海水稻米糠饼干生产工艺优化及其品质特性分析

何静盈，李海玲，皮彩玉，唐振冬，徐 杰，苏伟明✉，钟赛意

（广东海洋大学 食品科技学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，广东省海洋生物制品工程实验室，广东省海洋食品工程技术研究中心，广东省亚热带果蔬加工科技创新中心，广东 湛江 524088）

水稻是世界上最重要的粮食作物之一[1]。随着全球人口增长，粮食需求刺激水稻新品种的开发，近年来研究发现海水稻能在海岸滩涂地生长，介于野生稻和栽培稻之间，米粒为红色，植株高大松散[2]。海水稻可以种植于盐碱性地区，是一种盐碱耐性强的水稻品种[3-4]。海水稻富含独特的活性有机化合物六磷酸肌醇酯（IP6），IP6具有抑制致癌物质、清除自由基、免疫调节等功效[5]。水稻加工副产物是世界范围内重要的生物质资源，海水稻副产物比普通大米副产物含有更多的钠、镁和钙等元素，海水稻壳中钠的含量约为普通稻壳的30倍，且其钾的含量也较低，从而增加热稳定性[6]。

米糠是谷物精制过程中产生的主要副产物，主要由糊粉层、种皮和胚芽组成，含有稻米中64%的营养成分[7]。刘雪澜等研究发现挤压稳定化米糠添加量对饼干色泽、口感影响较大，对形态、气味影响较小[8]。李佳梅等研究发现发酵脱脂米糠添加量为10%、淀粉添加量为5%、烘焙温度240 ℃时感官品质最佳[9]。近年来，国际上开发了许多以水稻米米糠为原料的高附加值保健食品与化妆品。我国水稻米米糠年产量超过1 000万t[10]，但大部分却仅用于做动物饲料，造成了极大的资源浪费。迄今为止，研究人员对于米糠的研究也仅限于用水稻米糠制备植酸钙、肌醇等[11-12]，对于海红米米糠的深加工利用较少，因此本实验旨在研究开发海水稻副产物的精加工产品，探讨其最佳生产工艺，提高海红米米糠的深加工利用价值。饼干是以小麦粉为主要原料，加入糖、油脂等原料烘烤而成的休闲食品[13]，本研究将海水稻副产物米糠添加至饼干配方，在传统饼干工艺配方的前提下，将米糠加入到饼干之中，在增添特殊口感风味的同时提高饼干的营养价值[14]。米糠富含膳食纤维，鉴于其治疗潜力，其添加有助于开发目前需求量很大的功能性食品。本研究以期开发一种新型品种饼干，提高海水稻的综合利用，同时为海水稻副产物米糠的开发利用做参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠为广东省湛江市遂溪产耐盐碱海水稻的加工副产物，2020年收获后常温真空贮藏，采用新鲜无变质米糠制作饼干。新良澄面小麦淀粉、甘汁园绵白糖、吉得利玉米淀粉、新良魔堡低筋蛋糕粉和黄油粉（均为食品级）：广东省湛江市昌大昌购物广场。

1.2 仪器与设备

质构仪（TA.XT plusC）：英国TA公司；电子鼻（PEN3）：德国AIRSENS公司；电热恒温鼓风干燥箱：上海博讯公司；超微粉碎（ZKY-303CS）：北京中科浩宇公司；电烤炉（SM-503）：广州市深华生物技术有限公司；

1.3 实验方法

1.3.1 饼干制备的工艺流程

原料预处理→称量→调粉→搅拌塑性→成型→烘烤（上下火170 ℃，16 min）→冷却→待测成品

1.3.2 操作要点

1）米糠粉的制备：将原料米糠去除杂物后，放于鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，烘干后的米糠用超微粉碎机磨成粉体，过80目筛。2）黄油的处理。称取一定量的黄油，于室温软化至可用勺子轻轻按动变形；用打蛋器将黄油打发至泛白的羽毛状，加入糖粉和鸡蛋继续搅打至糖完全溶解，成为一混合均匀体系。3）调制油面浆。将面粉过筛以一定的比例混合均匀，加入打发好的黄油、鸡蛋中，顺时针小心搅拌均匀。4）成型。把调制好的油面浆装入挤压枪中（不要超过2/3），挤压到烤盘里，注意挤出的饼胚大小要差不多，行间距适当。5）焙烤。提前将烤箱预热，将曲奇放入烤箱，上下火170 ℃左右，焙烤时间16 min，熟透后出炉，自然冷却。

