响应面法优化复合膨化食品的配方研究

吴 锋，杨雯雯，贾 娟

（1.漯河联泰食品有限公司，河南 漯河 462600；2.漯河职业技术学院，河南 漯河 462002)

桑叶是一种药食同源类原料，其蛋白质含量高，氨基酸种类齐全，比例均衡，富含维持正常免疫力、新陈代谢和机体骨骼生长的维生素、矿物质[1]。 桑叶中的生物活性物质，如多糖、黄酮、多酚类物质等，都具有很好的降血糖、降血压、降血脂、抗氧化、抗癌等功效[2]。魔芋富含葡萄糖甘露聚糖[3]（简称葡甘聚糖），还含有蛋白质、淀粉、粗纤维、多种氨基酸等物质，是我国的传统食品及医药资源，具有特殊的保健作用。魔芋精粉中的魔芋葡甘露聚糖（KGM）含量较高，高达92%以上，KGM 具有降血压、降血糖、抗衰老、预防心血管疾病及调节胃肠道健康等生理功效。 燕麦纤维是从燕麦中提取的天然膳食纤维混合物， 具有燕麦特殊的天然风味，因能量低、甜味低、无异味被人们广泛利用。大量研究证实，燕麦纤维具有调控血糖、降低血脂、润肠通便、预防肥胖等作用[4-7]。 大豆膳食纤维来源于豆渣，属于大豆加工副产品，具有预防肥胖、降低胆固醇，预防动脉硬化冠心病的作用，且大豆膳食纤维具有很高的持水性，因价格低廉、风味独特、食用安全方便被广泛利用[8-9]。

膨化食品是以谷薯豆为主要原材料， 经膨化技术膨化后得到的一类食品。随着膨化技术日益发展，产品日益增多。作为一种新兴食品，如何提高膨化食品的营养价值， 保持其安全稳定性是研究的热门问题[10]。膨化食品是休闲食品的重要组成成分，其年销售额高达几十亿元， 其中谷物膨化食品年产量可达20 万t[11]。 高额的产量证明膨化食品的需求量较大，这与消费者的需求密不可分，从食品的发展来看，休闲食品已经从温饱型向风味型健康型转变， 风味独特且营养健康膨化食品成为食品商家关注焦点[12]。复合膨化食品种类多，风味独特，深受大众喜爱，另外其营养价值高，具有独特的保健功效。

本文以大米粉为主要原料，桑叶粉、魔芋精粉、燕麦纤维粉、大豆纤维粉为辅料，采用双螺杆挤压膨化技术， 通过单因素实验与响应面实验确定最优配方，旨在研究一种风味独特，营养价值高，具备提高免疫力等功效的复合挤压膨化食品， 为膨化食品提升营养、拓宽原料选择范围，开拓市场提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米粉，中粮面业有限公司；桑叶粉，福建省盛耳食品有限公司；魔芋精粉，武汉市强森魔芋食品有限公司； 燕麦纤维粉， 张家口宸尧燕麦食品有限公司；大豆纤维粉，上海昭明实业有限公司。

1.2 仪器与设备

70L 型双螺杆挤压膨化机， 济南中膨机械有限公司；烘干机，汕头市华兴机械厂有限公司；八角拌料机， 诸城市晟兴机械科技有限公司；FA2004 电子天平，上海上平仪器有限公司；电子数显卡尺，锦丰五金工具公司；XMTD-204 数显恒温水浴锅，上海盛磁仪器有限公司；XW-80A 漩涡混合器，上海医科大学仪器；FA2004 电子天平，上海上平仪器有限公司；电子数显卡尺，锦丰五金工具公司；KDM-A3000 数显恒温电热套，常州迈科诺仪器有限公司。

1.3 生产工艺流程

选择无发霉变质、 颜色均匀的桑叶粉， 魔芋精粉，燕麦纤维粉和大豆纤维粉，烘干至恒重，过80 目筛。按照不同的添加比例将原料混合搅拌均匀，调节水分含量为20%，使用双螺杆挤压机挤压膨化并切割成型， 在烘干机中烘至水分含量在10%左右，加入调料，搅拌均匀后包装得到成品。

1.4 单因素实验

以大米粉为基础，以不同比例的桑叶粉，魔芋精粉，燕麦纤维粉和大豆纤维粉为单因素进行实验，桑叶粉添加量为2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%， 魔芋精粉添加量为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%， 燕麦纤维粉添加量为2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%；大豆纤维粉添加量为1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%。研究各个单因素对膨化产品感官得分的影响。 以感官评分为评价指标，确定各因素适宜的添加比例。

