響應面法優化小麥發面餅的制作工藝研究

吳慶峰,李華,薛晴晴,代婭,劉心如,陳珍珍,平亞莉

河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州 450001

0 引言

發面餅是我國北方的一種重要主食,主要以小麥粉和酵母為原料,通過和面、醒發、成型等工序熟制而成的一類發酵面食,種類繁多,形態豐富。在發酵過程中,酵母可將淀粉、纖維素、蛋白質水解成低分子糖、氨基酸等易被人體消化和吸收的物質[1-2],此外,發酵能夠改善發面餅的風味、口感和組織結構。按照熟制條件的不同,發面餅可分為蒸制發面餅、煎炸制發面餅和烤制發面餅[3],而不同熟制條件決定著發面餅最終的顏色、質地、比容等[4]。

現階段對發面餅的研究主要集中于單一或多谷物原料,以及不同食品添加劑對其風味和品質的影響。馮利萍等[5]研究發現,蕎麥粉添加量低于20%的混合粉,其流變學特性及發面餅的品質均較好。付玉虎等[6]研究發現,在馬鈴薯全粉添加量為20%、水添加量為68%、酵母粉添加量為0.8%、白砂糖添加量為6%的配方工藝條件下,所制作的馬鈴薯全粉烤餅具有較好的口感與品質。濱州中裕食品有限公司[7]采用普通面粉與高筋粉混合,添加鮮雞蛋、酥油、紅糖等原料,經二次發酵等工藝,所制作的發面餅保質期顯著延長。

目前國內發面餅生產缺乏行業和國家標準,且工業化水平較低,大多由小作坊生產,產品品質不穩定,安全隱患較多,且市售以小麥粉為主原料的烘烤發面餅制品已不能滿足快節奏的消費需求?；诖?本研究擬以烤制小麥發面餅為研究對象,分析餅胚加工與熟制條件對小麥發面餅品質的影響,采用單因素試驗和響應面試驗優化小麥發面餅的制作工藝,以期為提升小麥發面餅品質及推進其行業生產標準化與工業化進程提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料

特一粉(中筋小麥粉) ,河南金苑糧油有限公司;高活性干酵母,安琪酵母股份有限公司。

1.2 主要儀器與設備

JHMZ-200型和面機、JMTD 168/140型試驗輥壓面條機,北京東孚久恒儀器技術有限公司;AM-CG108型多功能攪拌機,北美電器珠海有限公司;BS210S型精密電子分析天平,北京賽多利斯天平有限公司;LHS-50CH型恒溫恒濕箱,上海一恒科學儀器有限公司;T3-L326D型電烤箱,廣東美的廚房電器制造有限公司;HAD-VX型食品體積測定儀,北京恒奧德儀器儀表公司;TA-XT2i型質構儀,英國Stable Micro Systems公司;WSC-C型色差儀,上海儀電物理光學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥發面餅制作稱取一定量高活性干酵母溶于25 ℃水中,用玻璃棒充分攪拌使其溶解、活化;將活化后的酵母水溶液與300 g中筋小麥粉倒入和面機中充分混合,先慢速攪拌3～5 min,再快速攪拌2～4 min,形成表面光滑、富有韌性的面團。將面團置于烤盤中,用4層濕紗布封住盤口后放入醒發箱;采用二次發酵技術,餅胚制作前進行第一次發酵,發酵溫度為35 ℃,濕度為80%,使面團充分發酵70 min;將發酵好的面團用試驗輥壓面條機反復壓延12次,使面團充分排氣且面片表面光滑;調節輥壓間距,使面片厚度保持10.0 mm,軋好的面片用磨具分割整形為3個直徑12.0 cm的餅胚;將餅胚進行第二次發酵并固定發酵條件,發酵時間為30 min,醒發溫度為35 ℃,濕度為80%;將醒發好的餅胚放入烤箱中熟制,面火和底火均設置為210 ℃,烤制13 min;將熟制后的小麥發面餅裝入食品塑封袋中,在室溫下冷卻0.5 h后,備用。

1.3.2 比容測定參照文獻[8],對冷卻后的小麥發面餅進行稱重,記錄其質量(m/g),再放入食品體積測定儀的測定區進行測定,記錄其體積(V/mL),最后按照下式計算其比容(P/(mL·g-1))。每個樣品均測定3次,結果取平均值。

