响应面结合主成分分析优化面片配方

黄婷婷，白羽嘉，冯作山，付文欠

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

随着生活节奏的加快，大众对方便食品的需求日益增加，市面上逐渐出现各色方便食品，为加工方便地区特色美食产品提供了市场。汤饭是新疆地区的一种特色美食，以菱形面片为主，配料使用羊肉、西红柿和各种蔬菜等，口味酸辣，深受本地消费者的喜爱。作为面食，面片对于整体的影响不言而喻。添加改良剂是提高面粉及面制品品质的有效手段[1]，面制品中改良剂的添加种类颇多，主要有磷酸盐类、食用胶类和淀粉类等。Rombouts 等[2]和Yada 等[3]研究发现盐类能增加面条的蒸煮特性和感官品质。查春月[4]和卢丹妮[5]研究发现淀粉能增加面团的形成时间，改善面制品咀嚼性。谷朊粉和胶类还能改变面制品的流变性，增加光滑性和韧性[6−7]。

国内外关于面片的研究较少，但针对面制品品质的评价体系众多，如面团流变学特性[8−9]、糊化特性[10−11]、感官特性[12−13]、质构特性[14]等，只采用单一体系评价面片的品质，很难看出不同比例改良剂对面片品质特性影响的差异，采用科学的统计分析方法显得至关重要。响应面作为科学分析试验数据的常用方法，组合试验能够分析各数据间的相关性，得到最佳试验组合；主成分分析（principal component analysis，PCA）是一种多变量统计工具，通过数学降维的方法简化数据集，用几个综合变量来替代原来众多的变量，并保持数据集对方差贡献最大的特征[15−16]。通过主成分分析对响应面组合试验数据降维，再结合响应面优化主成分分析后所得的综合评分，能够科学有效地得出试验最优条件。目前利用响应面结合主成分分析方法优化试验在面制品[17−21]、发酵制品[22−25]中应用广泛，说明此方法能够作为科学的方法对面制品品质进行优化。而关于改良剂添加量对方便汤饭中面片质构特点和蒸煮特性间多变量指标的响应面结合主成分分析则没有相关研究。

本文通过预实验，确定面片中添加的四种改良剂，包括三聚磷酸盐、黄原胶、马铃薯变性淀粉、谷朊粉，以面片质构和蒸煮特性为评价指标，在单因素的基础上利用响应面结合主成分分析优化面片配方，研究不同添加量对面片品质的影响，为汤饭中面片产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

市售小麦面粉（蛋白质11%） 新疆天山面粉（集团）有限公司；三聚磷酸盐、黄原胶、马铃薯变性淀粉、谷朊粉 盛达食品添加剂有限公司；其它试剂均为分析纯及以上。

YP2002 型电子天平 上海浦春计量仪器有限公司；TU-1810 分析天平 北京普析通用仪器有限责任公司；RT-350 型压面机 宝优尼公司；9109-1 型面片机 华商厨房电器有限责任公司；101-E 型电热鼓风干燥箱 北京市永光明医疗仪器厂；TA-XT Plus 型物性测试仪 英国Stable Micro Systems 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 面片的制作 将一定量的改良剂分别混入面粉中（三聚磷酸盐、黄原胶、马铃薯变性淀粉、谷朊粉），加水量为44 g/100 g（按面粉质量计算），和面温度为（25±2）℃，时间为15 min，面团常温下密封熟化30 min，用压面机反复压延10 次，形成1 mm 厚的面带，再把面带切成2 cm×2 cm 的小方片，沸水蒸煮10 min，捞出过凉水10 s，热风80 ℃干燥90 min，装袋备用。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 三聚磷酸盐对面片品质的影响 以质构和蒸煮特性为指标，固定黄原胶添加量0.3%，马铃薯变性淀粉添加量10%，谷朊粉添加量1.5%，三聚磷酸盐添加量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，考察三聚磷酸盐添加量对面片品质的影响。

1.2.2.2 黄原胶对面片品质的影响 以质构和蒸煮特性为指标，固定三聚磷酸盐添加量0.3%，马铃薯变性淀粉添加量10%，谷朊粉添加量1.5%，黄原胶0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，考察黄原胶添加量对面片品质的影响。

