响应面法优化无麸质马铃薯粑粑配方研究

乐 园，杨 瑶，李 伟，田 成，程 超，莫开菊*

(1.湖北民族大学 生物科学与技术学院，湖北 恩施 445000；2.生物资源保护与利用湖北省重点实验室(湖北民族大学)，湖北 恩施 445000)

麸质，主要是来源于小麦、大麦、燕麦、黑麦、斯佩尔特等粮食作物中的麦谷蛋白[1]，也是较早被研究的一类过敏原.麸质不耐症是一种由人体摄入麦谷蛋白而引起的自身免疫性疾病，包含乳糜泻、非乳糜泻麸质不耐症、小麦过敏等[2].麸质不耐症具有遗传易感性，在摄入麦谷蛋白后，由T细胞介导，上皮内淋巴细胞浸润，部分绒毛萎缩，必需营养素吸收减少，导致慢性小肠炎症，从而引发一系列的腹泻、腹痛等症状[3-4].目前，终身无麸质饮食是解决乳糜泻等疾病唯一且有效的手段[5].全球范围内，患有乳糜泻人群占总人口数的1%～2%[6]，其中乳糜泻确诊病例多出现在欧洲地区.近年来，在中国儿童腹泻患者中也发现了乳糜泻病例[7].无麸质饮食受益者不仅仅是免疫性疾病患者，还对预防糖尿病、降低心血管疾病以及缓解紧张情绪等方面均有一定作用[8].

目前，国外特别是欧美国家在无麸质产品开发方面技术较为成熟，但中国对无麸质食品研究还处于起步阶段.为了响应国家马铃薯主食化战略，解决我国居民以米、面作为主食的膳食结构中的营养不均衡，以及缺乏针对麸质不耐受人群的食品等问题，采用马铃薯全粉加入主食中，可以有效解决这类问题[9-10].马铃薯粑粑广泛流传于我国西南、鄂西等一些少数民族聚集地区，大多由马铃薯淀粉与面粉混合制成，存在货架期短、含麸质等问题.马铃薯与大米复配制作食品的研究较少，主要由于马铃薯中膳食纤维含量较高，普通进行复配制成的食品，感官品质较差，现阶段主要通过如挤压膨化等工艺对无麸质物料进行改性，制成马铃薯复配大米以及米粉等[11-12]，而缺乏对马铃薯粑粑的研究.本实验用马铃薯雪花全粉与籼米粉制作马铃薯粑粑，研究不同的改良剂对无麸质马铃薯粑粑的改良作用，以感官评分、比容、质构特性为考察指标，探讨不同辅料与改良剂之间的协同效应，开发出具有地方民族特色的无麸质马铃薯粑粑，丰富马铃薯主粮化品种，以及麸质不耐症人群的食品种类.

1 材料与仪器

1.1 实验材料

马铃薯雪花全粉，甘肃正阳有限公司;籼米粉,自制;木聚糖酶,浙江一诺生物科技有限公司;双乙酰酒石酸单双甘油酯(下称乳化剂),河南奥尼斯特食品有限公司;酵母,安琪酵母有限公司;白砂糖,市售;豆渣粉,自制.

1.2 仪器与设备

BSA2202S电子天平,赛多利斯科学有限公司;RT-02A小型台式粉碎机,荣聪精密科技有限公司;BSC-400恒温箱,上海博讯实业有限公司；CX300-D1电磁炉,中山市鼎润电器有限公司;物性分析仪，美国TA公司.

2 方法

2.1 马铃薯全粉粑粑基础配方

基础配方：设定粉质量(籼米粉+马铃薯全粉+豆渣粉)100 g，马铃薯全粉40%(以粉质质量计，下同)、酵母1%、白砂糖10%、添水量145%.

2.2 粑粑的制作工艺流程

工艺流程：物料过筛→称重→混合→和面→发酵→装模→蒸制→冷却.

2.3 操作要点

① 和面.将1 g酵母加入145 g温水(30 ℃)中活化，搅拌均匀，将称量好的马铃薯全粉、籼米粉、豆渣粉、白砂糖混合，加入事先活化好的酵母，和成面团即可.② 醒发.将和好的面团，放入38 ℃恒温箱中，控制湿度在75%～85%之间，醒发4 h，至面团呈松散糊状即可.③ 蒸制.发酵完成的面糊搅拌均匀，至无明显颗粒状，倒入模具，将蒸锅内水烧开，蒸锅蒸制30 min，关火后焖5 min.

