模糊数学结合响应面法优化发芽糙米白芷饼干配方

洪森辉，张思媛，郑艺梅,2

(1.闽南师范大学生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2.漳台休闲食品与茶饮料研究所，福建 漳州 363000)

白芷(Angelicadahurica)为伞形科当归属植物，以根入药，具药食兼用特性。目前，白芷研究主要集中在药理方面[1-3]，而围绕食品应用方面研究报道较少，见于淀粉提取[4-5]。发芽糙米富含多种功能性成分，如γ-氨基丁酸(GABA)等。与精米和糙米相比，具有更高的营养价值，在饼干[6-10]、桃酥[11-12]、雪饼[13]等烘焙类食品加工中得到应用。但鲜见发芽糙米和白芷结合制作饼干的相关报道。

本研究以发芽糙米粉代替部分低筋小麦粉，并加入白芷全粉制作饼干，采用模糊数学结合响应面法优化发芽糙米白芷饼干配方，并分析产品品质，以期为发芽糙米和白芷食品的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料和试剂

糙米、白芷、低筋小麦粉、黄油、白砂糖、小苏打、鸡蛋，均为市售食品级。

次氯酸钠、重铬酸钾、无水乙醚、无水乙醇、碘、碘化钾、三氯甲烷、冰乙酸、硫代硫酸钠，均为AR。平板计数琼脂、月桂基硫酸盐胰蛋白胨肉汤，均为生物试剂。

1.2 主要仪器和设备

CT3-10K质构仪，广州市博勒飞粘度计质构技术服务有限公司；FR224CN电子天平，上海奥豪斯仪器有限公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥机，上海精宏实验设备有限公司；LRH-250型生化培养箱，上海浦东荣丰科学仪器有限公司；YXDF90电热食品烤炉，温州一喜商用机械有限公司；GF88DX立式自动压力蒸汽灭菌器，致微仪器有限公司；FW100型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 饼干制作

1.3.1制作工艺流程

原辅料预处理→面团调制→成型→烘焙→冷却→成品。

参考葛小琴[14]、赵秀玲[15]等的研究并加以调整，确定饼干的原始配方为：以低筋小麦粉100 g为基准，另外添加黄油45%、白砂糖40%、鸡蛋20%、小苏打0.4%。

经预试验，确定发芽糙米白芷饼干基础配方为：以混合粉(发芽糙米粉20%、低筋小麦粉80%)100 g为基准，另外添加白芷全粉9%、黄油45%、白砂糖40%、鸡蛋20%、小苏打0.4%。

1.3.2操作要点

(1)原辅料预处理：发芽糙米(自制)、白芷、白砂糖均粉碎过80目筛，密封备用。

(2)面团调制：称量好原辅料。先将过筛(80目)后的低筋小麦粉、发芽糙米粉和白芷全粉混合均匀，再加入小苏打混合均匀，备用。白砂糖粉加入黄油中，电动搅拌(1 350 r/min)2 min，再加入蛋液继续打发8 min。将上述混合粉体倒入翻拌，制成面团。室温下静置15～20 min。

(3)成型：面团压成厚度0.4 cm的饼胚，再用直径4 cm的花型磨具压出花型。

(4)焙烤：烤箱面火180℃，底火120℃预热10 min。将饼皮生胚相隔4 cm装入烤盘，放进烤箱中，焙烤15 min。每隔5 min调换一次烤盘方向。烤制表面呈棕黄色时取出，室温下冷却。

1.4 试验设计

1.4.1单因素试验设计

以模糊感官评分和硬度为指标，以混合粉质量100 g为基准，探讨混合粉中发芽糙米粉添加量(10%、20%、30%、40%、50%)、另外添加的白芷全粉(3%、6%、9%、12%、15%)、黄油(30%、40%、50%、60%、70%)、白砂糖(10%、20%、30%、40%、50%)、小苏打(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对饼干品质的影响，确定各因素的最佳添加量。

