响应面法优化挤压预处理麸皮面包工艺配方的研究

潘芹敏， 蒲慧婷， 蔡红燕,2， 王 展,2， 沈汪洋,2，黄文晶,2， 纪执立,2， 周 坚,2， 贾喜午,2

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430048) (大宗粮油精深加工省部共建教育部重点实验室2，武汉 430048)

小麦麸皮是小麦加工过程中的主要副产物，麸皮中除含有丰富的膳食纤维外还含有成人所需的8种必需氨基酸以及钾、磷、镁、钙等矿物质元素[1]，是一种极具营养价值的副产物。但是，麸皮的添加会对面包的品质产生负面影响，添加的麸皮会形成物理阻碍并与面筋蛋白争夺水分从而破坏面筋网络结构，导致麸皮面包硬度偏大、质地粗糙、口感不佳，严重限制其应用[2,3]。

研究者在优化麸皮面包品质方面做出了相当大的努力，宁芊等[4]、刘凯等[5]、马福敏等[6]通过添加亲水性胶体、酶、乳化剂等改良剂提高麸皮面包品质，改良剂的添加可以增大面包的比容，延缓面包老化。邹奇波等[7]、Tang等[8]、王小平等[9]等研究了乳酸菌、融合魏斯氏菌、生香酵母菌等混菌发酵对麸皮面包烘焙特性和风味的影响，表明混菌发酵可以降低面包硬度，增强面包的风味，但面包储藏稳定性较差。肖志刚等[10]、Gomez等[11]、Messia等[12]研究了麸皮的物理/化学改性对麸皮面包烘培特性的影响，发现将改性后的麸皮加入小麦粉中制作面包，可以提高麸皮面包的储藏稳定性，改善麸皮面包的口感，但麸皮面包营养损失严重，面包制作的工艺配方需要优化。Majzoobi等[13]、吴树凤等[14]、柳思妍等[15]对麸皮面包的工艺配方进行了优化，制备的成品感官评分有所提高，但面包储藏稳定性较差、易老化、气味难闻。目前有关优化挤压预处理麸皮面包工艺配方方面的研究较少, 本研究将挤压预处理的麸皮加入高筋粉中制作面包，并以麸皮粒度、添加比例和加水量为影响因素，以综合评分为目标值对挤压预处理麸皮面包工艺配方进行响应面优化，以期在改善麸皮面包品质的同时，为后期提高麸皮面包储藏稳定性的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

小麦麸皮(淀粉21.27%、蛋白16.70%、水分11.88%、灰分5.53%、脂肪3.27%)、面包用高筋小麦粉(蛋白23%、脂肪3%、碳水化合物24%)、白砂糖、食盐、高活性干酵母；植物黄油。

1.2 主要仪器与设备

FMHE36-24型双螺杆挤压机、DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱、800Y型高速多功能粉碎机、Ø200型实验分级筛、SPI-11型和面机、CS-10型色差仪、TA-XT plus型物性测试仪、C-Cell型食品图像分析仪。

1.3 方法

1.3.1 挤压预处理小麦麸皮

使用双螺杆挤压膨化机，将小麦麸皮进行挤压预处理。挤压参数为：液体进料量19%、喂料速度12 kg/h、螺杆转速120 r/min、挤压5个温区温度分别为60、90、110、60、50 ℃。将挤压好的小麦麸皮置于鼓风干燥箱内烘干，冷却到室温后粉碎并过60、80、100、120目筛网，分别得到粒度为>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm的麸皮备用。

1.3.2 麸皮面包配方

麸皮面包基础配方：高筋小麦粉276 g，麸皮24 g，酵母4.5 g，白砂糖40 g，食盐2 g，黄油24 g，水180 g。

1.3.3 麸皮面包制作操作要点

将麸皮、高筋粉、酵母、白砂糖、食盐倒入搅拌缸中，低速搅拌并缓慢加水，搅拌4 min后高速搅拌，加入黄油，至搅拌缸内壁和面团变得光滑，面团可被拉成均匀薄膜时停止搅打。将和好的面团取出，整形后置于醒发箱中醒发45 min，醒发箱的温度和湿度分别为30 ℃和85%。醒发完成后，将面团分割成若干个100 g的小面团并对其进行排气和整形，搓圆后二次醒发，醒发60 min后入炉焙烤。烤箱上火温度185 ℃，下火温度175 ℃，焙烤15 min。

