王 琳,熊双丽,李安林

(西南科技大学生命科学与工程学院,四川绵阳 621010)

山药(Dioscoreaopposita),又称淮山药、怀山药、山薯、山药薯,属薯蓣科(Dioscoreaceae)山药属(Dioscorea),是我国传统的药食同源性植物,既是一种重要中药又是常见蔬菜[1-2]。山药大面积分布于山西、湖南、云南、广西、四川等地区,有产量大、质量优等优势。山药块茎中含有多种营养成分及活性物质,具有免疫调节、降血糖、抗氧化、延缓衰老、肠胃调节等保健功能[2-3]。Hou等[4]研究发现,山药含蛋白质(Dioscorin),抑制胰蛋白酶活性,可能有调节体内酸碱平衡功效,对呼吸系统有重要影响[5]。

随着生活质量的提高,人们的健康意识日益增强,对功能性食品的需求不断增加,对于天然产物和功能性食品的研究和开发利用也越来越多。山药开发利用市场潜力非常大,虽然我国已开展了山药功能性食品的相关研究,但产品单一,研究不够深入,且目前关于山药韧性饼干研究较少。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

本研究以山药粉为功能性原材料,以感官评价与质构作为评价指标,在单因素实验基础上,通过响应面-主成分分析法优化山药韧性饼干配方,以提升饼干品质、拓宽山药应用领域。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低筋小麦粉 肇庆市福加德面粉有限公司;山药生粉(以下称山药粉) 河南焦作温县;绵白糖 山东雅汇糖业有限公司;橄榄油 益海嘉里食品营销有限公司;大豆改性磷脂(以下称磷脂) 河南思维生物技术有限公司;食用盐 四川南充顺城盐化有限责任公司;碳酸氢铵 四川省高宇化工有限公司;小苏打 天津渤化永利化工股份有限公司;市售山药薄饼(干) 东高唐好佳佳食品有限公司。

TA XTplus物性测试仪 英国SMS公司;HH-S型数显恒温水浴 金坛市正基仪器有限公司;万分之一电子分析天平 上海赛多利斯仪器系统有限公司;VH-36型远红外线食品烤炉 成都瑞昌仪器制造有限公司;DMT-5型电动家用压面机 龙口市复兴机械有限公司;pH-030(A)型干燥/培养二用箱 上海齐欣科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 山药韧性饼干工艺流程 主要工艺过程如下:将过80目筛的山药粉和低筋面粉按一定比例预搅拌好,加入橄榄油混合均匀后,辅料按一定比例匀浆投入混合粉中,搅拌均匀,在38～40 ℃温度条件下调制5 min,然后置于室温下静置10～20 min,根据需要而定[6]。用压面机进行辊轧9～13次,面坯厚约2～3 mm[7-8],采用带有针柱的凹花印模压模成型[9]。将箱提前预热10 min左右,使烘烤温度均匀。上火温度170 ℃,下火温度150 ℃条件下,烘烤时间通过研究山药添加量对烘烤时间的影响确定。

1.2.2 山药粉添加量对烘烤时间影响 经前期预实验得到山药韧性饼干基础配方、烘烤温度、烘烤时间。采用预实验烘烤温度(上火温度:170 ℃,下火温度:150 ℃),探索山药添加量(0%、10%、20%、30%、40%、50%)对烘烤时间影响。烤箱预热10 min,放入整形好的饼干坯,烘烤至棕黄色,记录烘烤时间。

1.2.3 单因素实验设计 根据预实验结果,研究山药粉、水、绵白糖、磷脂、橄榄油添加量对饼干感官品质与质构特性的影响。以粉(低筋面粉+山药粉)100%计,通过预实验确定单因素实验基本条件:山药粉30%、橄榄油16%、绵白糖20%、水28%、磷脂1%、碳酸氢铵0.5%、小苏打1%、盐1%。各因素的水平分别为:山药添加量:0%、10%、20%、30%、40%、50%;水添加量:20%、24%、28%、32%、36%;橄榄油添加量:8%、12%、16%、20%、24%。糖添加量:12%、16%、20%、24%、28%;磷脂添加量:0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%。单因素实验中的固定量与基本条件中相同。

1.2.4 响应面试验设计 根据单因素实验结果,以山药添加量、水添加量、橄榄油添加量、磷脂添加量为考察指标,以饼干硬度、饼干柔韧性、感官评分为响应值,根据Box-Behnken设计原理设计响应面试验,如表1所示。

表1 试验因素与水平Table 1 Test factors and levels

1.2.5 饼干感官评价 邀请16名评价人员对饼干进行评分,试吃每一个系列的饼干前,要求漱口,减少实验误差。结合GB/T 20980-2007[10]制定饼干评分标准,如表2所示。

