響應面法優(yōu)化糖尿病腎病患者專用山藥饅頭配方

關(guān)倩倩,李 華,張文龍,劉麗娜,徐同成,邱 斌,劉 瑋,賈 敏,宗愛珍,*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品研究所,山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室, 農(nóng)業(yè)部新食品加工重點實驗室,山東濟南 250100; 2.揚州大學旅游烹飪學院,江蘇揚州 225127)

據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)數(shù)據(jù)顯示,全球糖尿病患者人數(shù)已達3.82億,就目前增長率分析,到2035年糖尿病患者預計達到5.92億[1]。我國居民糖尿病的發(fā)病率在9%～12%,其中已確診的老年糖尿病患者達20.4%以上[2]。糖尿病腎病(DN)是糖尿病(DM)的主要并發(fā)癥和死亡原因,20%～40%會在5年內(nèi)出現(xiàn)糖尿病腎病,并在一些國家或地區(qū)成為中末期腎病的首位原因[3]。飲食治療是延緩糖尿病及糖尿病腎病發(fā)展的有效手段,控制進食后血糖指數(shù)的升高、嚴格限制主食中非優(yōu)質(zhì)蛋白的攝入量是飲食治療的關(guān)鍵所在[4]。

山藥是我國傳統(tǒng)藥食同源植物,現(xiàn)代研究表明山藥具有顯著的降糖功效。楊宏莉等人[5]研究發(fā)現(xiàn)山藥多糖對2型糖尿病的治療機制之一可能是山藥多糖提高了糖代謝關(guān)鍵的酶活性。張忠泉等人[6]研究發(fā)現(xiàn)山藥多糖能提高血液中的C肽,可改善受損的胰島細胞功能。山藥中抗性淀粉含量較高,賀永朝等人[7]研究發(fā)現(xiàn)山藥淀粉中慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的含量接近90%,抗性淀粉具有降低血糖、降血脂、降膽固醇、改善糖尿病癥狀等作用,符合糖尿病腎病患者所要求的“低升糖指數(shù)”的食用特點。

饅頭是中國傳統(tǒng)主食,深受消費者的喜愛。采用山藥全粉和小麥粉混合制作饅頭,不僅可以提高饅頭的營養(yǎng)價值,更是增加了糖尿病腎病患者主食多樣化。本文采用淀粉為主要原料,添加山藥粉研制糖尿病腎病專用山藥饅頭,并對配方進行優(yōu)化,使其兼顧口感和降糖功效,以滿足糖尿病腎病患者的營養(yǎng)需求。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山藥 鄒平長山細毛種植基地;特一粉 德州巨嘴鳥工貿(mào)有限公司;高活性干酵母、面包改良劑、無鋁害雙效泡打粉 安琪酵母股份有限公司;馬鈴薯淀粉 固原雪冠淀粉有限責任公司;馬鈴薯α-淀粉 盛世宏程生物科技有限公司;小麥淀粉 常熟市宏新淀粉有限公司;直鏈淀粉 國民淀粉公司;白面包、小麥饅頭 山東省濟南市歷城區(qū)大潤發(fā)超市;α-淀粉酶(80 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(50 U/mg) Sigma公司;胃蛋白酶(50 U/mg) Biosharp公司。

BLJ15多功能拌粉和面機 深圳市牧人電器五金制品有限公司;YMJ60A軋面機 山東銀鷹炊事機械有限公司;XF-10A醒發(fā)箱 廣州市白云區(qū)蘭天廚具電器廠;MZ-SYH28-2AB蒸鍋 廣東美的生活電器制造有限公司;TAXTplus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司;JMTY型面包體積測定儀 杭州大吉光電儀器有限公司;HZF-ASOO電子天平 福州華志科學儀器有限公司;SHA水浴恒溫振蕩器 上海上天精密儀器源頭廠家;DHG-92435烘箱 上海一恒科技有限公司;全自動定氮儀 上海洪紀儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 糖尿病腎病專用山藥饅頭制作 山藥粉制備:鮮山藥去皮、切片(3～4 mm)、烘箱烘干(40～60 ℃、12 h)、粉碎機粉碎、過篩(200目)即可。

