响应面法优化小麦新品种百农4199的馒头加工工艺

王斌，赵吉顺，姜小苓，张自阳，王科，刘明久，*

（1.河南科技学院河南省现代生物育种协同创新中心，河南新乡453003；2.济源市财源种业有限公司，河南济源459000）

馒头是我国的传统主食，主要有北方馒头、南方馒头和广式馒头3种类型，其质地、配方和加工方法均不相同[1-2]。其中，北方馒头在我国膳食结构中占有重要的主导地位，约为北方人民膳食组成的2/3[3-4]。它主要以小麦粉、酵母和水为原料，经发酵和蒸制而成[5-7]。随着社会发展及生活水平的提高，人们对馒头的需求量及品质要求越来越高[8]。优质馒头要求柔软且有筋力，弹性好且不发黏，内部结构均匀，咀嚼爽口不粘牙，有麦清香味[9-10]。小麦籽粒性状、蛋白质含量、淀粉含量及其组成、面团品质以及加工工艺等均影响馒头的最终品质[11-14]。多数研究认为，蛋白质含量和面筋强度中等的面粉制作的馒头品质最好[12，15]。张剑等[4]也曾分析研究了主食馒头专用小麦粉的最佳品质指标范围，认为蛋白质含量13.2%～15.8%、面筋指数51.1%～81.5%、稳定时间4.5min～7.1min的小麦粉适合制作优质馒头。

百农4199系河南科技学院小麦中心培育的小麦新品种，于2017年通过河南省审定（豫审麦2017003），具有高产、优质、抗病等优点。百农4199属于中筋小麦（粗蛋白13.5%、湿面筋含量31.0%、面筋指数76.4%、面团稳定时间6.9 min左右），适合制作优质馒头。检测发现，该品种制作的馒头麦香味浓，富含35种香气物质。因此，为了进一步开发利用该小麦新品种，加快其推广应用，本研究以百农4199小麦粉为材料，利用响应面法对其馒头加工工艺进行优化，以期为百农4199及同类小麦品种的生产应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

百农4199面粉：济源市雪苗面粉有限公司；安琪高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

BS223S电子分析天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；JHMZ-200和面机：北京东孚久恒仪器技术有限公司；FX-15S高级面包发酵箱：广州市鑫南方电热设备有限公司；TMS-PRO质构仪：美国FTC公司。

1.2 试验方法

1.2.1 馒头制作方法

称取面粉100 g，加一定量的酵母和38℃温水，随后置于和面机中搅拌和面3 min，在一定的温度和相对湿度条件下醒发，取出平均分割成两个馒头坯，手工揉制成型，室温（25℃左右）放置15 min，大火气蒸20 min（冒气起计时）。

1.2.2 馒头感官评价方法

蒸好的馒头冷却40 min～60 min后，用天平称重（g），用游标卡尺测量高度（mm），并用菜籽容积置换法测量体积（mL），馒头比容为体积与质量之比，记录各组数据，由4～5名有经验的人员组成品尝小组，根据GB/T 35991-2018《粮油检验小麦粉馒头加工品质评价》中馒头鉴评项目和评分标准逐项品尝进行打分。

1.2.3 制作馒头的单因素试验

1.2.3.1 酵母添加量的确定

称取面粉100 g，按质量分数分别加0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%的酵母，加38℃温水48%，和面3 min，在发酵温度38℃和相对湿度70%的条件下醒发60 min，取出平均分割成两个馒头坯，揉制成型，室温（25℃）放置 15 min，大火气蒸 20 min（冒气起计时）。以感官评分为评价指标，每个水平重复3次。

1.2.3.2 加水量的确定

称取面粉100 g，加质量分数0.75%的酵母，分别按体积分数添加38℃温水40%、44%、48%、52%、56%，其它步骤同1.2.3.1。以感官评分为评价指标，每个水平重复3次。

1.2.3.3 发酵温度的确定

称取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃温水48%，和面 3 min，分别在 30、34、38、42、46 ℃条件下醒发，其它步骤同1.2.3.1。以感官评分为评价指标，每个水平重复3次。

1.2.3.4 发酵时间的确定

称取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃温水48%，和面3 min，随后在发酵温度38℃、相对湿度为70%条件下分别醒发 40、50、60、70、80 min，其它步骤同1.2.3.1。以感官评分为评价指标，每个水平重复3次。

1.2.3.5 相对湿度的确定

称取面粉100g，加0.75%的酵母、38℃温水48%，和面3 min，发酵温度38℃，在相对湿度分别为60%、65%、70%、75%和80%条件下醒发60 min，其它步骤同1.2.3.1。以感官评分为评价指标，每个水平重复3次。

1.2.4 馒头生产工艺响应面法优化设计

综合单因素试验结果，选取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、发酵温度（X3）、发酵时间（X4）和相对湿度（X5）5个对馒头品质影响较大的因素作为响应因素，以感官评分（Y）作为响应值，根据Design-Expert 7.0软件中的Central Composite Design-响应面优化分析原理，采用五因素三水平的响应面分析方法进行试验设计，确定百农4199小麦粉馒头加工的最佳工艺。试验因素和水平设计见表1。

