響應面法優(yōu)化擠壓預處理麩皮面包工藝配方的研究

潘芹敏， 蒲慧婷， 蔡紅燕,2， 王 展,2， 沈汪洋,2，黃文晶,2， 紀執(zhí)立,2， 周 堅,2， 賈喜午,2

(武漢輕工大學食品科學與工程學院1，武漢 430048) (大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室2，武漢 430048)

小麥麩皮是小麥加工過程中的主要副產(chǎn)物，麩皮中除含有豐富的膳食纖維外還含有成人所需的8種必需氨基酸以及鉀、磷、鎂、鈣等礦物質(zhì)元素[1]，是一種極具營養(yǎng)價值的副產(chǎn)物。但是，麩皮的添加會對面包的品質(zhì)產(chǎn)生負面影響，添加的麩皮會形成物理阻礙并與面筋蛋白爭奪水分從而破壞面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，導致麩皮面包硬度偏大、質(zhì)地粗糙、口感不佳，嚴重限制其應用[2,3]。

研究者在優(yōu)化麩皮面包品質(zhì)方面做出了相當大的努力，寧芊等[4]、劉凱等[5]、馬福敏等[6]通過添加親水性膠體、酶、乳化劑等改良劑提高麩皮面包品質(zhì)，改良劑的添加可以增大面包的比容，延緩面包老化。鄒奇波等[7]、Tang等[8]、王小平等[9]等研究了乳酸菌、融合魏斯氏菌、生香酵母菌等混菌發(fā)酵對麩皮面包烘焙特性和風味的影響，表明混菌發(fā)酵可以降低面包硬度，增強面包的風味，但面包儲藏穩(wěn)定性較差。肖志剛等[10]、Gomez等[11]、Messia等[12]研究了麩皮的物理/化學改性對麩皮面包烘培特性的影響，發(fā)現(xiàn)將改性后的麩皮加入小麥粉中制作面包，可以提高麩皮面包的儲藏穩(wěn)定性，改善麩皮面包的口感，但麩皮面包營養(yǎng)損失嚴重，面包制作的工藝配方需要優(yōu)化。Majzoobi等[13]、吳樹鳳等[14]、柳思妍等[15]對麩皮面包的工藝配方進行了優(yōu)化，制備的成品感官評分有所提高，但面包儲藏穩(wěn)定性較差、易老化、氣味難聞。目前有關優(yōu)化擠壓預處理麩皮面包工藝配方方面的研究較少, 本研究將擠壓預處理的麩皮加入高筋粉中制作面包，并以麩皮粒度、添加比例和加水量為影響因素，以綜合評分為目標值對擠壓預處理麩皮面包工藝配方進行響應面優(yōu)化，以期在改善麩皮面包品質(zhì)的同時，為后期提高麩皮面包儲藏穩(wěn)定性的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小麥麩皮(淀粉21.27%、蛋白16.70%、水分11.88%、灰分5.53%、脂肪3.27%)、面包用高筋小麥粉(蛋白23%、脂肪3%、碳水化合物24%)、白砂糖、食鹽、高活性干酵母；植物黃油。

1.2 主要儀器與設備

FMHE36-24型雙螺桿擠壓機、DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱、800Y型高速多功能粉碎機、?200型實驗分級篩、SPI-11型和面機、CS-10型色差儀、TA-XT plus型物性測試儀、C-Cell型食品圖像分析儀。

1.3 方法

1.3.1 擠壓預處理小麥麩皮

使用雙螺桿擠壓膨化機，將小麥麩皮進行擠壓預處理。擠壓參數(shù)為：液體進料量19%、喂料速度12 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min、擠壓5個溫區(qū)溫度分別為60、90、110、60、50 ℃。將擠壓好的小麥麩皮置于鼓風干燥箱內(nèi)烘干，冷卻到室溫后粉碎并過60、80、100、120目篩網(wǎng)，分別得到粒度為>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm的麩皮備用。

1.3.2 麩皮面包配方

麩皮面包基礎配方：高筋小麥粉276 g，麩皮24 g，酵母4.5 g，白砂糖40 g，食鹽2 g，黃油24 g，水180 g。

1.3.3 麩皮面包制作操作要點

將麩皮、高筋粉、酵母、白砂糖、食鹽倒入攪拌缸中，低速攪拌并緩慢加水，攪拌4 min后高速攪拌，加入黃油，至攪拌缸內(nèi)壁和面團變得光滑，面團可被拉成均勻薄膜時停止攪打。將和好的面團取出，整形后置于醒發(fā)箱中醒發(fā)45 min，醒發(fā)箱的溫度和濕度分別為30 ℃和85%。醒發(fā)完成后，將面團分割成若干個100 g的小面團并對其進行排氣和整形，搓圓后二次醒發(fā)，醒發(fā)60 min后入爐焙烤?？鞠渖匣饻囟?85 ℃，下火溫度175 ℃，焙烤15 min。

