响应面法优化土家族传统食品煎制洋芋粑粑加工工艺

徐丹鹤,郑梦莹,周志*,程超

(1.湖北民族大学 生物与食品工程学院,湖北 恩施 445000;2.生物资源保护与利用湖北省重点实验室,湖北 恩施 445000)

马铃薯(SolanumtuberosumL.),又名土豆、洋芋等,是全球第四大重要的粮食作物,仅次于小麦、稻谷和玉米[1]。马铃薯富含多种B族维生素、优质纤维素以及多种营养元素,在欧洲及南美地区被称为“地下苹果”,享有“第二面包”的美誉[2]。在湖北恩施地区,马铃薯以马尔科品种最受欢迎,其外形呈椭圆形,肉色均匀,表皮光滑,口感软糯香绵。它不仅是湖北省恩施市特产,而且于2019被列为中国国家地理标志产品[3],由于主要分布于世界硒都——湖北恩施,也因此被称为恩施马铃薯,截至2020年,恩施州马尔科马铃薯种植面积已经达到了173.37万亩。在恩施当地,有着多种以马尔科小土豆为原料加工制作而成的传统小吃,深受当地居民和外来旅游消费者的喜爱,其中包括恩施炕土豆[4]、炸洋芋[5]、油炸洋芋条[6]、洋芋粑粑以及洋芋饭[7]等。

土家族洋芋粑粑是一款以新鲜马铃薯为主要原料,进行切块、打浆、过滤、沉淀后得到湿淀粉,然后将湿淀粉与马铃薯渣混合,煎制而成的地方传统即食食品。煎制的洋芋粑粑色泽淡黄、口感软糯香绵、有嚼劲并且具有马铃薯独有的风味,深受消费者喜爱。而马铃薯本身具有的氧化褐变问题会直接影响产品的色泽,降低产品的外观评分,洋芋粑粑的加工方式对于产品的口感、品质也有很大影响,因此改善洋芋粑粑关键加工工艺对其标准化加工具有重要的意义[8]。

本次试验中,以感官评分、质构特性、颜色变化为单因素试验指标,探讨了打浆次数、料液比、盐添加量以及煎制时间4个关键因素对洋芋粑粑品质的影响。基于此条件,采用Box-Behnken响应面优化试验来探究煎制洋芋粑粑的最佳工艺,试验设计了四因素三水平试验方案,旨在获得土家族传统食品煎制洋芋粑粑的标准化加工工艺方案,拓展市面上马铃薯主食化加工食品种类,并为民族食品的传承与创新提供了重要的研究基础和应用依据。

1 材料与设备

1.1 材料与试剂

材料包括马尔科土豆(马尔科品种,由湖北恩施中国南方马铃薯研究中心提供)、食盐(湖北盐业集团有限公司);试剂包括无水柠檬酸、D-异抗坏血酸钠(均为食品级,潍坊英轩实业有限公司)。

1.2 仪器与设备

TA.Touch物性分析仪 上海保圣实业发展有限公司;CS-820N台式分光测色仪 杭州彩谱科技有限公司;BSA2202S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;CX300-D1电磁炉 中山市鼎润电器有限公司;JYL-C022E九阳榨汁搅拌机 九阳股份有限公司;EJ24-26CP01苏泊尔炫彩煎锅 苏泊尔股份有限公司。

2 试验方法

2.1 工艺流程

2.2 操作要点

2.2.1 马铃薯

选择恩施当地无发芽、绿变、机械伤的马尔科洋芋。

2.2.2 切块

切成1.5 cm3大小均一的马铃薯丁。

2.2.3 护色

400 mL清水中加入0.05%的无水柠檬酸和0.15%的D-异抗坏血酸钠溶液[9]。

2.2.4 打浆

称取200 g马铃薯丁,加入一定量护色溶液,置于打浆机中进行短时低速打浆。

2.2.5 过滤

用纱布进行过滤,过滤出多余的水分物质,将滤渣用保鲜膜封好静置备用。

2.2.6 沉淀

将过滤后的马铃薯浆静置沉淀1 h,倒出上清液,留底部的湿淀粉备用。

2.2.7 拌和

向制备好的滤渣、湿淀粉中加入一定量食用盐混合均匀。

2.2.8 煎制

在直径为26 cm的不锈钢平底锅中喷少许油,将马铃薯泥摊平在锅中,开小火煎制,3 min时翻面,待洋芋粑粑泛黄起泡即可盛出冷却。

2.3 单因素试验设计

以感官品质评分、色泽和质构为指标,采用单因素试验研究料液比、打浆次数、盐添加量以及煎制时间对洋芋粑粑品质的影响,试验水平分别选取料液比1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5;打浆次数2,3,4,5次;盐添加量0.3%、0.5%、0.8%、1.0%;煎制时间7,9,11,13 min。研究各因素对洋芋粑粑品质的影响,选取最佳因素试验参数范围。

