响应面-主成分分析法优化复配凝胶剂小麦面条工艺

许玲玲，焦晓佳，陈艳红,2,3，倪 辉,2,3,4，林景新，姜泽东,2,3，朱艳冰,2,3，郑明静,2,3,

（1.集美大学海洋食品与生物工程学院，福建厦门 361021；2.福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建厦门 361021；3.海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，大连工业大学，辽宁大连 116034；4.厦门海洋职业技术学院，福建厦门 361100；5.厦门唯康食品科技有限公司，福建厦门 361100）

魔芋胶是魔芋属（AmorphophallusBlume）植物球状块根中的主要成分，称为魔芋葡甘露聚糖（Konjac glucomannan，KGM）。魔芋胶食品是健康且低热量的。魔芋胶未降解时分子量大、黏度高等问题，限制了其在食品领域的应用，适度降低分子量可影响其溶胀能力、持水性，加强分子运动性，从而改善魔芋胶在食品中的应用性质[1]。目前降解魔芋胶的方法主要包括物理法、化学法和生物法，酶降解法属生物方法，对环境污染小、无副反应、反应条件温和，可控制降解产物的聚合度，是一种理想的降解方法[2]。卡拉胶是角叉菜和麒麟菜等红藻中提取的一种多糖，主要成分是半乳糖及半乳糖衍生物，根据结构不同分为κ-型、ι-型和λ-型等卡拉胶，其中κ-型（κ-Carrageenan，κ-CA）最常见。卡拉胶以水为分散介质可以形成水凝胶，任艳艳等[3]发现湿热法对中国花魔芋提取的魔芋胶有限降解，能提升魔芋胶/κ-卡拉胶复配凝胶性能，基于前期研究得到KGM 分子量会影响KGM与κ-CA 复配凝胶的凝胶特性，适度酶解的KGM 会改善复配凝胶的部分质构性能（如硬度、咀嚼性、胶着性）和保水性，同时维持复配凝胶的弹性。

面条以谷物或豆类面粉为原料制备而成，是我国传统的主食之一，已在世界范围内受到广泛欢迎。目前，面条产品主要存在蒸煮损失高、易混汤、咀嚼性差、光滑度低等问题[4]。面条改良剂是进行面条品质改良的重要方法之一[5]。传统面条改良方法是添加食盐提升面条品质，但存在食盐摄入量增高的风险。其他常见的面条改良剂还有食用碱、胶体类、蛋白质类和酯类乳化剂等[6]。其中，胶体类面条改良剂主要以凝胶多糖通过亲水基团与蛋白质、水的相互作用来提高面粉的吸水率和糊化度，进而提升面团强度，制得质地光滑、咀嚼性好、复水性较佳的面条[7]。目前，魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂用于面条制品的研究不多，且低品质的面条无法满足人们对健康饮食的需求，因此，本文以蒸煮品质、质构品质、感官品质为评价指标，利用单因素实验研究酶解魔芋胶和卡拉胶复配凝胶剂、食盐、水分对小麦面条品质的影响规律，结合响应面法-主成分分析明确最佳的工艺配方，研制口感较佳、不容易混汤、综合品质较好的小麦面条。研究结果可为魔芋胶和卡拉胶复配凝胶剂的推广与应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦面粉 食品级，蛇口南顺面粉有限公司；魔芋精粉 食品级，福建省绿麒食品胶体有限公司；卡拉胶 西班牙Category 有限公司；β-甘露聚糖酶（98%，50000 U/g）、抗坏血酸 分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠 分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙醇（95%）绿茵科技有限公司；过氧化氢、K2S2O、水杨酸、FeSO4·7H2O 分析纯，西陇化工股份有限公司。

