響應曲面設計結合熵權法優化石磨全麥掛面配方

蔡夢迪,李玉輝,沈春霞,熊雙麗,李鳳,張從容,熊得全,唐丹

1(西南科技大學 生命科學與工程學院,四川 綿陽,621010)2(四川旅游學院 食品學院,四川 成都,610100) 3(四川省馮老漢科技有限公司,四川 綿陽,621000)4(成都市武侯實驗中學,四川 成都,610043)

長期單一攝入精白谷物,引起的營養缺乏和營養失衡等健康問題日趨嚴重,全谷物食品開發關注度逐漸提高。與僅由胚乳制成的精制面粉相比,石磨全麥粉由整粒小麥經轉速低、升溫小的石磨逐次研磨、過篩制得,保留了麩皮和胚芽,富含膳食纖維、礦物質、維生素、阿魏?；途厶?、谷胱甘肽、二十八烷醇及植物甾醇等成分[1],具有緩解輕度便秘,改善結腸代謝,降低肥胖及代謝綜合征、某些類型的癌癥、二型糖尿病或心腦血管疾病風險的作用[2],已廣泛應用于掛面、面包、早餐粉等食品加工中。然而,目前大多數商業全麥粉由輥磨機生產,少數使用石磨。CAPPELLI等[3]發現因石磨與輥磨的制粉系統不同,石磨技術能夠減小面粉中玉米赤霉烯酮和嘔吐毒素含量,并保留更多的活性物質如總纖維、類胡蘿卜素和花青素。

全麥掛面因營養豐富、風味獨特及食用方便的特點受到消費者的關注。然而,麩皮會干擾面筋蛋白網絡的形成,造成面條易斷裂、質地硬、色澤差,口感粗糙、適口性差[4]。其次,全麥掛面的貯藏穩定性易受不飽和脂肪酸、脂肪酶、脂肪氧化酶及多酚氧化酶的影響,脂肪酸敗及酶促褐變嚴重影響其感官品質和功能特性[5]。為此優化全麥掛面工藝配方,提升其感官、加工和儲藏性能,成為了當前研究的方向和重點。本文探究了石磨全麥粉粒度、食鹽添加量、熟化時間和加水量對全麥掛面蒸煮、質構特性及感官品質的影響,在單因素試驗基礎上,通過響應面-熵權法優化全麥掛面配方,旨在提升全麥掛面加工、品質特性,為其產業化加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉、石磨全麥粉(小麥經清理除雜、洗麥、再篩選和潤麥后,采用石磨進行整粒磨碎,將磨碎后的全麥粉分別通過5種不同的篩網,篩上物重新磨碎,直至僅含少量種皮,收集篩下物備用),四川省馮老漢科技有限公司;食鹽,市購;其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

TA.XT plus物性測試儀,英國Stable Micro System公司;PH-030(A)干燥/培養二用箱,上海齊欣科學儀器有限公司;DMT-5電動面條機,龍口市復興機械有限公司;THZ-82A數顯氣浴恒溫振蕩器,常州普天儀器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 全麥掛面的制備

以120目石磨全麥粉200 g為基準,1.5%(質量分數)食鹽,35%(質量分數)水為基礎配方,充分攪拌,和面5 min。面團放入自封袋密封,25 ℃熟化30 min,面條機壓至光滑。切成厚度為1 mm,寬度為2 mm的面條。25 ℃懸掛干燥24 h,切成長度22 cm。

1.3.2 全麥掛面蒸煮特性測定

干物質吸水率、烹調損失率測定參照蔡夢迪等[6]方法。取10 g水分含量為W的掛面稱重m1,將不銹鋼鍋盛放的500 mL水加熱至沸騰,待掛面煮至烹調時間后撈出,平鋪于兩張濾紙上瀝水5 min后稱重m2,再將其放入135 ℃烘箱烘至恒重m3。計算如公式(1)、公式(2)所示:

(1)

(2)

1.3.3 全麥掛面質構特性測定

掛面煮至烹調時間,涼水冷卻15 s,濾水30 s。3根面條并排置于載物臺,取探頭P36 R,測前、測中、測后速度為0.2 mm/s,壓縮比40%,兩次壓縮間隔2 s。