2.4 Box-Behnken响应面试验设计

在单因素试验的基础上,选取料液比(A)、打浆次数(B)、盐添加量(C)、煎制时间(D)4个因素为自变量,以感官评分为响应值,根据Box-Behnken响应面中心组合,利用Design-Expert 11分析软件设计响应面试验,研究优化洋芋粑粑加工工艺,试验因素水平及编码见表1。

表1 洋芋粑粑制作配方的Box-Behnken试验因素水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken test of potato cake production formula

2.5 指标测定

2.5.1 感官品质评价

样品经过完全熟化后,盛出置于室温条件下冷却待测。评价方法[10]:评估组由8名食品专业学生组成,对产品的色泽、气味、组织状态和滋味进行感官评价。评价分数为百分制,结果为平均值。具体评价标准见表2。

表2 感官评分表Table 2 Sensory scoring table

2.5.2 色度测定

待样品冷却后,采用刘冬青等[11]的方法,采用经黑、白板校准后的色差仪测定样品的亮度(L*)和黄蓝度(b*)值,以仪器自带的标准白板为基准,L*值数值范围从0(黑色)到100(白色);b*值表示蓝色(-)到黄色(+);每个样品重复测定3次,取平均值。

2.5.3 质构测定

采用质地剖面分析(texture profile analysis,TPA)模式测定样品,将样品切成2 cm3大小,放置在测量台探头正下方,选择P/50平底柱形探头做TPA测试。TPA测试条件在邓惠馨的方法上略作修改[12]:测前速度2 mm/s,检测速度1 mm/s,测后速度2 mm/s,目标模式strain,压缩程度50%,两次压缩之间停留时间5 s,触发力5 g。得到一条曲线后,经电脑软件程序分析得出物性指标,如样品的硬度、弹性、咀嚼性、内聚性、回复性指标。每个样品重复测定3次,取平均值。

2.6 数据处理分析

试验结果均至少重复3次,结果以x±s表示。统计分析采用SPSS 21.0和单向方差分析(ANOVA)。不同字母表示差异显著(P<0.05)。采用Excel 2010、Origin 2021绘图。

3 结果与分析

3.1 单因素试验结果与分析

3.1.1 料液比试验结果

固定马铃薯丁质量200 g,设定加水量100,150,200,250 mL,打浆次数4次,加盐量0.8%,煎制9 min,感官评分及色度结果见图1,质构结果见表3。

图1 料液比对洋芋粑粑感官评分(a)及色度值(b)的影响结果Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on sensory score (a) and chroma value (b) of potato cake

表3 料液比对洋芋粑粑质构的影响Table 3 Effect of solid-liquid ratio on the texture of potato cake

感官评价是衡量产品各方面品质优良的重要指标。由图1中a可知,随着料液比的增加,感官评分呈现先升高后降低的趋势。由图1中b可知,L*值和b*值均随着料液比的增加显著升高,b*值受料液比的影响更明显,主要是由于溶液体积较小时,护色溶液很难完全分散到原料内部,导致护色效果未达到理想状态。当料液比为1∶2时,感官评分最高。色度是产品外观最重要的特征之一,是直接影响消费者购买意愿的重要指标[13]。但当料液比达到1∶2.5时,马铃薯浆的风味较寡淡,马铃薯浆略稀,产品整体偏白,而产品本身具有的典型煎制色泽则变淡,致使感官评分降低[14]。

由表3可知,随着料液比的增大,提取液体积占比变大,淀粉溶出部分也随之增加,淀粉提取率升高[15],因此,产品的硬度、内聚性、咀嚼度、回复性均显著增加,弹性显著降低。因此在原料质量固定的前提下,料液比为1∶1.5～1∶2.5时,制作出的产品外观及感官评价良好。

3.1.2 打浆次数试验结果

固定马铃薯丁质量200 g,加水量400 mL,设定打浆次数2,3,4,5次,加盐量0.8%,煎制9 min,感官评分及色度结果见图2,质构影响结果见表4。

图2 打浆次数对洋芋粑粑感官评分(a)及色度值(b)的影响结果Fig.2 Effect of beating times on sensory score (a) and chroma value (b) of potato cake