1.4.2响应面优化试验

结合单因素试验结果，采用Box-Behnken中心组合试验设计，试验因素和水平见表1。

表1 表1 响应面试验因素和水平

1.5 模糊数学评价

1.5.1感官评定标准

参考GB/T 20980—2021《饼干质量通则》及GB 7100—2015《食品安全国家标准 饼干》，结合产品特点，分别对形态、色泽、口感与气味、组织进行评分(见表2)。

表2 模糊数学感官评定标准

1.5.2建立模糊数学模型

根据表2，确定因素集U={u1,u2,u3,u4}={形态，色泽，口感与气味，组织}；评语集V={v1,v2,v3,v4}={优，良，中，差}={90，80，70，60}。选取经过感官评定培训的14名食品专业学生，依据“0～4评判法”打分并统计，得到因素权重集U={u1,u2,u3,u4}={0.196,0.232,0.360,0.211}。

1.5.3建立模糊矩阵

对每个样品的每个因素建立一个从因素ui到该因素的评判结果vj的模糊关系r=(r1,r2,r3,r4),得到每个因素的评判集，多个因素的评判集构成样品的模糊矩阵R。

其中：R=(rij),i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。这里的rij表示从因素ui到该因素的评判结果vj的隶属程度。模糊关系评判集Y=U×R。由S=Y×V，计算各组样品模糊感官评分值。

1.6 指标检测

酸价的测定：参考GB 5009.229—2016；过氧化值的测定：参考GB 5009.227—2016；大肠菌群的测定：参照GB 4789.3—2016；菌落总数的测定：参照GB 4789.2—2016。

采用TPA进行质构测定。目标类型为距离，目标值为2.0 mm，触发点负载0.07 N，测试速度为1.00 mm/s，探头为TA39，夹具NONE，循环次数为2。

1.7 数据处理分析

采用Design-Expert V 8.0.6和Origin8.0进行数据处理分析和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验设计结果

2.1.1发芽糙米粉适宜添加量的确定

发芽糙米添加量对饼干品质的影响见图1。

图1 发芽糙米添加量对饼干品质的影响

由图1可见，饼干的模糊数学感官评分随发芽糙米粉添加量的增加先上升后下降；添加量10%～40%评分等级为良，50%评分等级为中；当添加量达20%时，评分最高。综合硬度结果发现，随发芽糙米粉添加量的增加，面团筋力不足，质地干松，甚至无法成型，硬度呈下降趋势；口感明显粗糙，感官评分下降。确定发芽糙米粉适宜添加量为20%。

2.1.2白芷全粉适宜添加量的确定

白芷全粉添加量对饼干品质的影响见图2。从图2可以看出，饼干的模糊数学感官评分随白芷全粉添加量的增加先上升后下降；添加量3%～15%评分等级均为良；当添加量达9%时，评分最高。硬度呈现先下降后上升的缓慢变化趋势。白芷全粉添加量过低，白芷辛香味过淡；添加量过高时，饼干苦味和白芷辛香味过浓，由于美拉德反应以及白芷本身颜色较重导致饼干容易焦糊，颜色过深，感官评分下降。综合感官评分和硬度结果，确定白芷全粉适宜添加量为9%。

图2 白芷全粉添加量对饼干品质的影响

2.1.3黄油适宜添加量的确定

黄油添加量对饼干品质的影响见图3。

图3 黄油添加量对饼干品质的影响

从图3可以看出，饼干的模糊数学感官评分随黄油添加量的增加先上升后下降；添加量30%～70%评分等级为良；当添加量达50%时，评分最高。结合硬度结果分析可知，黄油添加量过低时面团中会形成大量面筋，导致饼干过于干硬、口感粗糙；黄油添加量过高会导致面团过于稀软，不易成型，饼干组织松散易碎，易出现走油现象，口感油腻。确定黄油适宜添加量为50%。

2.1.4白砂糖适宜添加量的确定

白砂糖添加量对饼干品质的影响见图4。从图4可以看出，饼干的模糊数学感官评分随白砂糖添加量的增加先上升后下降；添加量10%～50%评分等级为良；当添加量达30%时，评分最高。结合硬度结果分析可知，随着白砂糖添加量的增加，饼干硬度越来越大；焦糖化反应会影响饼干颜色。白砂糖添加量过低，饼干苦味较明显；添加量过高会导致饼干口感过于甜腻。适量添加白砂糖提高面团可塑性。确定白砂糖适宜添加量为30%。

