高粱无糖饼干的配方与工艺优化研究

郭 睿，段 冰，杨 玲，郭旭凯，邵 强，柳青山

（山西农业大学高粱研究所，山西 晋中 030600）

高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是世界上第五大种植面积和产量的经济作物，在我国又称乌禾、蜀黍，是传统的杂粮作物[1]。高粱籽粒中含有非淀粉多糖、原花青素、单宁、酚酸和植物固醇等多种生物活性成分，这些成分在保健食品开发方面具有潜在的应用价值[2-3]，但高粱食味性较差[4]。

当前，高粱在市场上主要以原粮形式流通、销售[2]。涉及高粱的加工产业除酿酒、酿醋外，有不少学者开发了各式各样的高粱食品，如：田海娟等[5]开发出含10%高粱粉的面包；邹秀容等[6-7]开发了高粱方便米饭；徐雪娣等[8]对高粱粉、小麦粉与山药浆的配方进行调整与改进，开发了低血糖生成指数的馒头；孔峰等[9]以汽爆高粱全粉为原料开发了不溶性膳食纤维和单宁含量低，抗性淀粉、总多酚和总黄酮含量高的馒头；李文钊等[10]采用双螺杆挤压膨化机对高粱粉进行糊化预处理后，将等比例的普通高粱粉与小麦粉混合开发出高粱粉馒头；王军等[11]将高粱超微粉碎并开发出高粱粉馒头；朱俊玲等[12]采用二次发酵工艺研究了高粱馒头的生产工艺。这些高粱产品的研发，使得高粱的适口性得到改善，然而对于高粱功能食品的开发还缺乏具有现代生活气息、适宜大众化的方便高粱食品。

饼干是人们主要的零食及辅食，目前以高粱作为原材料的饼干类产品较少。针对糖尿病人等一些需要少食多餐的特定人群来说，无糖型辅食尤为重要。以高粱为原料开发的无糖饼干目前鲜有报道。本文研发一种无糖高粱全粉饼干，通过单因素和响应面优化试验，确定其配方及生产工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

高粱全粉：晋杂22 号高粱，产于山西省农科院高粱研究所试验田，用小钢磨点动打粉2 min 后过60目筛；高筋小麦粉：五得利面粉集团有限公司；牛奶，内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司；鸡蛋、泡打粉、植物油、食盐均为市售；抗性淀粉试剂盒，Megazyme公司。

1.1.2 仪器与设备

SCVE-5C-P 热风炉：珠海三麦机械有限公司；AL204 电子天平：瑞士梅特勒-托利多集团；UV3300紫外-可见分光光度计：上海美谱达公司；HHS 电热恒温水浴锅：上海博讯实业公司。

1.2 方法

1.2.1 高粱无糖饼干基本配方

饼干主料为高粱全粉与小麦粉的混合粉，高粱全粉与小麦粉按一定比例（质量比）混合，鸡蛋牛奶按1∶1 预先混匀作为蛋奶液，蛋奶液与纯净水之和的添加量控制在60%（相对主料）；以植物油为油脂，其他辅料参考Hooda 等[13]和张月[14]的配方略有修改，膨松剂（碳酸氢钠30%：焦磷酸二氢二钠40%）为主料的2%，食盐为主料的0.8%。

1.2.2 饼干制作工艺流程

1.2.3 高粱无糖饼干配方与工艺优化试验

1.2.3.1 高粱饼干配方单因素试验

在前期预试验的基础上，以感官评分为指标，分别探讨高粱全粉占主料比例，植物油添加量、混合蛋奶添加量对无糖高粱饼干感官品质的影响。加工工艺参数为：烘烤时间16 min，烘烤温度150 ℃。单因素试验设计如表1 所示。

表1 高粱无糖饼干配方单因素试验设计Table 1 Single factor test design for sugar-free sorghum biscuit formula 单位：%

1.2.3.2 高粱无糖饼干配方响应面优化试验设计

在单因素试验的基础上，以感官评分为指标，采用BBD 优化高粱无糖饼干配方，得出最优配方组合。响应面试验因素与水平见表2。

表2 高粱无糖饼干配方BBD 响应面试验因素与水平Table 2 BBD response surface test factors and levels for sugar-free sorghum biscuit formula

1.2.3.3 高粱无糖饼干加工工艺单因素试验

以最优配方为原料进行高粱无糖饼干关键加工工艺优化，以烘焙感官评分为指标，探讨烘烤时间、烘烤温度对饼干品质的影响，单因素试验设计如表3 所示。

表3 高粱无糖饼干加工工艺单因素试验设计Table 3 Single factor test design for sugar-free sorghum biscuit processing technique