2.4 试验设计

2.4.1 单因素设计 固定2.1中马铃薯粑粑基础配方，对豆渣/籼米粉质量比、木聚糖酶添加量、乳化剂添加量、添水量4个单因素进行试验，通过质构特性、比容、感官评分为指标考察4个因素对马铃薯粑粑品质的影响.① 豆渣/籼米粉质量比.在木聚糖酶添加量为0.10%、乳化剂添加量为0.10%、发酵时间为4 h不变的条件下，试验豆渣/籼米粉质量比为0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.09对粑粑品质的影响，并确定出最佳质量比.② 木聚糖酶添加量.试验固定豆渣/籼米粉质量比0.05、乳化剂添加量为0.10%、发酵时间为4 h，研究木聚糖酶添加量在0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%时对粑粑品质的影响，并确定最佳添加量.③ 乳化剂添加量.试验固定豆渣/籼米粉质量比0.05、木聚糖酶添加量为0.10%、发酵时间为4 h，研究乳化剂添加量在0、0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时对粑粑品质的影响，并确定最佳添加量.④ 添水量.试验固定豆渣/籼米粉质量比0.05、木聚糖酶添加量为0.10%、乳化剂添加量为0.10%，发酵时间为4 h，研究在添加115%、125%、135%、145%、155%、165%的水时对粑粑品质的影响，并确定最佳添加量.

2.4.2 中心旋转组合响应面优化设计 在单因素试验的基础上，利用Dsign-Expert10.0进行中心旋转组合响应面分析，选取豆渣与籼米质量比、木聚糖酶添加量、乳化剂添加量、添水量4个因素为自变量，以感官评分为响应值，进行4元素5水平的响应面优化试验，表1为试验水平设计.

表1 CCD试验水平设计

2.4.3 马铃薯粑粑品质分析 ① 感官评价.由经感官培训10人组成的感官评价小组，从视觉、味觉、嗅觉3方面对粑粑进行感官分析，并根据表2进行给分.② 质构分析.将蒸制好的粑粑冷却至室温，取5个样品，从中间分别切出2 cm厚的厚片，用质构仪进行测试，采用p50探头，测前速率为2 mm/s，测试速率为1.0 mm/s；测后速率为1.0 mm/s；触发力为5 g；压缩比为40%,2次压缩时间，间隔为1 s.平行5次，取平均值.对粑粑从弹性、胶黏性、硬度、内聚力、咀嚼力几个方面测定.③ 比容测定.根据马铃薯粑粑形状的差异性，改进比容测定方法，用马铃薯粑粑质量与占模具(圆柱体)体积之比计算.

表2 粑粑感官评价表

式中P为粑粑比容(cm3/g)；M为粑粑的质量(g);V为粑粑占模具体积(cm3).

2.4.4 数据分析 数据采用Excel2007统计分析，结果重复3次，用“平均值±标准差”表示，实验图采用origin2021软件绘制，采用SPSS软件对数据处理并进行显著性分析，通过DsignExpert10.0.6 软件进行响应面试验设计并分析.

3 结果与分析

3.1 豆渣粉/籼米粉质量比对粑粑品质的影响

豆渣粉具有较高含量的膳食纤维，豆渣粉的添加有助于提高马铃薯粑粑的营养价值.胶黏性是半固体与凝胶体的胶黏特性，胶黏性与物质的硬度密切相关，对感官影响较大[13].由表3可知，胶黏性呈先下降再上升的趋势，当豆渣粉与米粉质量比为0.05时胶黏性显著下降(P<0.05)，当豆渣添加量超过这个比例，由于豆渣中膳食纤维强吸水特性，进一步与淀粉竞争水分，使得淀粉不能充分膨胀，粑粑胶黏性提高，感官评分下降，同时该配比下，马铃薯粑粑硬度最小，且比容最大，如图1所示.综合考虑豆渣粉与米粉质量比0.05是较合适的豆渣粉/籼米粉质量比.

图1 豆渣粉/米粉质量比对粑粑比容与感官评分的影响 图2 木聚糖酶对粑粑比容与感官评分的影响

表3 豆渣粉/米粉质量比对粑粑质构特性的影响

3.2 木聚糖酶对粑粑品质的影响

由表4可知，加入木聚糖酶后，马铃薯粑粑的硬度显著降低(P<0.05)，原因在于在木聚糖酶的作用下，降解了部分不溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维含量升高，使得粑粑保水性增强.岳颖等[14]研究发现，在添加120μg/g的木聚糖酶后，促进了阿拉伯木聚糖的增溶，影响全麦面团的流变特性，从而显著改变面团内部水相溶液的泡沫稳定性，使全麦面包形成较好的细密组织结构，在此试验中也得到类似结论.由图2可知，加入木聚糖酶后，马铃薯粑粑比容迅速增大，表明粑粑内部形成一定空间网络结构，酶添加量超过0.15%时，比容与弹性以及内聚性显著下降(P<0.05)，此时粑粑内部结构遭到破坏，因此，木聚糖酶最佳添加量为0.15%.