表1 响应面分析因素与水平表Table 1 Factors and levels of the response surface design

1.2.5 馒头质构特性测定

利用TMS-PRO质构仪测定馒头样品的质构参数，方法参照姜小苓等[16]。具体操作方法为：将馒头纵向切成厚度25 mm的薄片，用75 mm圆盘挤压探头进行TPA压缩模式测试，参数分别设定为：测前速度50 mm/s、测试速度 30 mm/s、测后速度 50 mm/s、起始力0.8 N和形变量30%。

1.3 数据处理

采用Excel 2007处理数据，结果取3次重复的平均值；采用Design-Expert7.0软件中的CentralComposite Design（CCD）中心组合试验对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 馒头加工单因素试验结果

2.1.1 酵母添加量对馒头感官评分的影响

酵母添加量对馒头感官评分的影响如图1所示。

图1 酵母添加量对馒头感官评分的影响Fig.1 Effect of yeast concentration on sensory score of steamed bread

从图1可看出馒头感官评分随酵母添加量的增加而逐渐升高，添加量为0.75%时达到最高，随后急剧下降。原因可能是酵母添加量较少，酵母产气量少，面团发酵不充分、较硬，馒头比容较小，口感不好；添加量过多，馒头色泽变差，表面不光滑，挺立度差易塌陷，纵剖面气孔较大，气味和口感变差。因此，酵母添加量为0.75%时，馒头评分最高。

2.1.2 加水量对馒头感官评分的影响

不同加水量对馒头感官评分的影响如图2所示。

图2 加水量对馒头感官评分的影响Fig.2 Effect of water volume on sensory score of steamed bread

由图2可知，馒头感官评分随加水量的增加呈先升高后降低的趋势，当加水量48%时，感官评分达最高。原因可能是加水量较少，面团较硬，不宜成型，馒头体积较小，口感不好；加水过多，面团胶粘，馒头高度偏低、挺立度差、内部结构粗糙不均匀。因此，加水量为48%时感官评分最高。

2.1.3 发酵温度对馒头感官评分的影响

发酵温度对馒头感官评分的影响见图3。

图3 发酵温度对感官评分的影响Fig.3 Effect of fermentation temperature on sensory score of steamed bread

由图3可知，馒头感官评分随发酵温度的升高呈先升高后降低的趋势，当发酵温度为38℃时感官评分达最高。发酵温度较低时，酵母的活动受到限制，面团发酵不充分，馒头体积较小；发酵温度过高时，酵母活性受到抑制，馒头的气味和口感变差，导致馒头感官品质下降。38℃可能是酵母的最适反应温度，该温度下发酵的馒头比容、气味及口感较好，评分较高。

2.1.4 发酵时间对馒头感官评分的影响

发酵时间对感官评分的影响如图4所示。

图4 发酵时间对感官评分的影响Fig.4 Effect of fermentation time on sensory score of steamed bread

随发酵时间延长，馒头感官评分呈现先升高后降低的趋势，当发酵时间为60 min时，感官评分达最高；随后评分呈下降趋势。发酵时间太短，面团发酵不充分，馒头高度、比容较小；发酵时间太长，面团产气增多，超过了面筋网络结构的延伸限度，造成馒头塌陷、馒头纵剖面气孔不均匀，嚼劲差，气味和口感不好[17]。醒发60 min，馒头饱满挺立，评分最高。

2.1.5 相对湿度对馒头感官评分的影响

相对湿度对馒头感官评分的影响见图5。

图5 相对湿度对感官评分的影响Fig.5 Effect of relative humidity on sensory score of steamed bread

由图5可知，馒头感官评分随相对湿度的增大呈现先升高后降低的趋势，当相对湿度为70%左右时，感官评分达最高，随后逐渐下降。相对湿度较小，馒头表皮较厚、有裂纹；湿度较大，馒头易起泡、变形，高度偏小。相对湿度为70%时感官评分最高。

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 数学模型的建立与显著性检验

本试验利用Design-Expert 7.0软件中的Central Composite Design（CCD），选取酵母添加量（X1）、加水量（X2）、发酵温度（X3）、发酵时间（X4）和相对湿度（X5）为响应因素，感官评分（Y）为响应值，按照生产馒头的响应面试验因素与水平表进行试验。设计共46个试验点，其中40个为析因子，6个为零点。零点试验进行6次，以估计误差。响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Scheme and experimental results for response surface analysis

利用Design-Expert 7.0软件对表2结果进行统计分析，将试验数据进行多元回归拟合，建立以感官评分Y为目标函数的二次回归方程：

对百农4199小麦粉馒头加工工艺数学模型进行方差分析，结果见表3。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of the regression equation for extraction efficiency of trypsin inhibitor

