响应面法优化红枣沙棘馒头的加工工艺

张巧仙

(吕梁学院生命科学系，吕梁 033001)

红枣是吕梁特产，兼具药食两用价值[1]，其果实口味甘甜，富含人体所需氨基酸、糖类、脂肪、VC、VB生物碱、类黄酮、酚、萜类等有益营养成分[2]；有补血补气、健脾益胃、延缓衰老等功效[3]。研究结果表明，红枣中含有三萜类化合物、环磷酸腺苷、黄酮类化合物、抗坏血酸和皂苷等多种生物活性成分[4，5]，在抑癌、抗过敏和降血压等方面具有药用作用[6]。

沙棘盛产于吕梁岚县，是一种兼具药食功能的植物[7]。国内外关于沙棘方面的研究颇多，陈家明等[8]研究表明沙棘果渣富含有机酸、糖类、黄酮等，有利于提升赛马的自身免疫力和自身抗病力。高峰等[9]报道沙棘黄酮有抗氧化和延迟衰老的作用。牟春堂等[10]研究发现，风干的沙棘果渣中含有多酚类化合物、黄酮类化合物、胡萝卜素、VE等多种抗氧化、抗炎、免疫调节等功能的活性物质，作为饲料原料对增强动物免疫机能有一定作用。Stanzin等[11]研究表明沙棘对铁诱导癫痫神经保护和行为改变有一定的积极作用。Hussain等[12]研究表明用响应面法优化超声辅助可以提取沙棘渣中的可溶性膳食纤维。

目前杂粮馒头的研究主要是以玉米、燕麦、大麦、红薯等单一杂粮原料或者与小麦粉混合制作成的馒头。这类杂粮馒头因品种单一，口感、营养较单一。本实验将红枣泥和沙棘汁同时以一定比例经反复实验进行科学配伍加入小麦粉中，以期达到最佳口感，同时将此杂粮馒头的营养价值和药理功能特性有机结合起来，对促进人体健康和拓展杂粮馒头市场具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 材料

中筋小麦粉、酵母、沙棘、红枣。

1.2 主要仪器

KLD-9205A干燥箱，FW-400A型榨汁机，FA2104N电子分析天平，XJQ-0.5去核打浆机，C22-IH65E8电磁炉，ZHG-2801T不锈钢煮锅，QJCK-350恒温箱，TMS-Pllot食品物性分析仪。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

原料准备→和面→发酵→分割整形→醒发→蒸制→静置→成品。

原料准备：干枣用38 ℃温水浸泡6 h，使枣吸水膨胀，搅拌5 min洗净后倒入夹层锅煮制1 h，使枣软烂；用孔径0.2 mm的双道打浆机打浆，除去枣核和枣皮，然后入胶体磨磨浆，使果肉进一步微粒化。沙棘除掉不可食用部分，清洗干净榨汁过滤备用。

和面：将称好的各原料倒入和面机中，慢速和面至面团成团，表面光滑，有弹性。发酵：将面团放在室温条件下(30 ℃左右)发酵，发酵时间按实验要求控制。分割、整形：将面团分为50 g的小份，并制成形状大小一致的半球形。醒发：反复揉制按压面团，使气体排出，表面光滑后分为若干坯子搓圆，室温条件下醒发30 min。蒸制：沸水上锅蒸18 min，到时间关火回气静置3～5 min取出并冷却。中筋小麦粉馒头作为对照样品，和面时不添加红枣泥和沙棘汁，其他加工工艺与红枣沙棘馒头相同。

1.3.2 单因素实验

由预实验和查找资料[13]进行综合分析，得到基本配方：中筋小麦粉100 g，(注：占100 g中筋小麦粉质量的比)沙棘汁4%、红枣泥10%、酵母1.5%、水40%、发酵时间50 min、发酵温度38 ℃。以中筋小麦粉质量100 g为基准，分别设置红枣泥质量分数(8%、9%、10%、11%、12%)，沙棘汁质量分数(2%、3%、4%、5%、6%)，含水量(30%、35%、40%、45%、50%)，发酵时间(30、40、50、60、70 min)，酵母质量分数(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)，发酵温度(28、33、38、43、48 ℃)，测定馒头的硬度、弹性、咀嚼性、比容、色差，并进行感官评分。