山藥饅頭制作:稱取40 g的1∶1的山藥粉和小麥粉混合粉、37 g的馬鈴薯淀粉、10 g直鏈淀粉、5 g的馬鈴薯α-淀粉、5 g的小麥淀粉、1 g的干酵母、1.5 g泡打粉、0.5 g的面包改良劑,共計100 g。將干酵母加入盛有57 mL溫水的燒杯中,倒入混粉中,和面機攪拌5 min,手動揉面20次,成團,蓋上保鮮膜放入醒發(fā)箱,醒發(fā)溫度35 ℃,濕度85%,第一次醒發(fā)1 h。醒發(fā)后在軋面機上軋面10次,成半圓形,每個約為80 g左右,進行第二次醒發(fā),時間20 min,置于蒸鍋上蒸30 min可得成品饅頭。

1.2.2 饅頭感官評價 參考饅頭品嘗標準GB/T 17320-2013《小麥品種品質(zhì)分類》[8],略作改進制定了山藥饅頭的感官品質(zhì)評分標準,見表1。蒸制好的饅頭室溫下放置30 min后,由10名經(jīng)驗豐富的品評人員參與評分,結(jié)果取平均值。

表1 山藥饅頭感官評價標準Table 1 Standard of sensory evaluation of steamed bread

1.2.3 實驗設計

1.2.3.1 單因素實驗 固定主料比(山藥∶小麥)為20∶20 (g/g),酵母添加量1 g,加水量57 g,第二次發(fā)酵時間20 min,分別考察主料比(15∶25、17.5∶22.5、20∶20、22.5∶17.5、25∶15 g/g)、酵母添加量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%)、加水量(54%、56%、58%、60%、62%)第二次發(fā)酵時間(10、15、20、25、30 min)各單因素對饅頭感官品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)的影響[9-11]。

1.2.3.2 中心組合實驗 在單因素實驗基礎(chǔ)上,確定中心組合實驗因素與水平,以饅頭感官總分為響應值,通過響應面分析,對糖尿病腎病專用山藥饅頭生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化。實驗因素及水平編碼如表2所示。

表2 Box-Behnken中心組合實驗設計因素水平及編碼Table 2 Factor level and coding of Box-Behnken center combination test design

1.2.4 質(zhì)構(gòu)測定 饅頭的質(zhì)構(gòu)特性實驗通過物性測試儀進行,采用普遍使用的TPA測試[12]。取室溫下冷卻1 h的饅頭,縱切為25 mm的厚片,平放于柱形探頭正下方的測試臺上進行TPA測試,每組樣品重復三次,取其平均值。

參數(shù)設定:探頭:P/36R壓盤式探頭;操作類型:質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis,TPA)操作;操作模式:壓力測定;探頭高度:30 mm;測試壓縮比(壓縮程度):50%;測試前速率:2.0 mm/s;測試速率:1.0 mm/s;測試后速率:1.0 mm/s;感應力:Auto-5 g;兩次壓縮時間間隔:5 s。

測定指標:硬度(g):第一次壓縮時的最大峰值,即第一次壓縮循環(huán)過程中的最大力;咀嚼度:用于描述固態(tài)測試樣品,數(shù)值等于膠著度和彈性的乘積。

1.2.5 比容測定 將熟制好的饅頭冷卻1 h后,稱取整個饅頭的重量。用面包體積測量儀(油菜籽置換測量法)測量饅頭體積。按下列公式計算樣品的比容[13]。

λ=v/m

其中,λ:饅頭比容(mL/g);v:饅頭體積(mL);m:饅頭重量(g)。

1.2.6 蛋白質(zhì)含量的測定 參照GB/5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》,第一法:凱氏定氮法。