二次多项模型具有较高的F值（12.88）和较低的P值（P＜0.000 1），表明该模型极显著，失拟项的F值和P值分别为2.86和0.124，在α=0.05水平上不显著，说明残差主要由随机误差引起。经方差分析，预测拟合度（0.764 4）与校正拟合度（0.890 8）相差不大，R2为0.911 5，说明该模型能解释91.15%响应值的变化，仅有总变异的8.85%不能用此模型来解释。

同时，变异系数（CV=2.12）和信噪比（Adeq Precision=14.94，大于4）也说明该试验方法可靠。因此，利用该模型对百农4199小麦粉馒头加工工艺进行优化可行。

对上述方程回归系数进行显著性检验表明，从F值可看出影响因素的主次顺序为：X3＞X1＞X4＞X2＞X5。另外，交互项 X1X3、X2X4、X3X4均表现出高度显著水平，说明酵母添加量和发酵温度、加水量和发酵时间、发酵温度和发酵时间的交互作用对馒头的感官品质具有显著影响。

2.2.2 响应面分析

在其他因素固定不变的情况下，考察交互项对馒头感官评分的影响，对模型进行降维分析。经Design-Expert 7.0分析所得的响应曲面及等高线图见图6a～j，响应曲面图及等高线图可以分析并评价任何两个因素的交互作用对感官评分的影响程度，确定最佳因素水平的范围。等高线的形状可直观反映各因素间交互效应的强弱，形状越圆，两因素的交互作用越不显著；越不圆（呈椭圆形），交互作用越显著，且椭圆排列越紧密代表因素对响应值变化影响越大[18-19]。

由响应曲面图6可知，随每个因素的增大，响应值增大；当响应值增大到极值后，随因素增大，响应值逐渐减小。其中，酵母添加量和发酵温度（X1X3）、加水量和发酵时间（X2X4）、发酵温度和发酵时间（X3X4）对感官评分的影响显著。另外，由图可知该模型在试验范围内存在稳定点，且稳定点是最大值。

2.2.3 提取工艺条件优化

采用软件中Optimization的Numerical功能，使用最大值优化，优化得到百农4199小麦粉馒头加工的理论工艺条件为：酵母添加量0.73%、加水量46.54%、醒发时间60.20 min、发酵温度41.79℃、相对湿度68.58%，该条件下馒头感官评分为93.33。为检验响应曲面法的可靠性，采用上述优化条件进行馒头加工验证试验，考虑到实际操作的便利，将提取工艺参数修正为酵母添加量0.75%，加水量48%，醒发时间60min，发酵温度40℃，相对湿度70%，在此条件下进行3次平行试验，实际感官评分为93.36，与理论预测值相比，其相对误差约为0.03%。因此，采用响应面法优化得到的提取条件准确可靠，具有实用价值。

图6 各因素交互作用对馒头感官评分影响的响应面和等高线图Fig.6 Response surface and contour plots for the effects of pairwise interactions among various variables on sensory score of steamed bread

2.3 不同感官评分馒头的质构参数比较

在46次响应面优化试验中，选取其中感官评分最低、最高以及参照国标方法GB/T 35991-2018《粮油检验小麦粉馒头加工品质评价》制作的馒头，利用质构仪测试其质构参数，多重比较结果见表4。馒头的硬度、胶黏性和咀嚼度在不同样品间存在显著差异（P<0.05），其他质构参数的差异不显著。其中，感官评价分数最低的馒头，其硬度、胶黏性和咀嚼性均最高，显著高于其他两个馒头样品；感官评价分数最低的馒头，其硬度和咀嚼性均最低。

表4 不同感官评分馒头的质构特性Table 4 Texture property of steamed bread with different sensory score

3 讨论与结论

馒头品质是我国小麦品质改良的重要目标，评价方法主要有感官评价和质构仪测试评价。其中，感官评价主要根据馒头的比容、表观、内部结构、弹韧性、黏性和气味等来评分，按总评分高低分类[20]；质构仪测试评价的参数主要有：硬度、黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和咀嚼度等，其中硬度和咀嚼度是衡量制品品质的两个重要指标，在一定范围内，两者值越小，制品越柔软，适口性越好[16]。本研究主要通过馒头的感官评价对小麦新品种百农4199的最佳馒头制作工艺进行优化，得出较优工艺条件为：酵母添加量0.75%、加水量48%、醒发时间60min、醒发温度40℃、相对湿度70%，在较优的提取条件下，馒头感官评分可达93.36。另外，本研究还得到馒头感官评分与各因素变量的二次方程模型，该模型回归极显著，对试验拟合较好，有一定应用价值。

本研究还进一步分析了不同感官评分馒头样品的质构特性，发现感官评分最高的馒头具有最低的硬度和咀嚼度，说明该样品质地柔软、适口性最好；相反，感官评分最低的馒头样品硬度和咀嚼性均最高，适口性较差，该结果与响应面优化试验结果相吻合。