响应面法优化荔浦芋头饼干工艺的研究

梁诗惠 ，冯钰敏 ， 刘巧瑜 ，3，陈海光 ，李玉坤 ，吴俊师 ，黎俊佚

（1. 仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东 广州 510225；2. 现代农业工程创新研究院，广东 广州 510225；3. 广东省粤西传统焙烤食品工程技术研究中心，广东 广州 510205）

荔浦芋头是槟榔芋的著名品种，主要产于广西荔浦市，现已成为国家地理标志保护农产品[1]。荔浦芋个头大，肉质松软细腻，淀粉含量高，具有特殊的风味[2]。芋头作为“第七营养素”，对人体的生理功能有重要作用[3]。荔浦芋头富含淀粉、维生素、无机盐等营养物质，具有健脾消食、降压降脂、增强免疫力等功效[4]。荔浦芋头含水量高不耐储存，在贮藏过程中容易发生腐败变质，造成资源浪费和损失，故荔浦芋头大多都是鲜食做菜，市面上关于芋头的加工食品相对较少，加工产品仅限于荔浦芋糕、荔浦芋罐头、荔浦芋酥等传统食品[5]。

饼干多以小麦粉为主要原料，加入糖、油脂等辅料烘烤而成。由于健康的需求日益增多，低糖、低油脂、高纤维素等功能性产品也备受青睐。采用响应面法对普通饼干配方进行优化，用含有丰富营养物质的荔浦芋头代替部分小麦粉，开发出一款可以弥补普通饼干中缺乏膳食纤维、矿物质的缺点的功能性饼干，同时赋予饼干特殊风味与口感，为芋头食品类的研究与开发提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

荔浦芋头，钟落潭菜市场市售；低筋面粉，新乡市新良粮油加工有限责任公司提供；玉米油，秦皇岛金海食品工业有限公司提供；白砂糖，广东中轻糖业集团提供；泡打粉，河南奥尼斯特食品有限公司提供。

RE-52AA 型旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂产品；KAO-1208 型烤箱，深圳市康佳智能电器科技有限公司产品；MAX-A 型电子天平，深圳市无限量衡器有限公司产品；YY130 型电动打蛋器，佛山市顺德区远颖电器有限公司产品。

1.2 芋头饼干工艺流程

芋头去皮→上锅蒸煮→按压成泥→玉米油、鸡蛋与白砂糖打发→加入芋头泥、泡打粉搅拌混匀→加入低筋面粉→揉团→冷冻→擀薄至3～5 mm→整形→烤箱预热180 ℃→焙烤6 min→冷却→成品。

1.3 试验设计

饼干基本工艺：芋头添加量20%（以低筋面粉100%为基准，下同），玉米油添加量15%，白砂糖添加量15%，泡打粉添加量0.8%，烤箱上下管温度180 ℃，烘烤时间6 min，饼干厚度3～5 mm。

1.3.1 单因素试验设计

固定其中3 个添加量，分别考查芋头添加量（15%，20%，25%，30%，35%）、玉米油添加量（5%，10%，15%，20%，25%）、白砂糖添加量（5%，10%，15%，20%，25%） 和泡打粉添加量（0.3%，0.8%，1.3%，1.8%，2.3%） 对芋头饼干感官品质的影响。

1.3.2 Box- benhnken 试验设计

在单因素的基础上选出对芋头饼干品质影响较大的4 个因素为自变量，感官评分为响应值，设计响应面试验。

响应面试验因素与水平设计见表1[6]。

表1 响应面试验因素与水平设计/%

1.4 芋头饼干的品质指标的测定

1.4.1 芋头饼干感官评定标准

参考GB 7100—2015《食品安全国家标准饼干》，对芋头饼干的评分进行优化[7-8]，选取10 位感官评定人员进行评分，最后结果取平均值。

芋头饼干感官评价标准见表2。

表2 芋头饼干感官评价标准

1.4.2 饼干理化检测

酸价的测定方法：参照GB 5009.229—2016《食品安全国家标准食品中酸价的测定》，过氧化值的测定方法：参照GB 5009.227—2016《食品安全国家标准食品中过氧化值的测定》。

1.5 数据分析

试验数据均采用平均值±标准偏差表示，运用Origin（pro） 8.0 进行数据处理并绘制图表，Design Expert 11 进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 芋头添加量对感官评分的影响

芋头添加量对感官评分的影响见图1。

图1 芋头添加量对感官评分的影响

由图1 可知，感官评分的总趋势为先增后降。适量添加芋头，饼干的风味和口感会有所增加。芋头添加量为15%时，芋头香味较淡，口感偏干硬；芋头添加量为25%时，芋头饼干软硬适中，饼干外形完整不易松散且芋头味浓郁；芋头添加量超过25%时，芋头香味更加浓郁，但由于芋头添加量过大，面团的黏性增大，面团不易成型，饼干偏软易碎，口感湿软[9]。

2.1.2 玉米油添加量对感官评分的影响

玉米油添加量对感官评分的影响见图2。

图2 玉米油添加量对感官评分的影响

玉米油在饼干中起着增加口感、改善结构、增加面团体积和延长保质期的作用，饼干中的油脂还可以促进面团形成面筋，使得面团膨大，增加酥松感，使得面团更加润滑[10]。随着玉米油添加量增多，饼干的口感逐渐从干硬变得酥脆。由图2 可知，20%玉米油添加量可以使芋头饼干变得酥脆，保持外观形状完整。玉米油添加量为25%时，饼干口感十分酥脆，但面团中的面筋不易黏合，面团黏性变低，饼干表面有裂痕且易碎，成型性很差，不便于饼干包装保存与运输[11]。并且芋头饼干吃起来略显油腻，严重影响感官评分。