表2 山药韧性饼干感官评分标准与细则Table 2 Yam toughness biscuits sensory scoring standards and rules

1.2.6 饼干质构测定 采用质构仪,选择三点弯曲试验[11],测定饼干的硬度和柔韧性。使用HDP/3PB探头;测中速度:2.00 mm/s;位移:15.00 mm。每组样品测定6次,取平均值。

1.2.7 主成分提取与规范化处理 将饼干硬度、饼干柔韧性、感官评分的原始数据进行主成分分析,将得到综合评分(F)进行规范化处理,得到规范化综合得分(Z),以规范化综合评分(Z)为响应值,确定饼干最优配方[12]。

C1、C2:第1、2主成分贡献率,F1、F2:第1、2主成分得分,Fmin:综合评分最小值,Fmax:综合评分最大值。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel进行基本数据处理,origin 9.0制图,响应面设计以及结果分析使用Design-Expert 8.0.6进行处理,采用SPSS 13.0进行主成分分析并将数据标准化[13]。

2 结果与分析

2.1 山药粉添加量对烘烤时间影响

如图2,随山药添加量增加,烘烤时间下降。可能是因为山药中含有丰富的膳食纤维[14],山药量增加,面团膳食纤维增加,吸水率增加。在相同水添加量下,随山药量增加,面团含水量减小,烘烤时间降低,若不减少烘烤时间,饼干会出现焦糊现象。以此确定饼干烘烤时间。

图2 山药添加量对烘烤时间的影响Fig.2 Effect of yam addition on baking time

2.2 单因素实验

如表3,未添加山药粉时饼干硬度最大,可能是因为未添加山药粉,面团形成致密面筋网络结构,面团具有较强的凝聚力和弹性,使饼干硬度较强。山药添加量在0%～20%范围内,硬度下降;20%～30%硬度上升,30%后呈下降趋势。可能是山药粉的引入稀释面筋蛋白,阻碍面筋网络形成[15-16],降低面团弹性,使饼干结构变疏松。随山药粉添加比例增加,面团中膳食纤维含量增加,膳食纤维作用占主导地位,饼干硬度增加,但由于山药粉的添加使饼干结构疏松多孔,降低饼干的总体强度,饼干硬度又出现下降[17]。未添加山药粉时饼干柔韧性最大,后随山药粉添加量增加,先增加后减小,差异不显著(P>0.05)。在0%～20%范围,随山药粉增加,感官评分呈上升趋势,因为有山药风味,硬度适中;在20%～50%范围,感官评分逐渐下降,山药粉添加过多,粘牙感增强,因此山药粉最佳添加量为20%～30%。

表3 各因素对饼干品质影响Table 3 The influence of various factors on the quality of biscuits

饼干柔韧性越小,则饼干越脆。饼干的硬度及柔韧性随水添加量增加先下降后上升。硬度在20%～28%呈下降趋势,差异不显著(P>0.05),在28%～36%,饼干硬度显著增大(P<0.05)。可能是因为水分的增加使得淀粉糊化程度更高,烘烤过后饼干变得更硬[18]。水添加量增加,感官评分先增后减,28%时达极值,水为32%时,面团较为粘稠,不易成团,不适合制作饼干。因此水最佳添加量为26%～30%。

随橄榄油添加量增加,饼干硬度显著减小,柔韧性逐渐减小,可能是因为橄榄油较少时,面筋形成较多,使得饼干硬度较大;反之,当橄榄油添加量较多时,油起到反水化作用,阻碍面筋网络形成,使饼干口感疏松,硬度下降。感官评分先增大后减小,橄榄油过多时,饼干烘烤易出现较大凹底,组织状态较差,韧性较差,饼干不酥脆。若橄榄油添加量太多,面团出油较多,粘弹性变差,面团不易成团,饼干成型困难,口感较油腻[19-20]。因此油的最佳添加量为12%～16%。

随糖添加量增加,饼干硬度上升;饼干柔韧性变化趋势差异不显著(P>0.05)。可能是因为韧性饼干糖添加量较少,对面团的反水化作用不明显,主要是发生焦糖化反应,引起饼干色泽与滋味的改变[21]。评分随糖添加量增加,先增加后减小。糖量偏少时,饼干滋味寡淡,但糖量过多,焦糖化反应过度,可能会导致饼干烘烤后出现焦糊现象[22],且味道过甜。因此糖最佳添加量为20%。

