响应曲面设计结合熵权法优化石磨全麦挂面配方

蔡梦迪,李玉辉,沈春霞,熊双丽,李凤,张从容,熊得全,唐丹

1(西南科技大学 生命科学与工程学院,四川 绵阳,621010)2(四川旅游学院 食品学院,四川 成都,610100) 3(四川省冯老汉科技有限公司,四川 绵阳,621000)4(成都市武侯实验中学,四川 成都,610043)

长期单一摄入精白谷物,引起的营养缺乏和营养失衡等健康问题日趋严重,全谷物食品开发关注度逐渐提高。与仅由胚乳制成的精制面粉相比,石磨全麦粉由整粒小麦经转速低、升温小的石磨逐次研磨、过筛制得,保留了麸皮和胚芽,富含膳食纤维、矿物质、维生素、阿魏酰化低聚糖、谷胱甘肽、二十八烷醇及植物甾醇等成分[1],具有缓解轻度便秘,改善结肠代谢,降低肥胖及代谢综合征、某些类型的癌症、二型糖尿病或心脑血管疾病风险的作用[2],已广泛应用于挂面、面包、早餐粉等食品加工中。然而,目前大多数商业全麦粉由辊磨机生产,少数使用石磨。CAPPELLI等[3]发现因石磨与辊磨的制粉系统不同,石磨技术能够减小面粉中玉米赤霉烯酮和呕吐毒素含量,并保留更多的活性物质如总纤维、类胡萝卜素和花青素。

全麦挂面因营养丰富、风味独特及食用方便的特点受到消费者的关注。然而,麸皮会干扰面筋蛋白网络的形成,造成面条易断裂、质地硬、色泽差,口感粗糙、适口性差[4]。其次,全麦挂面的贮藏稳定性易受不饱和脂肪酸、脂肪酶、脂肪氧化酶及多酚氧化酶的影响,脂肪酸败及酶促褐变严重影响其感官品质和功能特性[5]。为此优化全麦挂面工艺配方,提升其感官、加工和储藏性能,成为了当前研究的方向和重点。本文探究了石磨全麦粉粒度、食盐添加量、熟化时间和加水量对全麦挂面蒸煮、质构特性及感官品质的影响,在单因素试验基础上,通过响应面-熵权法优化全麦挂面配方,旨在提升全麦挂面加工、品质特性,为其产业化加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉、石磨全麦粉(小麦经清理除杂、洗麦、再筛选和润麦后,采用石磨进行整粒磨碎,将磨碎后的全麦粉分别通过5种不同的筛网,筛上物重新磨碎,直至仅含少量种皮,收集筛下物备用),四川省冯老汉科技有限公司;食盐,市购;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

TA.XT plus物性测试仪,英国Stable Micro System公司;PH-030(A)干燥/培养二用箱,上海齐欣科学仪器有限公司;DMT-5电动面条机,龙口市复兴机械有限公司;THZ-82A数显气浴恒温振荡器,常州普天仪器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 全麦挂面的制备

以120目石磨全麦粉200 g为基准,1.5%(质量分数)食盐,35%(质量分数)水为基础配方,充分搅拌,和面5 min。面团放入自封袋密封,25 ℃熟化30 min,面条机压至光滑。切成厚度为1 mm,宽度为2 mm的面条。25 ℃悬挂干燥24 h,切成长度22 cm。

1.3.2 全麦挂面蒸煮特性测定

干物质吸水率、烹调损失率测定参照蔡梦迪等[6]方法。取10 g水分含量为W的挂面称重m1,将不锈钢锅盛放的500 mL水加热至沸腾,待挂面煮至烹调时间后捞出,平铺于两张滤纸上沥水5 min后称重m2,再将其放入135 ℃烘箱烘至恒重m3。计算如公式(1)、公式(2)所示:

(1)

(2)

1.3.3 全麦挂面质构特性测定

挂面煮至烹调时间,凉水冷却15 s,滤水30 s。3根面条并排置于载物台,取探头P36 R,测前、测中、测后速度为0.2 mm/s,压缩比40%,两次压缩间隔2 s。

1.3.4 全麦挂面感官评价

评分细则参照LS/T 3202—1993《面条用小麦粉》,由10名评定员分别品尝煮至烹调时间的全麦挂面,根据表1进行评分。

表1 全麦挂面感官评分细则Table 1 Sensory scoring rules of whole wheat noodles

1.3.5 单因素试验

固定工艺配方中其他条件,对全麦粉粒度(80、100、120、140、160目),食盐添加量(0%,0.5%,1%,1.5%,2%,质量分数),熟化时间(0、15、30、45、60 min),加水量(33%、35%、37%、39%、41%,质量分数)进行单因素试验,考察各因素对挂面蒸煮特性、质构特性及感官品质的影响。