1.2.7 山藥饅頭體外升糖指數(shù)(GI)的測定 依據(jù)參考文獻[14-15],準確稱取粉碎均勻的山藥饅頭粉末100 mg于離心管中,加入20 mL磷酸鹽混合緩沖液(pH=7.5),1 mol/L HCl調(diào)pH至1.5,加入0.2 mL胃蛋白酶溶液(115 U/mL),37 ℃水浴30 min后冷卻至室溫,用1 mol/LNaOH調(diào)pH至6.9,加入1 mLα-淀粉酶溶液(110 U/mL),用PBS(pH=6.9)定容至50 mL。37 ℃恒溫水浴振蕩,0～3 h內(nèi)每隔30 min取樣品1 mL,于100 ℃水浴振蕩使酶失活,然后冷卻至室溫,加3 mL 0.4 mol/L醋酸鈉緩沖液(pH=4.75)及20 μL葡萄糖淀粉酶(110 U/mL),55 ℃恒溫水浴振蕩45 min。DNS法測定葡萄糖含量[16],計算樣品水解指數(shù),建立淀粉水解動力學模型,用體外碳水化合物水解指數(shù)(Hydrolysis Index,HI)估計食物可能產(chǎn)生的血糖生成指數(shù)(Estimated Glycaemic Index,EGI)進行預測。

EGI=39.71+0.549HI

其中,EGI:體外升糖指數(shù);HI:淀粉水解指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計軟件和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件,進行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與處理,包括設計實驗表,數(shù)據(jù)差異顯著性分析,回歸模型的擬合,圖形的繪制等。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 主料比對糖尿病腎病專用山藥饅頭品質(zhì)的影響 如表3所示,當主料比為15∶25時,饅頭的感官評分最高,質(zhì)構(gòu)中硬度和咀嚼度處于最低水平。隨著小麥粉的比例降低,饅頭的感官評價呈逐漸降低的趨勢,硬度和咀嚼度也逐漸升高,主要是由于饅頭的主要成分是馬鈴薯淀粉、直鏈淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯α淀粉,山藥粉中雖然含有一定蛋白質(zhì),但與小麥粉中的蛋白質(zhì)不一樣,不屬于面筋蛋白,不能形成面筋網(wǎng)絡使饅頭蓬松[17-19]。本實驗旨在最大程度的提高山藥粉的比例,當主料比為20∶20時,饅頭的感官及質(zhì)構(gòu)處于一個可接受的水平。故選擇17.5∶22.5、20∶20、22.5∶17.5三個水平進行優(yōu)化。

表3 主料比對山藥饅頭感官評分及質(zhì)構(gòu)的影響Table 3 Effect of the ingredient proportion on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.2 酵母添加量對糖尿病腎病專用山藥饅頭品質(zhì)的影響 由表4可知,當酵母添加量為0.8%時,感官評分最高,硬度、咀嚼度最低。當酵母添加量過低時,饅頭發(fā)酵不充分,比容小;當酵母添加量大于0.8%時,感官評分開始下降,硬度、咀嚼度開始上升,這是因為酵母添加量過大時,發(fā)酵力增強,超出面筋網(wǎng)絡可承受范圍,導致蒸制的饅頭挺立度不夠容易塌陷,內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙,感官評分和質(zhì)構(gòu)特性下降[20]。故選擇0.6%、0.8%、1.0%三個水平進行優(yōu)化。

表4 酵母添加量對山藥饅頭感官及質(zhì)構(gòu)的影響Table 4 Effect of the amount of yeast on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.3 加水量對糖尿病腎病專用山藥饅頭品質(zhì)的影響 由表5可知,當加水量小于60%時,隨著加水量的增加,饅頭的感官評分也隨之增加,硬度和咀嚼度隨之降低。當加水量過低時,面筋蛋白不能充分吸水而形成較差的面筋網(wǎng)絡,饅頭表皮干燥易裂開[21],因而感官得分偏低。當加水量大于60%時,感官得分開始下降,主要是由于加水量過高,使面團過軟、成品挺立度低,難以成型。故選擇58%、60%、62%三個水平進行優(yōu)化。