1.3.3 单因素实验设计

参考孙哲[15]等的配方，以面粉的全部重量为基准100%（60 g低筋面粉+22.5 g粟粉+12.5 g澄面），以63.15%低筋面粉、23.68%粟粉、13.16%澄面、5.26%米糠、63.15%黄油、26.32%鸡蛋、31.58%白砂糖为基础配方，确定焙烤温度为170 ℃和焙烤时间为16 min。在基础配方上进行优化，通过改变米糠粉、黄油和细砂糖添加量，以感官评分来确定海水稻米糠饼干的最佳工艺参数。研究米糠添加量（0%、5.26%、10.53%、15.79%、21.05%）、黄油添加量（42.11%、52.63%、63.16%、73.68%、84.21%）、细砂糖添加量（10.53%、21.05%、31.58%、42.11%、52.63%）对米糠饼干感官评分的影响。每组单因素进行平行实验3次。

1.3.4 响应面设计实验

在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken组合实验设计原理[16]，选取米糠添加量（A）、黄油添加量（B）、细砂糖添加量（C）3个因素为自变量进行3因素3水平的响应面设计实验，以感官评分（Y）为响应值，使用Design Expert 10.0.7软件进行模型拟合，采用最佳工艺条件制作感官评分较高的米糠饼干。响应面实验因素水平表如表1所示，以–1，0，+1进行编码。

表1 实验因素与水平表Table 1 Test factors and levels

1.3.5 感官评价

根据GB/T 20980—2007《饼干》中酥性饼干的感官指标[17]，对海水稻饼干形态、色泽、香味，口感和组织进行测评，12名食品专业同学对米糠饼干进行感官评定，评分标准为12人的平均值，饼干的感官评价标准如表2所示[18]。

表2 饼干感官评分标准与细则表Table 2 Biscuits sensory scoring standards and rules

1.3.6 质构分析

采用三点弯曲检测装置探头HDP/3PB进行饼干的弯曲实验[19]，将饼干放在探头正下方，饼干与探头保存20 mm距离，每组进行15次平行实验，取平均值[20]，测试饼干的硬度及脆性。质构仪测定参数为：测前速度为2.5 mm/s，测时速度为2.0 mm/s，测后速度为10.0 mm/s，目标模式为15 mm，触发力为20 g，数据采集速率为500 pps。

1.3.7 电子鼻系统分析

电子鼻是由传感器模拟人的感官嗅觉对样品挥发物进行感知、分析和判断，并最终由模式识别子系统对信号处理的结果做出判断[21]。使用PEN3电子鼻检测不同米糠添加量的样品，米糠添加量（0%、5.26%、10.53%、15.79%、21.05%）、黄油添加量63.16%、细砂糖添加量21.05%，5组样品组样品分别称量20 g于洗净烘干的顶空瓶中，常温下密封静置30 min后气体饱和稳定进行电子鼻数据检测。每组每次检测之前都对传感器进行标准化处理，处理时间为60 s，检测时间60 s，每组数据均取55 s的信号作为分析点，每个样品平行测定3次。每隔1天对样品检测1次，平行检测5天。

表3 传感器性能描述Table 3 Sensor performance description

1.4 数据分析

数据均测定三次，取平均值。使用Design Expert 10.0.7软件进行响应面优化设计，origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

米糠添加量对感官评价的影响如图1-a所示，米糠的添加量小于10.52%，对饼干感官评分无显著影响，随着米糠添加量大于10.53%时，饼干的感官评价降低且有显著性差异（P＜0.05）。米糠粉的添加量为10.53%时，海红米糠饼干的感官品质最佳，感官评分为86分。研究表明，海水稻中2-乙酰基-1-吡咯琳含量高达228 mg/kg，赋予海水稻一种特殊的芋香味[22-23]。当米糠占比过多时，因为米糠具有特殊的香芋气味，饼干香味十分浓郁；但由于米糠是稻谷的种皮，粗纤维很多，导致饼干口感十分粗糙且质地过硬，颜色加深。当降低米糠比重、增多低筋面粉时，饼干的独特香芋风味降低、饼干口感厚重、酥脆不足。

