基于變異系數(shù)法的馬鈴薯莜面鍋巴研制

閆澤華，張樂道，周靜，李書華，孟慶，田輝

（1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院食品與化工學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

馬鈴薯，又稱土豆，是茄科茄屬一年生植物。馬鈴薯營養(yǎng)豐富，有“蔬菜之王”之稱，是目前公認(rèn)的全營養(yǎng)食品[1-3]，富含淀粉、蛋白質(zhì)、維生素、無機鹽、膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)。研究表明，可從馬鈴薯中提取到多酚、多胺等多種生理活性物質(zhì)[4]。新鮮馬鈴薯水分含量高，不易貯藏和運輸，將馬鈴薯加工成馬鈴薯雪花粉，是馬鈴薯增值的有效途徑[5]。馬鈴薯雪花粉幾乎保留了馬鈴薯全部的營養(yǎng)成分以及天然的馬鈴薯風(fēng)味[6]。促進馬鈴薯雪花粉在食品工業(yè)中的應(yīng)用是推進馬鈴薯主食化、提高全民飲食健康水平的重要舉措[7]。莜面由莜麥加工制成，莜麥?zhǔn)且环N古老的禾本科一年生植物，在中國種植歷史悠久。莜面含有膳食纖維、亞油酸等多種營養(yǎng)成分，有預(yù)防心血管疾病等作用[8]，是我國的傳統(tǒng)食品，主要被加工成饸饹、餛飩、窩窩等面食[9]。但是用馬鈴薯莜面做成的復(fù)合休閑食品在市面上還很少見[10]。目前市面上出現(xiàn)的休閑食品，大多數(shù)只是以其中的一種為原料[11]。隨著人們越來越關(guān)注健康問題，更多的人認(rèn)識到馬鈴薯和莜面自身的營養(yǎng)價值，以它們?yōu)橹饕现瞥傻男蓍e食品會受到人們的廣泛歡迎。

變異系數(shù)法是一種根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)信息進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而來計算權(quán)重的數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，較客觀公正，避免了人為賦值的主觀性。由于每個指標(biāo)的單位不同，變異系數(shù)法需要進行量綱的消除，得出各指標(biāo)在試驗中的相對重要程度[12-13]。變異系數(shù)法應(yīng)用廣泛，但在食品方面卻不多見，用變異系數(shù)法評定馬鈴薯莜面鍋巴的品質(zhì)具有一定的創(chuàng)新。

本試驗以馬鈴薯雪花粉和莜面作為主要試驗材料，研制一種新型的復(fù)合休閑產(chǎn)品。在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇雪花粉添加量、烤制時間和烤制溫度作為響應(yīng)面試驗因素，感官評分、質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、色差作為試驗指標(biāo)，采用變異系數(shù)法對多指標(biāo)進行綜合評分，以期得到添加馬鈴薯雪花粉和莜面的鍋巴最優(yōu)工藝參數(shù)，為鍋巴的生產(chǎn)和研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

莜面、馬鈴薯雪花粉、蛋黃粉、小蘇打、白砂糖、純凈水：市售。

電烤爐（SM-522）：江蘇無錫新麥機械有限公司；物性測試儀（TA.XT EXPRESS）：英國穩(wěn)定微系統(tǒng)有限公司；色差儀（X-rite Color I5）：美國 X-Rite公司；電子天平（DT802A）：常熟市佳衡天平儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

原料（馬鈴薯雪花粉、莜面）、蛋黃粉+小蘇打、白砂糖、純凈水→和面→靜置→搟成2 mm薄片→用模具壓制成型→在電烤爐中烤制14 min→成品

1.2.2 操作要點

稱量馬鈴薯雪花粉、莜面共40 g、蛋黃粉6 g，加入白砂糖6 g、小蘇打0.5 g、鹽適量，加入純凈水20 g攪拌，使其充分混合均勻，調(diào)制成面團，靜置30min～40min，將面團放在案板上搟成薄片，用模具壓制成型（鍋巴為長3.1 cm，鈍角120°，銳角為60°的菱形），使制作的鍋巴厚薄均勻一致、大小相同，最后將成型的鍋巴放在電烤爐中進行烤制[11]。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 馬鈴薯莜面鍋巴感官評定

取烤熟的鍋巴，待其自然冷卻至室溫（25℃）后，隨機挑選12位食品專業(yè)同學(xué)對產(chǎn)品的風(fēng)味、色澤、口感、形態(tài)進行感官評定。鍋巴感官評價標(biāo)準(zhǔn)見表1[14-15]。