1.3.4 全麥掛面感官評價

評分細則參照LS/T 3202—1993《面條用小麥粉》,由10名評定員分別品嘗煮至烹調時間的全麥掛面,根據表1進行評分。

表1 全麥掛面感官評分細則Table 1 Sensory scoring rules of whole wheat noodles

1.3.5 單因素試驗

固定工藝配方中其他條件,對全麥粉粒度(80、100、120、140、160目),食鹽添加量(0%,0.5%,1%,1.5%,2%,質量分數),熟化時間(0、15、30、45、60 min),加水量(33%、35%、37%、39%、41%,質量分數)進行單因素試驗,考察各因素對掛面蒸煮特性、質構特性及感官品質的影響。

1.3.6 響應面試驗

根據單因素試驗結果,以烹調損失率和感官評分為評價指標,根據Box-Behnken設計原理設計響應面試驗,如表2所示。

表2 Box-Behnken試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of the Box-Behnken test

1.3.7 熵權法綜合評分計算

參考文獻[7]分別按公式(3)和公式(4)計算正向指標(感官評分)和負向指標(烹調損失率)標準化后的數據Yij,Xi={X1,X2,…,Xn},i為各組的編號,j為各指標的編號。再根據卜智斌等[8]的方法計算信息熵Ej、權重Wj和綜合評分Zi,如公式(5)～公式(7)所示:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3.8 掛面理化指標測定

膳食纖維含量測定參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》;總淀粉含量測定參照AOAC 996.11;酸度測定參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準 食品酸度的測定》。

1.3.9 掛面血糖生成指數測定

參考張燦等[9]方法,并稍作修改。稱取0.5 g冷凍干燥后的熟掛面,加入10 mL乙酸鈉緩沖溶液,充分混合后加入10 mL α-淀粉酶(300 U/mL)和40 μL (100 000 U/mL)糖化酶。37 ℃恒溫搖床150 r/min振蕩,分別于0、20、30、60、90、120、150、180 min取2 mL消化液,沸水浴滅酶,4 000 r/min離心5 min。取上清液,采用3,5-二硝基水楊酸法測定葡萄糖含量[10]。淀粉水解率計算如公式(8)所示:

(8)

(9)

eGI(以白面包為參比)=0.862HI+8.198

(10)

1.4 數據統計與分析

利用Excel統計數據,Origin 9.0制圖,SPSS 26.0進行顯著性分析,Design-Expert 8.0.6設計響應面試驗方案。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 全麥粉粒度對全麥掛面品質的影響

由圖1可知,隨全麥粉粒度減小,掛面干物質吸水率不斷升高?？赡苁且驗槿湻哿６仍叫?損傷淀粉含量增加。同時石磨研磨強度越大,膳食纖維親水基團暴露使干物質吸水率上升[12]。全麥粉粒度在80～160目范圍內減小,掛面烹調損失率逐漸增加。160目全麥粉掛面烹調損失率顯著高于其他組(P<0.05),可能是因為粒度的減小使蛋白質網絡結構包裹的淀粉含量下降,溶解于面湯中的干物質含量增多[13]。

a-蒸煮特性;b-感官評分

120目全麥粉掛面光滑透亮且軟硬適中,感官評分最高,而粒度過大或過小掛面色澤變暗,同時影響掛面的軟硬度和黏性,感官評分降低。

由表3可知,隨全麥粉粒度減小,全麥掛面硬度、膠黏性及咀嚼性呈增大趨勢,這與全麥粉形成的面筋網絡結構有關,粒度減小使麩皮持水力下降,水分能夠更好地與淀粉、蛋白質結合,在很大程度上利于網狀面筋的形成,使熟制面條變得堅實[4]。此外,破損淀粉隨研磨強度的提高而增加,纖維、蛋白質、淀粉等結合作用增強,面筋結構更均勻,全麥面團穩定性更好,因此面條硬度增大[14]。

表3 全麥粉粒度對全麥掛面質構特性的影響Table 3 Effect of particle size of whole wheat flour on texture properties of whole wheat noodles