黄油添加量对感官评价的影响如图1-b所示，当黄油的添加量逐渐增大时，饼干的感官品质先升高后降低。黄油添加量为63.16%时，饼干的感官评分最高且有显著性差异，为83分。当黄油含量过少时，饼干色泽呈深褐色，光泽较淡且无海红米特殊香气；当黄油含量过多时，饼干色泽呈金黄色，但奶香味过浓、掩盖住了海红米糠的特殊风味。

图1 米糠、黄油、细砂糖添加量对饼干风味品质的影响Fig.1 Effect of seawater rice husk bran, butter and sugar addition on biscuit quality

细砂糖添加量对感官评价的影响如图1-c所示，当细砂糖的添加量不断增大时，饼干的感官品质先升高后降低。细砂糖添加量为21.05%时，饼干的感官评分最高，为81分。当细砂糖的添加量过高时，由于烘烤过程中的焦糖化作用和美拉德反应，饼干会因此变成棕褐色导致视觉效果极低；当细砂糖添加量＜21.05%时，饼干口感偏淡且不松脆。

2.2 响应面实验设计及结果

2.2.1 配模型建立与回归分析结果

根据单因素实验结果，利用Design-expert软件对其响应面实验结果进行分析，结果见表4，共17组实验方案，其中12组析因实验组及5组中心实验组。考察海水稻米糠（A）、黄油（B）、细砂糖（C）等3因素的添加量对饼干的感官评价影响，利用软件对数据进行分析及回归拟合后，其回归方程为：

表4 响应面设计与结果Table 4 Response surface design and results

2.2.2 响应面实验方差分析

海水稻米糠饼干响应面法优化回归方差分析结果见表5，该模型P＜0.000 1，表明实验模型极显著，具有统计学意义。同时，失拟项P=0.324 5＞0.05，结果不显著，说明该模型与实际拟合程度较高，采用该响应面优化来预测海水稻米糠饼干的最佳工艺参数是可行的；且矫正决定系数=0.995 3，变异系数CV =0.85%，进一步说明模型可靠性[24]。根据各影响因素的均方值，可知各因素对感官评分的影响大小为：细砂糖添加量＞黄油添加量＞米糠添加量，且细砂糖添加量的均方值远大于其他两因素，所以细砂糖添加量可以较大影响米糠饼干的感官评分。黄油添加量一次项（B）及二次项（B2）、细砂糖添加量一次项（C）及二次项（C2）、米糠添加量和黄油添加量交互项（AB）、黄油添加量和细砂糖添加量交互项（BC）、米糠添加量二次项（A2）对米糠饼干的感官评分均有极显著影响（P＜ 0.01）。

表5 回归方程方差分析Table 5 Regression equation analysis of variance

2.2.3 感官评分响应面分析

根据Design Expert软件对回归方程的分析，可得到两因素间相互作用的模型响应面3D曲面图，如图2所示，根据曲面图及其映射的等高线图可以直观的分析出各因素交互作用对米糠饼干感官评分影响[25]。由图2（a）可看出，米糠添加量（A）和黄油添加量（B）的相互作用对米糠饼干的感官评分影响显著（P＜0.05），当固定其中一个因素时，另一个因素对感官评分的影响均为先增加后下降的趋势，感官评分可达到最大值，其投影点位于等高线图的中心，且映射等高线图呈现椭圆形，也说明米糠添加量（A）和黄油添加量（B）的交互作用明显。由图2（b、c）曲面图及等高线图可知，米糠添加量和细砂糖添加量、黄油添加量和细砂糖添加量均显示不明显的交互作用。

图2 两因素的交互作用的响应面Fig.2 Response surface plots of variable parameters

2.2.4 配方优化响应面结果

根据响应面模型预测得到的米糠饼干制备的最佳工艺条件为：米糠添加量10.53%、黄油添加量59.38%、细砂糖添加量31.12%，在此条件下得到的感官评分预测值为91.14分。在此预测条件下进行实验，测定三次平行，所得的感官评分为（89.45±2.74）分，与预测值相差在±2%以内，表明响应面模型预测得到的最佳工艺条件准确可靠。

