響應面法優化復合膨化食品的配方研究

吳 鋒，楊雯雯，賈 娟

（1.漯河聯泰食品有限公司，河南 漯河 462600；2.漯河職業技術學院，河南 漯河 462002)

桑葉是一種藥食同源類原料，其蛋白質含量高，氨基酸種類齊全，比例均衡，富含維持正常免疫力、新陳代謝和機體骨骼生長的維生素、礦物質[1]。 桑葉中的生物活性物質，如多糖、黃酮、多酚類物質等，都具有很好的降血糖、降血壓、降血脂、抗氧化、抗癌等功效[2]。魔芋富含葡萄糖甘露聚糖[3]（簡稱葡甘聚糖），還含有蛋白質、淀粉、粗纖維、多種氨基酸等物質，是我國的傳統食品及醫藥資源，具有特殊的保健作用。魔芋精粉中的魔芋葡甘露聚糖（KGM）含量較高，高達92%以上，KGM 具有降血壓、降血糖、抗衰老、預防心血管疾病及調節胃腸道健康等生理功效。 燕麥纖維是從燕麥中提取的天然膳食纖維混合物， 具有燕麥特殊的天然風味，因能量低、甜味低、無異味被人們廣泛利用。大量研究證實，燕麥纖維具有調控血糖、降低血脂、潤腸通便、預防肥胖等作用[4-7]。 大豆膳食纖維來源于豆渣，屬于大豆加工副產品，具有預防肥胖、降低膽固醇，預防動脈硬化冠心病的作用，且大豆膳食纖維具有很高的持水性，因價格低廉、風味獨特、食用安全方便被廣泛利用[8-9]。

膨化食品是以谷薯豆為主要原材料， 經膨化技術膨化后得到的一類食品。隨著膨化技術日益發展，產品日益增多。作為一種新興食品，如何提高膨化食品的營養價值， 保持其安全穩定性是研究的熱門問題[10]。膨化食品是休閑食品的重要組成成分，其年銷售額高達幾十億元， 其中谷物膨化食品年產量可達20 萬t[11]。 高額的產量證明膨化食品的需求量較大，這與消費者的需求密不可分，從食品的發展來看，休閑食品已經從溫飽型向風味型健康型轉變， 風味獨特且營養健康膨化食品成為食品商家關注焦點[12]。復合膨化食品種類多，風味獨特，深受大眾喜愛，另外其營養價值高，具有獨特的保健功效。

本文以大米粉為主要原料，桑葉粉、魔芋精粉、燕麥纖維粉、大豆纖維粉為輔料，采用雙螺桿擠壓膨化技術， 通過單因素實驗與響應面實驗確定最優配方，旨在研究一種風味獨特，營養價值高，具備提高免疫力等功效的復合擠壓膨化食品， 為膨化食品提升營養、拓寬原料選擇范圍，開拓市場提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米粉，中糧面業有限公司；桑葉粉，福建省盛耳食品有限公司；魔芋精粉，武漢市強森魔芋食品有限公司； 燕麥纖維粉， 張家口宸堯燕麥食品有限公司；大豆纖維粉，上海昭明實業有限公司。

1.2 儀器與設備

70L 型雙螺桿擠壓膨化機， 濟南中膨機械有限公司；烘干機，汕頭市華興機械廠有限公司；八角拌料機， 諸城市晟興機械科技有限公司；FA2004 電子天平，上海上平儀器有限公司；電子數顯卡尺，錦豐五金工具公司；XMTD-204 數顯恒溫水浴鍋，上海盛磁儀器有限公司；XW-80A 漩渦混合器，上海醫科大學儀器；FA2004 電子天平，上海上平儀器有限公司；電子數顯卡尺，錦豐五金工具公司；KDM-A3000 數顯恒溫電熱套，常州邁科諾儀器有限公司。

1.3 生產工藝流程

選擇無發霉變質、 顏色均勻的桑葉粉， 魔芋精粉，燕麥纖維粉和大豆纖維粉，烘干至恒重，過80 目篩。按照不同的添加比例將原料混合攪拌均勻，調節水分含量為20%，使用雙螺桿擠壓機擠壓膨化并切割成型， 在烘干機中烘至水分含量在10%左右，加入調料，攪拌均勻后包裝得到成品。

1.4 單因素實驗

以大米粉為基礎，以不同比例的桑葉粉，魔芋精粉，燕麥纖維粉和大豆纖維粉為單因素進行實驗，桑葉粉添加量為2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%， 魔芋精粉添加量為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%， 燕麥纖維粉添加量為2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%；大豆纖維粉添加量為1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%。研究各個單因素對膨化產品感官得分的影響。 以感官評分為評價指標，確定各因素適宜的添加比例。