1.3.3 質構特性測定參照彭曉茹[9]的方法,并稍作改動。切除冷卻定型的小麥發面餅上、下面的餅殼部分,將中心餅瓤部分切成50 mm×50 mm×10 mm的長方體。采用質構儀進行質構特性測定,選用TPA模式和P-36/R平底圓柱形探頭,觸發力為5 g,觸發模式為Auto,測前、測中和測后速率均為1.0 mm/s,壓縮率為50%,壓縮間隔為5 s。

1.3.4 色度測定打開色差儀并預熱30 min,對冷卻后小麥發面餅的上表面進行L*(明亮度)、a*(紅綠值)和b*(黃藍值)測定,每組樣品變換位置測定3次,結果取平均值。

1.3.5 感官評價參照文獻[10],結合比容、表面色度等,采用百分制計分,對小麥發面餅進行感官評價,具體評價標準見表1。遴選10名受過感官培訓的食品相關專業學生組成評價小組,感官評分結果取平均值。

表1 小麥發面餅的感官評價標準Table 1 Sensory evalution of wheat leavened pancake

1.3.6 單因素試驗設計以小麥發面餅的感官評分、比容、質構特性和色度為指標,在1.3.1小麥發面餅基本制作工藝條件的基礎上,采取控制變量法,固定中筋小麥粉300 g,分別研究水添加量(40%、45%、50%、55%和60%)、高活性干酵母添加量(0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%)、發酵時間(第一次發酵,50 min、60 min、70 min、80 min和90 min)、烤制溫度(190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃和230 ℃)、烤制時間(11 min、12 min、13 min、14 min和15 min)對小麥發面餅品質的影響。

1.3.7 響應面試驗設計根據單因素試驗結果,以小麥發面餅的感官評分(Y)為響應值,研究水添加量(A)、發酵時間(B)、烤制溫度(C)和烤制時間(D)對小麥發面餅感官評分的影響,以確定小麥發面餅的最佳制作工藝。Box-Behnken試驗設計因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 2 Box-Behnken test design factors and levels

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016、IBM SPSS Statistics 20軟件對數據進行處理分析,采用Origin 2021軟件繪圖,采用Design Expert 13軟件進行響應面試驗設計。

2 結果與討論

2.1 水添加量對小麥發面餅品質的影響

水添加量對小麥發面餅感官評分和比容的影響如圖1所示,其中不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。由圖1可知,隨著水添加量的增加,小麥發面餅的感官評分和比容均先增加后減小,感官評分在水添加量為50%時達到峰值。當水添加量低于50%時,面團中的面筋蛋白和其他親水基團不能充分吸水溶脹[11],酵母活性較低,發酵受到抑制,小麥發面餅體積偏小,熟制時表面容易干裂,咀嚼時口感干硬。當水添加量超過50%時,和面時面團的黏度較大,粘手不易操作,熟制后小麥發面餅口感粘牙、感官較差。此外,過多的水分使面團和面筋蛋白的強度和筋力變差,熟制時小麥發面餅表面易塌陷皺縮,體積減小[12-13]。適量增加水添加量可增強面筋蛋白網絡結構的穩定性,提高持氣性,對感官評分和比容的影響呈積極作用。

圖1 水添加量對小麥發面餅感官評分和比容的影響Fig.1 The effect of water addition on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

水添加量對小麥發面餅質構特性和色度的影響見表3。由表3可知,水添加量對小麥發面餅質構特性影響顯著。隨著水添加量的增加,小麥發面餅的硬度和咀嚼性下降,彈性、內聚性和回復性先增加后減小。此外,小麥發面餅表面的L*隨著水添加量增加而逐漸降低,這可能是因為含水量越多,小麥發面餅內部結構越蓬松,熟制時表面越容易塌陷皺縮,對光的反射越差[14]。綜合考慮,選擇水添加量45%、50%和55%為后續響應面試驗設計的3個水平。

表3 水添加量對小麥發面餅質構特性和色度的影響Table 3 The effect of water addition on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.2 高活性干酵母添加量對小麥發面餅品質的影響

高活性干酵母添加量對小麥發面餅感官評分、比容、質構特性和色度的影響見圖2和表4。由圖2和表4可知,隨著高活性干酵母添加量的增加,小麥發面餅的感官評分先增加后降低,比容呈上升趨勢。當高活性干酵母添加量為1.4%時,小麥發面餅的比容符合感官評價滿分標準且感官評分最高;當高活性干酵母添加量低于1.4%時,小麥發面餅的風味不足,內部氣孔較小,質地較硬,彈性較差,硬度和咀嚼性較大;當高活性干酵母添加量大于1.4%時,小麥發面餅感官評分下降,這可能是因為過量的高活性干酵母會在發酵過程中產生較多CO2氣體,改變面筋蛋白的持氣性,使面團體積過度膨脹,熟制后小麥發面餅表面失去光滑度,酸味加重[15]。綜合考慮,選擇高活性干酵母添加量1.4%為固定工藝條件。