2.1.3 白砂糖添加量对感官评分的影响

白砂糖添加量对感官评分的影响见图3。

图3 白砂糖添加量对感官评分的影响

白砂糖的反水化作用可以防止面筋形成，增加酥松口感；在高温的烘烤下会形成微晶体并发生美拉德反应，改善饼干的色、香、味、形等[12-13]。由图3 可知，5%的白砂糖添加量太低，基本无焦糖化反应，饼干偏白、偏硬且甜味较淡；当白砂糖添加量为15%时，饼干呈微微金黄色，色泽诱人且甜度适中；白砂糖添加量达到25%时，焦糖化反应过度，饼干呈焦黑色或深棕色，且口味过于甜腻。

2.1.4 泡打粉添加量对感官评分的影响

泡打粉添加量对感官评分的影响见图4。

图4 泡打粉添加量对感官评分的影响

泡打粉在饼干中起着膨化作用，泡打粉受热产生气体，可以使得成品体积膨胀，使饼干产生酥脆的口感[14]。由图4 可知，泡打粉添加量为0.3%时，芋头饼干内部组织紧密，膨松性较差，口感偏硬；泡打粉添加量0.8%时，饼干较酥松，口感较好。碳酸氢钠在高温下分解产生的气体太多，导致饼干内部结构气孔很大，表面容易起裂纹以及破碎，饼干吃起来松而不脆，饼干表面和边沿较容易起壳[15]。因此，泡打粉添加量超过1.3%时，添加量越大，苦异味越重，碱味越明显，严重影响芋头饼干的感官评分。

2.2 响应面试验结果分析

2.2.1 响应面试验设计方案及结果

响应面试验设计以芋头添加量（A）、玉米油添加量（B）、白砂糖添加量（C）、泡打粉添加量（D）为自变量，感官评分（Y） 为响应值[16]。

响应面试验设计与结果见表3。

表3 响应面试验设计与结果

表3 的数据通过响应面软件分析，可以得出各试验因素对感官评分可用如下函数表示：

2.2.2 响应面的方差分析及回归模型

回归模型方差分析见表4。

由表4 可知，以感官评分Y 为响应值时，该模型具有极显著性（p＜0.000 1），失拟项差异不显著（p 值为 0.945 2＞0.050），R2和 R2adj可以预测饼干的感官评分，该数据可以说明模型与实际试验吻合度高[17]。表中的 A，B，D 影响极显著 （p＜0.01），交互项中BD 极为显著，二次项中A2，B2，D2影响显著。根据F 值大小可以判断各因素对感官评价的影响强弱，4 个影响因素中C（白砂糖添加量） 对感官评分的影响最弱，最强的则是A（芋头添加量）。

表4 回归模型方差分析

2.2.3 响应曲面分析

各因素的交互作用的响应曲面图和等高线见图5。

由图5 可知，响应曲面坡度变化和等高线能反映因素的交互作用，空间曲面图的凸起越陡峭，说明各因素对感官评分影响越显著[18-20]。响应面凸起，开口朝下的曲面，说明感官评分分值Y 存在极值，该值为响应面最高点[21]。因素间的两两交互作用是否显著可以通过等高线图判断。形状呈椭圆形则表示交互作用显著，若形状偏圆形或无限接近圆形又或者呈其他形状，则表示2 个因素之间交互作用不明显[22-23]。图5（a） 的响应曲面的坡度较平缓，等高线图偏圆形，说明芋头添加量和玉米油添加量的交互作用不显著。图5（b） 芋头添加量和泡打粉添加量交互作用显著。图5（c） 中玉米油添加量和泡打粉添加量的响应曲面坡度较陡，等高线图呈明显的椭圆形，相比其他各组玉米油添加量和泡打粉添加量的交互作用更为显著。

图5 各因素的交互作用的响应曲面图和等高线图

2.2.4 验证性试验

根据响应面分析预测得出的最佳配方制作芋头饼干为芋头添加量28.1%，玉米油添加量22.6%，白砂糖添加量22.3%，泡打粉添加量1.3%，3 组验证试验的感官评分平均值为86.9 分，预测值则是87.11 分。实际试验值与预测值吻合度达100.24%，说明响应面法可信。

2.3 产品特性

2.3.1 感官特性

芋头饼干外形完整，厚薄均匀，表面不起泡，略微泛淡紫色，饼干无过焦过白，断面结构有层次，口感酥脆，具有浓郁的芋头香气，也有一股淡淡的鸡蛋香气，甜味适中，不会觉得油腻或过于干硬。

2.3.2 理化指标

根据国家标准GB 7100—2015 饼干关于过氧化值及酸价的规定，测得芋头饼干的过氧化值1.18 mg KOH/g，酸价0.18 mg KOH/g，均在规定范围之内，符合标准。

3 结论

以荔浦芋头、低筋面粉、玉米油为主要原料制作芋头饼干，芋头添加量、玉米油添加量、白砂糖添加量、泡打粉添加量对饼干的感官有不同程度的影响。4 个单因素对感官评分的影响强弱依次为芋头添加量、泡打粉添加量、玉米油添加量、白砂糖添加量。响应面分析得到芋头饼干最优配方为芋头添加量28.1%，玉米油添加量22.6%，白砂糖添加量22.3%，泡打粉添加量1.3%。