1.2.2.3 马铃薯变形淀粉对面片品质的影响 以质构和蒸煮特性为指标，固定三聚磷酸盐添加量0.3%，黄原胶添加量0.3%，谷朊粉添加量1.5%，马铃薯变性淀粉2%、6%、10%、14%、18%，考察马铃薯变形淀粉添加量对面片品质的影响。

1.2.2.4 谷朊粉对面片品质的影响 以质构和蒸煮特性为指标，固定三聚磷酸盐添加量0.3%，黄原胶添加量0.3%，马铃薯变性淀粉添加量10%，谷朊粉0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，考察谷朊粉添加量对面片品质的影响。

1.2.3 响应面试验设计 在单因素实验的基础上，采用 Box-Benhnken 的中心组合设计安排四因素三水平试验，响应面试验因素及水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.4 面片复水时间的测定 取面片置于容器中，加入约5 倍于面片质量的沸水，立即加盖，同时用秒表记时，当用玻璃片夹紧软化面条，观察糊化状态无明显硬心时，记录所用复水时间，试验重复5 次。

1.2.5 面片蒸煮损失率的测定 称取30 g 左右面片，放入盛有500 mL 沸水中，立即加盖，为充分浸泡在第3 min 搅拌面片，使之松散，再立即加盖泡至复水时间，捞出置于漏网上，用50 mL 蒸馏水淋洗30 s，蒸煮水与洗涤液一并转入烧杯中，放入烘箱（105 ℃）干燥至烧杯恒重，计算蒸煮损失率[26]。

1.2.6 面片质构的测定 称取30 g 左右面片，放入500 mL 沸水中，立即加盖，同时开始计时，复水4 min，避免测定时热面还处在糊化状态，需立即捞出并放入冷水中浸泡冷却30 s，用滤网稍微甩去表面部分水，面片测定过程中保证每个样品2 min 内完成，同时避免自然风干造成面片失水发粘测定数据重现性不佳。

测定参数：采用TA-XT Plus 型物性测试仪A/LKB 探头测定面片质构（硬度、咀嚼性、延展性）；测定前速度：1.0 mm/s，测定速度：0.17 mm/s；测定后速度：10.0 mm/s；应变：90%。

1.3 分析方法与数据处理

1.3.1 主成分提取 通过响应面试验组合对面片各指标（延展性、硬度、咀嚼性、蒸煮损失率、复水时间）进行主成分分析，得到原始数据的贡献率及特征值，将>1 的特征因子作为主成分提取标准[27−28]。面片各试验组按（2）式计算得综合得分F，再按公式（3）得规范化得分。

式中，F 为综合得分，Y1、Y2为面片主成分的特征值；F1、F2为面片的主成分1、2 的得分；C 为累积特征值；Z 为规范化综合得分；Fmax为综合得分中最大值；Fmin为综合得分中最小值。

1.3.2 数据处理 实验结果以均值±标准偏差（x±s）表示，单因素方差分析ANOVA（one-way analysis of variance）、多重比较检验分析Duncans 和主成分分析用SPSS 统计软件分析处理，P<0.05 表示差异显著，P<0.01 表示差异极显著，Design Expert 8.0.6.1处理响应面数据。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 三聚磷酸盐添加量对面片品质的影响 质构仪作为能客观评价食品品质的主要仪器，在食品行业中应用广泛[29]，质构是评价面制品品质的重要依据，延展性、硬度和咀嚼性表示对面片口感的关联性。由表2 可知，随着三聚磷酸盐的增加面片的延展性、硬度和咀嚼性总体呈上升趋势，这是由于三聚磷酸盐的添加有助于蛋白质形成网络结构，改善面片的质构性能，复水后能保持较好的口感[30−33]，但过量添加磷酸盐会使面片蛋白质交联过度，导致品质下降[34]。面片复水时间先降低再升高，添加量为0.3%时复水时间最小为385.00 s。随着添加量的增加，蒸煮损失率也随之上升，这与张磊等[35]、怀华丽等[36]的研究结论一致。综合评价三聚磷酸盐添加量为0.3%时效果较好，故选取0.2%、0.3%、0.4%的三聚磷酸盐添加量进行进一步优化。

表2 三聚磷酸盐添加量对面片剪切特性和蒸煮特性的影响Table 2 Influence of tripolyphosphate addition amount on the shear and cooking characteristics of the instant dough slice