圖2 高活性干酵母添加量對小麥發面餅感官評分和比容的影響Fig.2 The effect of highly active dry yeast addition on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

表4 高活性干酵母添加量對小麥發面餅質構特性和色度的影響Table 4 The effect of highly active dry yeast addition on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.3 發酵時間對小麥發面餅品質的影響

發酵時間對小麥發面餅感官評分和比容的影響如圖3所示。由圖3可知,發酵時間為80 min時,感官評分和比容均達到最大值。這可能是因為隨著發酵時間的延長,面筋蛋白中形成的二硫鍵增加,面筋蛋白網絡結構延展開來,面團持氣性增強。此時小麥發面餅外表光滑,內部氣孔大小均勻,松軟適中。當發酵時間超過80 min時,面團產氣持續增加,超過面筋蛋白網絡結構的延展限度,造成熟制時小麥發面餅表面塌陷、不光滑,比容減小[16]。

圖3 發酵時間對小麥發面餅感官評分和比容的影響Fig.3 The effect of fermentation time on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

發酵時間對小麥發面餅質構特性和色度的影響見表5。由表5可知,隨著發酵時間的延長,小麥發面餅的硬度、內聚性、咀嚼性均逐漸降低,而彈性、回復性均逐漸升高。這可能是因為發酵時間越長,面筋蛋白中氫鍵、二硫鍵的數量越多,面筋蛋白網絡結構越穩定,面團內部結合力越大[17]。當發酵時間超過80 min時,小麥發面餅的硬度降低速度趨緩,面筋蛋白網絡結構形成變慢。小麥發面餅上表面的L*隨著發酵時間的延長而降低,這可能與面團產氣增多易造成塌陷、面團表面不再均勻光滑及對光的反射變差有關,這與水添加量對色度影響的結果一致。綜合考慮,選擇發酵時間70 min、80 min和90 min為后續響應面試驗設計的3個水平。

表5 發酵時間對小麥發面餅質構特性和色度的影響Table 5 The effect of fermentation time on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.4 烤制溫度或烤制時間對小麥發面餅品質的影響

烤制溫度與烤制時間會影響小麥發面餅的整體品質,烤制時間過短,溫度太低,小麥發面餅的成熟度不夠,其色、香、味等感官品質均無法達到最佳狀態;烤制時間過長,溫度太高,會造成小麥發面餅成熟度過高,水分蒸發流失,出現干硬甚至焦糊等現象[18-19]?？局茰囟然蚩局茣r間對小麥發面餅感官評分和比容的影響如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知,隨著烤制溫度的升高或烤制時間的延長,小麥發面餅比容均呈上升趨勢,感官評分均先增加后降低,在烤制溫度為210 ℃或烤制時間為14 min時,感官評分均達到峰值,此時小麥發面餅的色澤金黃均勻,外殼酥脆,內部松軟,富有嚼勁且不粘牙。繼續升高烤制溫度或延長烤制時間,小麥發面餅的感官評分均顯著降低,且表面出現干裂和焦糊。

圖4 烤制溫度對小麥發面餅感官評分和比容的影響Fig.4 The effect of baking temperature on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

圖5 烤制時間對小麥發面餅感官評分和比容的影響Fig.5 The effect of baking time on sensory score and specific volume of wheat leavened pancake

烤制溫度或烤制時間對小麥發面餅質構特性和色度的影響見表6。由表6可知,在烤制溫度為190 ℃或烤制時間為11 min時,小麥發面餅的硬度和咀嚼性最低,成熟度不夠且黏度較大。在烤制溫度為210 ℃或烤制時間為14 min時,小麥發面餅的硬度、咀嚼性和內聚性均最佳,小麥發面餅的綜合品質最好。此外,隨著烤制溫度的升高或烤制時間的延長,小麥發面餅表面的a*逐漸增大,L*和b*均呈下降趨勢,顏色越來越暗,與N.Dhen等[20]的研究結果較一致。這可能是因為發酵面制品在烘焙過程中會發生美拉德反應和焦糖化反應,這兩種反應是產品表皮形成褐色的主要原因[21]。高溫烤制使得美拉德反應加劇,導致小麥發面餅表皮顏色呈暗黃且偏褐色。綜合考慮,分別選擇烤制溫度200 ℃、210 ℃和220 ℃,烤制時間13 min、14 min和15 min為后續響應面試驗設計的3個水平。