1.3.4 单因素实验设计

麸皮粒度对麸皮面包品质的影响：固定麸皮添加比例为4%，加水量为180 mL，麸皮粒度选取>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm，考察麸皮粒度对麸皮面包品质的影响。

麸皮添加比例对麸皮面包品质的影响：固定麸皮粒度为250 μm，加水量为180 mL，分别以添加比例为0%、4%、8%、12%、16%将麸皮添加到高筋粉中(保持麸皮和高筋粉总量为300 g)，考察麸皮添加比例对麸皮面包品质的影响。

加水量对麸皮面包品质的影响：固定麸皮添加比例4%、麸皮粒度250 μm、加水量选取160、170、180、190、200 mL，考察加水量对麸皮面包品质的影响。

1.3.5 响应面实验设计

在单因素实验的基础上，以麸皮粒度、麸皮添加比例、加水量为自变量，以麸皮面包的综合评分作为评价指标，采用响应面实验对麸皮面包的配方进行优化。实验设计因素水平见表1。

表1 响应面实验设计因素与水平

1.3.6 面包表皮色泽的测定

面包冷却12 h后，采用SMY2000 色彩色差计测定面包表皮的L*、a*、b*、H值。其中L*值表示亮度，值越大，亮度越大；a*值表示红绿值，值越大越发红；b*值表示黄蓝值，值越大越发黄；H值表示白度，由公式100-[(100-L)2+a2+b2]1/2换算所得。

1.3.7 面包质构的测定

采用周建军[16]等的方法并做适当修改。面包冷却1 h后，用专用面包刀将面包芯切成30 mm×30 mm×30 mm的面包芯块进行测定。参数设定为：探头型号：P/45 R；测前、中、后的速度分别为：5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s；起点感应力：5 g；压缩率：50%；压缩时间：30 s；应变量：50.00%；间隔时间：5.00 s；引发力：5.0 g。

1.3.8 面包组织结构测定

参考周建军[16]等方法并做适当修改。面包室温冷却12 h后，用专用面包刀从面包中心切取25 mm厚度的面包切片，将其置于图像采集盒内拍照并用图像分析软件进行切片组织结构分析。

1.3.9 面包比容的测定

面包室温冷却1 h后称其质量，参照GB/T 20981—2007测定麸皮面包体积。计算公式为：

P=V/M

式中：P为面包的比容/mL/g；V为面包体积/mL；M为面包质量/g。

1.3.10 面包感官评价

面包感官评分标准参考GB/T 14611—2008附录A《面包烘焙品质评分标准》并进行适当修改。

1.3.11 数据统计与分析

采用 Microsoft Office Excel 2013 软件计算实验数据均值和标准偏差；采用SPSS 25.0软件中的Duncan方差分析对数据进行显著性差异分析，95%置信度(P<0.05)；利用Design-Expert 8.0软件进行响应面实验方差分析并建立二次回归模型；采用Origin 9.0软件作图。单因素实验均重复3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 各因素对麸皮面包表皮色泽的影响

由表2可知，随着麸皮粒度的减小，b*呈现先上升后减小的趋势，其他值没有一定的变化规律。Majzoobi等[13]研究发现，增加麸皮的粒度会导致面包表皮颜色加深。随着麸皮添加比例的增加，麸皮面包表皮的a*值逐渐增大，而L*值、b*值、H值均有下降的趋势，这说明面包的颜色越来越暗，这与Nahla Dhena的研究结果一致[17]。面团烘焙过程中会发生美拉德反应和焦糖化反应，这2种反应是形成褐色表皮的主要原因[18]。小麦麸皮中含有大量的氨基酸和还原糖，在面包烘焙过程中会增强美拉德反应和焦糖化反应，从而使麸皮面包表皮颜色加深[19]。此外小麦麸皮中含有丰富的色素和木质素，麸皮本身颜色偏深，加入麸皮的含量越多，面包颜色就越暗[20]。随着加水量的增加，麸皮面包表皮的L*值和H值先逐渐减小后逐渐增大，a*值和b*值则正好相反。加水量少的时候，面团还未充分发酵，烘焙后的面包表皮发白。当加水量为180 mL时，各个色值比较适中，此时烘焙出的面包表皮焦黄，具有诱人的色泽。