1.3.4 單因素實驗設計

麩皮粒度對麩皮面包品質(zhì)的影響：固定麩皮添加比例為4%，加水量為180 mL，麩皮粒度選取>250、180～250、150～180、125～150、<125 μm，考察麩皮粒度對麩皮面包品質(zhì)的影響。

麩皮添加比例對麩皮面包品質(zhì)的影響：固定麩皮粒度為250 μm，加水量為180 mL，分別以添加比例為0%、4%、8%、12%、16%將麩皮添加到高筋粉中(保持麩皮和高筋粉總量為300 g)，考察麩皮添加比例對麩皮面包品質(zhì)的影響。

加水量對麩皮面包品質(zhì)的影響：固定麩皮添加比例4%、麩皮粒度250 μm、加水量選取160、170、180、190、200 mL，考察加水量對麩皮面包品質(zhì)的影響。

1.3.5 響應面實驗設計

在單因素實驗的基礎上，以麩皮粒度、麩皮添加比例、加水量為自變量，以麩皮面包的綜合評分作為評價指標，采用響應面實驗對麩皮面包的配方進行優(yōu)化。實驗設計因素水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素與水平

1.3.6 面包表皮色澤的測定

面包冷卻12 h后，采用SMY2000 色彩色差計測定面包表皮的L*、a*、b*、H值。其中L*值表示亮度，值越大，亮度越大；a*值表示紅綠值，值越大越發(fā)紅；b*值表示黃藍值，值越大越發(fā)黃；H值表示白度，由公式100-[(100-L)2+a2+b2]1/2換算所得。

1.3.7 面包質(zhì)構(gòu)的測定

采用周建軍[16]等的方法并做適當修改。面包冷卻1 h后，用專用面包刀將面包芯切成30 mm×30 mm×30 mm的面包芯塊進行測定。參數(shù)設定為：探頭型號：P/45 R；測前、中、后的速度分別為：5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s；起點感應力：5 g；壓縮率：50%；壓縮時間：30 s；應變量：50.00%；間隔時間：5.00 s；引發(fā)力：5.0 g。

1.3.8 面包組織結(jié)構(gòu)測定

參考周建軍[16]等方法并做適當修改。面包室溫冷卻12 h后，用專用面包刀從面包中心切取25 mm厚度的面包切片，將其置于圖像采集盒內(nèi)拍照并用圖像分析軟件進行切片組織結(jié)構(gòu)分析。

1.3.9 面包比容的測定

面包室溫冷卻1 h后稱其質(zhì)量，參照GB/T 20981—2007測定麩皮面包體積。計算公式為：

P=V/M

式中：P為面包的比容/mL/g；V為面包體積/mL；M為面包質(zhì)量/g。

1.3.10 面包感官評價

面包感官評分標準參考GB/T 14611—2008附錄A《面包烘焙品質(zhì)評分標準》并進行適當修改。

1.3.11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Microsoft Office Excel 2013 軟件計算實驗數(shù)據(jù)均值和標準偏差；采用SPSS 25.0軟件中的Duncan方差分析對數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析，95%置信度(P<0.05)；利用Design-Expert 8.0軟件進行響應面實驗方差分析并建立二次回歸模型；采用Origin 9.0軟件作圖。單因素實驗均重復3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果分析

2.1.1 各因素對麩皮面包表皮色澤的影響

由表2可知，隨著麩皮粒度的減小，b*呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢，其他值沒有一定的變化規(guī)律。Majzoobi等[13]研究發(fā)現(xiàn)，增加麩皮的粒度會導致面包表皮顏色加深。隨著麩皮添加比例的增加，麩皮面包表皮的a*值逐漸增大，而L*值、b*值、H值均有下降的趨勢，這說明面包的顏色越來越暗，這與Nahla Dhena的研究結(jié)果一致[17]。面團烘焙過程中會發(fā)生美拉德反應和焦糖化反應，這2種反應是形成褐色表皮的主要原因[18]。小麥麩皮中含有大量的氨基酸和還原糖，在面包烘焙過程中會增強美拉德反應和焦糖化反應，從而使麩皮面包表皮顏色加深[19]。此外小麥麩皮中含有豐富的色素和木質(zhì)素，麩皮本身顏色偏深，加入麩皮的含量越多，面包顏色就越暗[20]。隨著加水量的增加，麩皮面包表皮的L*值和H值先逐漸減小后逐漸增大，a*值和b*值則正好相反。加水量少的時候，面團還未充分發(fā)酵，烘焙后的面包表皮發(fā)白。當加水量為180 mL時，各個色值比較適中，此時烘焙出的面包表皮焦黃，具有誘人的色澤。