BCD-186KB 冰箱 青岛海尔股份有限公司；C20-SK2002 电磁炉 上海市实验仪器总厂；MJ-NS 1802Ap 面条机 美的集团有限公司；TA-TOUCH质构仪 上海保圣实业发展有限公司；BS233S 电子天平 德国赛多利科学仪器（北京）有限公司；SPS401F电子天平 奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；PL-602S电子天平 梅特勒-托利多公司；Labostar 7 TWFUV超纯水机 德国西门子股份公司；ZXRD-85110 电热恒温干燥箱 上海智诚分析仪器制造有限公司；KQ5200DE 数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酶解魔芋胶的制备 参照郭金玲等[8]的方法，在pH 为5 的磷酸盐缓冲液中加入10%的魔芋精粉（w魔芋精粉:v蒸馏水，g/mL），加酶量为50 U/g，60 ℃酶解5 min，再微波高火（600～700 W）灭酶5 min。冷冻后的酶解产物在真空冷冻干燥器中冷冻干燥，粉碎，过80 目筛并置于真空干燥器中保存，得到分子量约为32302 Da 的降解魔芋胶。

1.2.2 酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂的制备 参照林瑞君[9]的方法并稍作改动，以100 mL 蒸馏水为100%计，将0.7%κ-卡拉胶、0.5%分子量的酶解魔芋胶、0.4%氯化钾和0.1%硫酸钙溶于蒸馏水中充分混匀。

1.2.3 面条的制备 小麦面粉、复配凝胶剂、食盐、水分按配比混合倒入自动面条机中，室温下和面醒面（总时长20 min，在密闭和面机中以3 min 为间隔，和面醒面交替进行），连续挤压后出面，面条成型，整理成品[10]。

1.2.4 单因素对面条品质的影响 以面条的蒸煮品质、质构品质及感官品质作为评价指标，选择酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂、食盐、水分的添加量进行单因素实验。

1.2.4.1 复配凝胶剂添加量 以小麦面粉150 g 计，食盐添加量为1.0%，水分添加量为40%，考察复配凝胶剂的不同添加量（1%、2%、3%、4%、5%）对面条的蒸煮、质构和感官品质的影响。

1.2.4.2 食盐添加量 以小麦面粉150 g 计，复配凝胶剂的添加量为3%，水的添加量为40%，考察食盐的不同添加量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）对面条的蒸煮、质构和感官品质的影响。

1.2.4.3 水分添加量 以小麦面粉150 g 计，复配凝胶剂添加量为3%，食盐添加量为1.0%，考察水分的不同添加量（30%、35%、40%、45%、50%）对面条的蒸煮、质构和感官品质的影响。

1.2.5 Box-Behnken 响应面优化 在单因素实验的基础上，根据响应面Box-Behnken 的试验原理，以酶解魔芋胶与卡拉胶复配复配凝胶剂、食盐、水分的添加量为自变量，以小麦面条的综合评分为响应值设计试验。试验因素及水平如表1。

表1 Box-Behnken 试验因素和水平表Table 1 The table of factors and levels of Box-Behnken test

1.2.6 面条品质评价方法

1.2.6.1 面条的蒸煮品质测定 称取10 g 生面条，在300 mL 沸水中蒸煮5 min，冰水过凉30 s，置于纱布上沥干，计算蒸煮得率；煮后的面汤用电磁炉蒸发掉绝大部分水，烘至恒重，计算蒸煮损失率，计算公式如下[11]：

式中：M1：煮前面条质量，g；M2：煮后面条质量，g；M3：烘干后烧杯和面汤的总质量，g；M4：烧杯质量，g；ω：煮前面条的水分含量，%。

1.2.6.2 面条的质构品质测定 参照文献[12]的方法，略作改动。将小麦面条置于沸水中煮5 min 后捞出过冷水30 s，用纱布沥干至无水滴流出，取六根面条平行放置于质构仪载物台上进行测试，测定面条的硬度、黏性、弹性、黏聚性、咀嚼性和回复性。测试参数设置如下：探头P/36R（直径为36 mm 的圆柱形探头）、测试前速率5 mm/s、测中和测后速率0.8 mm/s、形变量70%、触发力5 g。每组样品平行测定6 次。

