响应面法优化胡萝卜功能性饼干工艺研究

张守花 张新海

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁 458030）

随着糖尿病、肥胖症等“富贵病”人群数量的增加，高营养、低热量的功能性食品研究和开发已受到高度重视[1]。胡萝卜富含叶酸、维生素A 和多种类胡萝卜素，在增强免疫力和提高肠道益生菌等方面有独特的价值[2]。抗性淀粉具有膳食纤维功能，摄入适量抗性淀粉可预防高脂血症、心血管病，降低糖尿病患者发病[3]，是一种新型膳食纤维食品添加剂，其持水率低，适用于焙烤食品。低聚木糖是可溶性的糖，具有良好的甜味，热量值低，摄入低聚木糖不会引起血糖水平的波动，在食品中添加低聚木糖既能满足人们对甜味的需求，又不会造成过多热量的摄入[4-5]。以低筋小麦粉、胡萝卜粉、抗性淀粉、低聚木糖为主要原料，通过响应面法优化饼干的配方，研发出一种高营养、低热量的胡萝卜功能性饼干。

1 材料与方法

1.1 主要材料

低筋小麦粉，五得利集团新乡面粉有限公司；抗性淀粉，上海永叶生物科技有限公司；胡萝卜粉，兴化市益盛生物科技有限公司；低聚木糖，山东龙力生物科技股份有限公司；无铝害双效泡打粉，安琪酵母股份有限公司；淇花大豆油，河南省淇花食用油有限公司；食盐，久大（应城）盐矿有限责任公司。

1.2 主要设备

TL-603S 电气层炉，无锡腾力机械有限公司；TL-520 酥皮机，无锡腾力机械有限公司；SZM-B5型搅拌机，广州旭众食品机械有限公司。

1.3 制作方法

1.3.1 饼干基础配方

通过预试验设定基础配方：100 g 低筋小麦粉，胡萝卜粉35 g，抗性淀粉10 g，低聚木糖2 g，植物油20 g，泡打粉 1 g，食盐 0.5 g。

1.3.2 饼干制作工艺与操作要点

工艺：面团调制→辊轧→成型→烘烤→冷却→成品。

面团调制：

（1）将低筋小麦粉、胡萝卜粉、抗性淀粉、低聚木糖、泡打粉和食盐混合均匀。

（2）加入水和大豆油进行和面。

（3）和面至面团表面光滑，在制备面团的过程中，应该减少面团的揉捏时间。和好面后25 ℃下静置一段时间[6]。

辊轧成型：将调制好的面团，用酥皮机辊轧成均匀的2 mm 薄片，用印模压成形状大小一致的面胚。

烘烤条件：烤箱提前预热，上火180 ℃，下火180 ℃，烘烤 10 min。

冷却、包装：等彻底晾凉后，放入包装袋内封口。

1.3.3 单因素试验

在固定基础配方的条件下，对胡萝卜粉、抗性淀粉和低聚木糖添加量分别设计6 个不同水平的试验，具体见表1，探讨其对饼干感官品质的影响。

表1 单因素试验设计方案

1.3.4 饼干制作响应面试验

在单因素试验的基础上，以胡萝卜粉、抗性淀粉和低聚木糖添加量为自变量，以饼干感官评分为指标，使用Design Expert 软件的Box-Behnken 进行响应面优化试验[7-8]，因子与水平及编码见表2。

表2 响应面试验因素与水平

1.3.5 感官评价指标

以饼干的色泽、风味、口感、外形及组织结构为评定指标，由10 位经过一定感官分析训练的人士根据设计的感官质量指标进行评分，具体评定指标见表3。

表3 单因素试验设计方案

1.3.6 数据处理

采用Excel 处理数据，取5 次平行试验结果的均值；采用软件Origin 作图；采用软件Design-Expert的Box-Behnken 进行试验数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

胡萝卜粉、抗性淀粉、低聚木糖添加量对饼干品质的影响情况见图1—图3。

图1 胡萝卜粉添加量对饼干品质的影响

图3 低聚木糖添加量对饼干品质的影响

由图1 可知，胡萝卜粉添加量为40 g 时，饼干感官评分最高，此时饼干的疏松性较好，表面光滑，有淡淡的胡萝卜香味；当胡萝卜粉添加量较小时，饼干的胡萝卜香味较小，且饼干口感稍硬；随着胡萝卜粉添加量的增加，饼干口感逐渐变好，且面团也易成型；当胡萝卜粉超过40 g 后，饼干的胡萝卜味较重且有少许苦味，口感变差。在不影响饼干品质的前提下，为达到尽可能多的增加胡萝卜用量，试验中胡萝卜粉最佳添加量在40 g 左右。