1.2.3.4 高粱无糖饼干加工工艺响应面优化试验设计

以烘焙感官评分为指标，以单因素试验的最优结果作为CCD 响应面试验的中心点，设计两因素五水平CCD 响应面试验（α=1.414），得出最佳加工工艺。响应面试验因素与水平见表4。

表4 高粱无糖饼干加工工艺CCD 响应面试验因素与水平Table 4 Factors and levels of CCD response surface test for sugar-free sorghum biscuit processing technique

1.2.4 高粱无糖饼干感官评价

参考GB/T 20980—2007[15]与李梦琴等[16]评价方法，结合高粱无糖饼干的特色制定感官评分标准（表5）。鉴评时由10 名经过培训的工作人员组成评定小组，每鉴评一个样品用淡茶水漱口，两次鉴评间隔10 min 以上，确保鉴评客观。

表5 高粱无糖饼干感官评分细则Table 5 Sugar-free sorghum biscuit sensory scoring criteria

1.2.5 高粱无糖饼干抗性淀粉含量的测定

参考Mccleary 等[17]方法检测抗性淀粉含量。抗性淀粉是一种不升高血糖的膳食纤维[18]。晋杂22 号高粱中抗性淀粉含量达40.46%，经95 ℃预糊化60 min 后抗性淀粉含量达8.39%，属高抗性淀粉含量作物。崔红梅等[19]研究发现，油脂可以适当降低饼干产品中糖类的吸收，可视为增加产品中抗性淀粉的含量，降低饼干的血糖生成指数（GI）值。因此，饼干中抗性淀粉的含量可作为评定产品营养品质的指标。

1.2.6 数据处理

数据处理采用OriginLab 2019b 软件，高粱无糖饼干配方使用Design-expert 10.0 软件中的Boxbehnken Design（BBD）模型[20]进行优化，加工工艺采用Design-expert 10.0 软件中的Central Composite Design（CCD）模型[21]进行优化。

2 结果与分析

2.1 饼干配方单因素试验结果分析

2.1.1 高粱全粉比例对饼干感官评分的影响

固定植物油添加量为主料质量的14%，混合蛋奶添加量为主料质量的55%，主料分别控制高粱全粉占主原料的比例为20%、30%、40%、50%、60%，考察高粱全粉添加量对饼干感官品质的影响（见图1）。

由图1 可知，高粱全粉的比例对高粱无糖饼干的感官品质有显著影响。随着高粱全粉在主料中占比的提高，感官评分呈现先升高后降低的变化趋势。当高粱全粉占比40%时，所制作的高粱无糖饼干感官评分最高。当高粱全粉占比大于40%时，高粱无糖饼干口感粗糙，粘合性变差，表面裂纹较多，表面色泽较深，基本无饼干金黄色，感官评分比较低。高粱全粉50%时，评分均值为69.8；当高粱全粉占比为60%时，饼干质地松软，无法有效成型，此时，评分均值仅为64.4。当高粱全粉比例低于40%时，由于小麦面筋比例高，饼干口感僵硬，高粱香味不突出，故而评分不高。当高粱全粉占比为30%时，饼干评分均值为80.2；当高粱全粉占比为20%时，饼干评分均值为72.7。据此，高粱全粉占比应在40%左右。

2.1.2 植物油用量对高粱无糖饼干感官评分的影响

固定高粱全粉占比为40%，混合蛋奶添加量为55%，设置植物油添加量为主料质量的8%、11%、14%、17%、20%，考察植物油添加量对高粱无糖饼干感官品质的影响（图2）。

加入油脂有利于面团起发，同时使面团有良好的延展性。如果油脂加入量过大，饼干较软，容易在外力的作用下变形[22]。从图2 可以看出，随着植物油添加量的增加，饼干松软度、适口性上升，感官评价随之增加，当植物油添加量达到14%时，饼干感官评价最高，为84.3 分。继续增加植物油，饼干成型困难，且出现油哼味，降低了饼干感官评分。因此，植物油脂添加量应在14%左右。

2.1.3 混合蛋奶添加量对高粱无糖饼干感官评分的影响

固定高粱全粉占比为40%，植物油添加量为14%，设置混合蛋奶添加量为主料质量的45%、50%、55%、60%、65%，考察混合蛋奶添加量对高粱无糖饼干感官的影响（图3）。