表1 鍋巴評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of rice crust

1.3.2 馬鈴薯莜面鍋巴質(zhì)構(gòu)測定

使用穿刺型探頭測定馬鈴薯莜面鍋巴的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)[16]。參數(shù)條件：探頭類型為探頭P/2，測前速率1mm/s，測試速率2 mm/s，測后速率2 mm/s，壓縮程度70%，觸發(fā)力20 g。檢測指標(biāo)為酥性、平均硬度、脆性、表面硬度、黏聚性、最大硬度、咀嚼性等。

1.3.3 馬鈴薯莜面鍋巴色差測定

將樣品用保鮮膜包裹平整待用，采用色差儀對該成品進行色差測定[17]，以標(biāo)準(zhǔn)白板為參照，對每次試驗的鍋巴成品進行測定，每組成品選擇3個樣品進行測定或同一個樣品旋轉(zhuǎn)角度測量3次，求平均值，可得出色差參數(shù)L值、a值和b值。L表示明亮度，L=100表示白色，L=0表示黑色；a表示紅綠色；b表示黃藍色。

式中：ΔE 為總色差；ΔL、Δa、Δb分別為所測樣本與標(biāo)準(zhǔn)的L、a、b值之差。

1.3.4 綜合評分的計算

根據(jù)變異系數(shù)權(quán)重法確定質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、色差、感官評分的權(quán)重系數(shù)，首先將各個變量的實際值進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后再采用加權(quán)平均的方法確定烤制后鍋巴的綜合評分，各個指標(biāo)的變異系數(shù)的計算公式如下。

式中：Vi為第i項指標(biāo)的變異系數(shù)；σi為第i項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為第i項指標(biāo)的算術(shù)平均值。

各項指標(biāo)的權(quán)重的計算公式如下。

采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化法將各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算公式如下。

式中：Zij為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值；Xij為實際變量值；Xi為第i項指標(biāo)的算術(shù)平均值；σi為第i項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

平均硬度、表面硬度、最大硬度、色差值越小越好[18]，因此，標(biāo)準(zhǔn)化后需將數(shù)值前面加負(fù)號，將各個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別與權(quán)重相乘后，再計算總和，最后得到綜合評分[19]。

1.4 試驗方法

1.4.1 鍋巴單因素試驗

考察指標(biāo)為感官評分、色差、質(zhì)構(gòu)指標(biāo)。試驗因素為小蘇打添加量、馬鈴薯雪花粉添加量、烘烤時間、烘烤溫度。試驗中當(dāng)其中1個影響因素變化時，保持其它3個影響因素不變，測定每一水平下鍋巴的指標(biāo)，根據(jù)變異系數(shù)權(quán)重法，計算出各項綜合評分，確定每一試驗因素的最佳范圍。

小蘇打添加量選取0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%5個水平；馬鈴薯雪花粉添加量選取10%、20%、30%、40%、50%5 個水平；烤制時間選取 10、12、14、16、18 min 5個水平；烤制溫度選取 190、200、210、220、230℃5 個水平。

1.4.2 響應(yīng)面試驗

參考單因素試驗結(jié)果，運用中心組合設(shè)計響應(yīng)面方法，將響應(yīng)面試驗的因素確定為雪花粉添加量、烤制時間和烤制溫度，按照變異系數(shù)權(quán)重法算出所有指標(biāo)的綜合評分，將其作為響應(yīng)值，進行中心組合設(shè)計響應(yīng)面試驗[20]，設(shè)計因素以及水平見表2。

表2 中心組合試驗設(shè)計因素及水平Table 2 Factors and levels used in central composite design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 小蘇打添加量對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響小蘇打添加量對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響結(jié)果見表3。

表3 不同小蘇打添加量的鍋巴各項指標(biāo)綜合評分Table 3 The comprehensive scores of various indicators of rice crust with different addition of baking soda

由表3可知，鍋巴的黏聚性、表面硬度、酥性所占權(quán)重較大，分別為0.369、0.148、0.139，表明這 3個指標(biāo)對鍋巴品質(zhì)影響較大，并且當(dāng)小蘇打添加量不同時，也會對這3個指標(biāo)產(chǎn)生較大程度的影響[21-22]。隨著小蘇打添加量的增加，鍋巴黏聚性先升高后降低。小蘇打添加量為0.8%時，鍋巴黏聚性達到最大。這可能是因為較低的小蘇打添加量可以適當(dāng)?shù)靥岣弋a(chǎn)品的黏聚性，而隨著小蘇打添加量繼續(xù)增大，產(chǎn)品的酥性先升高再降低、黏聚性降低、表面硬度變大，這可能是因為小蘇打添加量越大，在受熱過程中產(chǎn)生CO2氣體越多，酥性越大，而小蘇打添加量越大，導(dǎo)致鍋巴堿度升高，可能是表面硬度變大的原因[23]。經(jīng)過綜合評分，當(dāng)小蘇打添加量為1.0%時，綜合評分值為0.322，此時評分最高，鍋巴品質(zhì)最佳。因此確定1.0%為小蘇打的最佳添加量。