表4 打浆次数对洋芋粑粑质构的影响Table 4 Effect of beating times on the texture of potato cake

由图2中a可知,随着打浆次数的增加,感官评分先升高后降低。打浆次数为4次时,产品表现出最高的感官评分,为82。主要是因为打浆过程中产生的机械力破坏了马铃薯结构,随着打浆次数的增加,更多的淀粉溶解,不溶性纤维结构断裂,有助于在产品中形成良好的马铃薯渣纤维结构、食用口感以及凝胶基质[16]。同时,淀粉含量的增加也提高了马铃薯渣的持水力、溶解性、膨胀力和持油力[17]。但随着打浆次数的继续增加,过多的不溶性纤维结构遭到破坏,导致产品的口感下降,感官评分降低。

鲜马铃薯在受到机械损伤后易受到酶促褐变的影响,直接影响了马铃薯的加工品质,从而降低了产品感官质量,而色度的变化能直接反映原料的褐变程度[18]。由图2中b可知,随着打浆次数的增加,样品L*和b*值逐渐升高。猜测可能是因为随着打浆次数的增加,护色溶液能够更好地融入原料结构,抑制了原料褐变的速率,并使得更多的淀粉得以溶解。此外,由于淀粉本身呈白色,所以其也是导致产品的L*和b*值升高的原因之一。

由表4可知,当打浆次数为5次时,马铃薯淀粉的支链淀粉吸水膨胀,导致样品的持水性过高。样品的黏性随着持水性的增加而增大,最终造成硬度降低的现象[19]。当打浆次数为2次时,马铃薯渣不溶性纤维所受机械力破坏较小,结构尚完整,水溶性淀粉含量较低,导致产品的黏弹性过低。因此,打浆次数不能过多也不能过少,当打浆次数控制在3次时,其咀嚼度、回复性、内聚性等品质以及感官评分都最优。

3.1.3 盐添加量试验结果

固定马铃薯丁质量200 g,加水量400 mL,打浆次数4次,设定盐添加量0.3%、0.5%、0.8%、1%,煎制9 min,感官评分及色度结果见图3,质构影响结果见表5。

图3 盐添加量对洋芋粑粑感官评分(a)及色度值(b)的影响结果Fig.3 Effect of salt addition amount on sensory score (a) and chroma value (b) of potato cake

表5 盐添加量对洋芋粑粑质构的影响Table 5 Effect of salt addition amount on the texture of potato cake

由图3可知,盐添加量对产品感官品质以及色泽有显著性影响。由图3中a可知,感官评分随着食盐添加量的增加呈先升高后降低的越势,这是因为当盐的浓度较低时,产品的生马铃薯风味较明显。但随着盐添加量的增加,可以抑制马铃薯不良风味的形成,但当盐添加量达到1%时,咸度过高使得产品感官不佳,导致评分降低。

由图3中b可知,盐的添加对产品的色度有一定的改善作用。氯化钠在食品加工中通常作为护色剂使用,适量的氯化钠能够抑制多酚氧化酶活性,从而减弱原料的褐变程度,对产品的色泽有一定的改善作用[20]。

由表5可知,盐对马铃薯泥团物理特性的影响主要是通过盐浓度反应来实现的[21]。盐有很高的渗透作用,加入少量的食盐能够提高马铃薯泥团的吸水能力[22],使最终产品的硬度降低、内聚性增加,使得粑粑更筋道,口感更好。当盐添加量为0.8%左右时,产品的硬度和咀嚼度均显著低于其他组,而弹性、回复性和内聚性显著高于其他组,此时产品的感官评分也最高,由此可知此添加条件下产品的可接受性最高。

3.1.4 煎制时间试验结果

固定马铃薯丁质量200 g,加水量400 mL,打浆次数4次,加盐量0.8%,设定煎制时间7,9,11,13 min,其他因素按基础配方添加,感官评分及色度结果见图4,质构影响结果见表6。

图4 煎制时间对洋芋粑粑感官评分(a)及色度值(b)的影响结果Fig.4 Effect of frying time on sensory score (a) and chroma value (b) of potato cake

表6 煎制时间对洋芋粑粑质构的影响Table 6 Effect of frying time on the texture of potato cake

煎制食品在赋予产品表面金黄色泽的同时,又能很好地保留产品水分和组织结构[23]。并且淀粉食品在油炸作用下,淀粉与脂肪酸以疏水相互作用形成淀粉-脂质复合物,可以改变淀粉的微观结构[24]。同时在煎制加工中,煎制时间对产品各项品质也具有显著性影响。

由图4中a可知,产品的煎制时间和感官品质呈负相关,随着煎制时间的延长,产品的感官评分直线下降,这是由于在煎制过程中,样品表面受高温烹制使水分流失,从而导致口感过硬,咀嚼困难,感官评分降低。由图4中b可知,样品的L*值随煎制时间的延长而升高,但b*值随煎制时间的延长而降低,这一现象是由于产品表面水分蒸发,产品的淀粉比例增大,从而形成产品亮度较高的现象。