表6 烤制溫度和烤制時間對小麥發面餅質構特性和色度的影響Table 6 The effect of baking temperature and baking time on texture properties and chroma of wheat leavened pancake

2.5 響應面試驗結果分析

2.5.1 模型方程的建立與顯著性檢驗響應面試驗結果見表7,其中析因部分試驗24次,中心點重復試驗5次。采用Design Expert 13軟件對響應值與各因素進行多元回歸擬合分析,得到二階多項式方程:Y=90.26+3.36A+2.96B+0.28C+2.57D+0.2AB+1.30AC+2.37AD+1.38BC-0.55BD-1.20CD-6.31A2-3.28B2-6.48C2-8.11D2。

表7 響應面試驗結果Table 7 Results of response surface test

表8 回歸模型方差分析Table 8 Analysis of variance in regression model

基于回歸模型方差分析結果,為了更直觀地表現各因素之間的交互作用對響應值的影響,利用Design Expert 13軟件繪制的各因素交互作用對感官評分影響的響應面圖和等高線圖如圖6所示。等高線的形狀和疏密程度可反映各因素交互作用的強弱程度。若等高線分布分散且為圓形,表明各因素交互作用不顯著;若等高線分布密集且為橢圓形,表明各因素交互作用顯著,對響應值的影響較明顯[22]。由圖6可知,相較于其他圖,圖6c)和d)的等高線分布密集,對應的曲面最為陡峭,表明水添加量與烤制時間、發酵時間與烤制溫度之間的交互作用明顯,且對響應值的影響極顯著,與表8中的數據有較好的一致性。

圖6 各因素交互作用對感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour plots of the interaction effect of various factors on sensory score

2.5.2 驗證實驗分析經Design Expert 13軟件對試驗數據進行分析優化,得到小麥發面餅的最佳預測制作工藝條件為:水添加量51.58%、高活性干酵母添加量1.4%、發酵時間84.62 min、烤制溫度210.84 ℃和烤制時間14.18 min。在此工藝條件下,模型預測的小麥發面餅感官評分為91.72分。

為了檢驗該模型的可行性,并綜合考慮操作的方便性和可行性,將最佳預測制作工藝條件調整為:水添加量52%、高活性干酵母添加量1.4%、發酵時間85 min、烤制溫度210 ℃和烤制時間14 min。在此條件下進行3次驗證實驗,得到小麥發面餅的感官評分均值為91.50分,與模型預測值之間無顯著性差異,表明該模型用于小麥發面餅的最佳制作工藝預測是合理有效的。

2.5.3 品質分析最佳預測工藝條件下小麥發面餅的質構特性和色度見表9。由表9可知,與基本工藝相比,預測工藝條件下制作的小麥發面餅的硬度、咀嚼性和內聚性均下降,彈性和回復性均上升,表明小麥發面餅更松軟適口。L*和b*均減小,a*增大,這可能是因為預測工藝中延長了烤制時間,使小麥發面餅表面亮度降低,色澤更加金黃。預測工藝條件下制作的小麥發面餅的比容從1.87 mL/g增加至2.05 mL/g,表明發面餅具有更飽滿的體積和更蓬松的內部結構。與基本工藝相比,最佳預測工藝條件下制作的小麥發面餅品質有了明顯的改善,表面色澤金黃,內部結構蓬松,外觀對稱均勻,該工藝條件可應用于實際生產中。

表9 最佳預測工藝條件下小麥發面餅的質構特性和色度Table 9 The texture properties and chroma of wheat leavened pancake under optimal prediction process conditions

3 結論

本研究以感官評分、比容、質構特性和色度為指標,在單因素試驗基礎上,通過響應面試驗優化了小麥發面餅的制作工藝,得到如下結論:小麥發面餅的最佳制作工藝條件為水添加量52%、高活性干酵母添加量1.4%、發酵時間85 min、烤制溫度210 ℃和烤制時間14 min,在此工藝條件下,生產出的小麥發面餅表面金黃飽滿,內部氣孔細密均勻,熟制后香味濃郁,感官評分最高。該工藝在生產上易于調控,可為小麥發面餅的標準化與工業化生產提供理論支撐。