1.3.3 PB实验

根据单因素实验，先选定各因素的高低值，再以感官评分为指标，进行PB实验设计，以感官评分为评价指标，对影响馒头品质的6个因素：x1：红枣泥添加量、x2：沙棘汁添加量、x3：水添加量、x4：发酵时间、x5：酵母添加量、x6：发酵温度，实验分为12组。见表1。

表1 PB实验因素水平表

1.3.4 响应面实验

由单因素实验和PB实验所得数据进行BBD响应面实验。以A：红枣泥添加量、B：沙棘汁添加量、C：酵母添加量，3个因子为自变量，以质构特性(硬度、弹性、咀嚼性)，比容，色差(L*、b*)，感官评分为指标。响应面实验因素和水平见表2。

表2 响应面分析因素和水平

在响应面实验中，对红枣沙棘馒头的质构特性(硬度、弹性、咀嚼性)，比容，色差(L*、b*)，感官评分为考察指标。

根据原始数据的特征值、方差贡献率以及累计方差贡献率，选择特征值大于1的各主成分，算出红枣沙棘馒头的综合得分。

为消除各指标不同量纲所产生的影响，对数据标准化处理。以各主成分的方差贡献率为系数，进行各主成分与对应系数相乘求和，计算综合评分[14]。

综合评分按式(1)～式(3)计算。

F1=0.18X1+0.15X2+0.178X3+0.016X4+0.178X5+0.178X6+0.178X7

(1)

F2=0.084X1-0.134X2-0.054X3+0.958X4-0.054X5+0.11X6-0.054X7

(2)

F=0.785F1+0.149F2

(3)

式中：F1为主成分1评分；F2为主成分2评分；F为综合评分；X1为硬度；X2为弹性；X3为咀嚼性；X4为比容；X5为L*；X6为b*；X7为感官评分。

规范化综合评分按式(4)计算。

规范化综合评分(Y)=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

(4)

式中：F为综合评分；Fmin为综合评分最小值；Fmax为综合评分最大值。

1.3.5 指标测定1.3.5.1 质构测定

参照文献[15]，并作改动。使用食品物性分析仪的TPA模型对样品进行检测，将制作好的红枣沙棘馒头切成边长为25 mm的立方体，放在食品物性分析仪载样台的中央。测前速度1 mm/s，测试速度1 mm/s，测后速度1 mm/s，间隔时间5 s，压缩程度50%，选用P432-036/037平底圆柱形探头，检测环境温度25 ℃。通过仪器分析，从数据显示屏上获得硬度/N、弹性/mm、咀嚼性/N 3个TPA参数。每组样品测量3次，最后取平均值。

1.3.5.2 色差

将样品放入特制培养皿中，置于分光测色仪上对样品的颜色进行测定。仪器可测定的参数主要为亮度值L*、红度值a*和黄度值b*。本实验主要测定参数L*和b*，每组样品变换角度测量3次取平均值。

1.3.5.3 比容

参考文献[16]并稍作修改，蒸制好的馒头冷却1 h后称量。体积采用小米置换法测量，每组样品测量3次，取平均值。

λ=V/m

式中：λ为馒头比容/mL/g；V为馒头体积/mL；m为馒头质量，g。

1.3.5.4 感官评分

由10名食品检验员用盲评计分方式对红枣沙棘馒头进行感官评分，参考文献[17，18]并稍作修改，得到红枣沙棘馒头感官评分标准，评分标准见表3。

表3 红枣沙棘馒头感官评分标准

1.3.5.5 主要营养成分指标测定

1.4 数据处理

所有实验重复3次，取均值。所有基础数据都经过Microsoft Excel 2010进行处理，单因素实验作图利用Graphpad Prism 8.0，各主成分数据指标的分析使用SPSS 26.0软件进行，利用Design-Expert 11软件对Plackett-Burman(PB)实验和Box-Behnken Design(BBD)响应面实验进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 红枣泥添加量对馒头品质的影响

由图1可知，红枣泥添加量对馒头的感官评分、硬度、咀嚼性、比容、亮度(L*)、黄度值(b*)影响显著(P<0.05)，对弹性影响不显著(P>0.05)。红枣泥质量分数在8%～12%，感官评分、硬度、弹性、咀嚼性、L*均先增后减。红枣泥中膳食纤维破坏了面筋蛋白网络结构，影响面筋结构的展开，使发酵结果变差，致使馒头比容下降、b*增加。综合考虑，红枣泥质量分数10%为宜。

