基于響應面設計的黃精代餐餅干工藝配方優(yōu)化研究

柯俊濤，王孟嬌，郭可依，李曉紅,2,*

（1.安徽師范大學生命科學學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學重要生物資源保護與利用研究安徽省省級重點實驗室，安徽 蕪湖 241000）

黃精為百合科（Liliaceae）重要的藥食同源植物，主要包括多花黃精（Polygonatum cyrtonema Hua）、黃精（Polygonatum sibiricum Delar.ex Redoute）和滇黃精（Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl）等，因其地下根狀莖具有豐富的藥用價值而多被開采利用。黃精的應用由來已久，早在公元前一世紀左右，《神農(nóng)本草經(jīng)》記載中就將之列為上品。黃精不僅能補氣養(yǎng)陰、健脾、潤肺、益腎，還被廣泛用于治療脾胃氣虛、體倦乏力、胃陰不足、口干食少、肺虛燥咳、勞嗽咯血、精血不足、腰膝酸軟、須發(fā)早白、內(nèi)熱消渴等癥狀[1]。此外，黃精在調節(jié)免疫功能、調節(jié)血糖、抗菌消炎以及抗腫瘤方面的藥用價值也十分顯著[2]。近些年，一些研究學者開始關注黃精的活性成分與美容效果的關系，主要包括抗衰老、抗菌、美白、保濕等作用[3]。除了傳統(tǒng)上人們對黃精的認知，現(xiàn)代許多研究發(fā)現(xiàn)，黃精含有多種天然活性成分，比如多糖類、甾體皂苷類、三萜類、生物堿類、黃酮類、植物甾醇類化合物及揮發(fā)油等[4-7]，因此黃精沿用至今仍被認為具有良好的應用潛力和開發(fā)前景。此外，現(xiàn)代研究還表明，黃精提取物具有各項生理功能，如降血脂[8]、防治糖尿病[9]、抗氧化[10]、抗癌[11]等。目前，人們面臨超重與肥胖的風險，并且肥胖癥、糖尿病、高血糖和高血脂等疾病在年輕群體中也越來越常見，因此，控制食物的血糖反應，在控制能量的基礎上提高食物的飽腹感，受到大眾和研究人員的關注[12]，人們對具有相關功能食品的需求和期待日益增高。近年來，黃精產(chǎn)品的開發(fā)主要體現(xiàn)在黃精功能飲料[13]、黃精酒[14]、黃精酸奶[15]等多種形式上。

本研究擬選用九華山“九蒸九曬”中藥黃精作為主要材料，以傳統(tǒng)餅干的制作工藝為基礎，加入對人體有所裨益、能降低肥胖及高血糖風險且具有甜味的赤蘚糖醇以及給人體帶來飽腹感的粗糧和奇亞籽成分，不僅能夠賦予傳統(tǒng)中草藥新的生命力和活力，也能在一定程度上克服餅干自身存在的糖分和油脂含量高的局限，更能滿足消費人群對于健康的需求。同時，探究黃精、玉米油、赤蘚糖醇添加量對黃精代餐餅干感官品質的影響，最后通過響應面法優(yōu)化工藝配方，開發(fā)出一款新產(chǎn)品，以期為該類代餐食品在開發(fā)及應用方面提供參考價值，提升中草藥黃精的附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

市售低筋面粉，益海嘉里食品工業(yè)有限公司；綠豆粉、紅豆粉、黃豆粉、燕麥粉，均購于菏澤高新區(qū)家田粗糧鋪；脫脂奶粉，新西蘭恒天然合作社集團有限公司；精磨黃精粉，青陽縣禪悅食品工貿(mào)有限公司；奇亞籽，安徽省沂澤生物科技有限公司；玉米胚芽油，秦皇島金海食品工業(yè)有限公司；赤蘚糖醇，山東三元生物科技股份有限公司；甜菊糖苷，萬邦化工科技有限公司；以上材料均為食品級。

1.1.2 儀器與設備

YXDF60 電熱食品烤爐，上海一喜食品機械有限公司；NV622ZH 電子天平，上海衡平儀器儀表廠；C21-H1202 電磁爐，青島海爾成套家電服務有限公司；HM741 和面機，青島漢尚電器有限公司；JP08P破壁料理機，浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司；GZX-GF101-1-BS-Ⅱ電熱恒溫鼓風干燥箱，上海龍躍儀器設備有限公司；BCD-535WKZM(E)電冰箱，合肥美的電冰箱有限公司。