1.5 響應面優化實驗

在單因素實驗的基礎上， 從每個因素中選取3個評分較高的水平進行響應面實驗設計， 以感官評分作為指標，利用Design-Expert 軟件進行優化組合設計和數據處理， 并對實驗數據進行統計分析和繪圖處理。 實驗因素水平編碼見表1。

表1 四因素三水平表%

1.6 感官評定

挑選出15 名專業的食品評價人員對膨化產品的色澤、外形、口感、風味、質構五個方面進行感官評分（見表2），參照膨化食品評估標準，以確定此次實驗所用評分標準[13]。

表2 感官評價標準

1.7 理化指標測定

食品中水分的測定參照GB 5009.3-2016 《食品中水分的測定》； 酸價的測定： 參照GB 5009.229-2016 《食品中酸價的測定》中冷溶劑指示劑滴定法(第一法)； 過氧化值的測定參照GB 5009.229-2016《食品中過氧化值的測定》中滴定法(第一法)。

1.8 微生物指標測定

微生物指標中細菌總數、大腸菌群、致病菌的測定 按 照 GB 4789.2 -2022、GB 4789.3 -2016、GB 4789.4-2016 和GB 4789.10-2016 方法測定。

1.9 數據處理

采用Excel、Origin 2018 和Design Expert 10 對數據進行整理和分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 桑葉粉添加量對膨化產品品質的影響

由圖1 可知，隨著桑葉粉添加量的逐漸增多，感官得分呈現先增大、后減小的趨勢，在桑葉粉添加量為4.0%時，感官評分達到最大值為89.5。 桑葉粉添加量對產品的品質有重要影響，當添加量較低時，幾乎沒有桑葉風味； 當添加量較高時， 桑葉粉風味過重。因此，選取桑葉粉添加量為4.0%比較合適，此時產品口感好，桑葉風味適宜。

圖1 桑葉粉添加量對膨化產品品質的影響

2.1.2 魔芋精粉添加量對膨化產品品質的影響

由圖2 可知，隨著魔芋精粉添加量的逐漸增多，感官評分呈現先增大、后減小的趨勢，在魔芋精粉添加量為2.5%時，感官評分達到最大值為81.5，當添加量較高時，魔芋腥味明顯而掩蓋了桑葉風味，風味極其不協調。 因此，選取魔芋精粉添加量為2.5%比較合適。

圖2 魔芋精粉添加量對膨化產品品質的影響

2.1.3 燕麥纖維粉添加量對膨化產品品質的影響

由圖3 可知， 隨著燕麥纖維粉添加量的逐漸增多，感官評分呈現先增大、后減小的趨勢，在燕麥纖維粉添加量為4.0%時，感官評分達到最大值為81。出現這種現象的原因可能是膳食纖維有利于產品的膨化，但添加量較高，又會影響口感[14]。因此，綜合考慮選取燕麥纖維粉添加量為4.0%比較合適。

圖3 燕麥纖維粉添加量對膨化產品品質的影響

2.1.4 大豆纖維粉添加量對膨化產品品質的影響

由圖4 可知， 隨著大豆纖維粉添加量的逐漸增多，感官評分呈現先增大、后減小的趨勢，在大豆纖維粉添加量為2.5%時， 感官評分達到最大值為86.5。 出現這種現象的原因可能是大豆纖維粉中膳食纖維含量較高，有利于產品的膨化[14]。 因此，綜合考慮，選取大豆纖維粉添加量為2.5%比較合適。

圖4 大豆纖維粉添加量對產品品質的影響

2.2 響應面優化實驗

2.2.1 實驗設計及結果

依次選取A桑葉粉添加量（%）、B魔芋精粉添加量（%）、C燕麥纖維粉添加量（%）、D大豆纖維粉添加量（%）為4個因素進行試驗，以感官評分為響應值，利用Design-Expert10 軟件來設計并優化本次實驗。 實驗設計及結果如表3 所示。

表3 響應面實驗設計及結果

2.2.2 回歸模型的建立

通過對表3 中的數據進行擬合處理，得到Y（感官評分）與A桑葉粉添加量（%）、B魔芋精粉添加量（%）、C燕麥纖維粉添加量（%）、D大豆纖維粉添加量 （%） 的多元二次回歸方程：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 響應曲面顯著性和方差分析

膨化產品的方差分析和顯著性檢驗見表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，表明本實驗的回歸模型具有顯著性；其中的失擬項F值（1.31）0.05， 表明P值在0.05 水平下影響不顯著；模型的校正R2（0.9786）與期望R2（0.9532）的差值小于0.2，說明該模型的擬合程度較高，適用于此模塊分析。