表4 木聚糖酶添加量对粑粑质构特性的影响

3.3 乳化剂对粑粑品质的影响

双乙酰酒石酸单双甘油酯具有极性亲水基和非极性亲油基，在面制品加工中，通过将粉质中蛋白质如麦谷蛋白、麦胶蛋白结合，使得形成致密空间网络结构[15].由表5可知，添加乳化剂后，马铃薯粑粑硬度、咀嚼性以及胶黏性显著下降(P<0.05)，乳化剂添加量为1.0%时，咀嚼性较小且比容显著提高(P<0.05)，在此乳化剂添加量下，粑粑较为松软，粑粑适口性提高，表明该乳化剂也使得混粉中蛋白质间产生了某种交联结构.当乳化剂添加量超过1.5%时，马铃薯粑粑的硬度、胶黏性均显著升高(P<0.05)，感官评分迅速下降.原因可能是乳化剂添加量过高时，面糊较黏稠，致使蒸制的马铃薯粑粑内部气孔小，且细密，使得粑粑比容下降[16].由图3可知，在乳化剂添加量为1.0%时，粑粑的比容与感官评分较高，因此1.0%是较佳添加量.

图3 乳化剂添加量对粑粑比容与感官评分的影响 图4 添水量对粑粑比容与感官评分的影响

表5 乳化剂添加量对粑粑质构特性的影响

3.4 添水量对粑粑品质的影响

由表6可知，马铃薯粑粑的硬度呈先增大后下降的趋势，当添水量为125%时，面团较干，干物质比例较大，马铃薯粑粑比容较大，但表皮较干，口感较黏，导致感官评分较低.

表6 添水量对粑粑质构特性的影响

随着添水量的提高，淀粉充分吸水膨胀，空间网络逐渐形成，蓬松感较强，感官评分提高.如图4所示，当添水量超过155%时，粑粑比容显著下降(P<0.05)，感官评分最低，原因可能由于大量的水分稀释了面糊中的干物质，使得淀粉与蛋白质难以形成空间结构，粑粑口感较黏，品质不高.当添水量为135%时，粑粑适口性较好，气孔较均匀，感官评分较高.因此最佳添水量为135%.

3.5 响应面试验结果

3.5.1 响应面试验结果分析 试验设计以马铃薯粑粑感官评分为响应值，豆米质量比(A)、木聚糖酶(B)、乳化剂(C)、添水量(D)为自变量，建立4因素5水平中心组合试验，其中24个析因试验点、6个中心试验点，以此计算试验误差，如表7所示.

表7 响应面设计试验结果

使用软件Design-Expert10.0.4对表7数据进行多元回归拟合，得到感官评分(Y)的回归模型方程式为：

Y=30.85-0.78A+0.38B+0.58C-0.17D-0.30AB+0.010AC+0.34AD-

0.18BC-0.55BD+0.089CD+0.14A2+0.061B2-0.37C2-0.22D2，

利用该回归模型可计算出马铃薯粑粑感官评分的预测值与试验值对比结果如图5所示，皮尔森相关系数为0.948，相关系数(R2)为0.899,表明两个变量有较强的线性相关性，该模型可合理预测马铃薯粑粑的感官评分值.

图5 马铃薯粑粑感官评分试验值与预测模型的关系

3.5.2 回归方程拟合以及方差分析t检验与P值可用于判断因素相关性显著性，由表8可知，模型极显著(P<0.01)，失拟项不显著(P>0.05)，模型复相关系数R2为0.899 3，校正决定系数为0.805 2，说明该模型拟合度较高.各因素对马铃薯粑粑感官评分影响程度依次为：豆米质量比>乳化剂>木聚糖酶>添水量.结合表中F值可知，豆米质量比(A)、木聚糖酶(B)、乳化剂(C)、木聚糖酶与添水量的交互项(BD)以及二次项(C2)均为极显著影响因素，豆米质量比与木聚糖酶交互项(AB)、豆米质量比与添水量交互项(AD)有显著影响.

