膨化玉米粉配方优化及冲调性分析

曾德玉，龙安金，曾珍，黄锐，叶阳*

1. 四川轻化工大学生物工程学院（自贡 644000）；2. 四川省旌晶食品有限公司（德阳 618000）

玉米是我国除小麦、稻谷外第三大种植物，在食品、饲料及工业原料中均有应用，被誉为“未来的谷物”。玉米粉含有丰富的营养物质，具有健脾益胃、美容养颜等功效[1-2]，但膨化玉米粉存在冲调性较差的问题，即冲调时速溶性差、易结块、粉包、粘壁、稳定性差[3-5]，这些制约着膨化玉米粉的发展。目前，采用淀粉改性[6]和优化干燥工艺[7]，改变粉体的颗粒结构，进而改善其冲调性。此外，在配方中加入一些添加剂[8]来改善粉体的冲调性。如麦芽糊精可改善膨化粉的分散性和粘壁现象[9]，降低结块[10]，黄原胶[11]、单甘酯[12]、蔗糖酯[13]也可改善其冲调性能。但少有将这些添加剂加入膨化玉米粉中研究其冲调性能指标的变化，此次研究以膨化玉米粉为原料，麦芽糊精、单甘酯、黄原胶和蔗糖酯为添加剂，通过单因素试验和响应面试验优化膨化玉米粉配方工艺，提高粉体的冲调性，旨在为膨化玉米粉在代餐粉中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

市售玉米粉，旌晶食品有限公司；麦芽糊精、黄原胶、单甘酯、蔗糖酯，河南万邦实业有限公司。以上试剂均为食品级。

1.2 仪器与设备

DHG-9075A电热恒温鼓风干燥箱（北京中兴伟业仪器有限公司）；HWS-12电热恒温水浴锅（上海齐欣科学仪器有限公司）；NDJ-5S数字式黏度计（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；TG-16台式高速离心机（四川蜀科仪器有限公司）。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验

分别以麦芽糊精添加量（5%，10%，5%，20%和25%）、黄原胶添加量（0.1%，0.3%，0.5%，0.7%和0.9%）、单甘酯添加量（0.3%，0.4%，0.5%，0.6%和0.7%）、蔗糖酯添加量（0.03%，0.06%，0.09%，0.12%和0.15%）复配膨化玉米粉，以结块率、沉淀率、分散时间、冲调稳定性指数、吸水性指数、水溶性指数、黏度为指标，确定最佳添加量。

1.3.2 响应面优化试验设计

根据单因素试验结果，确定四个响应因素：麦芽糊精添加量（A）、黄原胶添加量（B）、单甘酯添加量（C）、蔗糖酯添加量（D）。以膨化玉米粉的黏度（Y1，mPa·s）和结块率（Y2，%）为响应值，使用全因子CCD进行30组的响应面试验，对膨化玉米粉的配方进行优化，因素及水平见表1。

表1 响应面试验设计的自变量和编码值 单位：%

1.3.3 测定方法

1) 吸水性指数（WSI）、水溶性指数（WAI）的测定：参照张雪等[14]的测定方法。

2) 结块率、离心沉淀率、分散时间、稳定性指数和黏度的测定：分别参照乐梨庆等[15]、张月阳等[16]、张冬媛等[17]、肖宇琨[18]、孙雪姣等[19]的测定方法。

1.4 数据处理

采用Excel 2007处理试验数据，用Design Expert 8.0 Trial进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 膨化玉米粉单因素试验结果与分析

2.1.1 麦芽糊精添加量对膨化玉米粉冲调性的影响

由表2可知：随麦芽糊精添加量增加，膨化玉米粉的WAI呈上升趋势；WSI、结块率、黏度呈下降趋势；离心沉淀率、分散时间和稳定性指数呈先降低后增加趋势。麦芽糊精添加量15%时，膨化玉米粉的结块率最低，黏稠度适中，冲调效果好，孙延修等[20]研究表明即食糊中添加麦芽糊精对其结块影响较大。可能是麦芽糊精添加量＜15%时，膨化玉米粉的冲调稳定性好，降低了结块；添加量＞15%时，冲调粉黏度较低，流动性大，增加了颗粒间在水中的凝沉，从而增加了结块。因此，麦芽糊精的最佳添加量为15%。

表2 麦芽糊精对膨化玉米粉冲调性能的影响

2.1.2 黄原胶添加量对膨化玉米粉冲调性的影响

由表3可知：随黄原胶添加量增加，WAI、WSI、分散时间呈先增上升后下降趋势，结块率先下降后增加，黏度呈上升趋势；沉淀率、稳定指数呈下降趋势。与空白组相比，黄原胶能显著降低膨化玉米粉的冲调结块率和分散时间，其中分散时间和结块率在黄原胶添加量0.7%时最低，可能是黄原胶添加量增加，增加粉体的黏度，使得颗粒间有附着结块的倾向，使颗粒增大，从而增大了结块率和分散时间[21]；与杜长江等[22]在研究黄原胶添加量对冲调型核桃燕麦谷物粉的沉淀率和黏度变化趋势一致，降低程度较好。