1.3.6 响应面试验

根据单因素试验结果,以烹调损失率和感官评分为评价指标,根据Box-Behnken设计原理设计响应面试验,如表2所示。

表2 Box-Behnken试验因素与水平Table 2 Factors and levels of the Box-Behnken test

1.3.7 熵权法综合评分计算

参考文献[7]分别按公式(3)和公式(4)计算正向指标(感官评分)和负向指标(烹调损失率)标准化后的数据Yij,Xi={X1,X2,…,Xn},i为各组的编号,j为各指标的编号。再根据卜智斌等[8]的方法计算信息熵Ej、权重Wj和综合评分Zi,如公式(5)～公式(7)所示:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3.8 挂面理化指标测定

膳食纤维含量测定参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》;总淀粉含量测定参照AOAC 996.11;酸度测定参照GB 5009.239—2016《食品安全国家标准 食品酸度的测定》。

1.3.9 挂面血糖生成指数测定

参考张灿等[9]方法,并稍作修改。称取0.5 g冷冻干燥后的熟挂面,加入10 mL乙酸钠缓冲溶液,充分混合后加入10 mL α-淀粉酶(300 U/mL)和40 μL (100 000 U/mL)糖化酶。37 ℃恒温摇床150 r/min振荡,分别于0、20、30、60、90、120、150、180 min取2 mL消化液,沸水浴灭酶,4 000 r/min离心5 min。取上清液,采用3,5-二硝基水杨酸法测定葡萄糖含量[10]。淀粉水解率计算如公式(8)所示:

(8)

(9)

eGI(以白面包为参比)=0.862HI+8.198

(10)

1.4 数据统计与分析

利用Excel统计数据,Origin 9.0制图,SPSS 26.0进行显著性分析,Design-Expert 8.0.6设计响应面试验方案。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 全麦粉粒度对全麦挂面品质的影响

由图1可知,随全麦粉粒度减小,挂面干物质吸水率不断升高。可能是因为全麦粉粒度越小,损伤淀粉含量增加。同时石磨研磨强度越大,膳食纤维亲水基团暴露使干物质吸水率上升[12]。全麦粉粒度在80～160目范围内减小,挂面烹调损失率逐渐增加。160目全麦粉挂面烹调损失率显著高于其他组(P<0.05),可能是因为粒度的减小使蛋白质网络结构包裹的淀粉含量下降,溶解于面汤中的干物质含量增多[13]。

a-蒸煮特性;b-感官评分

120目全麦粉挂面光滑透亮且软硬适中,感官评分最高,而粒度过大或过小挂面色泽变暗,同时影响挂面的软硬度和黏性,感官评分降低。

由表3可知,随全麦粉粒度减小,全麦挂面硬度、胶黏性及咀嚼性呈增大趋势,这与全麦粉形成的面筋网络结构有关,粒度减小使麸皮持水力下降,水分能够更好地与淀粉、蛋白质结合,在很大程度上利于网状面筋的形成,使熟制面条变得坚实[4]。此外,破损淀粉随研磨强度的提高而增加,纤维、蛋白质、淀粉等结合作用增强,面筋结构更均匀,全麦面团稳定性更好,因此面条硬度增大[14]。

表3 全麦粉粒度对全麦挂面质构特性的影响Table 3 Effect of particle size of whole wheat flour on texture properties of whole wheat noodles

2.1.2 食盐添加量对全麦挂面品质的影响

由图2可知,未添加食盐组全麦挂面干物质吸水率为136.95%,显著高于添加食盐组(P<0.05)。主要由于加入食盐后麦谷蛋白和麦醇溶蛋白吸水膨胀受阻,吸水率降低。食盐添加量为2%时全麦挂面干物质吸水率最低,仅为120.58%。这可能是因为NaCl是一种亲水性中性盐,过量的食盐与面条中蛋白质竞争吸水,使蛋白质结合的水分子减少[15]。全麦挂面烹调损失率随食盐添加量的增加而呈现上升趋势,这可能是因为食盐的添加会影响淀粉与水的相互作用,淀粉凝胶网络结构疏松使淀粉颗粒溶出[16]。随食盐添加量增大,面条表面细密、透亮程度不断上升且越来越劲道。而2%食盐添加量的挂面出现膨胀变形,硬度偏软且咸味增加使评分显著下降(P<0.05)。

a-蒸煮特性;b-感官评分

由表4可知,不同食盐添加量全麦挂面的硬度、胶着性及咀嚼性差异显著(P<0.05)。食盐添加量为0时,全麦挂面硬度、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性及回复性为最大值。这可能与全麦粉形成的面筋网络结构有关,细小的麸皮填充在网状面筋中,使熟制面条变得坚实[17]。随食盐添加量增加,全麦挂面硬度、胶黏性及咀嚼性逐渐降低,可能是由于食盐在水中水解为Na+和Cl-,减少蛋白表面的电荷、降低静电排斥,形成了较为完善的蛋白质网络结构。当食盐过量会争夺部分水分,面筋水化不足使面条结构松散[18]。