2.1.2 雪花粉添加量對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響

馬鈴薯雪花粉添加量對馬鈴薯莜面鍋巴的影響結(jié)果見表4。

表4 不同雪花粉添加量的鍋巴各項指標(biāo)的綜合評分Table 4 The comprehensive scores of various indicators of rice crust with different addition of snowflake powder addition

由表4可知，鍋巴的黏聚性、表面硬度、酥性所占權(quán)重較大，分別為 0.481、0.135、0.116，表明這 3個指標(biāo)對鍋巴品質(zhì)影響較大，并且當(dāng)雪花粉添加量不同時，也會對這3個指標(biāo)產(chǎn)生較大程度的影響[21-22]。當(dāng)雪花粉添加量為50%時，鍋巴的黏聚性最大，這可能是因為馬鈴薯雪花粉的添加使混合粉的淀粉含量增加，造成鍋巴的黏度增加[24]；鍋巴的酥性隨著雪花粉添加量的增加先升高后降低，雪花粉添加量為30%時，酥性最大，說明適量的雪花粉可以增加鍋巴的酥性，添加量過多反而使酥性降低。雪花粉添加量為30%時，表面硬度明顯低于其它水平，這可能是馬鈴薯雪花粉糊化度較高，使鍋巴結(jié)構(gòu)疏松。隨著雪花粉添加量的繼續(xù)增加，膳食纖維和黏蛋白的進一步增加，導(dǎo)致表面硬度增加[25]，說明適量的雪花粉，可以降低鍋巴的表面硬度。經(jīng)過綜合評分，當(dāng)雪花粉添加量為30%時，綜合評分值較高，鍋巴品質(zhì)較好。選用雪花粉添加量20%～40%進行后續(xù)試驗。

2.1.3 烤制時間對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響

烤制時間對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響結(jié)果見表5。

由表5可知，鍋巴的黏聚性、表面硬度、脆性及平均硬度所占權(quán)重較大，分別為0.298、0.204、0.122、0.120，表明這4個指標(biāo)對鍋巴品質(zhì)影響較大，并且當(dāng)烤制時間不同時，也會對這4個指標(biāo)[21-22]產(chǎn)生較大程度的影響。烤制時間為12 min時，鍋巴的黏聚性最大。隨著烤制時間的延長，鍋巴黏聚性開始降低，因為烤制時間越長，鍋巴水分流失越多，黏聚性下降?？局茣r間為12 min時，其脆性最大，隨著烤制時間繼續(xù)延長，脆性降低。這可能是因為隨著烤制時間的延長鍋巴會變硬，脆性反而會降低[26]?？局茣r間為14 min時，鍋巴表面硬度最低。烤制時間16 min時，平均硬度最小，烤制時間18 min時，表面硬度和平均硬度均較大，說明隨著烤制時間延長，鍋巴發(fā)生焦化，使硬度增加[27]。經(jīng)過綜合評分，當(dāng)烤制時間為12 min～16 min時，綜合評分較高，鍋巴品質(zhì)較好。因此選用烤制時間12 min～16min進行后續(xù)試驗。

2.1.4 烤制溫度對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響

烤制溫度對馬鈴薯莜面鍋巴品質(zhì)的影響結(jié)果見表6。

由表6可知，鍋巴黏聚性占權(quán)重為0.317、表面硬度占權(quán)重為0.193、平均硬度占權(quán)重為0.124、脆性占權(quán)重為0.121，表明這4個指標(biāo)對鍋巴品質(zhì)影響較大，并且當(dāng)烤制溫度不同時，會對這4個指標(biāo)產(chǎn)生較大程度的影響[21-22]。當(dāng)烤制溫度為210℃時，鍋巴的黏聚性最高，隨著溫度繼續(xù)升高，黏聚性降低，這可能是因為在相同烤制時間下，烤制溫度越高，鍋巴的含水率越低，硬度增加，黏聚性降低[27]。平均硬度和表面硬度總體為烤制溫度越低，硬度越小，但烤制溫度低，脆性達不到效果。當(dāng)烤制溫度為190℃～210℃時，綜合評分較高，鍋巴品質(zhì)較好。因此選用烤制溫度190℃～210℃進行后續(xù)試驗。

表6 不同烤制溫度的鍋巴各項指標(biāo)的綜合評分Table 6 The comprehensive scores of various indicators of rice crust with different baking temperature