2.1.2 食鹽添加量對全麥掛面品質的影響

由圖2可知,未添加食鹽組全麥掛面干物質吸水率為136.95%,顯著高于添加食鹽組(P<0.05)。主要由于加入食鹽后麥谷蛋白和麥醇溶蛋白吸水膨脹受阻,吸水率降低。食鹽添加量為2%時全麥掛面干物質吸水率最低,僅為120.58%。這可能是因為NaCl是一種親水性中性鹽,過量的食鹽與面條中蛋白質競爭吸水,使蛋白質結合的水分子減少[15]。全麥掛面烹調損失率隨食鹽添加量的增加而呈現上升趨勢,這可能是因為食鹽的添加會影響淀粉與水的相互作用,淀粉凝膠網絡結構疏松使淀粉顆粒溶出[16]。隨食鹽添加量增大,面條表面細密、透亮程度不斷上升且越來越勁道。而2%食鹽添加量的掛面出現膨脹變形,硬度偏軟且咸味增加使評分顯著下降(P<0.05)。

a-蒸煮特性;b-感官評分

由表4可知,不同食鹽添加量全麥掛面的硬度、膠著性及咀嚼性差異顯著(P<0.05)。食鹽添加量為0時,全麥掛面硬度、彈性、內聚性、膠黏性、咀嚼性及回復性為最大值。這可能與全麥粉形成的面筋網絡結構有關,細小的麩皮填充在網狀面筋中,使熟制面條變得堅實[17]。隨食鹽添加量增加,全麥掛面硬度、膠黏性及咀嚼性逐漸降低,可能是由于食鹽在水中水解為Na+和Cl-,減少蛋白表面的電荷、降低靜電排斥,形成了較為完善的蛋白質網絡結構。當食鹽過量會爭奪部分水分,面筋水化不足使面條結構松散[18]。

表4 食鹽添加量對全麥掛面質構特性的影響Table 4 Effect of addition of salt on texture properties of whole wheat noodles

2.1.3 熟化時間對全麥掛面品質的影響

由圖3可知,未熟化組全麥掛面干物質吸水率最低,為112.49%。隨熟化時間在15～60 min范圍內增加,全麥掛面干物質吸水率降低、烹調損失率升高。未經熟化的面團在和面時加入的水分大部分仍停留在面團的表面,未充分地滲透到蛋白質分子中,因此不能形成良好的面筋結構,壓延得到的面帶較為干硬、不均勻且可塑性差[19]。增加熟化時間使掛面的蒸煮損失減小,可能是因為蛋白質分子中的巰基氧化形成二硫鍵,面筋網絡得以完善[20]。然而熟化時間過長,面筋結構軟化,蒸煮損失增大。熟化時間為30 min時,掛面的表面結構細密、光滑透亮且軟硬適中,富有韌勁。熟化時間繼續增加后面條表面出現膨脹,且口感軟綿。

a-蒸煮特性;b-感官評分

由表5可知,隨熟化時間增加,全麥掛面硬度、膠黏性、咀嚼性均呈逐漸減小的趨勢。熟化時間對全麥掛面硬度影響顯著(P<0.05),可能是因為未經熟化的面團面筋結構尚未完善,而麩皮中的不溶性膳食纖維對面條質地影響較大,使面條變得堅實[21];面團經熟化后,形成良好的三維網狀結構,但熟化時間過長使淀粉鏈斷裂,面團流散性增強,面筋品質下降,熟制全麥掛面內部應力降低,導致硬度和咀嚼性減小[22]。

表5 熟化時間對全麥掛面質構特性的影響Table 5 Effect of curing time on texture properties of whole wheat noodles

2.1.4 加水量對全麥掛面品質的影響

由圖4可知,全麥掛面干物質吸水率隨加水量增加而增加,烹調損失率則先減小再增大。在制作面團時,33%的加水量難以形成緊密的面筋網絡結構,持水性差,導致面條粗糙且干燥較脆,淀粉易溶于湯中。提高水的添加量,淀粉的溶脹度增加,面筋結構充分形成[23]。而過多加水量使面筋結構弱化,掛面煮后較軟且烹調損失變大。加水量不足時,面團偏干,掛面表面粗糙且色澤不均勻,爽滑性差。加水量充足,面條表面結構細密,口感光滑。加水量過多,面條色澤變暗且彈性降低。

a-蒸煮特性;b-感官評分

由表6可知,隨加水量增加,全麥掛面硬度、膠黏性和咀嚼性先增加后減小。加水量為37%時,面條硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性最大。分析原因主要是由于水添加量較低時面筋蛋白水化不足,面條內部結構松散,繼續提高水添加量使面筋網狀結構之間的連接增強[24]。加水量過多面筋水化作用增強,面團之間的結合力變弱,導致面條品質下降[25]。加水量對全麥掛面彈性、內聚性和回復性的影響不顯著(P>0.05)。

