响应面法优化花生曲奇制作工艺的研究

白 建，闫陆飞

(1.吕梁学院生命科学系，山西 吕梁 033001； 2.陕西省榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000)

花生营养丰富，不仅含有8种人体必需氨基酸，而且还含有脂肪、碳水化合物、维生素、类胡萝卜素和多种微量元素，可抗衰老、补虚、延年益寿，故而有“长生果”之称[1]。花生兼具药食两用的效果，有助于消化和营养吸收[2]。

随着人们生活水平的提高，人们越来越关注健康食品，更加喜欢低糖、低脂、高纤维食品[3]。花生曲奇碳水化合物含量高，可以给人们提供大量能量和丰富营养。如今，来自工作和家庭的压力日益增加，快节奏的生活使得人们往往顾不得吃早餐和晚餐，仅仅吃一些饼干和水果以代之。本研究的花生曲奇就是一款可代餐食品。在单因素研究基础上采用Plackett-Burman设计结合Box-Behnken响应面法，基于主成分分析法优化花生曲奇的制作工艺。该方法比以往单纯的单因素研究试验更具有先进性和创新性。

花生曲奇的研发是对饼干生产工艺的一次创新，对曲奇生产提供了新的思路，有利于花生的深加工，可提高曲奇加工企业的经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料

花生仁，石楼县冠通食品有限公司；低筋面粉，山西供销农芯乐电子商务有限公司；黄油、全脂奶粉、白砂糖和鸡蛋均购于吕梁市家家利超市。

1.2 主要仪器设备

CWJZ-30粉碎机，旭朗机械工厂；SD-38电子打蛋器，杭州九阳生活电器有限公司；BCD-170TA冰箱，欧雪制冷设备公司；JJBC电子分析天平，广州市宝之域科学仪器有限公司；K42烤箱，广东格莱士有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

黄油+白砂糖+奶粉+低筋面粉+花生碎+鸡蛋+泡打粉→面团揉制→静置冷藏→模具成型→焙烤→取盘冷却→成品。

1.3.2 操作要点

① 花生碎的制备：花生仁100 ℃烘烤10 min，冷却后粉碎成5 mm3左右的碎块备用。

② 搅拌：将黄油放入烤箱内加热形成半融化状态，加入白砂糖，用打蛋器打发至发白，鸡蛋分两次加入，继续搅拌至发白，再加入称量好的低筋面粉、泡打粉、花生碎、全脂奶粉，搅拌均匀。

③ 成型：面团放入模具，入冰箱冷却5～6 min，冷却后切片成型放入烤盘中。

④ 烘烤：烤箱上火130 ℃、下火110 ℃，焙烤15 min。烘烤至成熟，表面金黄，有浓郁的香味。

⑤ 冷却：从烤箱取出曲奇饼干，冷却至室温，即为成品。

1.4 指标测定

1.4.1 感官评价

由经过正规培训的10 名食品感官品评师进行感官评分，方式参照已有参考文献[4-7]，并稍作改动。感官评分标准见表1。

1.4.2 质构特性测定

参照曹丽萍等[8]方法，采用美国Brookfield质构分析仪对样品的硬度和咀嚼性进行测试，评价饼干的品质，测试条件：TA39探头，测试速率2.00 mm/s，测定速度5 mm/s，返回速度5 mm/s， 压缩程度90 %，数据频率100 Hz。在室温(25 ℃)下测定。通过仪器分析，从数据显示屏上获得硬度和咀嚼性2个TPA参数。每组样品测量3次，最后取平均值。

1.4.3 色差测定

取焙烤好的花生曲奇，填充到比色皿内，保证比色皿表面不透光。用色差仪测定样品的亮度值(L*)和黄度值(b*)作为本试验主要测定参数，每组样品变换角度测3次，取平均值。

1.4.4 理化指标测定

酸价测定采用GB 5009.229-2016 《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》；过氧化值测定采用GB 5009.227-2016 《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》。

1.5 试验设计

1.5.1 单因素试验

参照已有文献[9-12]，并做修改。得到基础配方：低筋面粉80 g、花生碎20 g、白砂糖45 g、黄油60 g、鸡蛋25 g、奶粉7 g，泡打粉1 g，烘焙15 min。在基础配方不变的情况下，将影响花生曲奇的几个因素：花生碎、白砂糖、黄油、奶粉、鸡蛋做单因素设计试验，并进行质构检测和色差测定。