图1 红枣泥添加量对红枣沙棘馒头品质的影响

2.1.2 沙棘汁添加量对馒头品质的影响

由图2可知，沙棘汁添加量对馒头的感官评分、硬度、咀嚼性、比容、亮度(L*)、黄度值(b*)影响显著(P<0.05)，对弹性影响不显著(P>0.05)。沙棘汁质量分数在2%～6%，感官评分、弹性、硬度、咀嚼性、L*均先升后降，比容下降，b*增加。沙棘汁添加过量使馒头褐色加深，所含膳食纤维破坏面团结构，以致成品馒头感官不良。综合考虑，沙棘汁添加4%为宜。

图2 沙棘汁添加量对红枣沙棘馒头品质的影响

2.1.3 水添加量对馒头品质的影响

由图3可知，水添加量对馒头的感官评分、硬度、弹性、咀嚼性、比容影响显著(P<0.05)，对亮度(L*)、黄度值(b*)影响不显著(P>0.05)。在40%，感官评分、比容最大；硬度、咀嚼性、b*达到最低。由于水添加少，不利于面团的发酵，以致馒头体积小，表面不光滑且内部粗糙；而水添加多，面团黏手，酵母产气快，面团持气能力降低，制得馒头容易塌。综合考虑，含水量40%为宜。

图3 水添加量对红枣沙棘馒头品质的影响

2.1.4 发酵时间对馒头品质的影响

由图4可知，发酵时间对馒头的感官评分、硬度、咀嚼性、比容影响显著(P<0.05)，对弹性、亮度(L*)、黄度值(b*)影响不显著(P>0.05)。在30～70 min，感官评分、弹性、比容先上升后降低，随发酵进行，面团体积增大，成品馒头的蓬松度变好，表面光滑，内部组织结构孔径细小均匀；持续发酵，面筋网络结构破坏，发酵效果变差，成品馒头感官不良。酵母菌的大量增殖会产生酸味，口感变差。综合考虑，发酵时间设置为50 min。

图4 发酵时间对红枣沙棘馒头品质的影响

2.1.5 酵母添加量对红枣沙棘头品质的影响

由图5可知，酵母添加量对馒头的感官评分、硬度、咀嚼性、比容、黄度值(b*)影响显著(P<0.05)，对弹性、亮度(L*)影响不显著(P>0.05)。酵母添加在0.5%～2.5%，感官评分、弹性、比容、L*、b*先升高后下降，随酵母的增加，面团产气能力增大，所得馒头体积、弹性增大，硬度降低。添加1.5%酵母后，面团结构破坏，成品馒头有一定的酵母味和酸味，感官评分降低。综合考虑，酵母添加1.5%为宜。

图5 酵母添加量对红枣沙棘馒头品质的影响

2.1.6 发酵温度对馒头品质的影响

由图6可知，发酵温度对馒头的感官评分、硬度、咀嚼性、比容影响显著(P<0.05)，对弹性、黄度值(b*)、亮度(L*)影响不显著(P>0.05)。在28～48 ℃，馒头的感官评分、弹性、咀嚼性、比容都先升后降。发酵温度提升，酵母产气逐渐增加，面团体积变大，馒头比容上升，蓬松度、外观和口感变好；发酵温度到38 ℃后，部分酵母无法适应环境而丧失活性，面团发酵变缓甚至停止，导致各项指标下降。综合考虑，发酵温度设置为38 ℃。

图6 发酵温度对红枣沙棘馒头品质的影响

2.2 PB实验

PB实验设计及结果见表4，方差分析见表5。

表4 PB实验设计及结果

表5 PB实验设计方差分析

由表5可知，P=0.008 3<0.01，该模型显著。红枣泥添加量(x1)(P=0.001 3)、沙棘汁添加量(x2)(P=0.016 0)、酵母添加量(x5)(P=0.028 6)对馒头感官评分的影响显著，拟进一步优化其工艺参数；其余3个因素：水添加量(x3)、发酵时间(x4)、发酵温度(x6)，对馒头感官评分影响不显著(P>0.05)。故选择红枣泥添加量(A)、沙棘汁添加量(A)、酵母添加量(C)3个显著性因素，进行三因素三水平BBD响应面实验。