饼干硬度随磷脂添加量增大而减小。磷脂添加到2.0%,饼干柔韧性一直减小,但添加到2.5%磷脂时,柔韧性增大,但不明显,可能是因为磷脂具有乳化作用,能够改善面团筋性,使饼干疏松[23]。感官评分先增加后减小。磷脂过多,面团易出油,饼干有苦涩味。因此磷脂最佳添加量为0.5%～1.5%。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 响应面设计方案及结果 选择山药粉添加量(X1)、水添加量(X2)、橄榄油添加量(X3)、磷脂添加量(X4)为因素,饼干硬度(Y1)、饼干柔韧性(Y2)、感官评分(Y3)为响应值,进行响应面方案设计。方案及结果如表4。

表4 响应面设计方案及结果Table 4 Response surface design scheme and results

续表

2.3.2 主成分分析 如表5,将累计贡献率超过85%主成分提取出来,本试验选取两个主成分,累积贡献率达87.192%,提取两个主成分可体现饼干品质。

表5 各变量特征值及相应的贡献率Table 5 Characteristic value of each variable and corresponding contribution rate

表6给出两个主成分的特征向量,可由此得出两个主成分表达式。

表6 两个主成分的特征向量Table 6 Eigenvectors of two principal components

两个主成分表达式用F1、F2表示,ZY1、ZY2、ZY3分别为饼干硬度、饼干柔韧性、感官评价的标准化结果。计算F:综合评分值,Z:规范化综合得分。

F1=0.782ZY1+0.835ZY2-0.863ZY3

F2=0.614ZY1-0.392ZY2+0.176ZY3

表7 主成分得分及规范化综合得分Table 7 Principal component score and standardized comprehensive score

续表7

2.3.3 响应面结果分析 以规范化综合得分为响应值,建立多元回归模型,回归方程:

表8 方差分析结果Table 8 Results of ANOVA

如图3所示,3D图像是向上凸曲面。固定山药量,规范化综合得分先随水添加量增加而增大,且越来趋于平缓,而后减小;固定水添加量,规范化综合得分先随山药添加量增加而增大,且增大趋势越来越不明显,而后减小,两者交互作用显著。

图3 山药添加量和水添加量响应曲面图Fig.3 Response surface graph of yam addition and water addition

如图4所示,3D图像是向上凸的曲面。固定山药量,规范化综合得分随油增加先增加后减小;固定油添加量,规范化综合得分随山药增加而增大后减小。从等高线图疏密度可知,山药添加量对规范化综合得分的影响大于油添加量对于规范化综合得分的影响。两者交互作用显著。

图4 山药添加量和油添加量响应曲面图Fig.4 Response surface graph of yam addition and oil addition

如图5所示,3D图像是向上凹凸结合的曲面,说明在该交互作用下规范化综合得分在实验所测范围没有极值。固定山药添加量,规范化综合得分随磷脂增加而减小,且减小趋势越来越明显;固定磷脂添加量,规范化综合得分随山药增加先减小后增加,增加趋势逐渐不明显。从等高线图疏密度可知,山药添加量对规范化综合得分的影响小于磷脂添加量对于规范化综合得分的影响,两者交互作用显著。

图5 山药添加量和磷脂添加量响应曲面图Fig.5 Response surface graph of yam addition and phospholipid addition

2.3.4 验证试验结果 以空白饼干(无山药粉)与市售饼干作参照便于分析本试验饼干质构,市售饼干硬度:(702.60±62.02) g,柔韧性:(0.631±0.062) mm,感官评分:76.00±2.92,空白饼干质构数据如表3。根据响应面结合主成分分析得山药韧性饼干最佳配方为:山药粉添加量28%,水添加量26.76%,橄榄油添加量13.30%,磷脂添加量0.76%,此条件下由响应面预测得到饼干规范化综合得分0.725,测得饼干硬度:(697.01±20.83) g,柔韧性:(0.292±0.018) mm,感官评分:81.80±3.63。此条件下,质构特性高于空白饼干,在硬度上与市售饼干相近,综合感官评分,山药的添加有利于改善饼干品质。

3 结论

以饼干色泽为判断指标研究山药添加量对烘烤时间的影响,将感官评价与饼干质构结合,在单因素实验基础上,通过主成分分析与响应面结合的试验方法优化山药韧性饼干最佳配方:以粉(低筋面粉+山药粉)100%计,山药粉添加量28%,水添加量26.76%,橄榄油添加量13.30%,磷脂添加量0.76%,糖添加量20%,食盐1%,小苏打1%,碳酸氢铵0.5%。烘烤温度:上火170 ℃,下火150 ℃,时间12 min。此条件下,饼干品质优良,口感松脆,具有独特的山药风味,山药含量高,并且山药中含多种功能性因子,山药饼干有很大的研究潜力。