按基础配方制作花生曲奇，其他因素保持不变，分别设置花生碎(12、16、20、24、28 g)，白砂糖(25、35、45、55、65 g)，黄油(40、50、60、70、80 g)，奶粉(3、5、7、9、11 g)，鸡蛋(15、20、25、30、35 g)。测定曲奇的质构和色差，并进行感官评分。

1.5.2 Plackett-Burman试验

通过单因素试验的5 个因素水平，进行Plackett-Burman 试验，研究花生碎(m1)、白砂糖(m2)、黄油(m3)、奶粉(m4)和鸡蛋(m5)的添加量对曲奇品质的影响，选出3个影响显著的因素从而进行响应面分析试验，因素水平见表2。

1.5.3 响应面试验

运用单因素试验和Placket-Burman(PB)试验结果进行响应面试验。以花生碎(A)、白砂糖(B)、黄油(C)的添加量为自变量，以质构特性(硬度、咀嚼性)，色差(L*、b*)和感官评分为评价指标。响应面试验因素和水平见表3。

表2 Plackett-Burman试验因素水平表 Table 2 Factors and levels of PB test

表3 响应面分析因素和水平 Table 3 Factors and levels of response surface analysis

响应面试验中，对曲奇的质构特性(硬度、咀嚼性)，色差(L*、b*)和感官评分进行主成分分析。根据主成分分析，计算曲奇的综合评分。

综合评分按公式(1)～(3)计算：

F1=0.252X1+0.008X2+0.250X3+0.252X4+0.250X5…… ……………………………… (1)

F2=-0.008X1+X2-0.024X3-0.008X4+0.010X5………… ………………………… (2)

F=0.795F1+0.200F2………………… (3)

式中：F1是主成分1评分；F2是主成分2评分；F是综合评分；X1是硬度；X2是咀嚼性；X3是L*；X4是b*；X5是感官评分。

规范化综合评分按公式(4)计算：

Y=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin) ………… (4)

式中：F为综合评分；Fmin为综合评分最小值；Fmax为综合评分最大值。

1.6 数据处理

用微软Excel 2011整理试验数据，用Graphpad Prism 8.0绘制单因素试验图像，采用SPSS 22.0 进行数据分析，采用Design-Expert 10.0进行响应面设计及结果优化，使用Photoshop 2019对图片进行调整和美化。

2 结果和分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 花生碎添加量对曲奇品质的影响

图1可知，花生碎的添加对曲奇的感官评分有显著影响(P<0.05)。花生碎的添加量12～28 g，感官评分先升后降，当添加量到20 g时，感官评分最高。这可能由于添加过多花生碎，导致曲奇变形，外表结构发生变化，外观不美观，且产生浓烈的花生气味，颗粒感明显，断面有明显的较大孔洞，影响曲奇的外观、风味和口感。花生碎的添加量对曲奇硬度、咀嚼性、b*影响显著(P<0.05)，添加量为20 g时各方面达到最好；对L*影响不显著。从各方面考虑评定，花生碎的最优添加量是20 g。

2.1.2 白砂糖添加量对曲奇品质的影响

图2可知，白砂糖的添加对饼干的感官评分有显著影响(P<0.05)。白砂糖的添加量25～65 g，感官评分先升后降，当白砂糖添加量到45 g时，感官评分最高。这可能由于添加过多白砂糖，会影响面团的延展性，进而影响曲奇酥脆感，还会导致饼干甜度过高，容易产生饱腹感，外表结构发生变化，表面会有明显结晶，颗粒感明显，外表不美观，花生气味平淡，有丝丝甜味，断面会有明显的较大孔洞，影响曲奇的风味和口感。白砂糖的添加量对曲奇硬度、咀嚼性、b*、 L*影响显著(P<0.05)，添加量是45 g时各方面达到最好。从各方面考虑评定，白砂糖的最优添加量是45 g。

2.1.3 黄油添加量对曲奇品质的影响

图3可知，黄油的添加对饼干的感官评分有显著影响(P<0.05)。黄油的添加量40～80 g，感官评分先升后降，当黄油添加量到60 g时，感官评分最高。这可能由于添加过多黄油，会影响曲奇酥脆感，还会影响曲奇的香味，黄油的气味会遮盖住花生味道，过多油脂使得曲奇产生油腻感，且黄油的颜色会遮盖住花生本身的颜色。黄油如果放的少，曲奇的硬度会上升，影响曲奇的风味和口感。黄油的添加量对曲奇硬度、咀嚼性、L*影响显著(P<0.05)，对b*影响不显著，但呈上升趋势。添加量为60 g时各方面达到最好。从各方面考虑评定，黄油的最优添加量是45 g。

