后的面团pH值下降显著。随着发酵时间的延长，面团pH值不断减小，在发酵6 h后添加植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌的面团pH值迅速下降，而加入乳双歧杆菌的面团pH值变化不大。可以看出，植物乳杆菌在整个发酵过程中优势最明显、效果显著，其次是嗜酸乳杆菌，而乳双歧杆菌发酵效果最差。此外，为防止面团发酵过度，发酵时间应控制在6 h以内。一方面发酵时间过长会导致拉伸距离下降，另一方面pH值下降较大会导致面团偏酸。

2.2 单形重心设计试验

江月[19]研究发现混合菌比单菌发酵效果好。单菌发酵缓慢柔和，面团发酵时间较长，为优化生产工艺，需缩短发酵时间，宜采用混菌发酵。植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌属于同型发酵乳酸菌，乳双歧杆菌属于异型发酵乳酸菌，混合发酵能生成多种化合产物，可提高面团营养价值[20]。此外，嗜酸乳杆菌、乳双歧杆菌是公认的两种最安全的对人体有益菌，两种菌配合使用，相辅相成，具有调节肠道菌群平衡、增强免疫力等功效[21]。预试验尝试将两种菌混合发酵，发现没有3种菌混合发酵效果好。为探究3种菌混合发酵对面团拉伸性质的影响，按表1进行了单形重心设计试验， 结果见图4—图6。

图4 发酵时间对乳酸菌混菌面团拉断力的影响Fig.4 Effect of fermentation time on the tensile force of lactic acid bacteria mixture dough

图5 发酵时间对乳酸菌混菌面团拉伸距离的影响Fig.5 Effect of fermentation time on the tensile distance of lactic acid bacteria mixture dough

图6 发酵时间对乳酸菌混菌面团pH值的影响Fig.6 Effect of fermentation time on the pH of lactic acid bacteria mixture dough

由图4—图6可以看出，与单菌发酵面团相比，混合菌发酵面团的拉断力和pH值快速下降，拉伸距离迅速增大。由于乳酸菌配比的不同，部分类型的面团拉伸距离在发酵4 h时已达到最大值，继续发酵拉伸距离开始出现下降，可见混菌发酵的速度更快。面团在发酵4 h时有着较小的拉断力和较大的拉伸距离，此时的测量值能够较好地反映面团的拉伸性能。衡量面条拉伸性能应该综合考量拉伸距离和拉断力两个指标，面条拉断力小并不代表拉伸距离一定长，可能缺少一定的强度和韧性；面条拉断力较大，表明面条强度大、不易拉断，但也不能说明拉伸距离一定很短。为了使模型拟合程度更好，测试结果更加准确，在试验次数最少的前提下，Design-Expert 8.0.6.1软件自动设计增加了4组测试点进行单形重心设计试验，结果见表2。

采用Design-Expert 8.0.6.1软件对表2中数据进行回归拟合，统计分析得到两项指标的回归方程。

Y1=110.66A+115.57B+107.65C-15.72AB-18.29AC-39.54BC-195.61ABC；

Y2=35.17A+34.09B+35.97C+3.63AB+5.16AC+9.53BC+57.58ABC，

式中：Y1为拉断力；Y2为拉伸距离；A为植物乳杆菌添加比例；B为乳双歧杆菌添加比例；C为嗜酸乳杆菌添加比例。

根据所选择的回归方程对拉断力和拉伸距离建模，等高线模型见图7和图8。

表2 拉伸距离和拉断力的测定结果Table 2 Measurement results for tensile distance and tensile force

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图7和图8可以看出，乳酸菌混菌发酵的效果比单菌的好，3种乳酸菌混合发酵的面团有着较小的拉断力和较大的拉伸距离。为确定模型的合理性，对拉断力和拉伸距离进行了方差分析，见表3。由表3可知，拉断力模型P=0.008 8<0.01，说明建立的模型高度显著，而失拟误差P=0.056 6>0.05，说明回归方程的失拟误差不显著，表明建立的方程拟合性较好，可信度较高。拉伸距离模型P=0.011 6>0.01，说明建立的模型显著，而失拟误差P=0.127 5>0.05，说明回归方程的失拟误差不显著，表明建立的方程拟合性较好，可信度较高。

图7 面团拉断力的等高线Fig.7 The contour of dough tensile force

图8 面团拉伸距离的等高线Fig.8 The contour of dough tensile distance

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

注：P<0.01为极显著；P<0.05为显著；P>0.05为不显著。

根据模型给出的预测结果，当植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌添加比例为63.81%、15.80%、20.39%时，面团拉断力预测值最小，为95.49 g；当植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌添加比例为64.34%、15.59%、20.07%时，面团拉伸距离预测值最大，为39.34 mm。两模型得到的配方比例接近，为方便实际操作，取植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌添加比例为64%、16%、20%。为进一步确定发酵剂最佳配比，对该配方进行了验证试验，结果为发酵4 h面团的拉断力(94.48±1.12) g、拉伸距离(40.13±0.34) mm，与预测值差异较小，说明所获得目标值配比及预测值可靠性较强。

3 结论

对含有3种乳酸菌的发酵剂进行有约束的单形重心设计试验，建立了植物乳杆菌、乳双歧杆菌、嗜酸乳杆菌配比与拉断力和拉伸距离之间的回归模型，确定了发酵剂的最佳比例：植物乳杆菌64%、乳双歧杆菌16%、嗜酸乳杆菌20%，测得面团在发酵4 h拉伸性能达到最佳，此时拉断力(94.48±1.12) g，拉伸距离(40.13±0.34) mm。验证试验发现预测结果可靠性强，证明单形重心设计可以较好地应用于面团发酵剂配比的研究中，且该方法具有简洁、高效、直观性强等优点，是研究发酵剂配比非常有效的一种方法。