1.2.6.3 面条的感官品质测定 采用小麦粉商业标准《LS/T 3202-1993》中的方法[13]，邀请10 名食品专业的感官评价成员评价，评价标准见表2。

表2 感官评价表Table 2 Sensory evaluation table

1.2.7 分析方法

1.2.7.1 主成分分析 对小麦面条品质各指标进行主成分分析，得到原始数据的特征值、贡献率及累积贡献率，对特征值大于1 的因子，提取主成分。

1.2.7.2 小麦面条品质的综合评分 面条品质的综合评分按式（3）进行计算面条各个实验组的综合得分后按式（4）将得到的综合评分F 进行规范化处理，分别计算其综合得分F 和规范化综合评分Z。

式中：F 为综合得分；F1、F2和F3分别为因子1、因子2、因子3 的得分；C1、C2、C3为主成分1、2、3 对应的方差贡献率。

式中：Z 为规范化综合评分；F 为综合评分；Fmax为综合评分最大值；Fmin为综合评分最小值。

1.3 数据处理

采用Origin 8.0 软件作图，采用Design-Expert 8.0对响应面模型进行分析，SPSS 对各项实验数据进行统计，并采用方差分析与邓肯多重范围检验计算均值差异的统计学意义（P<0.05）。指标测定均重复至少3 次，结果以平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂添加量对小麦面条蒸煮、质构及感官品质的影响 由图1 可知，添加1%～5%的酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂均能显著提高小麦面条的蒸煮得率，降低其蒸煮损失率（P<0.05），1%～4%复配凝胶剂之间没有显著差异（P>0.05），但添加量达到5%时，蒸煮得率显著增加（P<0.05），达到最高（65.80%）。结果表明，酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂能够显著改善面条的蒸煮品质，可能是因为这两者胶体均具有强水合能力[14]，添加量越大，吸水作用越强，使得面条的蒸煮得率越高。在蒸煮过程中，面条的品质与淀粉的糊化和面筋网络的膨胀密切相关[15]。Zhou 等[16]报道魔芋胶中的KGM 具有不规则的螺旋结构和半柔性链，可以促进淀粉颗粒膨胀，可能也是蒸煮得率变高的原因。此外，卡拉胶可以增强面筋筋力，它与蛋白质结合形成结构稳定的网状结构，使淀粉更均匀地散入蛋白质网络结构中[17−18]。本研究中，适度酶解的魔芋胶可能加强了这种网状结构的交联作用，减少小麦面条在蒸煮过程中的蒸煮损失率。

图1 酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂添加量对小麦面条蒸煮品质的影响Fig.1 Effects of enzymatic degraded konjac glucomannan and carrageenan compounding gels concentration on cooking quality of wheat noodles

表3 为复配凝胶剂的添加量对面条质构的影响。变异系数（CV）是标准差与平均值的比值，常用在两个总体均值的离散程度的比较上。CV 大小说明复配凝胶剂的添加量对小麦面条黏性影响最大，对硬度、咀嚼性、回复性和黏聚性的影响次之，而对弹性影响最小。与对照组相比，加入1%～4%复配凝胶剂的面条硬度、黏聚性显著提高（P<0.05）；含有3%、4%复配凝胶剂的面条黏性显著降低、爽口性提高（P<0.05）；1%与3%的复配凝胶剂分别显著提高了面条的回复性和咀嚼性（P<0.05）。这是因为魔芋胶和卡拉胶作为高分子多糖，具有强水合能力、凝胶性和增稠性[14]；适量的复配凝胶剂可以改善面团的加工及流变学特性，对面条质构产生积极影响。但当复配凝胶剂的添加量为5%时，小麦面条的硬度、黏性、咀嚼性及回复性都显著降低（P<0.05）。可能是过量复配凝胶剂中的魔芋胶形成假塑性流体，影响了面筋网络结构的形成，从而导致质构品质下降[19]。此外，上述5%添加量时高蒸煮得率表明面条吸水量过多，这也解释了面条偏软、硬度低、咀嚼性差的现象。

