芝麻巧克力棒的配方优化及货架期预测

游静，黄纪念，孙强，宋国辉，芦鑫

1.河南省农业科学院农副产品加工中心 （郑州 450000）；2.河南省农科院农副产品加工所 （郑州450000）

芝麻具有高营养价值，含油量达50%，富含矿物质、维生素和ω-3脂肪酸[1]，芝麻饼是油脂提取过程中的副产品，芝麻饼粕中主要成分除了蛋白质含量较高外，还有其他营养成分如纤维素、维生素类和木脂素类等物质[2]。高温芝麻饼粕，由于芝麻经过高温烘烤生香，芝麻蛋白发生变性，从而导致高温芝麻饼粕中蛋白水解溶性差，影响其后续加工利用[3]，低温冷榨芝麻制油工艺所得芝麻饼尽可能多地保留芝麻蛋白的营养成分而具有较高的营养价值[4]。

近年来，冷榨芝麻油发展较快，饼粕仍普遍作为廉价饲料、肥料进行处理，利用率极低[5]，有少量研究饼粕应用于食品添加中，如：龚倩等[6]将芝麻饼粕添加于面条中，提高面条的营养，且制出的面条更有弹性；Gaipova等[7]将8%～10%的芝麻饼粕添加在蛋黄酱配方中以改善蛋黄酱的感官特性，延长蛋黄酱的保质期；Prakash等[8]将芝麻饼粕添加在饼干中以提高饼干的营养和功能特性。这些研究表明芝麻饼粕应用于产品开发的可行性。我国的芝麻产品有很大的发展空间，除了对传统芝麻产品的需求外，对相关的休闲食品和深加工产品的需求也会持续增长[9]。

试验以低温脱脂芝麻粉为主要原料，使用模糊数学感官评价方法，弱化主观因素对感官评价的影响，得到科学和客观的评价结果[10]，结合D-最优混料设计，优化芝麻巧克力棒，为低温芝麻饼粕的开发利用提供更多参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芝麻（平舆康博汇鑫油脂有限公司）；麦芽糖醇液（裕和食品配料有限公司）；巧克力（天津宜浓食品有限公司）；奇亚籽（五常市彩桥米业有限公司）；葵花籽（市售）。

碘化钾、浓硫酸、凯式定氮法催化剂片、95%乙醇、冰乙酸、氢氧化钠、酚酞、异丙醇、可溶性淀粉、重铬酸钾、石油醚（沸程30～60 ℃）、无水乙醚、三氯甲烷、硫代硫酸钠（均为分析纯）。

1.2 仪器与设备

CA59G型冷榨机（MONFORTS公司）；DFY-1000型摇摆式高速万能粉碎机（温岭市林大机械有限公司）；能量棒模具（市售）；酸、碱式滴定管；HH-4型恒温水浴锅（安徽海鑫科技）；TMS-Pro型质构仪（美国FTC公司）；XS205型电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；DHG-9070S型电热恒温干燥箱（上海海恒机电仪表股份有限公司）；K-05型自动定氮仪（上海晟声自动化分析仪器有限公司）；索氏脂肪提取装置（蜀牛玻璃仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

脱脂芝麻粉→粉碎→配料（葵花籽、奇亚籽、麦芽糖醇液）→混合→切块→整形→制包衣→倒入模具敷外皮→冷却→成品

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 制粉

选用冷榨芝麻饼粕，粉碎、过筛（粉细度0.250 mm），备用。

1.3.2.2 配料将芝麻粉与葵花籽（烤箱烘烤，上下火180 ℃、15 min，烤至表面微黄，有烤熟葵花籽特有香味）、奇亚籽按照比例均匀混合，再倒入相应比例的麦芽糖醇液进行二次混合，以保证各物料分布均匀，表面光滑，富有弹性。

1.3.2.3 制芯

将制好的芝麻粉团切成等质量的块，整形并将其置于烤箱烘烤（上下火160 ℃、5 min），除去多余水分。

1.3.2.4 制包衣

巧克力隔水融化，于模具底部铺层，将芝麻芯放入，将巧克力浇入模具中。

1.3.2.5 冷却成型

于4 ℃冷藏40 min，脱模，包装，即得成品。

1.3.3 感官评价方法

挑选8名专业感官评价人员，按照表1的评分标准进行评价。

表1 感官评价标准

1.3.4 单因素试验

固定麦芽糖醇添加量26%、脱脂芝麻粉添加量35%、巧克力添加量32%、葵花籽添加量6%、奇亚籽添加量3%。分别考察黑芝麻粉添加量（31%，33%，35%，37%和39%）、麦芽糖醇添加量（22%，24%，26%，28%和30%）、巧克力添加量（28%，30%，32%，34%和36%）、葵花籽添加量（2%，4%，6%，8%和10%）、奇亚籽添加量（1%，2%，3%，4%和5%）对芝麻巧克力棒感官评分的影响。