表2 各因素对麸皮面包表皮色泽的影响

表3 各因素对麸皮面包质构特性的影响

2.1.2 各因素对麸皮面包质构特性的影响

由表3可知，随着麸皮粒度的减小，麸皮面包硬度呈现先增大后减小的变化趋势，而弹性、回复性、内聚性则呈先减小后增大的变化趋势。随着麸皮粒度的减小，麸皮更易填充在淀粉-蛋白基质内形成物理阻碍，使面筋网络出现空洞，面包持气性变差，弹性减小，硬度增大[21]，但粒径较大的麸皮持水量高于小颗粒的麸皮，当麸皮粒度减小到一定程度以后(<125 μm)，部分原来与麸皮结合的水被释放，蛋白淀粉有机会结合更多的水形成更完善的网络结构，麸皮面包硬度开始减小，弹性增大。当麸皮粒度>250 μm时麸皮面包硬度最小、内聚性最大，麸皮面包的品质更好。与未添加麸皮的面包相比，添加了4%麸皮的面包硬度降低，回复性和耐咀性得到了改善。但随着麸皮的继续添加，麸皮面包的硬度和耐咀性逐渐增大，弹性、内聚性和回复性逐渐降低，这与李真的研究结果一致[22]。麸皮添加比例较低时，混合粉中的膳食纤维含量较低，可以和面筋网络形成氢键，使面筋网络结构形成更加充分，改善麸皮面包的质构特性[23]。麸皮添加比例较高时，麸皮中大量的膳食纤维会阻碍肽的水合和延伸，从而对面筋网络造成破坏，使得麸皮面包质量变差。与此同时，加入麸皮的高筋粉中的面筋含量相对降低，面团中形成的连续的三维面筋网络结构减少，面团醒发时不能较好的保持气体而降低了面团黏弹性[24]。随着加水量的增多，麸皮面包的硬度逐渐下降，内聚性、回复性逐渐增大，当加水量为200 mL时，麸皮面包的硬度最小，弹性和回复性最佳，咀嚼入口时的舒适度也最好，理论上而言，此时的麸皮面包品质应该最好，但是从实物的角度来看，面包已经塌陷，外观形状差，这说明加水量过多时，面团过于柔软，容易塌陷[25]，加水量过少则不利于面团面筋的形成，面包体积不足，硬度大[26]。

2.1.3 各因素对麸皮面包内部纹理结构的影响

由表4可知，随着麸皮粒度的减小，麸皮面包气孔面积、孔壁厚度逐渐增大。面团形成的过程中，大颗粒的麸皮尚未完全进入面筋网络当中，对面包的内部结构还未造成较大影响，而当麸皮粒度减小到某一水平后，较细的颗粒更容易且更均匀地掺入面团的面筋基质中，从而对麸皮面包内部纹理结构的影响更加突出[27]。随着麸皮添加比例的增加，面包气孔数量和气孔密度逐渐降低，气孔直径和厚度逐渐增大。麸皮中大量的膳食纤维阻碍了面筋蛋白二硫键的形成，缺少能够形成蓬松、多孔、细腻的面包结构的面筋蛋白，导致面包蜂窝结构不均匀，形成的气孔数量少而孔隙率大[22]，麸皮添加量越大，面包的质地越粗糙，食用口感越差。随着加水量的增加，麸皮面包的气孔直径、气孔面积、气孔体积、孔壁厚度均先减后增。加水量为180 mL时，麸皮面包的气孔直径、气孔面积和气孔体积最小，此时麸皮面包的蜂窝结构均匀，形成的气孔数量少且孔隙率较小，面包质地细腻，品质好。加水量过少时，面团难以成型，面包内部纹理结构粗糙。加水量过多时，多余的水分使面团膜的强度变弱，面包内部组织容易形成了比较大的孔洞。