表3 酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂添加量对小麦面条质构品质的影响Table 3 Effects of enzymatic degraded konjac glucomannan and carrageenan compounding gels concentration on texture quality of wheat noodles

感官评价是反映消费者对面条可接受度的重要指标[20]。研究表明，魔芋葡甘露聚糖与卡拉胶复配后可以发生很强的增效作用[21]。由表4 可知，1%～4%的酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂能够改善小麦面条表观形态、适口性、粘性和光滑性等感官品质，其中添加了3%的复配凝胶剂的小麦面条的感官总分最高为79.6。结合蒸煮品质与质构品质结果，确定3%为酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂在小麦面条中的最佳添加量。

表4 酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂添加量对小麦面条感官品质的影响Table 4 Effects of enzymatic degraded konjac glucomannan and carrageenan compounding gels concentration on sensory quality of wheat noodles

2.1.2 食盐添加量对小麦面条蒸煮、质构及感官品质的影响 由图2 可知，食盐添加量为0.5%～2.5%时，当添加量为1.0%时，小麦面条蒸煮得率最高（64%）、蒸煮损失率较低；这是因为适量的盐可加强面筋蛋白对水的吸收[22]。并且因钠离子和淀粉羟基之间的静电相互作用使淀粉聚合物稳定[23]，减少了固形物的溶出。与0.5%～1.0%相比，添加量为1.5%～2.5%时，其蒸煮得率显著下降且蒸煮损失率增加（P<0.05）。这与Rombouts 等[24]的报道一致，过量的NaCl 改变了面筋网络，导致淀粉或部分蛋白暴露并溶解在水中，引起蒸煮损失和面汤浑浊[25−27]。综上，当食盐添加量为1.0%时，小麦面条的蒸煮品质最佳。

图2 食盐添加量对小麦面条蒸煮品质的影响Fig.2 Effects of salt concentration on cooking quality of wheat noodles

由表5 可知，CV 大小对比显示食盐添加量对小麦面条回复性影响较大，对黏性、硬度、咀嚼性、黏聚性的影响次之，对弹性影响最小。随着食盐添加量的增加，面条硬度先增加后下降并保持稳定，在1.0%时达到最大值153.25 N，而且盐含量为1.5%～2.5%面条的黏聚性及回复性显著低于1.0%的面条（P<0.05）。综合指标说明，最适食盐添加量为1.0%。

表5 食盐添加量对小麦面条质构品质的影响Table 5 Effects of salt concentration on texture quality of wheat noodles

研究表明，熟面条的生产过程中，食盐的加入会影响淀粉、蛋白质和脂类成分之间的相互作用进而影响面条的品质[28−29]。当食盐添加量低于1.0%时，面团中水与蛋白质的相互作用增强，蛋白质与蛋白质相互作用减弱，所形成的面条网络结构较为松散。当食盐添加量1.0%时，其质构特性最好，可能是因为该添加量食盐可以屏蔽蛋白质上的电荷，促进蛋白质间的疏水性作用，加强面条中谷蛋白网络结构。当盐添加量超过1.0%时，引起过度的屏蔽效应和排斥作用，抑制面筋结构，形成弱网络[30]。

由表6 可知，小麦面条的感官评分随食盐添加量的增加呈先增后降的趋势。在食盐添加量为1.0%和1.5%时，小麦面条有较好的感官品质，主要表现在具有较好的适口性、韧性以及粘性，与上述对应面条的硬度高、黏性低的质构结果一致。食盐添加量为2.5%，小麦面条的感官评分最低，主要在于其表面粗糙、咸味偏重、口感欠佳且粘牙。因此，结合蒸煮、质构和感官品质，及低盐化食品的健康趋势，确定小麦面条的食盐最佳添加量为1.0%。

表6 食盐添加量对小麦面条感官品质的影响Table 6 Effects of salt concentration on sensory quality of wheat noodles