由图2 可知，当抗性淀粉添加量达到12 g 时，饼干的感官得分达到最高，此时制得的饼干颜色均匀，香味纯正，酥脆性较好，口感细腻；当抗性淀粉较少时，口味变化不明显；当抗性淀粉超过12 g 后，随着抗性淀粉的继续增加，饼干的颜色变浅，表面裂纹开始增多。试验中抗性淀粉最佳添加量在12 g 左右。

图2 抗性淀粉添加量对饼干品质的影响

续 表

由图3 可知，当低聚木糖用量为2.5 g 时，饼干感官评分最高，饼干甜度适中；当低聚木糖用量小于2.5 g 时，甜度不足；当低聚木糖用量大于2.5 g 时，有甜腻感。鉴于胡萝卜功能性饼干研制时要求尽量少糖，试验中低聚木糖最佳添加量在2.5 g 左右。

2.2 Box-Behnken 试验结果与分析

2.2.1 模型的建立及方差分析

根据单因素试验结果，以饼干的感官评分为响应值，以胡萝卜粉、抗性淀粉和低聚木糖添加量为考察因素，进行Box-Behnken 试验设计，结果见表4。

表4 响应面试验设计及结果

利用Design-Expert 软件对表4 数据进行多元回归拟合[9-10]，得到响应值（Y）对 A、B、C 的响应值回归方程：Y=+88.79-0.34A+0.81B-0.76C-1.53AB-0.83AC-0.10BC-6.68A2-6.80B2-3.64C2，对响应面回归模型进行方差分析[7-8]，结果见表5。

表5 响应面试验方差分析

由表5 可知，多元回归所建立模型的P 小于0.0001，表明建立的回归方程极显著[11-12]；失拟项P大于0.05，失拟项不显著，表明模型具有较高的可靠性，回归方程的拟合度较高[13-14]；模型的相关性系数为0.9845，说明预测值与试验值有较高的相关性[15-17]；调整决定系数为0.9645，说明96 %以上的响应值能用所建模型解释，能够较好地描述试验结果[18]；信噪比18.842 大于4，表明信号充足，也说明所建模型比较可靠；模型的二次项 A2、B2、C2的 P 值小于0.0001，达到极显著水平，说明试验考察的3 个因素对响应值不是简单的线性关系，它们的改变对饼干品质的变化影响较大[19-20]。

2.2.2 响应面分析

由模型回归方程绘制响应面三维图像和等高线见图4—图6。

由图4—图6 可知，考察的3 个因素两两交互作用均比较显著[21]，固定胡萝卜粉添加量、抗性淀粉添加量和低聚木糖添加量中的2 个因素，改变另一个因素变量，饼干品质均先升高后降低。

图4 胡萝卜粉添加量与抗性淀粉添加量对饼干品质的影响

图6 抗性淀粉添加量和低聚木糖添加量对饼干品质的影响

响应面试验所建模型的数据诊断见图7—图8。

图8 残差与试验运行的对应关系图

由图7 可知，试验的残差分布符合正态规律，所有数值基本接近一条直线，说明预测值和实际值比较接近，预测误差较小[22]。

图5 胡萝卜粉添加量与低聚木糖添加量对饼干品质的影响

图7 残差的正态概率分布

由图8 可知，残差数据表现为分散无规律性，表明残差与试验运行过程无直接关系，同样表明了试验模型方程的可靠性较高，方程的拟合度较好，可以用试验拟合方程对试验进行分析和预测[23-24]。

2.2.3 响应面优化结果验证

利用Box-Behnken 设计对响应面试验结果进行优化，试验预测的最优配方为：胡萝卜粉添加量39.87 g，抗性淀粉添加量12.06 g，低聚木糖添加量2.45 g，饼干感官评分为88.86。

利用最优配方进行3 次重复性验证试验，制作的胡萝卜功能性饼干表面光滑，酥脆性较强，口感细腻，有胡萝卜的清香。3 次试验饼干感官评分平均为88.31，基本接近预测值，表明响应面法优化配方的可靠性较高[25-26]。

3 结语

在单因素试验的基础上，通过响应面法优化胡萝卜功能性饼干配方，利用Box-Behnken 设计优化的最佳配方进行验证试验，测得胡萝卜功能性饼干品质平均值与预测值基本吻合，表明试验利用响应面优化的最佳配方具有实际参考意义。胡萝卜功能性饼干的研制与开发不仅可以拓展市场上饼干的种类，也可为高血脂、糖尿病、肥胖症等特定人群提供营养丰富、热量较低的休闲食品。