1.5 响应面优化实验

在单因素实验的基础上， 从每个因素中选取3个评分较高的水平进行响应面实验设计， 以感官评分作为指标，利用Design-Expert 软件进行优化组合设计和数据处理， 并对实验数据进行统计分析和绘图处理。 实验因素水平编码见表1。

表1 四因素三水平表%

1.6 感官评定

挑选出15 名专业的食品评价人员对膨化产品的色泽、外形、口感、风味、质构五个方面进行感官评分（见表2），参照膨化食品评估标准，以确定此次实验所用评分标准[13]。

表2 感官评价标准

1.7 理化指标测定

食品中水分的测定参照GB 5009.3-2016 《食品中水分的测定》； 酸价的测定： 参照GB 5009.229-2016 《食品中酸价的测定》中冷溶剂指示剂滴定法(第一法)； 过氧化值的测定参照GB 5009.229-2016《食品中过氧化值的测定》中滴定法(第一法)。

1.8 微生物指标测定

微生物指标中细菌总数、大肠菌群、致病菌的测定 按 照 GB 4789.2 -2022、GB 4789.3 -2016、GB 4789.4-2016 和GB 4789.10-2016 方法测定。

1.9 数据处理

采用Excel、Origin 2018 和Design Expert 10 对数据进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 桑叶粉添加量对膨化产品品质的影响

由图1 可知，随着桑叶粉添加量的逐渐增多，感官得分呈现先增大、后减小的趋势，在桑叶粉添加量为4.0%时，感官评分达到最大值为89.5。 桑叶粉添加量对产品的品质有重要影响，当添加量较低时，几乎没有桑叶风味； 当添加量较高时， 桑叶粉风味过重。因此，选取桑叶粉添加量为4.0%比较合适，此时产品口感好，桑叶风味适宜。

图1 桑叶粉添加量对膨化产品品质的影响

2.1.2 魔芋精粉添加量对膨化产品品质的影响

由图2 可知，随着魔芋精粉添加量的逐渐增多，感官评分呈现先增大、后减小的趋势，在魔芋精粉添加量为2.5%时，感官评分达到最大值为81.5，当添加量较高时，魔芋腥味明显而掩盖了桑叶风味，风味极其不协调。 因此，选取魔芋精粉添加量为2.5%比较合适。

图2 魔芋精粉添加量对膨化产品品质的影响

2.1.3 燕麦纤维粉添加量对膨化产品品质的影响

由图3 可知， 随着燕麦纤维粉添加量的逐渐增多，感官评分呈现先增大、后减小的趋势，在燕麦纤维粉添加量为4.0%时，感官评分达到最大值为81。出现这种现象的原因可能是膳食纤维有利于产品的膨化，但添加量较高，又会影响口感[14]。因此，综合考虑选取燕麦纤维粉添加量为4.0%比较合适。

图3 燕麦纤维粉添加量对膨化产品品质的影响

2.1.4 大豆纤维粉添加量对膨化产品品质的影响

由图4 可知， 随着大豆纤维粉添加量的逐渐增多，感官评分呈现先增大、后减小的趋势，在大豆纤维粉添加量为2.5%时， 感官评分达到最大值为86.5。 出现这种现象的原因可能是大豆纤维粉中膳食纤维含量较高，有利于产品的膨化[14]。 因此，综合考虑，选取大豆纤维粉添加量为2.5%比较合适。

图4 大豆纤维粉添加量对产品品质的影响

2.2 响应面优化实验

2.2.1 实验设计及结果

依次选取A桑叶粉添加量（%）、B魔芋精粉添加量（%）、C燕麦纤维粉添加量（%）、D大豆纤维粉添加量（%）为4个因素进行试验，以感官评分为响应值，利用Design-Expert10 软件来设计并优化本次实验。 实验设计及结果如表3 所示。

表3 响应面实验设计及结果

2.2.2 回归模型的建立

通过对表3 中的数据进行拟合处理，得到Y（感官评分）与A桑叶粉添加量（%）、B魔芋精粉添加量（%）、C燕麦纤维粉添加量（%）、D大豆纤维粉添加量 （%） 的多元二次回归方程：Y=93.38+4.33A+0.12B -1.02C+1.48D+0.20AB+1.02AC+1.22AD+0.97BC-3.42BD+5.55CD-7.49A2-8.42B2-6.72C2-8.84D2。