2.1.3 水分添加量对小麦面条蒸煮、质构及感官品质的影响 由图3 可知，小麦面条的蒸煮得率在水分添加量为30%～40%范围内差异不显著（P>0.05），超过40%后，蒸煮得率逐渐降低。另外，随着水分添加量的增加，面条的蒸煮损失率先降低后增加，在加水量为40%时，蒸煮损失率最低（4.5%）。当水分添加量不足时，面条的面筋网络结构形成不充分，淀粉等固形物容易溶出[31]。随着水分添加量的增加，淀粉、蛋白质、多糖相互交联形成较好网络结构，蒸煮得率最高、蒸煮损失率最低，此时的加水量即为临界浓度。水分添加量过多时，面团过度水化变软，筋力下降[32]，导致面条在蒸煮时面汤变浊，损失率增加。

图3 水分添加量对小麦面条蒸煮品质的影响Fig.3 Effect of water concentration on cooking quality of wheat noodles

由表7 可知，CV 大小比较说明水分添加量对小麦面条的咀嚼性、硬度、黏性影响较大，对回复性的影响次之，对弹性、黏聚性影响最小。小麦面团成型过程中，水分添加量过低（30%），不利于面筋网络的形成[33]，主要表现在面条偏软、没有嚼劲；而水分添加量过高（50%），过度水化作用[32]引起制备的面条偏软，硬度、弹性、咀嚼性、黏聚性及回复性变差。因此，水分添加量为35%～45%制作时，小麦面条具有较佳的质构品质。

表7 水分添加量对小麦面条质构品质的影响Table 7 Effects of water concentration on texture quality of wheat noodles

从表8 可以看出，随着水分添加量的增多，面条的感官品质呈现先增后降的趋势，在添加量为45%时，感官总分最高88.6。这与汪丽平等[34]报道的结果一致。当水分添加量为30%时，面团不成团，压制出的面条表面粗糙，煮熟后表观不光滑、颜色不均匀，口感较差；而添加40%～50%的水，小麦面粉水化完全，网络结构相对紧密[34]，可以改善面条的色泽、表观形态、韧性、适口性和粘性。结合蒸煮品质和质构品质结果，确定40%为小麦面条中水分的最优添加量。

表8 水分添加量对小麦面条感官品质的影响Table 8 Effects of water concentration on sensory quality of wheat noodles

2.2 响应面-主成分分析试验结果及试验优化

2.2.1 面条品质的主成分分析 根据表1 进行响应面优化试验，研究复配凝胶剂、食盐、水分添加量与小麦面条的质构特性和感官评分之间的关系，试验结果见表9。

表9 Box-Behnken 试验设计及结果Table 9 Box-Behnken experimental design and results

利用SPSS 对表9 中小麦面品质的各指标数据进行主成分分析，通过KMO 和Bartlett 检验可知，KMO=0.546>0.5，Bartlett 检验显著性为0.000079<0.05，适合作主成分分析，得到方差贡献表（表10）。

表10 相关成分的特征值及贡献率Table 10 Eigenvalues and contribution rates of related components

由表10 可知，当提取3 个主成分时，方差贡献率分别为38.338%、30.042%、17.351%，累积贡献率可达85.730%，综合了凝胶小麦面条特性的主要信息，且表10 显示3 个主成分特征值分别为2.684、2.103、1.215 皆大于1，故提取的3 个主成分可以反映面条总体特征。

为了更加直观地评价面条的综合质量，采用因子综合得分对主成分得分的数据进一步分析。根据指标在主成分上的载荷量，计算出各指标在不同主成分上的线性组合系数，并利用方差贡献率权重得到综合模型系数，归一化处理得到面条质量评价模型[35]：三个主成分表达式分别为F1、F2、F3，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别代表面条的硬度、黏性、弹性、咀嚼性、黏聚性、回复性、感官评分的标准化值。