2.3 质构分析

通过质构对比米糠添加量，得出图3。当米糠的添加量增大时，米糠饼干的脆性、韧性和硬度呈现先增加后减少的趋势。米糠添加量为10.53%和15.79%的饼干硬度高于其他三组（P＜0.05），10.53%米糠饼干脆度最高，米糠添加对饼干韧性无显著影响（P＞0.05）。当米糠添加量为10.53%时，硬度和脆性最适。增大米糠的添加量，饼干的结构变得粗糙，从而增大了硬度；当米糠添加量增大到一定限度时，米糠良好的吸水性与持水性会导致饼干水分增加，内部结构变得柔软，从而降低了饼干硬度[26]。

图3 米糠添加量对质构的影响Fig.3 Effect of seawater rice husk bran on biscuit texture

2.4 电子鼻分析

2.4.1 电子鼻传感器响应分析

雷达图被广泛应用于电子鼻分析研究中，能够揭示传感器阵列对不同样本信号响应强度的总体和个体差异。每组样品选取稳定后的第55 s处的电子鼻响应值进行雷达图分析[27]。图4是电子鼻的10个传感器对不同米糠添加量的响应值，响应值越大说明传感器对应成分含量越多。

图4a雷达图可以直观比较电子鼻对不同饼干样品的差异，传感器W5S、W6S和W1W对不同样品饼干的响应值较大，说明米糠饼干的风味物质含有氮氧化物、氢化合物和有机硫化物。5个样品在W5S、W6S、W1S和W1W传感器的信号响应值有差异，说明这4个传感器检出的挥发性成分组成相差较大，而5个样品在其余6个传感器的信号响应值几乎重叠，说明这6个传感器检出的挥发性成分组成基本相似。米糠添加量0%的饼干的雷达响应图与其他样品具有差异，对比发现米糠添加量越高，W1W响应信号强度较高，说明添加米糠对饼干挥发性风味有影响，其中米糠添加量为10.53%和15.79%的响应值相似[28]。

图4 5种饼干的雷达指纹图Fig.4 Odor radar fingerprints of 5 species of biscuits

2.4.2 主成分分析（PCA）

图5为5组样品的PCA二维图，第一主成分区分贡献率为82.69%，第二主成分区分贡献率为11.67%，总贡献率达到94.36%，可以充分揭示样品信息。不同米糠添加量饼干之间不发生重叠，区分度明显，这表明不同饼干产品的风味特征之间存在差异，可以通过电子鼻较好的区分开[29-30]。主成分分析中第一主轴贡献率最高为米糠添加量10.53%，与其他种类距离较远，说明和其他种类相差很大，与电子鼻雷达指纹图表达的信息一致[31]。随着米糠添加量增大，各样品在第二主成分上呈现增大的趋势，添加量21.05%时在第二主成分上差异最大。表6为样品间的区分度，数值越接近1说明区分度越大，区别越明显，从图中可以看出样品间的区分度数值都接近于1，表明电子鼻可准确区分不同米糠饼干样品。

图5 5种饼干样品的电子鼻PCA二维图Fig.5 Two-dimensional map of E-nose PCA of 5 species of biscuits

表6 不同饼干香气成分数据矩阵表Table 6 Data matrix of different biscuits aroma components

3 结论

通过单因素实验和响应面实验优化米糠饼干的生产工艺，分别研究黄油添加量、细砂糖添加量、米糠添加量对米糠饼干的感官评分影响，得出各项因素对米糠饼干的影响大小：细砂糖添加量＞黄油添加量＞米糠添加量。通过电子鼻测定的雷达指纹图和PCA分析，不同米糠添加量的可以挥发性气味进行区分，且在米糠添加量为10.53%时能明显与其他样品明显区分。通过质构分析，米糠添加量为10.53%时，饼干的硬度和脆度呈最适。确定饼干最佳工艺条件为低筋面粉63.5%、粟粉23.68%、澄面13.16%、鸡蛋26.32%、黄油59.38%、细砂糖31.12%、米糠粉10.53%，焙烤温度170 ℃，焙烤时间16 min。此条件下制出的米糠曲奇饼干口感酥脆、色泽均匀呈浅褐色，海红米香芋味浓郁、营养丰富、增加膳食纤维，为探讨不同人群适宜的休闲健康食品作进一步研究。随着人们对营养健康需求的增加，加强海水稻米糠的资源化利用，进一步探讨米糠中的营养物质在食品、医药等领域的应用，以实现米糠的高价值利用。