表6 加水量對全麥掛面質構特性的影響Table 6 Effect of addition of water on texture properties of whole wheat noodles

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 綜合評分計算

利用熵權法對2個評價指標賦權值,計算得到烹調損失率和感官評分的權重分別為0.533 6和0.466 4,計算出綜合評分(Z)見表7。

2.2.2 響應面設計方案及結果

研究全麥粉粒度(A)、食鹽添加量(B)、熟化時間(C)、加水量(D)對烹調損失率(Y1)、感官評分(Y2)和綜合評分(Z)的影響。根據Box-Benhnken原理設計4因素3水平試驗方案,優化石磨全麥掛面工藝配方。試驗方案與結果見表7。

表7 響應面試驗方案與結果Table 7 Scheme and results of response surface test

2.2.3 響應面試驗結果分析

以綜合評分為響應值,回歸方程為:綜合評分(Z)=-52.094 92+0.132 36A+1.177B+0.010 706C+2.412 75D+0.000 75AB-0.000 15AC-0.000 25AD+0.002 333BC-0.015BD+0.000 25CD-0.000 54A2-0.434 33B2-0.000 26C2-0.031 83D2。

表8 響應面試驗結果方差分析表Table 8 Analysis of variance of response surface test results

2.2.4 驗證試驗結果

由響應面試驗優化出石磨全麥掛面配方:全麥粉粒度111.71目,食鹽添加量0.85%,熟化時間15 min,加水量37.32%,該條件下掛面綜合評分可達到0.88。將參數修正后的最佳配方為石磨全麥粉粒度120目,食鹽添加量0.85%,熟化時間15 min,加水量37.32%。在該條件進行試驗,全麥掛面烹調損失率為 (6.31±0.11)%,感官評分為(92.33±2.52)分,與預測理論值接近,表明此模型準確度較高。

2.2.5 掛面理化指標及血糖生成指數

如表9所示,石磨全麥掛面總膳食纖維含量顯著高于小麥掛面(P<0.05)。小麥掛面淀粉含量、HI、eGI顯著高于石磨全麥掛面(P<0.05),主要是因為麩皮含有豐富的膳食纖維。全麥掛面中含量最高的多不飽和脂肪酸亞油酸氧化反應速率較快,易產生乙酸、己酸及壬酸等物質[26],因此酸度較高。小麥掛面eGI值79.23,為高GI食品,石磨全麥掛面eGI值69.37,屬于中GI食品,原因可能是,一方面全麥掛面含有的可溶性膳食纖維與淀粉交叉錯雜,在一定程度上阻礙糖化酶、α-淀粉酶與淀粉相互作用[27];另一方面全麥粉抗性淀粉含量較高,不易被酶解。此外,多酚不僅能與淀粉形成多酚-淀粉復合物,還能與消化酶結合,從而降低糖化酶、α-淀粉酶活性[28]。

表9 掛面理化指標及血糖生成指數Table 9 Physical and chemical indexes and glycemic index of dried noodles

3 結論

以石磨全麥掛面蒸煮特性、質構特性及感官評分為考察指標,在單因素試驗基礎上,由響應面結合熵權法優化出全麥掛面最佳配方:全麥粉粒度120目,食鹽添加量0.85%,熟化時間15 min,加水量37.32%。此條件下制備的全麥掛面烹調損失率為(6.31±0.11)%,感官評分為(92.33±2.52)分,麥香濃郁,軟硬適中,口感光滑,富有彈性。與小麥掛面相比,該石磨全麥掛面膳食纖維含量增加5.38%,血糖生成指數降低9.86。通過對全麥掛面加工影響因素的研究,可進一步改善其綜合品質,以期為患有肥胖、糖尿病和癌癥等慢性疾病人群提供飲食依據,為石磨全麥粉的加工與應用提供參考。