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

根據(jù)響應(yīng)面試驗方案進行試驗，按照變異系數(shù)權(quán)重法分別計算出馬鈴薯莜面鍋巴各項指標(biāo)的權(quán)重值，然后算出所有指標(biāo)的綜合評分，結(jié)果見表7。

表7 響應(yīng)面試驗方案和綜合評分Table 7 Experimental design of response surface method and the comprehensive scores

根據(jù)中心組合設(shè)計響應(yīng)面試驗，響應(yīng)值為綜合評分，采用Design-Expert 8.0對試驗結(jié)果進行回歸分析，建立模擬馬鈴薯莜面鍋巴綜合評分的回歸模型，得到的回歸方程為Y=0.35+0.095A+0.102B+0.14C+0.095AB+0.049AC-0.031BC+0.05A2-0.031B2-0.079C2。根據(jù)一次項系數(shù)的絕對值，該響應(yīng)面模型C＞B＞A，即烤制溫度＞烤制時間＞雪花粉添加量，說明烤制溫度對鍋巴產(chǎn)生的影響最大，烤制時間影響其次，影響最小的是雪花粉添加量。對這個模型進行方差及顯著性分析[28-29]，各項回歸系數(shù)及其顯著性檢驗結(jié)果見表8。

表8 回歸模型方差分析Table 8 Analyses of variance of regression equation

由表8可知，回歸模型P＜0.05，說明該模型為顯著。失擬項P=0.219 7＞0.05，失擬不顯著，說明該模型試驗誤差小，較準(zhǔn)確。一次項B、一次項C的P＜0.05，表明烤制時間和烤制溫度對綜合評分的影響顯著，二次項 B2的 P＜0.05、二次項 C2的 P＜0.01，表明 B2對綜合評分影響顯著，C2對綜合評分的影響極顯著，其余各項對綜合評分影響不顯著，綜合優(yōu)化方程后，得到的綜合評分標(biāo)準(zhǔn)回歸方程為Y=0.35+0.102B+0.14C-0.031B2-0.079C2，該方程可用于后期的預(yù)測和分析。

為探究雪花粉添加量、烤制溫度和烤制時間參數(shù)使馬鈴薯莜面鍋巴綜合評分最高，利用回歸方程進行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過分析優(yōu)化，制作鍋巴最佳參數(shù)為雪花粉添加量30%、烤制時間14min、烤制溫度200℃，符合試驗規(guī)律。固定其中1個因素在最佳水平，得到剩余2個因素的交互效應(yīng)圖[30]，各因素的交互作用見圖 1～圖 3。

圖1 雪花粉添加量與烤制時間交互作用的響應(yīng)面和等高線Fig.1 Responsive surface maps and contour maps for interactions between between snow pollen addition and baking time

圖2 雪花粉添加量與烤制溫度交互作用的響應(yīng)面和等高線Fig.2 Responsive surface maps and contour maps for interactions between between snow pollen addition and baking tempereture

圖3 烤制時間與烤制溫度交互作用的響應(yīng)面和等高線Fig.3 Responsive surface maps and contour maps for interactions between baking time and baking tempereture

對綜合評分影響顯著、交互作用強的因素，表現(xiàn)為曲線較陡，對綜合評分交互作用不太強的因素，等高線趨于圓形，響應(yīng)曲面較為平滑。由圖1～圖3可知，響應(yīng)值變化最大的是圖3，等高線呈扁橢圓，響應(yīng)面非常陡峭，說明烤制時間和烤制溫度的交互作用對馬鈴薯莜面鍋巴各指標(biāo)綜合評分的影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本試驗以馬鈴薯雪花粉和莜面作為主要試驗材料，研制馬鈴薯莜面鍋巴。采用感官評分、色差值、質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)多個指標(biāo)衡量鍋巴品質(zhì)，采用變異系數(shù)權(quán)重法得到各個指標(biāo)的綜合評分。通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗，建立了各項指標(biāo)與試驗因素的二次多項式模型。經(jīng)驗證，模型回歸顯著，可以較好地描述馬鈴薯莜面鍋巴的制作工藝。通過比較不同條件的P值可知，試驗因素對鍋巴品質(zhì)影響的大小為烤制溫度＞烤制時間＞雪花粉添加量。經(jīng)過分析優(yōu)化得出馬鈴薯代餐棒的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為小蘇打添加量1.0%、雪花粉添加量30%、烤制時間14 min、烤制溫度200℃，此時烤制的鍋巴的綜合評分最高，色澤均勻、口感酥脆。本研究能夠為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，推動馬鈴薯深加工，提高莜面利用率，同時豐富休閑食品市場。