表3 黄原胶对膨化玉米粉冲调性能的影响

2.1.3 单甘酯添加量对膨化玉米粉冲调性的影响

由表4可知：随单甘酯添加量增加，冲调粉的沉淀率和稳定性指数先降低后增加，总体高于空白组，说明单甘酯可改善膨化玉米粉的冲调稳定性，在添加量0.6%时，沉淀率和稳定性指数最低，可能是随着单甘酯用量的增加，玉米颗粒表面形成的界面表面张力降低，提高了冲调粉的稳定性，添加量增加，则因减少界面黏性而促使淀粉聚集，降低了稳定性。单甘酯添加量0.6%时，结块率最低5.23%，与空白组相比降低了4.37%，与李琴[23]在研究单甘酯添加量对即食板栗粉结块率的变化趋势一致。

表4 单甘酯对膨化玉米粉各冲调性的影响

2.1.4 蔗糖酯添加量对膨化玉米粉冲调性的影响

由表5可知：随着蔗糖酯添加量的增加，粉体WSI、离心沉淀率、分散时间、结块率先降低后增加；水溶性指数、稳定性指数先增加后降低；黏度增加，可能是蔗糖酯能与淀粉颗粒及其他颗粒间相互作用，以络合物等方式聚集，使玉米粉粒子的溶剂化膜增强，有效力学半径增大，即表现为体系黏度增大[24]。蔗糖酯的添加使冲调粉的离心沉淀率、分散时间、稳定性指数优于空白组，因为蔗糖酯是稳定剂，具有增加稳定性和促进速溶的作用，与郝娟等[25]研究蔗糖酯对黑芝麻谷物乳的离心沉淀率变化趋势一致。添加量0.09%时结块率最低，因此，蔗糖酯最适添加量为0.09%。

表5 蔗糖酯对膨化玉米粉各冲调性的影响

2.2 膨化玉米粉响应面试验

2.2.1 响应面试验结果

单因素试验表明，膨化玉米粉配方中麦芽糊精添加量、黄原胶添加量、单甘酯添加量和蔗糖酯添加量对冲调粉中黏度（Y1）和结块率（Y2）有显著影响（p＜0.05）。表6显示了全因子CCD的30组试验，配方冲调性试验按序号进行。通过多元回归分析对响应函数进行拟合，可以得到以下二阶多项式方程，这些方程可以代表黏度（Y1）和结块率（Y2）。

Y1=7 532.33+280.00A+95.00B+451.67C-174.17D-710.00AB+860.00AC+272.50AD-410.00BC+272.50BD-242.50CD

Y2=5.74-0.41A+0.36B+0.10C+0.19D-0.40AB-0.32AC+0.028AD-0.89BC-0.22BD-0.21CD

表6和表7分别显示黏度和结块率的试验结果和方差分析。模型值F值分别为3.09和2.61，p值分别为0.016 4和0.034 8（p＜0.05），表明这两个模型均显著。失拟项的p值分别为0.921 9和0.407（p＞0.05），表明两模型均有效。可以看出，两个模型均很好地描述每个因素与响应值之间的真实关系，可以用来确定最佳配方。Y1模型中4个主因素对黏度影响的强弱为C＞A＞D＞B；Y2模型中4个主因素对结块率影响的强弱为A＞B＞D＞C。

表6 膨化玉米粉中心复合设计（CCD）及试验结果

表7 中心复合设计（CCD）试验结果的方差分析

2.2.2 黏度和结块率响应面分析

交互项AB、AC显著，p＜0.05，说明交互作用对膨化玉米粉冲调后的黏度有显著性影响。图1（a、b）是膨化玉米粉中各添加剂交互作用对黏度（Y1）影响的3D响应面图。若响应曲面倾斜度越高，等高线越接近椭圆形，则说明交互作用越强。Y2模型中BC的交互作用在p＜0.05时显著，其他交互项不显著。图1（c）是膨化玉米粉中黄原胶和单甘酯配比的交互作用对结块率（Y2）影响的3D响应面图。

图1 各因素交互作用的三维响应面图

2.3 验证试验

使用Design Expert 8.0.6软件优化添加剂配方，即麦芽糊精添加量12.5%、黄原胶添加量0.60%、单甘酯添加量0.55%和蔗糖酯添加量0.07%。该模型的预测响应值：黏度6 320 mPa·s，结块率3.34%。进行重复性试验以验证预测模型，结果显示，实际的黏度和结块率分别为6 200 mPa·s和3.27%，表明实际值与预测值之间没有显著差异。

2.4 冲调性指标分析

响应面中心组合设计优化后的膨化玉米粉配方，其吸水性指数、水溶性指数、分散时间、冲调稳定性指数、离心沉淀率分别为2.83，24.84%，4.66 s，2.73%和40.27%。

3 结论

通过单因素试验和响应面中心组合设计模型得出：麦芽糊精添加量12.5%、黄原胶添加量0.60%、单甘酯添加量0.55%和蔗糖酯添加量0.07%时，其粉体的吸水性指数、水溶性指数、分散时间、冲调稳定性指数、离心沉淀率、结块率和黏度分别为2.83，24.84%，4.66 s，2.73%，40.27%，3.27%和6 200 mPa·s，与空白组的膨化玉米粉相比，结块率降低了6.33%，在水中分散时间缩短了3.97 s，此时的膨化玉米冲调粉冲调时速溶、溶液均匀，结块少，黏度适中。影响膨化玉米粉结块率的因素强弱为麦芽糊精添加量＞黄原胶添加量＞蔗糖酯添加量＞单甘酯添加量，影响黏度的因素强弱为单甘酯添加量＞麦芽糊精添加量＞蔗糖酯添加量＞黄原胶添加量。