响应面法优化马蹄皮粉酥性饼干配方

谭韩英，杨滨榕，高丹，梁园丽，陈伟玲

（贺州学院食品与生物工程学院，广西 贺州 542899）

马蹄是一种莎草科水生草本植物的球茎，栽培历史悠久，可生食也可熟食，味甜汁多，有“地下雪梨”之称[1]。马蹄皮中含有多种活性组分，如黄酮[2]、多酚[3]、色素[4]、抑菌物质[5-6]、膳食纤维[7]、果胶[8]等，具有消炎杀菌、化湿祛痰、利咽明目等功效，因此马蹄有较高的药用价值[9]。但是在马蹄加工和食用过程中，会产生占鲜马蹄质量20%～25%的马蹄皮，由此导致每年超20万吨的马蹄皮浪费和损失[10-11]。目前，马蹄已经被研发成多种产品，如马蹄果醋[12]、马蹄风味果酒[13]、马蹄皮复合饮料[14-15]、马蹄皮咀嚼片[16]等，而将马蹄皮添加到饼干中的研究尚未有报道。基于此，本文将马蹄皮添加到饼干中，马蹄皮粉酥性饼干既拓宽了马蹄皮的应用范围，也丰富了饼干种类，同时通过探究马蹄皮粉酥性饼干配方，为开发功能性饼干提供一定的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

低筋面粉：广东东方面粉有限公司；食用植物调和油：益海嘉里食品营销有限公司；马蹄、食用盐、小苏打粉、白砂糖、鸡蛋等：市售。

1.2 设备

J1000Y电子天平：常熟市双杰测试仪器厂；FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；YXE-6烤箱：广东乐创电器有限公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司；XMTD-204数显恒温水浴锅：常州翔天实验仪器厂；NS810分光测色仪：深圳市三恩驰科技有限公司；UV-1600PC紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 马蹄皮粉酥性饼干操作要点

1.3.2.1 马蹄皮粉的制备

将马蹄清洗干净，削皮，将皮均匀摆在网架上，在70℃恒温干燥箱中烘干后，用高速万能粉碎机粉碎至粉末状，过60目筛，去除颗粒大的部分，即得马蹄皮粉。

1.3.2.2 面团调制

称取面粉、马蹄皮粉、小苏打预先混合备用。调和油中加入糖粉和盐进行乳化，乳化完全后倒入蛋液混匀。将混合好的面团进行揉搓至面团光滑、马蹄皮粉颜色均匀，无结块。将面团用保鲜膜覆盖，静置松弛10 min。

1.3.2.3 成型

称取15 g的面团搓成圆球，再用大拇指压制成直径为3 cm，厚度为5 mm的圆饼胚，用力均匀，厚薄度一致，放入烤盘。

1.3.2.4 焙烤

温度设置为上火170℃～180℃，下火130℃～140℃，时间21 min。

1.3.2.5 冷却包装

饼干焙烤完毕将其冷却至25℃后装袋，即得成品。

1.3.3 单因素试验设计

以100 g低筋面粉为基准，基本配方为低筋面粉100 g、马蹄皮粉 5 g、调和油 30 g、糖粉 35 g、全蛋液30 g、小苏打2 g、食用盐1.5 g。选用控制变量法，依次改变马蹄皮粉（5、10、15、20、25 g）、糖粉（15、25、35、45、55 g）、调和油（10、20、30、40、50 g）3 个单因素的添加量，考察不同因素对饼干品质的影响，以此确定每个单因素的最佳添加量。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，以马蹄皮粉添加量、调和油添加量、糖粉添加量作为响应变量，以感官评分为响应值，利用Design Expert 8.0.6进行三因素三水平的Box-Behnken试验，优化最佳条件，试验的各因素水平见表1。

表1 Box-Behnken试验设计因素及水平编码Table 1 Factor level of Box-Behnken test

1.3.5 感官评分

由9位专业人士进行感官评价，具体评价标准见表2。

表2 感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standard

1.3.6 饼干色差测定

在饼干的众多感官品质指标中，色泽是一个重要的影响因素，好的色泽往往能激起人们的食欲，而马蹄皮粉自带的褐色添加到饼干里，与未添加马蹄皮粉的饼干形成鲜明的对比。本试验以空白饼干（未添加马蹄皮粉）的色差作为标准样，采用分光测色仪对在最优配方下制作出的饼干进行色差测定。