表4 回歸模型系數的顯著性檢驗結果

從表4 中可得出各因素對響應值的影響： 在一次項中因素A、C、D對響應值存在極顯著作用；二次項中所有因素均對響應值有極顯著作用； 交互項中僅有BD、CD對響應值存在極顯著作用，AD對響應值存在顯著作用。

2.2.4 響應曲面圖結果分析

響應曲面圖可以直觀反映兩不同因素間的交互作用對響應值是否有顯著影響， 而等高線圖則反映兩因素間交互作用是否顯著。 即根據響應曲面圖的陡峭程度與等高線圖的形狀來分析各因素間的交互作用以及對膨化產品感官評分的影響程度。 各因素響應曲面以及等高線見圖5~圖10。

圖5 桑葉粉添加量與魔芋精粉添加量（AB）交互作用的響應曲面和等高線圖

圖6 桑葉粉添加量與燕麥纖維粉添加量（AC）交互作用的響應曲面和等高線圖

圖7 桑葉粉添加量與大豆纖維粉添加量（AD）交互作用的響應曲面和等高線圖

圖8 魔芋精粉添加量與燕麥纖維粉添加量（BC）交互作用的響應曲面和等高線圖

圖9 魔芋精粉添加量與大豆纖維粉添加量（BD）交互作用的響應曲面和等高線圖

圖10 燕麥纖維粉添加量與大豆纖維粉添加量（CD）交互作用的響應曲面和等高線圖

2.2.5 最佳配方驗證

通過響應曲面模型預測，得到最佳工藝參數為：桑葉粉添加量為4.15%、魔芋精粉添加量為2.48%、燕麥纖維粉添加量為3.95%、 大豆纖維粉添加量為2.54%， 此參數條件下膨化產品的感官評分值高達94.05 分。為了方便我們的操作，調整最佳配方，即桑葉粉添加量為4%、魔芋精粉添加量為2.5%、燕麥纖維粉添加量為4%、大豆纖維粉添加量為2.5%。其它因素不變，在此條件下對產品進行三次驗證性實驗，結果得到該膨化食品的綜合得分為94.05±0.05 分，進一步驗證了響應面優化得到的最佳配方和模型的可靠性，綜上可知，通過響應面實驗優化后的膨化產品配方是可行的。

2.3 感官評價

根據最佳工藝生產出的擠壓膨化產品， 顏色均勻，表面光滑，形狀規則、完整；孔狀結構均勻，有復合粉特有的香味。

2.4 理化指標及膨化特性

復合擠壓膨化產品理化指標及膨化特性測定結果見表5，可知復合擠壓膨化產品營養豐富，滿足現代人群的健康飲食的需求。

表5 產品的理化指標

2.5 微生物指標

復合粉擠壓膨化產品細菌總數≤200 CFU /g，大腸菌群≤10 CFU/g，致病菌未檢出。 該結果符合GB 17401-2014 膨化食品衛生標準。

3 結論

本文通過單因素實驗， 以膨化產品的感官評價結果為指標，探究桑葉粉、魔芋精粉、燕麥纖維粉、大豆纖維粉因素對膨化產品的影響， 采用Design Ex-pert 10 軟件進行Box-Behnken 設計實驗，得到模型顯示了復合粉擠壓膨化產品的最優配方， 以大米粉為基礎配方，桑葉粉添加量為4%、魔芋精粉添加量為2.5%、燕麥纖維粉添加量為4%、大豆纖維粉添加量為2.5%，此參數條件下膨化產品的感官評分值高達94.05 分， 此配方下生產出來的膨化食品不僅風味獨特，口感酥脆，而且具有保健的作用。

4 討論與展望

近幾年復合膨化食品配方研究涉及面廣， 孫航等[15]通過實驗確定了人參膳食纖維膨化食品的最優配方；趙九毅等[16]以膨化度、彈性、硬度、膠黏性和咀嚼度作為評價指標， 通過響應面確定了豆渣膨化食品的最優配方。黃靜[17]在基礎原料的基礎上，通過添加不同比例的大豆分離蛋白、 南美白對蝦肉及南美白對蝦粉確定了該款蝦條的最優配方和最佳工藝參數；孔祥輝等[18]探究元蘑添加量、水分含量、小米添加量、鮮味劑添加量對膨化食品的影響，并采用正交實驗優化配方，確定最優配方。以上研究結果表明復合膨化食品既迎合了大眾的需求， 同時適應了市場的環境，具有廣闊的市場前景。