表5 加水量對山藥饅頭感官及質(zhì)構(gòu)的影響Table 5 Effect of water addition amount on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.4 第二次發(fā)酵時間對糖尿病腎病專用山藥饅頭品質(zhì)的影響 由表6可知,隨著發(fā)酵時間的延長,感官得分先升高再降低之后呈穩(wěn)定狀態(tài),而硬度和咀嚼度呈上升趨勢。當醒發(fā)時間為10 min時,饅頭醒發(fā)時間不夠,之后在蒸鍋里繼續(xù)醒發(fā),由于溫度較高,醒發(fā)過快,導致饅頭表皮過快膨脹,饅頭易裂開。當醒發(fā)時間大于15 min時,發(fā)酵時間過長,饅頭內(nèi)部孔洞過大,導致饅頭嚼勁差,同時易發(fā)酸。故選擇10、15、20 min三個水平進行優(yōu)化。

表6 發(fā)酵時間對山藥饅頭感官及質(zhì)構(gòu)的影響Table 6 Effect of fermentation time amount on texture and sensory properties of the yam bread

2.2 BBD實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)

2.2.1 實驗結(jié)果 響應面實驗設計和結(jié)果見表7。

表7 Box-Behnken實驗設計及結(jié)果分析Table 7 Test design and results analysis of Box-Behnken

2.2.2 方差分析 根據(jù)表7中的感官評分結(jié)果,通過Design-Expert 8.0.6軟件對感官評分的實驗結(jié)果對模型進行顯著性分析,結(jié)果見表8。

表8 感官評分的回歸模型方差分析Table 8 Regression model variance analysis of sensory assessment

以感官評分(Y)為目標值,評分與主料比(A)、發(fā)酵時間(B)、酵母量(C)、加水量(D)之間的回歸方程為Y=90.64-4.94A-0.89B+0.51C-3.37D+0.075AB-1.36AC-1.59AD-0.14BC-1.96BD+1.65CD-6.31A2-3.31B2-3.34C2-5.35D2

對各因素的影響程度進行分析,F值的大小可以反映出因素對實驗指標的重要性,F值越大,影響越大[22]。由表8可知,主料比是影響山藥饅頭感官評分和質(zhì)構(gòu)的最關(guān)鍵因素,各因素對山藥饅頭感官總分的影響順序為主料比>發(fā)酵時間>加水量>酵母量。由p值可知,模型中一次項因素A(主料比)、D(發(fā)酵時間)以及二次項因素A2、B2、C2、D2對響應值的影響顯著,也說明了各實驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

響應面分析各因素與感官評分之間的變化關(guān)系[15],繪制的三維響應面圖及如圖1所示。由圖1可知,在固定C=0、D=0條件下,A與B影響響應面如圖1(a)所示，圖1(a)顯示,A、B交互作用不顯著,感官得分主要受A影響。在固定B=0、D=0條件下,A與C影響響應面如圖1(b)所示，圖1(b)顯示,A、C交互作用不顯著,感官得分主要受A影響;在固定B=0、C=0條件下,A與D影響響應面如圖1(c)所示，圖1(c)顯示,A、D交互作用不顯著,感官得分主要受A影響;在固定A=0、D=0條件下,B與C影響響應面如圖1(d)所示，圖1(d)顯示,B、C交互作用不顯著,感官得分主要受B影響;在固定A=0、C=0條件下,B與D影響響應面如圖1(e)所示，圖1(e)顯示,B、D交互作用不顯著,感官得分主要受D影響;在固定A=0、B=0條件下,C與D影響響應面如圖1(f)所示。圖1(f)顯示,C、D交互作用不顯著,感官得分主要受D影響。

圖1 山藥饅頭三維響應面圖Fig.1 Three-dimensional response surface of yam steamed bread

2.2.3 驗證實驗 利用Design-Expert軟件對實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,通過響應面分析可求得最佳參數(shù)以及各參數(shù)之間的相互作用,通過軟件分析,得到糖尿病腎病專用山藥饅頭最佳配方:山藥粉小麥粉的比例為18.82∶21.18 (g/g),酵母添加量為0.76%,加水量60.05%,第二次發(fā)酵時間14.37 min，按此配方得到的感官評分為91.84分。為驗證響應面分析法的可靠性,進行3次平行驗證實驗,考慮到操作的方便性,將配方參數(shù)修正為:山藥粉小麥粉的比例為19∶21 (g/g),酵母添加量為0.8%,加水量60%,第二次發(fā)酵時間15 min,按此配方得到的感官評分為91.87分,與模型的預測值接近,硬度4216.67 g±26.64 g,咀嚼度3334.45 g±29.84 g,由此得出響應面對糖尿病腎病專用山藥饅頭配方優(yōu)化的可行性。