钟华珍等[25]的研究证实,产品的硬度与水分含量相关,说明产品硬度的增加与其水分含量的减少有直接关系。而产品的弹性不受煎制时间的影响,变化不显著。随着煎制时间的增长,产品变硬的同时也伴随着咀嚼度增高,感官评分直线下降。

3.2 Box-Behnken响应面试验结果及分析

3.2.1 Box-Behnken响应面试验结果

基于单因素试验结果,此次试验设计了四因素三水平的响应面分析,以此计算试验误差[26],试验结果见表7。

表7 响应面试验结果Table 7 Response surface test results

3.2.2 Box-Behnken响应面试验结果分析

对表7中的数据使用Design-Expert 11软件进行回归拟合分析,得到感官评分(Y)的二次多项回归方程:Y=83.47+0.494 2A+0.271 7B+0.621 7C-2.89D-0.22AB+0.375BC+0.63BD+1.03AC-0.442 5AD+0.15CD-1.21A2-0.427 9B2-2.89C2+0.725 8D2,并且对所得回归方程进行了方差分析,结果见表8。

表8 各因素的回归模型方差分析结果Table 8 Variance analysis results of the regression model for each factor

由表8可知,该模型统计学意义上差异极显著(P<0.01),失拟项系数值P=0.987 4,表现为不显著,说明没有未知因素对试验结果干扰。模型的决定系数R2为0.944 1,修正决定系数RAdj2为0.892,说明模型能解释产品感官评分响应值的变化,可用于分析和预测关键工艺对产品感官品质的影响。由F检验可知,D>C>A>B,即煎制时间>盐添加量>料液比>打浆次数,说明煎制时间对产品感官评分的影响最大,原因可能为煎制时间很大程度上影响了产品的感官分析。此外,煎制时间D与二次项A2、C2均为极显著影响因素,C、AC、D2有显著影响。

在曲面图中,曲线越弯曲说明因素对感官评分的影响越大,表明对产品感官作用越显著,反之越不显著[27]。由图5中a可知料液比和打浆次数之间的相互作用,料液比曲线弯曲程度大于打浆次数,说明料液比对感官评分的影响大于打浆次数,等高线为椭圆形,说明两者之间的交互作用显著。由图5中b可知加盐量与料液比的交互作用曲面图呈“马鞍”状,表明两者交互有一定作用,且加盐量曲线弯曲程度大于料液比,说明盐添加量对产品感官评分的影响大于料液比[26],等高线为椭圆形,说明两者之间的交互作用显著。由图5中d可知加盐量和打浆次数之间的相互作用,加盐量曲线弯曲程度大于打浆次数,说明加盐量对感官评分的影响大于打浆次数,等高线为椭圆形,说明两者之间的交互作用显著。由图5中c,e,f可知,煎制时间与其他因素之间的交互作用不明显,煎制时间对产品感官评分的影响明显大于其他因素,3个曲线图结果均随着煎制时间的增长,感官评分呈现明显持续下降的趋势。

a.打浆次数与料液比之间的相互作用

3.2.3 最佳配方的确定及验证试验

应用响应面分析法对回归模型进行分析,得到的最优试验参数及相应的感官评分为:料液比1∶2.244,打浆次数2.515次,加盐量0.784%,煎制时间7 min,所得感官评分为87.37。为方便操作和控制,实际采用料液比1∶2,打浆次数3次,加盐量0.8%,煎制时间7 min,进行3次平行验证试验,得到在此配方条件下感官评分为86.93,与预测值之间的差异小于5%,并高于试验组中最高分,说明该模型能较好地预测实际加工工艺参数[28]。

4 结论

通过单因素试验以及响应面试验结果验证分析,最佳工艺配方为打浆次数3次,料液比1∶2,加盐量0.8%,煎制时间7 min。优化后的洋芋粑粑达到最佳状态,产品整体色泽淡黄,口感细腻,软糯有嚼劲,且具有马铃薯特有的滋味,此工艺能够很好地解决土家族传统食品煎制洋芋粑粑标准化加工过程中稳定性低的问题。

随着科学技术的发展,马铃薯主食化成为一种必然的发展趋势,也更加方便人们对营养物质的摄取。本试验不仅简化了以往马铃薯系列食品加工工艺,显著减少了实际生产加工的成本投入,丰富了马铃薯主粮化品种,而且为土家族传统美食加工提供了一套标准化加工工艺,为传统美食的传承贡献了新的思路。