鸡蛋赋予面团黄色，在烘焙中可以用来控制食品外表色泽，且蛋黄中含有天然的乳化剂，使面团光滑有利于质地柔软，增大体积，打蛋过程中也可以形成微小气泡，在烘烤中有利于面糊膨胀。另外，蛋白质在烘焙过程中会受热凝结，使食品更加有嚼劲，富有韧性。牛奶主要赋予饼干独特的奶香味，并在和面过程中充当部分水分的作用。当混合蛋奶量添加不足（45%）时，饼干香气不突出，韧劲不够，饼干较松散（感官评分65 分）。增加混合蛋奶添加量，饼干感官评分有所上升，添加量为55%时最高，为87.1 分。随着混合蛋奶继续增加，面团体系中的水分增加，影响了饼干的成型，感官评分没有随之上升。因此，混合蛋奶添加量应在55%左右。

2.2 饼干配方BBD 响应面试验结果分析

BBD 响应面试验结果见表 6。其中 5、6、8、10、16号试验为中心零点试验，随机重复5 次，以估计试验误差，其他试验为析因试验。由图4 可知，模型残差的正态概率分布基本沿直线分布，残差与模型方程预测值的对应关系分布分散且无规律，表明模型拟合良好。模型方差分析见表7，模型的决定系数R2=0.962 2，说明3 因素对感官评分影响中96.22%的试验数据变异可用此模型解释。回归方程模型的P值为0.000 4＜0.01，表明该试验模型所选用的二次多项式具有高度显著性。A、B、C三项因素对模型均影响极显著（P＜0.01），A与B交互对模型影响不显著（P=0.054 8），A与C交互对模型影响极显著（P＜0.01），B与C交互对模型影响显著（P＜0.05）。失拟项P值为0.134 2＞0.05，方程对试验拟合程度良好，可以用此模型对饼干配方的感官进行分析和预测。

表6 饼干配方BBD 响应面试验设计与响应值Table 6 BBD response surface test design and response value for biscuit formula

表7 饼干配方BBD 响应面模型方差分析Table 7 Variance analysis of BBD response surface model for biscuit formula

根据试验相应值进行因变量与自变量的多元线性回归和二项式方程拟合，得到饼干感官评价值Y的预测值对自变量的二次多项式回归方程：Y=86.76+2.23A+1.76B+2.49C-1.63AB-2.48AC-2.05BC-4.53A2-3.16B2-3.15C2。由二项式A、B、C各因素系数的绝对值可知，对饼干影响主次顺序为：混合蛋奶添加量（C）＞高粱全粉占比（A）＞植物油添加量（B）。

从图5 中可以看出，A、B、C三个因素两两交互作用都存在饼干感官评价的极值，相比较而言，A与C交互对饼干感官评分影响最为显著。由软件计算得到高粱全粉无糖饼干的最佳配方为高粱全粉占比为41.39%，植物油添加量为14.447%，混合蛋奶添加量为56.456%，由此配方制得的饼干感官评分最高，为87.408 分。结合实际应用，确定饼干配方为：主料中高粱全粉占比41%，小麦粉占比59%；辅料添加量：植物油14%，混合蛋奶添加量57%。

2.3 饼干加工工艺单因素试验结果分析

在饼干的烘焙过程中，烘焙时间与烘焙温度是与饼干品质最为密切的两个因素，烘焙温度与时间影响着产品的感官品质[23]。

2.3.1 烘焙温度对饼干感官品质的影响

固定烘焙时间为15 min，烘焙温度为140、145、150、155、160 ℃，探讨温度对高粱无糖饼干的品质影响，结果见图6。

由图6 可知，烘焙温度对高粱无糖饼干感官品质有显著影响。随着烘焙温度升高，感官评分先缓慢升高后逐渐降低，在150 ℃时感官品质最优。此时饼干称黄棕色，色泽均匀，口感松脆，香味纯正，无过度鼓泡、焦煳味。烘焙温度低于150 ℃时，饼干略有生味，表面色泽较浅，香味略淡；烘焙温度高于150 ℃时，饼干出现焦煳味，内层泛白明显，口感干脆，香气变差。因此，烘焙温度应在150 ℃左右。

2.3.2 烘焙时间对饼干感官品质的影响

固定烘焙温度为 150 ℃，烘焙时间为 12、14、16、18、20 min，探讨烘焙时间对高粱无糖饼干的品质影响，结果见图7。

由图7 可知，烘焙时间对饼干品质有显著影响。随烘焙时间的增加，饼干感官评分呈现先增加后降低的趋势，并在烘焙时间为16 min 时感官质量评分相对最高。此时饼干色泽均匀一致、表面有光泽、呈红棕色、口感松脆、香味纯正。烘焙时间低于16 min 时，饼干色泽暗淡、芯部泛白，口感粗糙；烘焙时间高于16 min时，因碳化作用明显，饼干色泽呈黑黄色，有焦煳现象，有异味。因此，烘焙时间应在16 min 左右。