表2 各因素對麩皮面包表皮色澤的影響

表3 各因素對麩皮面包質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.1.2 各因素對麩皮面包質(zhì)構(gòu)特性的影響

由表3可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包硬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而彈性、回復性、內(nèi)聚性則呈先減小后增大的變化趨勢。隨著麩皮粒度的減小，麩皮更易填充在淀粉-蛋白基質(zhì)內(nèi)形成物理阻礙，使面筋網(wǎng)絡出現(xiàn)空洞，面包持氣性變差，彈性減小，硬度增大[21]，但粒徑較大的麩皮持水量高于小顆粒的麩皮，當麩皮粒度減小到一定程度以后(<125 μm)，部分原來與麩皮結(jié)合的水被釋放，蛋白淀粉有機會結(jié)合更多的水形成更完善的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，麩皮面包硬度開始減小，彈性增大。當麩皮粒度>250 μm時麩皮面包硬度最小、內(nèi)聚性最大，麩皮面包的品質(zhì)更好。與未添加麩皮的面包相比，添加了4%麩皮的面包硬度降低，回復性和耐咀性得到了改善。但隨著麩皮的繼續(xù)添加，麩皮面包的硬度和耐咀性逐漸增大，彈性、內(nèi)聚性和回復性逐漸降低，這與李真的研究結(jié)果一致[22]。麩皮添加比例較低時，混合粉中的膳食纖維含量較低，可以和面筋網(wǎng)絡形成氫鍵，使面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成更加充分，改善麩皮面包的質(zhì)構(gòu)特性[23]。麩皮添加比例較高時，麩皮中大量的膳食纖維會阻礙肽的水合和延伸，從而對面筋網(wǎng)絡造成破壞，使得麩皮面包質(zhì)量變差。與此同時，加入麩皮的高筋粉中的面筋含量相對降低，面團中形成的連續(xù)的三維面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)減少，面團醒發(fā)時不能較好的保持氣體而降低了面團黏彈性[24]。隨著加水量的增多，麩皮面包的硬度逐漸下降，內(nèi)聚性、回復性逐漸增大，當加水量為200 mL時，麩皮面包的硬度最小，彈性和回復性最佳，咀嚼入口時的舒適度也最好，理論上而言，此時的麩皮面包品質(zhì)應該最好，但是從實物的角度來看，面包已經(jīng)塌陷，外觀形狀差，這說明加水量過多時，面團過于柔軟，容易塌陷[25]，加水量過少則不利于面團面筋的形成，面包體積不足，硬度大[26]。

2.1.3 各因素對麩皮面包內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)的影響

由表4可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包氣孔面積、孔壁厚度逐漸增大。面團形成的過程中，大顆粒的麩皮尚未完全進入面筋網(wǎng)絡當中，對面包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還未造成較大影響，而當麩皮粒度減小到某一水平后，較細的顆粒更容易且更均勻地摻入面團的面筋基質(zhì)中，從而對麩皮面包內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)的影響更加突出[27]。隨著麩皮添加比例的增加，面包氣孔數(shù)量和氣孔密度逐漸降低，氣孔直徑和厚度逐漸增大。麩皮中大量的膳食纖維阻礙了面筋蛋白二硫鍵的形成，缺少能夠形成蓬松、多孔、細膩的面包結(jié)構(gòu)的面筋蛋白，導致面包蜂窩結(jié)構(gòu)不均勻，形成的氣孔數(shù)量少而孔隙率大[22]，麩皮添加量越大，面包的質(zhì)地越粗糙，食用口感越差。隨著加水量的增加，麩皮面包的氣孔直徑、氣孔面積、氣孔體積、孔壁厚度均先減后增。加水量為180 mL時，麩皮面包的氣孔直徑、氣孔面積和氣孔體積最小，此時麩皮面包的蜂窩結(jié)構(gòu)均勻，形成的氣孔數(shù)量少且孔隙率較小，面包質(zhì)地細膩，品質(zhì)好。加水量過少時，面團難以成型，面包內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)粗糙。加水量過多時，多余的水分使面團膜的強度變?nèi)?，面包?nèi)部組織容易形成了比較大的孔洞。