1.3.7 理化指标、微生物和黄酮含量测定

本试验根据GB 7100—2015《食品安全国家标准饼干》[17]中的要求，对马蹄皮粉酥性饼干的酸价、过氧化值、菌落总数、大肠菌群、霉菌进行测定。

饼干中黄酮含量的测定参照SN/T 4592-2016《出口食品中总黄酮的测定》[18]进行，其中样品需要先进行脱脂处理。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel2016进行处理数据和作图，取3次平行试验结果的平均值作为结果；采用Design-Expert8.0.6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

2.1.1 马蹄皮粉添加量对饼干品质的影响

马蹄皮粉添加量对饼干品质的影响见图1。

图1 马蹄皮粉添加量对饼干品质的影响Fig.1 Effect of water chestnut peel powder addition on biscuit quality

由图1可知，随着马蹄皮粉添加量增加，感官评分先升高后下降。当马蹄皮粉添加量为5 g时，面团较软，成品饼干的马蹄焦香味不明显，品质一般。当马蹄皮粉添加量为10 g时，面团软硬适中，饼胚易成型，烘烤出的饼干结构完整，散发出应有的马蹄焦香味，此时评分最高。当添加量继续增加时，面团开始变硬变散，不易成型，且成品颗粒感严重，影响感官评分，可能是由于马蹄皮粉纤维含量较高，破坏了面团的筋力，降低面筋的弹性[19]。因此，选择马蹄皮粉添加量5、10、15 g进行响应面试验。

2.1.2 糖粉添加量对饼干品质的影响

糖粉添加量对饼干品质的影响见图2。

图2 糖粉添加量对饼干品质的影响Fig.2 Effect of sugar powder addition on biscuit quality

糖在制作饼干的过程中不仅给饼干提供甜味，还可以发生美拉德与焦糖化反应，具有一定的增色作用[20]，但当其含量过高时，饼干边缘和表面就容易出现焦糊现象。此外，糖还具有反水化作用，降低面筋的形成，调节面团弹性，使饼干更加酥脆[21]。由图2可知，当糖粉添加量为15、25 g时，面团的延展性较差，面团弹性差，饼干质地偏硬，甜度不够，口感较差。当糖粉添加量为45 g时，饼干感官评分达到最高，此时的饼干咸甜适中，酥松脆口，色泽均匀。当糖粉添加量为55 g时，饼干甜腻感过重，且颜色偏深。因此，选择糖粉添加量35、45、55 g进行响应面试验。

2.1.3 调和油添加量对饼干品质的影响

调和油添加量对饼干品质的影响见图3。

图3 调和油添加量对饼干品质的影响Fig.3 Effect of blended oil addition on biscuit quality

由图3可知，随着调和油添加量的增加，感官评分先上升后下降。当调和油添加量为10 g时，油与糖粉的乳化不完全，面团干硬，饼干酥松性一般，饼干表面不光滑无光泽，影响饼干的口感；当调和油添加量为30 g时，糖油乳化完全，面团的可塑性最好，成品口感最佳；但当油含量过高时，面团软塌，表面光滑且出油现象严重导致可塑性差，不易成型。因此，选择调和油添加量20、30、40 g进行响应面试验。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面设计与试验结果

利用Design Expert 8.0.6进行三因素三水平的Box-Behnken试验，Box-Behnken试验设计及结果见表3。

表3 Box-Behnken试验设计及结果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments

通过对表3的试验结果进行回归拟合，得到A（马蹄皮粉添加量）、B（糖粉添加量）、C（调和油添加量）3个因素与Y（感官评分）之间的回归方程，多元二次回归模型方程为Y=86.14+1.38A-0.69B+1.21C-0.86AB-0.27AC+0.43BC-4.85A2-4.43B2-0.86C2。