1.3.5 混料试验设计

通过Design Expert 8.0.6软件选取最优D-optional方法进行混料试验设计[11]。以脱脂芝麻粉、麦芽糖醇、巧克力、葵花籽、奇亚籽的添加量为自变量，以综合感官评分为响应值。根据单因素的结果设定A脱脂芝麻粉添加量35%～39%，B麦芽糖醇添加量24%～28%，C巧克力添加量30%～34%，D葵花籽添加量6%～8%，E奇亚籽添加量1%～4%，其中A+B+C+D+E=100%。利用软件设计试验组合，建立回归方程，对配方进行优化分析，得到最优方案，并进行验证。

1.3.6 模糊感官评价

试验中，设定感官评定评价因素集为R={R1，R2，R3，R4}[12]，R1代表形态色泽，R2代表组织状态，R3代表风味，R4代表口感。采用强制决定权重法确定指标权重，X={X1，X2，X3，X4}={0.2，0.2，0.3，0.3}，将芝麻巧克力棒分为4个等级，评价等级集V={优，良，中，差}，分别对应分数为V={90，80，70，60}。8名感官评定人员根据表1的评判标准分别对25组样品进行评价，各评语等级次数除以8即为各因素对4项评语等级的隶属度，得到的隶属度矩阵即构成模糊评定矩阵R[13]，该矩阵R与权重集X合成模糊感官评定结果向量Y，即Y=X×R[14]。

1.3.7 理化指标的检测

1.3.7.1 总热值测定

根据ISO 9831—1998《动物饲料、动物产品和粪便或尿液 总热值的测定 弹式量热计法》对芝麻巧克力棒的总热值进行测定。

1.3.7.2 水分测定

根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》对芝麻巧克力棒的水分进行测定。

1.3.7.3 总灰分测定

根据GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》对芝麻巧克力棒的总灰分进行测定。

1.3.7.4 蛋白质测定

根据GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》对芝麻巧克力棒的芝麻巧克力棒含量进行测定。

1.3.7.5 脂肪测定

根据GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》对芝麻巧克力棒的脂肪含量进行测定。

1.3.7.6 钠测定

根据GB 5009.91—2017《食品安全国家标准 食品中钠、钾的测定》对芝麻巧克力棒的钠含量进行测定。

1.3.7.7 酸价和过氧化值测定

根据GB 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》对芝麻巧克力棒的酸价进行测定；根据GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》对芝麻巧克力棒的过氧化值进行测定。

1.3.7.8 微生物检测

根据GB 4789.15—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》对芝麻巧克力棒的霉菌总数进行检测；根据GB 4789.38—2012《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠埃希氏菌计数》对芝麻巧克力棒的大肠埃希菌进行检测。

1.3.8 芝麻巧克力棒的货架期预测

试验主要采用ALST法中的Arrhenius模型探究温度对芝麻巧克力棒中油脂稳定性的影响，芝麻巧克力棒采用聚乙烯包装袋封装，分别置于30，40和50 ℃条件，每隔5 d测定其酸价。

Arrhenius公式转化式见式（1）。

式中：k为反应速率常数；k0为方程指前因子；Ea为活化能，kJ/mol；R为气体常数，8.314 44 J/（mol·K）；T为热力学温度，K[15]。

油脂氧化的货架寿命公式见式（2）。

式中：S为货架期模型的预测值，d；A为货架期终点时的过氧化值或者酸价值；A0为初期过氧化值或者酸价值[16]。

1.3.9 数据处理与分析

采用Excel软件和IBM SPSS Statistics 26.0软件进行数据处理分析，采用Origin绘图软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 脱脂芝麻粉添加量对感官评分的影响

脱脂芝麻粉的添加量会直接影响芝麻巧克力棒的成型状态、风味及口感。由图1可知，脱脂芝麻粉添加量对感官评分的影响呈先上升后下降的趋势，添加量低于35%时，芝麻巧克力棒的芝麻风味不突出，脱脂芝麻粉添加量高于39%时，产品口感不佳，因此脱脂芝麻粉添加量选择35%～39%。