表4 各因素对麸皮面包内部纹理结构的影响

2.1.4 单因素对麸皮面包比容及综合评分的影响

由图1和图2可知，随着麸皮粒度的减小，麸皮面包的比容呈现先减小后增大的变化趋势，麸皮粒度>250 μm或者<125 μm时，麸皮面包的比容差异并不大，而麸皮粒度>250 μm时，麸皮面包的颜色、质构特性、内部纹理结构更好、综合评分最高，故综合考虑，大颗粒麸皮可能更加适合制作面包。麸皮面包的比容和综合评分均随着麸皮添加比例的增加而减小。麸皮具有较强的吸水能力，在面包烘焙的过程中吸收过量的水分，降低淀粉的糊化温度，最终使面包体积减小[20]。当麸皮添加比例在4%时，面包的比容、综合评分虽然有所下降，但下降幅度不大。麸皮面包比容随着加水量的增加呈现先增大后减小的趋势，综合评分没有明显的变化趋势，面团面筋的形成是一个吸水溶胀的水化过程[28]，加水量较低时，酵母在缺水的环境下不能充分产气，面包体积偏小，加水量过多时，多余的水分会使面团膜的强度变弱，面包比容减小，综合品质下降[25]。当加水量在180 mL左右时，比容和综合品质较好。

图1 各因素对麸皮面包比容的影响

图2 各因素对麸皮面包综合评分的影响

2.2 响应面实验结果分析

根据单因素实验结果，以综合评分为响应值，以麸皮粒度、麸皮添加比例、加水量为影响因素，设计三因素三水平响应面优化实验，其实验设计和结果如表5所示。

表5 响应面实验设计及数据

续表5

2.2.1 回归模型的建立与显著性分析

运用Design-Expert8.0分析，根据响应面实验设计，得到麸皮面包综合评分与各因素之间的二次多项式回归模型。

Y=89.76-2.55A-1.58B-0.38C+1.54AC-1.15A2-1.41B2+0.72A2C+1.91AB2

式中：A、B、C、Y分别为麸皮粒度、添加比例、加水量、麸皮面包综合评分预测值。对回归模型式进行方差分析和回归系数显著性检验，结果见表6。模型的P值=0.004 7<0.01，说明回归方程模拟性显著；失拟项的P值=0.984 2>0.05，说明该方程的失拟性显著，两者均满足模型显著的条件，故模拟可靠。R2=0.884 1，表明该模型能够解释88.41%的响应值的变化，实验拟合程度良好，实验误差小，能充分反映各因素与响应值间的关系。一次项中，A和B在P<0.01水平上显著，C不显著，交互项中，AC在P<0.05水平上显著，麸皮粒度和加水量之间交互作用显著(P<0.05)；二次项里，B2对麸皮面包综合评分的影响显著(P<0.05)，A2对麸皮面包综合评分的

表6 模型方差分析表

影响不显著；AB2对麸皮面包综合评分的影响显著(P<0.05)，A2C对麸皮面包综合评分的影响不显著。通过F值的大小可知各因素对麸皮面包综合评分的影响大小顺序为A(麸皮粒度)>B(添加比例)>C(加水量)。

2.2.2 麸皮面包的最佳配方工艺与验证

利用 Box-Behnken 设计响应面对实验结果进行优化，得出最佳工艺条件：麸皮粒度250 μm、添加比例3.89%、加水量175 mL，模型预测综合评分为92.55。为验证实验可靠性，选取最优工艺条件制作麸皮面包进行综合评定，取3组平行，综合评分平均值为93.72，接近理论预测值，一方面说明了此模型能应用于麸皮面包综合评分的预测，另一方面说明通过响应面优化的工艺具有可靠性。

3 结论

用高筋小麦粉和挤压预处理的小麦麸皮为原料制作麸皮面包，通过单因素实验和响应面优化，得到在本实验所用原料的基础上，制作麸皮面包的最佳工艺配方为：麸皮粒度250 μm、麸皮添加比例3.89%、加水量175 mL，在此条件下，麸皮面包的综合评分为93.72，与理论预测值92.55较为接近，表明响应面优化的工艺配方具有可靠性，可应用生产营养丰富且口感良好的麸皮面包，后期可进一步研究麸皮面包储藏稳定性。