1.2 方法

1.2.1 黃精代餐餅干的基本配方

低筋面粉50.0 g，豆類（紅豆、綠豆、黃豆）粉末均為5.0 g，燕麥粉5.0 g，脫脂乳粉5.0 g，奇亞籽2.0 g，甜菊糖苷0.2 g，黃精粉、玉米胚芽油、赤蘚糖醇均為變量。

1.2.2 工藝流程

預處理→原料稱量→面團調制→和面→模具成型→烘焙→冷卻→包裝→成品

1.2.3 操作要點

1.2.3.1 預處理

將試驗用具（不銹鋼盆等）經(jīng)沸水消殺后置于鼓風干燥箱中50 ℃干燥0.5 h 后使用。

1.2.3.2 面團調制

按照上述配方稱取低筋面粉，并向其中加入玉米胚芽油與其他原料（紅豆粉、黃豆粉、綠豆粉、燕麥粉、脫脂奶粉、奇亞籽），甜菊糖苷及赤蘚糖醇使用5.0 mL水溶解后加入其中。

1.2.3.3 和面、成型

將混合粉末置于和面機中攪拌均勻，連續(xù)運轉10 min 左右，至面團基本成型且具有可塑性。將面團用保鮮膜覆蓋，放入冰箱內(nèi)醒發(fā)30 min 以便成型。

1.2.3.4 烘焙

面團使用模具塑型，使其厚薄基本均勻一致后，轉移至預熱20 min 的烘爐中，參數(shù)設置為：面火180 ℃，底火160 ℃，時間20 min。

1.2.3.5 冷卻與包裝

烘焙結束后冷卻，并及時進行包裝及密封處理。

1.2.4 黃精代餐餅干配方優(yōu)化

1.2.4.1 單因素試驗設計

根據(jù)預試驗結果，在色澤、滋味、形狀、口感、結構、甜度方面設置感官評分梯度表格，選取黃精粉添加量、玉米胚芽油添加量、赤蘚糖醇添加量作為單因素，固定黃精粉添加量3.0 g、玉米胚芽油添加量15.0 g 及赤蘚糖醇添加量8.0 g，分別研究黃精粉添加量（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 g）、玉米胚芽油添加量（5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 g）及赤蘚糖醇添加量（4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 g）對黃精代餐餅干感官品質的影響。

1.2.4.2 黃精代餐餅干配方響應面優(yōu)化試驗設計

以感官評分為指標，采用Box-Benhnken Design（BBD）在單因素試驗基礎上，優(yōu)化黃精代餐餅干配方。表1 為響應面試驗因素與水平。

表1 黃精代餐餅干配方BBD 響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of BBD response surface test for polygonatum meal replacement biscuit formula單位：g

1.2.5 感官評定

感官評價參與人員為固定的8 人，根據(jù)表2 中的感官評分細則對制得的黃精代餐餅干進行品嘗并評分，結果取平均值[16]。

表2 黃精代餐餅干感官評分細則Table 2 Sensory scoring criteria of polygonatum meal replacement biscuit

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 和Design-Expert 10.0.1 軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 黃精粉添加量的確定

由圖1 可知，當黃精粉添加量為4.0 g 時，黃精代餐餅干的感官評分最高，但伴隨著黃精添加量的繼續(xù)增加，感官評分呈下降趨勢，分析其原因為：黃精本身具有一定的苦澀口感，當其在餅干中添加量過大時，將會導致產(chǎn)品苦澀味明顯，口感下降；此外，謝晶等[17]研究發(fā)現(xiàn)，黃精粉的添加超過一定量時，會影響高筋面粉面筋的形成，使得餅干表面粗糙且不平整，口感韌度不夠。因此，選擇適宜的黃精添加量為4.0 g。

2.1.2 玉米胚芽油添加量的確定

如圖2 所示，玉米胚芽油的最適添加量應控制在15.0 g，該狀態(tài)下黃精代餐餅干表面有淡黃色光澤且不顯油膩，斷面結構疏松多孔，氣孔體積小并且分布均勻。當玉米胚芽油添加量在15.0 g 以下時，黃精代餐餅干的感官評分隨著植物油添加量的增加而升高，主要是因為油的適量添加使得面團黏度適中，易于塑形，持水力增強；但當玉米胚芽油添加量超過15.0 g時，餅干的感官評分開始呈現(xiàn)下降趨勢，主要原因是：油脂分布在淀粉微粒和面筋蛋白周圍，會形成一層薄的油膜，限制面團吸水，從而控制面筋的脹潤性，油膜的隔離使面筋微粒相互粘合形成面筋網(wǎng)絡，從而降低了餅干的抗裂能力，使面團黏性差，不容易成型[18]。