表4 各因素對麩皮面包內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)的影響

2.1.4 單因素對麩皮面包比容及綜合評分的影響

由圖1和圖2可知，隨著麩皮粒度的減小，麩皮面包的比容呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，麩皮粒度>250 μm或者<125 μm時，麩皮面包的比容差異并不大，而麩皮粒度>250 μm時，麩皮面包的顏色、質(zhì)構(gòu)特性、內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)更好、綜合評分最高，故綜合考慮，大顆粒麩皮可能更加適合制作面包。麩皮面包的比容和綜合評分均隨著麩皮添加比例的增加而減小。麩皮具有較強的吸水能力，在面包烘焙的過程中吸收過量的水分，降低淀粉的糊化溫度，最終使面包體積減小[20]。當麩皮添加比例在4%時，面包的比容、綜合評分雖然有所下降，但下降幅度不大。麩皮面包比容隨著加水量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，綜合評分沒有明顯的變化趨勢，面團面筋的形成是一個吸水溶脹的水化過程[28]，加水量較低時，酵母在缺水的環(huán)境下不能充分產(chǎn)氣，面包體積偏小，加水量過多時，多余的水分會使面團膜的強度變?nèi)?，面包比容減小，綜合品質(zhì)下降[25]。當加水量在180 mL左右時，比容和綜合品質(zhì)較好。

圖1 各因素對麩皮面包比容的影響

圖2 各因素對麩皮面包綜合評分的影響

2.2 響應面實驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以綜合評分為響應值，以麩皮粒度、麩皮添加比例、加水量為影響因素，設計三因素三水平響應面優(yōu)化實驗，其實驗設計和結(jié)果如表5所示。

表5 響應面實驗設計及數(shù)據(jù)

續(xù)表5

2.2.1 回歸模型的建立與顯著性分析

運用Design-Expert8.0分析，根據(jù)響應面實驗設計，得到麩皮面包綜合評分與各因素之間的二次多項式回歸模型。

Y=89.76-2.55A-1.58B-0.38C+1.54AC-1.15A2-1.41B2+0.72A2C+1.91AB2

式中：A、B、C、Y分別為麩皮粒度、添加比例、加水量、麩皮面包綜合評分預測值。對回歸模型式進行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果見表6。模型的P值=0.004 7<0.01，說明回歸方程模擬性顯著；失擬項的P值=0.984 2>0.05，說明該方程的失擬性顯著，兩者均滿足模型顯著的條件，故模擬可靠。R2=0.884 1，表明該模型能夠解釋88.41%的響應值的變化，實驗擬合程度良好，實驗誤差小，能充分反映各因素與響應值間的關系。一次項中，A和B在P<0.01水平上顯著，C不顯著，交互項中，AC在P<0.05水平上顯著，麩皮粒度和加水量之間交互作用顯著(P<0.05)；二次項里，B2對麩皮面包綜合評分的影響顯著(P<0.05)，A2對麩皮面包綜合評分的

表6 模型方差分析表

影響不顯著；AB2對麩皮面包綜合評分的影響顯著(P<0.05)，A2C對麩皮面包綜合評分的影響不顯著。通過F值的大小可知各因素對麩皮面包綜合評分的影響大小順序為A(麩皮粒度)>B(添加比例)>C(加水量)。

2.2.2 麩皮面包的最佳配方工藝與驗證

利用 Box-Behnken 設計響應面對實驗結(jié)果進行優(yōu)化，得出最佳工藝條件：麩皮粒度250 μm、添加比例3.89%、加水量175 mL，模型預測綜合評分為92.55。為驗證實驗可靠性，選取最優(yōu)工藝條件制作麩皮面包進行綜合評定，取3組平行，綜合評分平均值為93.72，接近理論預測值，一方面說明了此模型能應用于麩皮面包綜合評分的預測，另一方面說明通過響應面優(yōu)化的工藝具有可靠性。

3 結(jié)論

用高筋小麥粉和擠壓預處理的小麥麩皮為原料制作麩皮面包，通過單因素實驗和響應面優(yōu)化，得到在本實驗所用原料的基礎上，制作麩皮面包的最佳工藝配方為：麩皮粒度250 μm、麩皮添加比例3.89%、加水量175 mL，在此條件下，麩皮面包的綜合評分為93.72，與理論預測值92.55較為接近，表明響應面優(yōu)化的工藝配方具有可靠性，可應用生產(chǎn)營養(yǎng)豐富且口感良好的麩皮面包，后期可進一步研究麩皮面包儲藏穩(wěn)定性。