2.1.4 奶粉添加量对曲奇品质的影响

图4可知，奶粉的添加对饼干的感官评分有显著影响(P<0.05)。奶粉的添加量3～11 g，感官评分先升后降，当奶粉添加量为7 g时，感官评分最高。这可能由于添加过多奶粉，会影响曲奇的松脆感，饼干不太硬，影响曲奇的质地，让饼干过于松软，拿起时会掉饼屑；虽然会让曲奇有浓郁的奶香味，但是会掩盖住花生味，影响曲奇的风味和口感。奶粉的添加量对曲奇硬度、咀嚼性影响显著(P<0.05)，对L*、b*影响不显著，但b*呈现下降趋势。添加量是7 g时各方面达到最好。从各方面考虑评定，奶粉的最优添加量是7 g。

2.1.5 鸡蛋添加量对曲奇品质的影响

图5可知，鸡蛋的添加对饼干的感官评分有显著影响(P<0.05)。鸡蛋的添加量15～35 g，感官评分先升后降，当鸡蛋添加量为25 g时，感官评分最高。这可能由于添加过多鸡蛋，会影响花生的外表结构，导致油水分离，进而影响花纹成型，蛋清添加过多，使曲奇过于蓬松，成品外表不美观；蛋黄可增加颜色，导致曲奇金黄，遮盖住花生的颜色，会导致影响曲奇的风味和口感。鸡蛋的添加量对曲奇硬度影响显著(P<0.05)，对咀嚼性、L*、b*影响不显著，但b*呈现下降趋势，咀嚼性呈上升趋势。添加量是25 g时各方面达到最好。从各方面考虑评定，鸡蛋的最优添加量是25 g。

2.2 Plackett-Burman试验结果与分析

PB试验设计及结果见表4。表5可知，P=0.003<0.01，该模型显著。花生碎添加量(m1)(P=0.001)、白砂糖添加量(m2)(P=0.006)、黄油添加量(m3)(P=0.009)对花生曲奇感官评分的影响显著，拟进一步优化其工艺参数；奶粉添加量(m4)和鸡蛋添加量(m5)对曲奇感官评分影响不显著(P>0.05)。因此选择m1、m2、m33个显著性因素设计三因素三水平Box-Behnken响应面试验。

表4 Plackett-Burman试验设计及结果 Table 4 Plackett-Burman experiment design and results

2.3 Box-Behnken Design(BBD)响应面设计与分析

2.3.1 响应面试验结果

采用Design-Expert 10.0软件进行BBD响应面试验设计，试验设计如表6所示。

表6 响应面试验设计与结果 Table 6 Response surface test design and results

2.3.2 主成分分析

采用SPSS 22.0软件对表6中花生曲奇的各指标进行主成分分析。结果见表7、表8。

由表7可知，主成分1、主成分2的累计贡献率达到99.508 %(>85 %)，符合要求，说明可以从该主成分中了解原始数据的大部分信息。

表7 各主成分的特征根、贡献率及累计方差贡献率Table 7 Characteristic root, contribution rate and cumulative variance contribution rate of each principal component

表8 成分载荷矩阵 Table 8 Component load matrix

由表8数据可得，硬度、黄度值(b*)、亮度值(L*)和感官评价决定第1主成分，咀嚼性决定第2主成分。将计算出的综合得分标准化后，以标准化综合得分作为响应值进行响应面分析，规范化综合评分见表9。

将所得的综合评分通过SPSS 22.0软件进行处理，得出规范化综合评分，将规范化综合评分作为响应值Y，通过Box-Behnken Design(BBD)响应面软件分析，得出的17组试验的规范化综合评分见表9。

表9 不同试验组规范化综合评分 Table 9 Standardized comprehensive scores of different experimental groups

2.3.3 BBD试验结果分析

运用Design-Expert 10.0软件对表6与表9数据进行多元回归拟合，并进行模型优化，得到回归方程如下：

Y=0.926-0.206A-0.065B+0.060C+

0.237AB-0.035AC-0.067BC-0.400A2-

0.183B2-0.082C2

对该模型进行显著性检验，通过表10可看出，模型P<0.01，说明拟合检验显著，失拟值P=0.286>0.05，说明失拟值不显著。表明模型拟合检验良好，模型能很好地预测结果。表10表明，A项、交互项AB、二次项A2和B2表现极显著(P<0.01)。B、C、二次项C2表现显著(P<0.05)，交互项AC、BC表现不显著(P>0.05)。在BBD响应面试验中，因素A、B、C的F值分别是102.03、10.21、8.63，说明三个因素对花生曲奇规范化综合评分的贡献率为：A(花生碎添加量)>B(白砂糖添加量)>C(黄油添加量)。