2.2.3 响应曲面显著性和方差分析

膨化产品的方差分析和显著性检验见表4。 由表可知：模型的F值（103.95）>F0.01（9,4）=14.66；模型的P值<0.0001，表明本实验的回归模型具有显著性；其中的失拟项F值（1.31）0.05， 表明P值在0.05 水平下影响不显著；模型的校正R2（0.9786）与期望R2（0.9532）的差值小于0.2，说明该模型的拟合程度较高，适用于此模块分析。

表4 回归模型系数的显著性检验结果

从表4 中可得出各因素对响应值的影响： 在一次项中因素A、C、D对响应值存在极显著作用；二次项中所有因素均对响应值有极显著作用； 交互项中仅有BD、CD对响应值存在极显著作用，AD对响应值存在显著作用。

2.2.4 响应曲面图结果分析

响应曲面图可以直观反映两不同因素间的交互作用对响应值是否有显著影响， 而等高线图则反映两因素间交互作用是否显著。 即根据响应曲面图的陡峭程度与等高线图的形状来分析各因素间的交互作用以及对膨化产品感官评分的影响程度。 各因素响应曲面以及等高线见图5~图10。

图5 桑叶粉添加量与魔芋精粉添加量（AB）交互作用的响应曲面和等高线图

图6 桑叶粉添加量与燕麦纤维粉添加量（AC）交互作用的响应曲面和等高线图

图7 桑叶粉添加量与大豆纤维粉添加量（AD）交互作用的响应曲面和等高线图

图8 魔芋精粉添加量与燕麦纤维粉添加量（BC）交互作用的响应曲面和等高线图

图9 魔芋精粉添加量与大豆纤维粉添加量（BD）交互作用的响应曲面和等高线图

图10 燕麦纤维粉添加量与大豆纤维粉添加量（CD）交互作用的响应曲面和等高线图

2.2.5 最佳配方验证

通过响应曲面模型预测，得到最佳工艺参数为：桑叶粉添加量为4.15%、魔芋精粉添加量为2.48%、燕麦纤维粉添加量为3.95%、 大豆纤维粉添加量为2.54%， 此参数条件下膨化产品的感官评分值高达94.05 分。为了方便我们的操作，调整最佳配方，即桑叶粉添加量为4%、魔芋精粉添加量为2.5%、燕麦纤维粉添加量为4%、大豆纤维粉添加量为2.5%。其它因素不变，在此条件下对产品进行三次验证性实验，结果得到该膨化食品的综合得分为94.05±0.05 分，进一步验证了响应面优化得到的最佳配方和模型的可靠性，综上可知，通过响应面实验优化后的膨化产品配方是可行的。

2.3 感官评价

根据最佳工艺生产出的挤压膨化产品， 颜色均匀，表面光滑，形状规则、完整；孔状结构均匀，有复合粉特有的香味。

2.4 理化指标及膨化特性

复合挤压膨化产品理化指标及膨化特性测定结果见表5，可知复合挤压膨化产品营养丰富，满足现代人群的健康饮食的需求。

表5 产品的理化指标

2.5 微生物指标

复合粉挤压膨化产品细菌总数≤200 CFU /g，大肠菌群≤10 CFU/g，致病菌未检出。 该结果符合GB 17401-2014 膨化食品卫生标准。

3 结论

本文通过单因素实验， 以膨化产品的感官评价结果为指标，探究桑叶粉、魔芋精粉、燕麦纤维粉、大豆纤维粉因素对膨化产品的影响， 采用Design Ex-pert 10 软件进行Box-Behnken 设计实验，得到模型显示了复合粉挤压膨化产品的最优配方， 以大米粉为基础配方，桑叶粉添加量为4%、魔芋精粉添加量为2.5%、燕麦纤维粉添加量为4%、大豆纤维粉添加量为2.5%，此参数条件下膨化产品的感官评分值高达94.05 分， 此配方下生产出来的膨化食品不仅风味独特，口感酥脆，而且具有保健的作用。

4 讨论与展望

近几年复合膨化食品配方研究涉及面广， 孙航等[15]通过实验确定了人参膳食纤维膨化食品的最优配方；赵九毅等[16]以膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼度作为评价指标， 通过响应面确定了豆渣膨化食品的最优配方。黄静[17]在基础原料的基础上，通过添加不同比例的大豆分离蛋白、 南美白对虾肉及南美白对虾粉确定了该款虾条的最优配方和最佳工艺参数；孔祥辉等[18]探究元蘑添加量、水分含量、小米添加量、鲜味剂添加量对膨化食品的影响，并采用正交实验优化配方，确定最优配方。以上研究结果表明复合膨化食品既迎合了大众的需求， 同时适应了市场的环境，具有广阔的市场前景。