2.1.2 黄原胶添加量对面片品质的影响 由表3 可知，随着黄原胶添加量的增加，面片延展性、硬度和咀嚼性增大。黄原胶具有良好的凝胶性和成膜性，能增加面筋蛋白与淀粉颗粒的结合，与多种盐类有很好的相容性，使面片结构紧密，从而改善面片的品质[37−38]。随着黄原胶添加量的增加，面片复水时间先降低再升高，添加0.3%的黄原胶复水时间最短（341.00 s）。黄原胶是一种亲水胶体，有很好的水溶性，但添加过多面片外层淀粉形成胶团阻碍水分进入内部结构，导致吸水率下降，面片复水时间增加。随黄原胶添加量的增加面片的蒸煮损失逐渐降低，由于黄原胶与小麦粉中的蛋白质结合会形成致密的网络结构，因此面筋和淀粉颗粒的黏结更加紧密牢固，可以有效地防止面条烹煮过程中淀粉的溶出。故选取0.2%、0.3%、0.4%黄原胶添加量进一步优化。

表3 黄原胶添加量对面片剪切特性和蒸煮特性的影响Table 3 Influence of xanthan gum supplemental amount on the shear and cooking characteristics of the instant dough slice

2.1.3 马铃薯变性淀粉添加量对面片品质的影响由表4 可知，随着马铃薯变性淀粉的增加，面片延展性、硬度和咀嚼性也随之减小。一方面，马铃薯变性淀粉增加，全粉中膳食纤维的量也随着增加，膳食纤维在水合作用时，导致淀粉与蛋白质膨胀受到限制[39]，另一方面，淀粉含量增多全粉中淀粉支链上的磷酸基团之间产生排斥力，减弱了结晶区分子间氢键的缔合程度，随着淀粉在混合粉中含量的增加，淀粉的吸水性强于面粉面筋蛋白，面粉吸水不完全，不能充分膨胀，使面片的延展性、硬度和咀嚼性降低[40−41]。复水时间增加，蒸煮损失先减小后增加，是因为淀粉增大了面团粘性，使面片再复水后的浑浊度降低[42]，但随着马铃薯变性淀粉含量的增多，面粉中的面筋蛋白被稀释，面筋网络结构被弱化，最终导致面片蒸煮损失升高[43]。当马铃薯淀粉添加量为10%时，面片蒸煮损失率最低为1.53%。故选取6%、10%、14%马铃薯变性淀粉添加量进行后续优化。

表4 马铃薯变性淀粉添加量对面片剪切特性和蒸煮特性的影响Table 4 Effect of the amount of modified starch added in potato on the cutting and cooking characteristics of instant dough slice

2.1.4 谷朊粉添加量对面片品质的影响 由表5 可知，随谷朊粉添加量的增加，面片硬度、咀嚼性呈上升趋势，这可能是因为添加谷朊粉使面团形成紧密连续的网络结构，强化面筋，能够改善面片的质构品质[44]。谷朊粉的添加对面片延展性影响不显著（P>0.05），复水时间和蒸煮损失率先降低后增加，谷朊粉添加为1.5%，复水时间最小为362 s，蒸煮损失率最小为1.91%。虽然随着谷朊粉的添加面片质构指标随之增加，但过量谷朊粉导致面片复水时间和蒸煮损失率增加，故选取1%、1.5%、2%的谷朊粉添加量进行优化。

表5 谷朊粉添加量对面片剪切特性和蒸煮特性的影响Table 5 Effect of gluten addition amount on shear and cooking characteristics of instant dough slice

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验结果分析

2.2.2 面片主成分分析 采用SPSS 20.0 对表6 中面片的延展性、硬度、咀嚼性、蒸煮损失率和复水时间进行主成分分析[45]。主成分的特征值、贡献率和累计贡献率见表7。

表6 响应面试验设计结果Table 6 Design results of response surface experiment

表7 面片品质主成分特征值及贡献率Table 7 Principal component characteristic value and contribution rate of instant dough slice quality

根据累积贡献率大于85%原则，面片前两个主成分累计贡献率达到85.717%，说明提取的前两个主成分能够全面地反映面片的品质信息。由表8 可知，决定第一主成分的指标为硬度、咀嚼性、延展性；决定第二主成分的是复水时间、蒸煮损失率。进一步计算出主成分的主成分数及规范化综合得分，以规范化综合得分值为响应值做响应面分析，结果如表9 所示。