表10 回归模型方差分析 Table 10 Analysis of variance of regression model

2.3.4 花生碎、白砂糖与黄油添加量交互作用分析

图6可知，花生碎与白砂糖的相互作用3D曲面弯曲度大，坡度大，说明花生碎和白砂糖两因素间交互作用对曲奇的规范化综合评分影响显著。白砂糖添加量的变化对规范化综合评分的影响小于花生碎添加量的变化对规范化综合评分的影响，说明在花生碎与白砂糖两因素中，规范化综合评分的分值主要受花生碎添加量的影响。当因素A(花生碎添加量)为20 g(0)，因素B(白砂糖添加量)为45 g(0)时，规范化综合评分达最佳值。

图7可知，花生碎与黄油的相互作用3D曲面弯曲程度小，坡度平缓，轮廓近似于圆形，说明花生碎和黄油两个因素之间的交互作用对曲奇的规范化综合评分影响不显著。黄油添加量的变化对规范化综合评分的影响小于花生碎添加量的变化对规范化综合评分的影响，说明在花生碎与黄油两因素中，规范化综合评分的分值主要受花生碎添加量的影响。当因素A(花生碎添加量)为20 g(0)，因素C(黄油添加量)为60 g(0)时，规范化综合评分达到最佳值。

图8可知，白砂糖和黄油的相互作用3D曲面弯曲度小，坡度平缓，轮廓近似于圆形，说明白砂糖和黄油两个因素之间的交互作用对曲奇的规范化综合评分影响不显著。黄油添加量的变化对规范化综合评分的影响小于白砂糖添加量的变化对规范化综合评分的影响，说明在黄油与白砂糖两因素中，规范化综合评分的分值主要受白砂糖添加量的影响。当因素B(白砂糖添加量)为45 g(0)，因素C(黄油添加量)为60 g(0)时，规范化综合评分达到最佳值。

2.4 验证试验

使用Design-Expert 10.0软件计算回归方程， 将花生碎添加量、白砂糖添加量和黄油添加量的取值范围分别设定为16～24 g、35～55 g、50～70 g，并将目标值拟定为最大值，最终获得的最优组合为花生碎添加量18.69 g、白砂糖添加量40.47 g、黄油添加量64.75 g，按此最优组合制得的曲奇饼干规范化综合评分为0.9948 分。根据实际条件将最优组合调整为花生碎添加量20 g、白砂糖添加量45 g、黄油添加量60 g，改进原料配比后的曲奇饼干规范化综合评分为0.9264 分，与试验预测值接近。表明计算得到的回归模型准确，响应面法结合主成分分析优化曲奇加工工艺的评价方法准确可行。

表11 酸价、过氧化值的测定结果 Table 11 Determination of acid value and peroxide value

2.5 理化指标的测定结果

根据表11可知，花生曲奇符合GB7100-2015《食品安全国家标准 饼干》 规定，是合格产品。

3 结 论

本研究先进行单因素试验以确定各因素的水平，利用响应面法对花生曲奇进行分析后，得出了影响花生曲奇的规范化综合评分的顺序依次为：花生碎添加量>白砂糖添加量>黄油添加量，并在单因素试验和Plackett-Burman试验的基础上，对花生曲奇的各项指标进行主成分分析，得出规范化综合评分，以规范化综合评分为响应值，用Box-Behnken Design设计试验方案，通过试验数据拟合得到回归方程如下：

Y=0.926-0.206A-0.065B+0.060C+0.237AB-0.035AC-0.067BC-0.400A2-0.183B2-0.082C2

通过响应面分析，得到花生曲奇的最佳制作工艺为：低筋面粉80 g、花生碎20 g、白砂糖45 g、黄油60 g、鸡蛋25 g、奶粉7 g、泡打粉1 g。上火130 ℃、下火110 ℃条件下，焙烤15 min。在此制作工艺条件下规范化综合评分最高为0.9264。研发的花生曲奇颜色金黄，味道纯正，有浓郁的花生味道，甜度适中，口感酥松，不粘牙，表面有花生碎的颗粒。