2.2.2 显著性检验及方差分析

回归模型的方差分析见表4。

表4 回归模型的方差分析Table 4 Regression model analysis of variance

由表4可知，模型P=0.001 0＜0.01，说明模型极显著。决定系数R2=0.948 8，说明感官评价值变异中有94.88%是由变量引起，校正后决定系数R2adj=0.883 1，失拟项不显著P=0.220 7＞0.05，表明模型方程拟合度较好，可对马蹄皮粉酥性饼干配方进行预测。由F值大小可知，3个因素的显著性影响大小依次为马蹄皮粉添加量＞调和油添加量＞糖粉添加量；而3个因素交互项的P＞0.05，说明3个因素之间相互影响不显著。

2.2.3 双因素的交互作用分析

以Y感官评分为指标，对A马蹄皮粉添加量、B调和油添加量、C糖粉添加量3个因素进行交互作用分析，结果见图4～图6。

图4 马蹄皮粉添加量与糖粉添加量的交互作用Fig.4 The interaction between the amount of water chestnut peel powder and sugar powder

图5 马蹄皮粉添加量与调和油添加量的交互作用Fig.5 The interaction between the amount of water chestnut peel powder and blended oil

图6 糖粉添加量与调和油添加量的交互作用Fig.6 The interaction between the amount of sugar powder and blended oil

由图4～图6可知，所有的响应面图都是曲面，开口朝下，说明响应值存在极值[22]。等高线越趋近于椭圆，则表示交互作用越强，越趋近于圆，表示交互作用越弱[23]。图中响应面值坡面均较缓，各因素相互作用的等高线并没有呈现明显的椭圆，说明马蹄皮粉添加量、调和油添加量、糖粉添加量直接的交互作用对感官评分的影响均不显著，这与方差分析的结果一致。

2.2.4 验证试验

通过Design Expert 8.0.6软件进行配方的优化组合，得到马蹄皮粉酥性饼干的最佳配方为马蹄皮粉添加量10.65 g、糖粉添加量44.42 g、调和油添加量36.69 g，此条件下马蹄皮粉酥性饼干的理论感官评分为86.66。考虑到实际操作的方便，将预测最优配方调整为马蹄皮粉添加量10.60 g、糖粉添加量44.40 g、调和油添加量36.70 g，在此条件进行3次验证试验，得到马蹄皮粉酥性饼干的感官评分平均值为86.88，与理论值非常接近，证明采用响应面优化马蹄皮粉酥性饼干的回归方程拟合良好，获得的优化工艺参数准确可靠。

2.3 色差测量结果分析

通过分光测光仪进行检测，分别以L*、a*、b*表示饼干的明暗度、红绿色和黄蓝色，当L*值越大，饼干的色泽越亮，反之越暗；当a*的数值越大，偏向红色，反之偏向绿色；当b*的数值越大，偏向黄色，反之偏向蓝色[24]。马蹄皮粉酥性饼干与空白酥性饼干色差对照见表5。

表5 马蹄皮粉酥性饼干与空白酥性饼干色差对照Table 5 Comparison of color difference between water chestnut peel powder crisp biscuit and blank crisp biscuit

由表5可知，马蹄皮粉酥性饼干与空白对照饼干的总色差值ΔE*为17.24，说明添加了马蹄皮粉的饼干与原味饼干在色泽上存在明显差异。

2.4 理化指标、微生物、黄酮含量测定结果

马蹄皮粉酥性饼干水分含量为3.54%、酸价为0.56 mg/g、过氧化值为0.013 g/100 g、菌落总数为28CFU/g、霉菌为2CFU/g，大肠杆菌未检出，均符合国家标准。马蹄皮粉酥性饼干黄酮含量为0.17 g/100 g，马蹄皮粉的添加在一定程度上增加了饼干中黄酮的含量。

3 结论

本文通过单因素试验和响应面试验，获得马蹄皮粉酥性饼干最佳配方为低筋面粉100 g、马蹄皮粉添加量10.60 g、糖粉添加量44.40 g、调和油添加量36.70 g、全蛋液30 g、小苏打2 g、食用盐1.5 g。在此配方下制作出来的饼干口感酥脆、结构完整、色泽均匀，本试验所检测的理化指标和微生物指标符合国家标准，为功能性饼干的进一步研究提供参考依据。