表8 以感官评分为评价指标的回归模型方差分析结果

3.5.3 响应面优化分析 采用Design-Expert10.0.4软件绘制响应面曲面图，如图6a、图6c、图6e分别代表豆米质量比(A)与木聚糖酶(B)、豆米质量比(A)与添水量(D)、木聚糖酶(B)与添水量(D)交互作用的响应面曲面图.在曲面图中，坡面越陡峭表明对马铃薯粑粑感官作用越显著，反之不显著[17].图6a表明，随着木聚糖酶添加量的增大，马铃薯粑粑感官评分显著提高，且木聚糖酶对马铃薯粑粑有一定改良作用.图6c所示，豆米质量比与添水量的交互作用曲面图呈“马鞍”状，表明两者之间交互有一定作用，且较高的豆米质量比对马铃薯粑粑的感官评分有降低的趋势.图6e中，木聚糖酶与添水量间交互作用明显，且木聚糖酶对马铃薯粑粑感官评分影响要大于添水量影响，过少的木聚糖酶与添水量都对粑粑品质产生不利影响，原因可能在于过多的不溶性膳食纤维与大米淀粉竞争水分，从而导致粑粑品质下降.

a为豆渣与籼米粉质量比与木聚糖酶添加量之间交互作用；b为豆渣与籼米粉质量比与乳化剂添加量之间交互作用；c为豆渣与籼米粉质量比与添水量之间交互作用；d为木聚糖酶添加量与乳化剂添加量之间交互作用；e为木聚糖酶添加量与添水量之间交互作用；f为乳化剂添加量与添水量之间交互作用.

3.6 最佳工艺条件验证与预测

通过二次回归方程模型分析，预测出理论上无麸质马铃薯粑粑最佳评分工艺为豆渣粉与米粉质量比0.03、木聚糖酶添加量0.22%、乳化剂添加量1.21%、添水量125%，理论上此工艺下感官评分为33.42分，考虑到实际操作可行性，故调整工艺参数为豆渣粉与米粉质量比0.03、木聚糖酶添加量0.20%、乳化剂添加量1.20%、添水量125%.按此工艺下，感官评分为33.11分，相对误差0.93%，与预测结果接近，表明基于响应面优化所得工艺参数较为准确.

4 结论与讨论

无麸质制品缺乏面筋蛋白，面团的持气能力差，故制品蓬松度、韧性较小，感官品质差，故需通过工艺改进以提高品质.无麸质马铃薯粑粑以马铃薯雪花全粉与籼米粉为主要原料，辅以木聚糖酶、乳化剂，模拟普通麸质面制品的空间网络结构，赋予马铃薯粑粑一定的蓬松感.通过单因素及多因素中心旋转组合分析，得到无麸质马铃薯粑粑的最佳配方为马铃薯全粉40%、豆渣粉与米粉质量比0.03、木聚糖酶添加量0.20%、乳化剂添加量1.20%、添水量125%，产品感官评分为33.11分，相对误差0.93%，产品质量稳定，可接受性良好.

加入一定比例的豆渣粉，降低马铃薯淀粉凝胶强度、增强马铃薯淀粉凝沉性，过量的豆渣添加，豆渣与马铃薯淀粉形成假塑性流体[18]，使得蒸制后的马铃薯粑粑黏性增大，感官品质下降.添加一定量豆渣的同时，由于豆渣中丰富的膳食纤维，这既提高了产品的质构特性和感官品质，又增加了产品对肠道的有益作用[19].

马铃薯全粉在生产过程中充分保留了膳食纤维，木聚糖酶可降解纤维素、半纤维素，使不溶性阿拉伯木聚糖分解为可溶性阿拉伯木聚糖，可溶性阿拉伯木聚糖具有优良的吸水能力，从而增大膳食纤维利用率[20].曾洁等[21]研究发现木聚糖酶可降低馒头的硬度、黏性、咀嚼性等，木聚糖酶添加量为30 mg/kg时，馒头硬度、胶黏性、回复性最小，在本试验中也得到类似的结果.同时,木聚糖酶也能降解豆渣中纤维素，两者交互作用较为明显，这在响应面交互作用分析中得到验证.乳化剂是一种多功能的表面活性剂,可作为品质改良剂、柔软剂，也是面制品加工中应用最为广泛的食品添加剂之一[16].双乙酰酒石酸单双甘油酯(DATEM)作为乳化剂，可使面团中的油脂分布均匀，发生稳定乳化作用，提高制品的感官品质.李丹等[22]研究发现在无麸质大米面包中添加适量的单甘酯有助于降低大米面包的硬度、内聚性以及咀嚼性.于亚洲[23]在对大米面包改良研究时发现，添加0.5% DATEM显著提高面包比容，达到2.43 mL/g.图6f也显示，双乙酰酒石酸单双甘油酯与水交互作用图呈“圆顶”状，表明双乙酰酒石酸单双甘油酯与水有较好的交互作用，对马铃薯粑粑品质有一定改良效果，两种改良剂均对马铃薯粑粑感官品质有一定的提升，故可作为无麸质马铃薯粑粑改良剂使用.