2.4 饼干加工工艺CCD 响应面试验结果与分析

根据单因素试验结果，以烘焙温度150 ℃、烘焙时间16 min 为响应面中心点，每个因素设置-α、-1、0、1、α 五个水平，设计 CCD 响应面试验，结果见表 8。其中 4、8、9、10 号试验为中心零点试验，重复 4 次估计试验误差，其他为析因试验。由图8 可知，模型残差的正态概率分布基本沿直线分布，残差与模型方程预测值的对应关系分布分散且无规律。以上两点表明模型拟合良好。根据试验相应值进行因变量与自变量的多元线性回归和二项式方程拟合，得到饼干感官评价值Y的预测值对自变量的二次多项式回归方程：Y=89.2+1.08A+0.99B+2.10AB-5.08A2-2.69B2。由表 9可知，回归方程模型的P值为0.000 1＜0.01，表明该试验模型所选用的二次多项式具有高度显著性。A项（烘焙时间）对模型影响显著（P＜0.05），B项（烘焙温度）对模型影响不显著（P＞0.05），A与B交互对模型影响显著（P=0.010 8＜0.05）。失拟项P值为0.509 82＞0.05，说明方程对试验拟合程度良好，可以用此模型对饼干烘焙工艺的感官进行分析和预测。模型的决定系数R2=0.959 0，说明两因素对感官评分影响中95.90%的试验数据变异可用此模型解释。由感官评分回归系数检验值F可知，各因素对饼干影响主次顺序为：烘焙时间（A）＞烘焙温度（B）。

表8 饼干烘焙工艺CCD 响应面优化试验Table 8 Optimization experiment of CCD response surface in biscuit baking process

从图9 中可以看出，A、B两个因素交互作用存在饼干感官评价的极值。由软件计算得到高粱全粉无糖饼干的最佳烘焙工艺为烘焙时间16.3 min，烘焙温度151.2 ℃，由此工艺制得的饼干感官评分预测值最高，为89.628 分。综合考虑实际操作，确定饼干烘焙工艺为：烘焙时间16.3 min，烘焙温度151 ℃。

表9 饼干烘焙工艺CCD 响应面模型方差分析Table 9 Variance analysis of CCD response surface model for biscuit baking process

2.5 高粱无糖饼干配方与加工工艺验证试验

响应面优化试验确定的高粱无糖饼干的最佳配方为：高粱全粉占主料比41%，植物油添加量为主料的14%，混合蛋奶添加量为主料的57%。最佳烘焙工艺为：烘焙时间16 min，烘焙温度151 ℃。为验证结果的可靠性，用以上修正后的工艺参数做3 次平行试验，并用小麦粉为主料，其它用料加量和烘焙工艺与优化值相同做对比试验，检测其中抗性淀粉含量对饼干品质的影响（表10）。

表10 高粱饼干与小麦饼干的感官品质和抗性淀粉含量比较Table 10 Comparison of sensory score and resistant starch content of sorghum biscuit and wheat biscuit

由表10 可知，用响应面分析法优化的配方及工艺制作的高粱无糖饼干感官评分较高，与理论预测值89.628 分相近。因此，响应面法对高粱无糖饼干配方与烘焙工艺的优化是可行的，具有实际应用价值。应用此工艺制作的饼干抗性淀粉含量达到14.9%±0.3%，高于纯小麦无糖饼干的9.6%±0.7%。

3 结论

在单因素试验的基础上，利用BBD 与CCD 响应面模型优化高粱无糖饼干的配方与烘焙工艺。高粱无糖饼干配方对感官评价的影响依次为：混合蛋奶添加量（C）＞高粱全粉占比（A）＞植物油添加量（B），BBD响应面模型得到高粱无糖饼干的最优配方为：主料中高粱全粉与小麦粉质量比为41∶59；以主料为基准，辅料添加量为：植物油14%，混合蛋奶添加量57，膨松剂2%，食用盐0.8%。烘焙工艺对感官评价的影响为：烘焙时间（A）＞烘焙温度（B），CCD 响应面模型得到的最佳烘焙工艺为：烘焙时间16 min，烘焙温度151 ℃。在此工艺条件下制作的高粱无糖饼干感官评分得到了 90.2±1.1 分，高于纯小麦粉的 83.2±1.1 分。抗性淀粉含量为14.9%±0.3%，高于小麦饼干的9.6%±0.7%。高粱无糖饼干的研发为高粱深加工提供了新的思路，且能够降低生产企业原料成本，具有一定的产业化前景。