图1 脱脂芝麻粉添加量对感官评分的影响

2.1.2 麦芽糖醇添加量对感官评分的影响

从图2结果可看出，麦芽糖醇添加量增加后，感官评分也呈上升趋势。当麦芽糖醇添加量低于24%时，甜味过淡，且产品夹心的结构松散，麦芽糖醇添加量高于28%时，芝麻巧克力棒夹心过软、过甜，故麦芽糖醇添加量选择24%～28%。

图2 麦芽糖醇添加量对感官评分的影响

2.1.3 巧克力添加量对感官评分的影响

巧克力滋味口感独特，富含多种营养素且具有调节心情、舒缓压力、抗氧化、抗癌等功效，是世界上最受欢迎的零食之一[17]。由图3可知，巧克力添加量34%时，芝麻巧克力棒的感官评分最高。添加量低于30%时，巧克力包衣不能完全覆盖，影响口感及观感，添加量高于34%时，巧克力风味过于突出，掩盖了芝麻的风味。因此巧克力添加量选择30%～34%。

图3 巧克力添加量对感官评分的影响

2.1.4 葵花籽添加量对感官评分的影响

葵花籽中富含多种生物活性物质，如绿原酸、亚油酸、甾醇、维生素、微量元素等[18]。由图4可看出，芝麻巧克力棒的感官评分随葵花籽添加量的增大而先升高后下降。葵花籽添加量低于6%时，葵花籽的风味较淡，葵花籽添加量高于8%时，葵花籽颗粒过多，增加咀嚼次数，且降低黑芝麻的风味，感官评分呈下降趋势。因此葵花籽添加量选择6%～8%。

图4 葵花籽添加量对感官评分的影响

2.1.5 奇亚籽添加量对感官评分的影响

奇亚籽含有脂肪酸、酚酸、黄酮类等活性成分，还含有蛋白质、维生素、膳食纤维等营养成分，且具有调节血脂、血糖、血压及抗氧化等药理活性[19]。如图5所示，奇亚籽添加量高于4%时，芝麻巧克力棒口感较为粗糙，感官评分较低，故奇亚籽添加量选择1%～4%。

图5 奇亚籽添加量对感官评分的影响

2.2 混料试验中模糊感官评价结果

由评定人员对混料试验25组试验分别进行评定，评价结果如表2所示，而后进行分析。

表2 模糊感官评价矩阵

由表2可知，感官评价小组中有6位成员认为样品1色泽为优，1位成员认为样品1色泽为良，1位成员认为样品1色泽为中，0位认为样品色泽为差。所以R色泽=（0.75，0.125，0.125，0），同理可得R组织状态=（0.875，0.125，0，0），R风味=（0.625，0.125，0.125，0.125），R口感=（0.5，0.375，0.125，0）。将指标转

根据模糊变化原理Y=X×R，可获得样品1评价结果：Y1=X×R1=（0.2，0.2，0.3，0.3）×

模糊评价综合得分S=Y×K。

由Y1=|0.662 5 0.2 0.1 0.037 5|，评价集K1=90，K2=80，K3=70，K4=60，得到样品1的综合评价得分S1=84.875。同理，可计算出S2～S25的感官得分。

2.3 混料试验结果

2.3.1 模型及回归方程的建立

D-最优混料设计是假定响应只与各成分在配方中所占比例有关而与总量无关的一类设计[20]，被广泛应用于医药、食品等多个领域，非常适合食品中配方的优化设计。

在单因素基础上，通过Design-Expert 8.0.6软件，芝麻巧克力棒的混料试验共设计25组，设计与评分结果如表3所示。用软件对混料优化试验结果进行拟合，见表4，获得感官评分（Y）与脱脂芝麻粉添加量（A）、麦芽糖醇添加量（B）、巧克力添加量（C）、葵花籽添加量（D）、奇亚籽添加量（E）的回归方程为：Y=84.5A+81.71B+86.39C+83.01D+77.36E-5.20AB-8.92AC-18.91AD+2.3AE-1.53BC+10.28BD+11.86BE-7.73CD+10.42CE+4.79DE。

表3 试验设计方案及结果

表4 芝麻巧克力棒回归方程的方差模型分析表

2.3.2 模型显著性分析

如表4所示，对模型进行回归与方差分析，可知该模型回归显著（P＜0.01），同时多元相关系数R2=0.947 8，失拟项不显著（P=0.434 3＞0.05），说明该模型与试验情况拟合较好，自变量与响应值之间的线性关系显著[21]。表明该模型方程拟合的指标和配方比例的关系是比较贴合的，能够很好地表现考察指标与复配比例之间的关系，可通过该模型反映芝麻巧克力棒的综合分值情况[22]。