2.3 BBD响应面实验

2.3.1 响应面实验结果

采用Design-Expert 11软件进行BBD响应面实验设计，实验设计见表6。

表6 响应面实验设计及结果

2.3.2 主成分分析

采用SPSS 26.0软件对表6中红枣沙棘馒头的各指标进行主成分分析。结果见表7、表8。

表7 各主成分的特征根、贡献率及累计方差贡献率

表8 成分载荷矩阵

由表7可知，主成分1、主成分2的累计贡献率达93.313%，符合主成分累计贡献率大于85%的原则，能够从中了解到原始数据的大部分信息。

由表8数据可知，硬度决定主成分1，比容决定主成分2。对综合评分进行处理，为了消除各变量之间的差异，减少变量的个数，进行降维，从而实现提升数据处理速度的目的，得到规范化综合评分并作为响应值进行BBD响应面试验实验设计，数据见表9。

表9 规范化综合评分

2.3.3 响应面实验结果分析

使用Design-Expert 11 软件对表6与表9中数据进行多元回归拟合，得到方程：规范化综合评分=0.95-0.194A-0.096B+0.062C+0.234AB+0.028AC-0.088BC-0.397A2-0.212B2-0.175C2

表10 回归模型方差分析

对模型进行显著性进行检验，由表10可知，响应面模型P<0.000 1拟合检验显著；失拟项P=0.320 3>0.05失拟检验不显著，因此可用该模型对实验进行模拟。

分析模型中各项系数，可知因素A、B表现为极显著(P<0.01)，因素C表现为显著(P<0.05)；交互项AB表现为极显著(P<0.01)，交互项BC表现为显著(P<0.05)；二次项A2、B2、C2表现为极显著(P<0.01)，在响应面预测实验中，因素A、B、C的F值分别为107.66、26.12、10.97，表明3因素对红枣沙棘馒头规范化综合评分的贡献率为A(红枣泥添加量)>B(沙棘汁添加量)>C(酵母添加量)。

2.4 验证实验

运用Design-Expert 11软件对回归方程进行计算，将红枣泥、沙棘汁、酵母添加量取值范围分别设定为9%～11%、3%～5%、1%～2%，并将目标值设定为最大值，获得的最优组合：红枣泥、沙棘汁、酵母添加量分别为10.11%、3.60%、1.63%，制得红枣沙棘馒头规范化综合评分为1.016分。

根据实际情况将最优组合进行修改：红枣泥、沙棘汁、酵母添加量设为10%、3.5%、1.5%，制得红枣沙棘馒头规范化综合评分为0.944分。由上分析可知回归模型准确，利用BBD响应面结合主成分分析法优化红枣沙棘馒头的配方和加工工艺的评价方法准确可行。

2.5 主要营养成分指标测定结果

对验证实验中的样品与对照样品进行营养成分指标测定，由表11可以看出，红枣沙棘馒头的蛋白质、脂肪、灰分、膳食纤维、碳水化合物、VC均高于中筋小麦粉馒头(P<0.05)。由此可知，红枣沙棘馒头与中筋小麦粉馒头相比具有丰富的营养成分。

表11 馒头主要营养成分指标测定结果

3 结论

本研究通过单因素实验确定各个因素的水平，并进行PB实验设计，筛选出3个对红枣沙棘馒头品质影响最大的关键因素：红枣泥添加量、沙棘汁添加量、酵母添加量。并在单因素实验和PB实验的基础上，对红枣沙棘馒头的各项指标进行主成分分析，得出规范化综合评分，作为响应值，用BBD设计实验方案，通过实验数据进行多元回归拟合得到方程：Y=0.95-0.194A-0.096B+0.062C+0.234AB+0.028AC-0.088BC-0.397A2-0.212B2-0.175C2。对结果进行分析知，各因素影响红枣沙棘馒头显著性的顺序：红枣泥>沙棘汁>酵母。

通过响应面分析，得到红枣沙棘馒头的最佳工艺配方为：中筋小麦粉质量100 g为基准，红枣泥10%、沙棘汁3.5%、酵母1.5%、水40%、发酵时间50 min、发酵温度38 ℃。采用此配方制作的红枣沙棘馒头柔软有弹性，表面光滑、色泽明亮，剖面气孔细小且分布均匀；食用不粘牙，甜味适中且赋有红枣和沙棘特有的香气，营养丰富。