表8 主要指标的特征向量表Table 8 Characteristic vector scale of main indicators

表9 主成分得分值与规范化综合得分Table 9 Principal component score value and standardized comprehensive score

2.2.3 响应面回归分析 利用Design-Expert 8.0.6.1软件对表10 中的数据进行方差分析和多元回归拟合分析[46]，得到规范化综合得分对A（谷朊粉添加量）、B（三聚磷酸盐添加量）、C（黄原胶添加量）、D（马铃薯变形淀粉添加量）的二次多项回归模型为：Z=0.85−0.046A+0.035B+0.01C+4.02E−0.3D−0.18A B−0.23AC−0.14AD−0.25BC−0.061BD−0.13CD−0.25A2−0.24B2−0.3C2−0.17D2，分析结果见表10。由表10 可知，模型P值<0.01，表明此模型极显著，失拟项P值为0.8736>0.05，失拟项不显著，表明该回归方程拟合度较好，与实际预测值能较好地拟合。该模型的复决定系数为R2=0.935，校正决定系数R2Adj=0.87，说明该模型具有统计学意义，可用来进行面片配粉规范化综合得分（响应值）的预测；由显著性检验可知，一次项A、B、C、D 不显著（P>0.05），交互项AB、AC、BC 的交互作用对规范化综合得分影响极显著（P<0.01），AD、CD 为显著（P<0.05），BD 影响不显著。二次项A2、B2、C2、D2均为极显著（P<0.01）。通过F值，确定各因素对面片配粉规范化综合得分的影响大小为：A（谷朊粉添加量）>B（三聚磷酸盐添加量）>C（黄原胶添加量）>D（马铃薯变性淀粉添加量）。

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

2.2.4 交互分析 响应面可直接反应各因素与响应值之间的关系以及各因素间的交互作用，响应面的坡度越陡，等高线密集形成椭圆形则表明2 个因素的交互作用的影响就越大[47]。各因素间的交互作用见图1，由图1 可知，AB、AC、BC 等高线图为椭圆形，表明AB、AC、BC 交互作用极显著（P<0.01），AD 交互作用显著（P<0.05），BD 等高线图趋于圆形，说明BD 的交互作用不显著（P>0.05）。各因素对规范化综合得分的影响A>B>C>D。

图1 各因素间交互作用图Fig.1 Interaction diagram of various factors

2.2.5 验证试验 通过二次非线性回归方程，预测出面片最佳配方为：谷朊粉1.42%，三聚磷酸盐0.31%，黄原胶0.3%，马铃薯变性淀粉10.19%，此时模型面片规范化综合得分为0.8541 分，测得面片延展性69.03 g·s、硬度769.24 g、咀嚼性3298.56 g·s、蒸煮损失率1.9%、复水时间345 s。考虑实际生产，调整配方：谷朊粉1.4%，三聚磷酸盐0.3%，黄原胶0.3%，马铃薯变性淀粉10%。在此工艺条件下，测得面片延展性（69.81±8.73）g·s、硬度（766.94±58.90）g、咀嚼性（3227.44±263.14）g·s、蒸煮损失率1.95%、复水时间350 s，与理论值基本一致，说明模型的拟合程度较好，具有实用价值。

3 结论

在单因素实验的基础上通过响应面结合主成分分析的方法确定了面片品质的评价模型，极大限度地简化了分析过程并能更好的体现谷朊粉，三聚磷酸盐，黄原胶，马铃薯变性淀粉对面片品质的影响。

本实验以小麦粉为主要原料，其目的是为了研发方便汤饭产品中面片配方，通过响应面分析得出最佳配方：谷朊粉1.4%，三聚磷酸盐0.3%，黄原胶0.3%，马铃薯变性淀粉10%。在此工艺条件下，测得面片延展性（69.81±8.73）g·s、硬度（766.94±58.90）g、咀嚼性（3227.44±263.14）g·s、蒸煮损失率1.95%±0.03%、复水时间（350±7.51）s，与预测数值基本接近。经验证，该模型合理可靠，能够较好的预测实验结果，以此方法优化面片配方，更具有实际生产意义。