2.1.3 赤蘚糖醇添加量的確定

由圖3 可知，當赤蘚糖醇添加量達到10.0 g 時，感官評分達到最佳值，餅干甜度適中，甜味較為接近真實蔗糖的口感，但繼續(xù)加大添加量則會導致感官評分出現(xiàn)下降趨勢。分析其原因為：添加赤蘚糖醇會賦予餅干香甜的口感，且隨其添加量的增加（低于10.0 g），感官評定人員更容易接受；但當糖醇添加量過高，導致其本身帶有的苦澀口感放大，給餅干帶來較強烈的苦齁味。因此赤蘚糖醇添加量以10.0 g 為宜。

圖3 赤蘚糖醇添加量對黃精代餐餅干感官評分的影響Fig.3 Effects of meso-erythritol addition on sensory score of polygonatum meal replacement biscuit

2.2 響應面法優(yōu)化黃精代餐餅干配方結果

2.2.1 響應面試驗結果

根據(jù)單因素試驗結果，確定3 個試驗因素分別為黃精粉、玉米胚芽油以及赤蘚糖醇添加量。根據(jù)Box-Beheken 試驗設計方案，采用三因素三水平響應面分析，試驗設計及結果如表3 所示，方差分析見表4。

應用Design-Expert 10.0.1 軟件對表3 中的數(shù)據(jù)進行多項擬合，得到感官評分Y 與黃精粉添加量（A）、玉米胚芽油添加量（B）及赤蘚糖醇添加量（C）的二元多次回歸模型為：

表3 響應面優(yōu)化試驗設計與結果Table 3 Design and results of response surface optimization test

Y=85.20+5.29A+4.07B+9.39C-2.96AB+2.37AC-8.48BC-6.68A2-7.23B2-17.82C2

表4 方差分析結果表明：該模型P＜0.01，回歸模型極顯著，說明其與實際情況吻合，可反映綜合評分與各因素之間的關系；失擬項（P=0.436 1）不顯著，表明方程用于黃精代餐餅干配方優(yōu)化的效果理想；一次項A、B、C，交互項BC，以及二次項A2、B2、C2對黃精代餐餅干感官評分有極顯著影響（P＜0.01）。

表4 Box-Behnken 試驗結果方差分析Table 4 Analysis of variance of Box-Behnken test result

2.2.2 各因素交互作用分析

為驗證方差分析結果，對響應面圖和等高線圖進行分析，曲面的陡峭程度反映對感官評分的影響程度，曲面越陡，說明影響越大；而等高線反映了各因素交互作用的大小，橢圓表示作用顯著[19]。如圖4 所示。黃精粉和玉米胚芽油添加量交互作用的響應曲面坡度較陡峭，其等高線呈橢圓形，表明黃精粉和玉米胚芽油兩者交互作用較明顯；黃精粉與赤蘚糖醇添加量的響應曲面坡度明顯，其等高線呈橢圓形，表明赤蘚糖醇和黃精粉添加量的交互作用非常明顯；赤蘚糖醇與玉米油胚芽添加量的響應曲面坡度較明顯，其等高線呈扁平橢圓形，則表明赤蘚糖醇與玉米胚芽油兩者交互作用極顯著（P＜0.01）。

圖4 各因素之間的交互作用對黃精代餐餅干感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.4 Response surface and contour maps of effects of various factors interaction on sensory scores of polygonatum meal replacement biscuit

2.2.4 驗證試驗

采用Design-Expert 10.0.1 軟件對二次多項式回歸方程進行計算，最終確定黃精代餐餅干的最佳配方為：黃精粉添加量為4.50 g，玉米胚芽油添加量15.68 g，赤蘚糖醇添加量10.25 g。

根據(jù)實際應用條件，將參數(shù)進行調整后的最佳配方為：黃精粉添加量4.5 g，玉米胚芽油添加量16.0 g，赤蘚糖醇添加量10.0 g，并進行驗證試驗，3 組感官評定所得平均分為86.50 分，與預測值87.45 分誤差極小，說明該模型能很好地擬合黃精代餐餅干的配方。

3 結論

選取黃精粉、玉米胚芽油、赤蘚糖醇三者的添加量作為變量，經(jīng)單因素與響應面試驗，在原基本配方的基礎上，最終確定了黃精代餐餅干的最佳配方為：低筋面粉50.0 g，紅豆粉5.0 g，綠豆粉5.0 g，黃豆粉5.0 g，脫脂乳粉5.0 g，奇亞籽2.0 g，甜菊糖苷0.2 g，黃精粉4.5 g，玉米胚芽油16.0 g，赤蘚糖醇10.0 g。該配方制得的產(chǎn)品口感適宜，味道濃厚，營養(yǎng)豐富，食用后飽腹感較強。