2.3 糖尿病腎病專用山藥饅頭的GI值測定

如圖2可知,作為參考的白面包反應達到平衡時(180 min)水解指數(shù)接近50%。在水解反應初始階段(0～30 min),普通小麥粉饅頭與糖尿病腎病專用山藥饅頭水解速率相差不大,水解速率較快。當水解反應時間超過30 min,糖尿病腎病專用山藥饅頭水解速率明顯降低,在60 min時接近水解反應平衡狀態(tài),而普通小麥粉饅頭在30～90 min水解速率較快,在90～180 min趨于穩(wěn)定。普通小麥粉饅頭與糖尿病腎病專用山藥饅頭最終水解率分別為40%與17.15%。

圖2 饅頭消化動力學模型Fig.2 Digestive model of steam bread

普通小麥饅頭與糖尿病腎病專用山藥饅頭的體外升糖指數(shù)分別為78.42、60.37,兩者之間具有顯著性差異(p<0.05),表明山藥饅頭與普通饅頭相比可以有效的降低血糖指數(shù)。依血糖指數(shù)可以劃分為高血糖指數(shù)食品(EGI≥70),中等血糖指數(shù)食品(56～69,包括兩端值),低血糖指數(shù)食品(≤55)[23]。由此可見,由此配方生產(chǎn)的饅頭屬于中等血糖指數(shù)食品。

2.4 糖尿病腎病專用山藥饅頭的蛋白含量測定

糖尿病腎病飲食的關(guān)鍵在于低蛋白、低升糖指數(shù),據(jù)糖尿病腎病飲食得出,身高170 cm,標準體重為65 kg,尿微量白蛋白80 mg/min屬于早期糖尿病腎病。因此每日膳食中總蛋白量[24-25]應為:65×0.6-65×0.8=39 52 g,優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)(動物蛋白)應占三分之一以上。所以應控制饅頭產(chǎn)品蛋白質(zhì)26～35 g。正常成人一般每日約需能量7535 kJ(1800 kcal),100 g饅頭大約可以提供1000 kJ能量。一天大約750 g饅頭可以滿足需求,滿足低蛋白飲食,饅頭中的蛋白含量要低于4.667%,長山細毛山藥的蛋白質(zhì)含量為11.90%,小麥粉的蛋白質(zhì)含量為11.3%[26],通過上述對糖尿病腎病病人每日所需蛋白質(zhì)數(shù)量的計算,可知當山藥粉添加量20%、小麥粉添加量20%時,饅頭中蛋白質(zhì)含量達到4.64%,滿足低蛋白主食所要求的蛋白質(zhì)含量。

3 結(jié)論

利用Design Expert 8.0.6軟件。采用Box-Behnken建立山藥饅頭配方的回歸模型,方程擬合良好。在山藥饅頭生產(chǎn)過程中,通過單因素實驗和響應面回歸分析,主料比是影響山藥饅頭感官評分和質(zhì)構(gòu)的最關(guān)鍵因素,各因素對山藥饅頭感官總分和質(zhì)構(gòu)的影響順序為主料比>發(fā)酵時間>酵母量>加水量。經(jīng)過響應面優(yōu)化之后的最佳配方是:山藥粉小麥粉的比例為19∶21 (g/g),酵母量為0.8%,水分添加量60%,第二次發(fā)酵時間15 min,按此配方得到的感官評分為91.87分,硬度為4216.67 g,咀嚼度為3334.45 g。經(jīng)測定,該山藥饅頭蛋白質(zhì)含量在4.64%,血糖生成指數(shù)為60.37,屬于低蛋白中血糖指數(shù)饅頭,適合糖尿病患者在日常飲食中食用。

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