图4 白砂糖添加量对饼干品质的影响

2.1.5小苏打适宜添加量的确定

小苏打添加量对饼干品质的影响见图5。

图5 小苏打添加量对饼干品质的影响

从图5可以看出，饼干的模糊数学感官评分随小苏打添加量的增加上升后下降，变化平缓；添加量0.2%～1.0%评分等级均为良；当添加量达0.6%时，评分最高。结合硬度结果分析可知，小苏打添加量过低会导致饼干成品的酥脆性降低，饼干过硬；添加量过高会导致内部组织形成较大的空洞，饼干切面有大孔，口感也会变得粗糙。确定小苏打适宜添加量为0.6%。

2.2 响应面结果与分析

2.2.1试验设计方案与结果分析

试验设计及结果见表3。对表3数据进行多元回归拟合，得到感官评分(S)对发芽糙米粉添加量(A)、白芷全粉添加量(B)、黄油添加量(C)3个因素的回归模型：

表3 Box-Behnken 试验设计及结果

S=87.47-0.16A-0.038B+0.40C-

0.100AB+0.28AC+0.025BC-

1.36A2-0.058B2-1.33C2

模型方差分析结果见表4。模型P<0.01，失拟项P>0.05，说明回归模型拟合度较好。R2>0.9表明相关性较好，C较小，表明试验较可靠。因素C的P<0.05。三因素对饼干感官评分影响的顺序为：C(黄油添加量)>A(发芽糙米粉添加量)>B(白芷全粉添加量)。

表4 回归模型的方差分析

2.2.2参数优化及验证

通过响应面分析得出，以混合粉质量100 g为基准，发芽糙米白芷饼干最优配方为混合粉中发芽糙米粉占比19.64%、另外添加白芷全粉8.22%、黄油51.44%，模糊数学感官预测值为87.50分。为验证模型预测的准确性及可行性，调整发芽糙米粉20%、白芷全粉9%、黄油50%，验证试验获得感官评分为87.07分，接近理论预测值，说明模型适用于发芽糙米白芷饼干的配方优化。确定调整后的配方为最优配方。

2.3 品质分析

2.3.1感官品质

采用最优配方：以混合粉质量100 g为基准(其中发芽糙米粉20%、低筋小麦粉80%)，另外添加白芷9%、黄油50%、白砂糖30%、小苏打0.6%、鸡蛋20%制作的饼干，外形完整一致，表面无裂纹；表面呈棕黄色，底面颜色较深，色泽均匀；无过焦过白现象；口感酥脆，不油腻，甜味、苦味适中，白芷辛香味适宜，略粗糙；切面细密多孔均匀，但无大孔，无杂质。

2.3.2理化指标结果

产品理化指标检测结果如表5所示，符合GB 7100—2015《食品安全国家标准 饼干》。

表5 理化指标检测结果

2.3.3微生物指标检测结果

产品微生物指标检测结果如表6所示，符合GB 7100—2015《食品安全国家标准 饼干》。

表6 微生物指标检测结果

2.3.4质构检测结果

王颖周等[16]研究指出，曲奇饼干硬度为17 N左右时柔软和酥松程度表现为最佳。比较图6中三种配方制作的饼干硬度发现，最优配方制作的饼干硬度较合适。

图6 不同配方产品硬度比较

3 结论

以发芽糙米粉代替部分低筋小麦粉，并添加白芷全粉制作饼干，通过模糊数学结合响应面法优化，得到发芽糙米白芷饼干最优配方参数为：以混合粉质量100 g为基准(其中发芽糙米粉20%、低筋小麦粉80%)，另外添加白芷9%、黄油50%、白砂糖30%、小苏打0.6%、鸡蛋20%。采用此配方制作的饼干，白芷辛香味适宜，理化指标和微生物指标符合相关要求，硬度适宜。研究结果为发芽糙米及白芷食品的开发提供了理论依据。