2.3.3 混料试验结果三元曲面图

根据D-最优混料设计结果和回归方程绘制脱脂芝麻粉、麦芽糖醇、脱脂芝麻粉、巧克力交互因子的响应面和三元等值线图。如图6所示，响应面图呈曲面，说明5个原料之间存在一定交互作用，当麦芽糖醇（B）或巧克力（C）占有较大比例且固定不变时，感官评分随着脱脂芝麻粉（A）的增加而持续减小；当脱脂芝麻粉（A）或巧克力（C）占有较大比例且固定不变时，感官评分随着麦芽糖醇（B）的增加而持续减小；当脱脂芝麻粉（A）或麦芽糖醇（B）占有较大比例且固定不变时，感官评分随着巧克力（C）的增加而增加。当脱脂芝麻粉（A）、麦芽糖醇（B）、巧克力（C）、葵花籽（D）、奇亚籽（E）取适宜比例时，其对芝麻巧克力棒的感官评分有极大值，该极大值存在响应面顶端。

图6 脱脂芝麻粉、麦芽糖醇、巧克力对感官评分影响的3D图及等高线图

2.3.4 优化配方验证试验

通过Design-Expert 8.0.6软件分析，对回归模型进行预测，得到芝麻巧克力棒的最优组合：脱脂芝麻粉添加量39%、麦芽糖醇添加量24%、巧克力添加量30%、葵花籽添加量6%、奇亚籽添加量1%。在该方案下，模型预测芝麻巧克力棒的感官评分最大，为84.57分。按表5进行3次验证试验，最终芝麻巧克力棒的验证试验感官评价结果为84.13±0.63分，与预测值较吻合，说明模型所得优化条件可靠[23]。

表5 验证试验结果感官得分 单位：分

2.4 理化指标检测结果分析

对优化后的芝麻巧克力棒各项理化指标和微生物指标进行检测，结果如表6所示。参考NY/T 1509—2017《绿色食品 芝麻及其制品》中芝麻糊的标准，芝麻巧克力棒各项理化指标均符合或优于国家标准要求，表明该配方可适用于商业化生产要求。

表6 芝麻巧克力棒理化及微生物指标

2.5 货架期确定

2.5.1 酸价及过氧化值指标的变化

酸值反映油脂的酸败程度，过氧化值是油脂酸败的早期指标，两者是评价油脂质量的重要指标[24]。由图7可知，酸价随着贮藏温度上升而快速上升，且温度越高，上升速率越快。由图8可知，在不同储藏温度下，过氧化值的变化呈现先缓慢上升后下降再上升趋势，这可能是由于高温下过氧化物形成的速率高于分解速率，其平衡倾向于过氧化物的积累，超过一定时间后过氧化物分解速率加快导致过氧化值的降低[25]。

图7 不同温度加速条件产品酸价的变化

图8 不同温度加速条件产品过氧化值的变化

2.5.2 货架期模型建立一级动力学模型能够准确反映油炸产品在贮藏中油脂氧化过程[26]。如表7所示，将图7的酸价对数ln(AV)与时间t进行回归线性拟合，可以得到不同贮藏温度下的方程。回归方程R2＞0.9，说明拟合的效果较好。根据GB/T 8233—2008《芝麻油》，酸价上限值为4 mg/g，求得在初始酸价1.18 mg/g时，芝麻巧克力棒在30，40和50 ℃条件下分别可储存172，180和186 d，室温（25 ℃）条件下理论货架期为256 d。

表7 加速条件下的产品氧化速率拟合方程及货架寿命

3 结论

通过模糊数学综合评定法及D-最优混料设计最终确定芝麻巧克力棒的最优配方：脱脂芝麻粉添加量39%、麦芽糖醇添加量24%、巧克力添加量30%、葵花籽添加量6%、奇亚籽添加量1%。在此条件下，芝麻能量棒感官评分为84.13±0.63分。各项理化指标均符合或优于国家标准要求，展现出良好的理化性质。另外，利用Arrhenius公式预测出芝麻巧克力饼干在常温下的货架期为256 d，说明产品的货架期时长可观。试验为芝麻休闲食品的开发提供科学依据，同时为低温芝麻饼粕的开发及利用提供新方向。