F1=0.272A1−0.042A2−0.087A3+0.341A4+0.203 A5+0.236A6+0.277A7

F2=0.25A1−0.089A2+0.337A3+0.122A4−0.332A5−0.337A6+0.229A7

F3=0.287A1+0.753A2−0.215A3+0.12A4−0.285A5+0.004A6−0.176A7

2.2.2 响应面试验设计及结果 根据主成分分析的结果，以规范化综合得分Z 为响应值，设计n=15 的Box-Behnken 的试验（见表1 和表11），考察酶解魔芋胶和卡拉胶复配凝胶剂、食盐和水分添加量这三个因素的交互作用和最佳水平。

表11 主成分得分及规范化综合评分Table 11 Principal component scores and standardized comprehensive scores

对试验结果进行方差分析，如表12 所示，模型显著（P<0.05），失拟项不显著（P>0.05），模型的决定系数R2=0.9300，接近于1，说明模型建立成功。在规范化综合评分拟合方程中，因素一次项（A、B、C）和二次项（A2、B2）的P<0.05，表明它们对结果的影响显著，交互项均未表现出显著性。响应值与试验因素的回归方程为：

表12 回归模型方差分析Table 12 Analysis of variance of regression model

Z（规范化综合评分）=0.96−0.17A+0.14B+0.13C+0.044AB+0.031AC−0.009698BC−0.28A2−0.21B2−0.11C2

2.2.3 各因素间交互作用响应面分析 复配凝胶剂添加量（%）、食盐添加量（%）和水分添加量（%）影响小麦面条综合评分的等高线和响应面图如图4 所示。响应面图形坡度的陡峭程度反应因素对响应值影响的程度：坡度陡，说明实验因素对面条归一化综合得分的影响大；坡度平缓则对得分影响小。两个实验因素之间的交互作用的强弱表现为椭圆或圆形的等高线图[36−37]。由弯曲的响应面图可知，各因素之间对于面条归一化综合得分的影响不是简单的线性关系。由图4 可以得出凝胶剂-食盐（AB）、凝胶剂-水分（AC）和食盐-水分（BC）的交互作用均不显著。

图4 各因素间的交互作用图Fig.4 Interaction diagram among various factors

2.2.4 响应面优化与验证 以规范化综合得分为响应值，通过响应面分析，优化得到的面条工艺配方：酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂添加量2.75%、食盐添加量1.15%、水分添加量42.54%，理论综合评分达到1.03。根据实验条件，确定凝胶剂添加量3%，食盐添加量1%，水分添加量43%作为面条的工艺配方，其蒸煮得率为64%，蒸煮损失为4.5%，复配凝胶小麦面条硬度、黏性和咀嚼性分别为151.33 N、20.25 N.s和87.61 N，弹性、黏聚性和回复性分别为0.83、0.75 和0.61，感官评分为82.9 分，规范化综合得分为0.95，与预测值误差较小，说明该响应面回归方程能准确地反映酶解魔芋胶与卡拉胶凝胶剂、食盐、水分添加量对小麦面条综合品质的影响。相比于传统小麦面条，改良面条的蒸煮得率、硬度、咀嚼性分别提高了3.8%、18.6%和2.1%，蒸煮损失和黏度别下降了7.3%和2.9%，感官评分显著提高，面条的综合品质得到了改善。同时，也说明利用主成分分析与响应面分析相结合的方法优化小麦面条配方工艺的综合评价方法是可行的。

3 结论

以酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂、食盐、水分添加量为变量，以蒸煮品质、质构品质和感官品质为评价指标，利用单因素实验和响应面-主成分结合分析确定最佳工艺配方为：复配凝胶剂添加量3%、食盐添加量1%、水分添加量43%。在此条件下制作的改良面条综合得分最高，蒸煮得率为64%，蒸煮损失为4.5%，感官评分为82.9 分，相比于不添加复配凝胶剂的小麦面条，改良面条的蒸煮得率、硬度、咀嚼性提高，蒸煮损失和黏性值下降，面条的综合品质得到了改善，表明酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂是能够提高面条品质的面条改良剂。后续可进一步研究复配凝胶剂对面条消化吸收的影响，能够丰富酶解魔芋胶与卡拉胶复配凝胶剂的应用研究理论基础，促进魔芋胶、卡拉胶的精深加工。