表4 食盐添加量对全麦挂面质构特性的影响Table 4 Effect of addition of salt on texture properties of whole wheat noodles

2.1.3 熟化时间对全麦挂面品质的影响

由图3可知,未熟化组全麦挂面干物质吸水率最低,为112.49%。随熟化时间在15～60 min范围内增加,全麦挂面干物质吸水率降低、烹调损失率升高。未经熟化的面团在和面时加入的水分大部分仍停留在面团的表面,未充分地渗透到蛋白质分子中,因此不能形成良好的面筋结构,压延得到的面带较为干硬、不均匀且可塑性差[19]。增加熟化时间使挂面的蒸煮损失减小,可能是因为蛋白质分子中的巯基氧化形成二硫键,面筋网络得以完善[20]。然而熟化时间过长,面筋结构软化,蒸煮损失增大。熟化时间为30 min时,挂面的表面结构细密、光滑透亮且软硬适中,富有韧劲。熟化时间继续增加后面条表面出现膨胀,且口感软绵。

a-蒸煮特性;b-感官评分

由表5可知,随熟化时间增加,全麦挂面硬度、胶黏性、咀嚼性均呈逐渐减小的趋势。熟化时间对全麦挂面硬度影响显著(P<0.05),可能是因为未经熟化的面团面筋结构尚未完善,而麸皮中的不溶性膳食纤维对面条质地影响较大,使面条变得坚实[21];面团经熟化后,形成良好的三维网状结构,但熟化时间过长使淀粉链断裂,面团流散性增强,面筋品质下降,熟制全麦挂面内部应力降低,导致硬度和咀嚼性减小[22]。

表5 熟化时间对全麦挂面质构特性的影响Table 5 Effect of curing time on texture properties of whole wheat noodles

2.1.4 加水量对全麦挂面品质的影响

由图4可知,全麦挂面干物质吸水率随加水量增加而增加,烹调损失率则先减小再增大。在制作面团时,33%的加水量难以形成紧密的面筋网络结构,持水性差,导致面条粗糙且干燥较脆,淀粉易溶于汤中。提高水的添加量,淀粉的溶胀度增加,面筋结构充分形成[23]。而过多加水量使面筋结构弱化,挂面煮后较软且烹调损失变大。加水量不足时,面团偏干,挂面表面粗糙且色泽不均匀,爽滑性差。加水量充足,面条表面结构细密,口感光滑。加水量过多,面条色泽变暗且弹性降低。

a-蒸煮特性;b-感官评分

由表6可知,随加水量增加,全麦挂面硬度、胶黏性和咀嚼性先增加后减小。加水量为37%时,面条硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性最大。分析原因主要是由于水添加量较低时面筋蛋白水化不足,面条内部结构松散,继续提高水添加量使面筋网状结构之间的连接增强[24]。加水量过多面筋水化作用增强,面团之间的结合力变弱,导致面条品质下降[25]。加水量对全麦挂面弹性、内聚性和回复性的影响不显著(P>0.05)。

表6 加水量对全麦挂面质构特性的影响Table 6 Effect of addition of water on texture properties of whole wheat noodles

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 综合评分计算

利用熵权法对2个评价指标赋权值,计算得到烹调损失率和感官评分的权重分别为0.533 6和0.466 4,计算出综合评分(Z)见表7。

2.2.2 响应面设计方案及结果

研究全麦粉粒度(A)、食盐添加量(B)、熟化时间(C)、加水量(D)对烹调损失率(Y1)、感官评分(Y2)和综合评分(Z)的影响。根据Box-Benhnken原理设计4因素3水平试验方案,优化石磨全麦挂面工艺配方。试验方案与结果见表7。

表7 响应面试验方案与结果Table 7 Scheme and results of response surface test

2.2.3 响应面试验结果分析

以综合评分为响应值,回归方程为:综合评分(Z)=-52.094 92+0.132 36A+1.177B+0.010 706C+2.412 75D+0.000 75AB-0.000 15AC-0.000 25AD+0.002 333BC-0.015BD+0.000 25CD-0.000 54A2-0.434 33B2-0.000 26C2-0.031 83D2。

表8 响应面试验结果方差分析表Table 8 Analysis of variance of response surface test results

2.2.4 验证试验结果

由响应面试验优化出石磨全麦挂面配方:全麦粉粒度111.71目,食盐添加量0.85%,熟化时间15 min,加水量37.32%,该条件下挂面综合评分可达到0.88。将参数修正后的最佳配方为石磨全麦粉粒度120目,食盐添加量0.85%,熟化时间15 min,加水量37.32%。在该条件进行试验,全麦挂面烹调损失率为 (6.31±0.11)%,感官评分为(92.33±2.52)分,与预测理论值接近,表明此模型准确度较高。

2.2.5 挂面理化指标及血糖生成指数

如表9所示,石磨全麦挂面总膳食纤维含量显著高于小麦挂面(P<0.05)。小麦挂面淀粉含量、HI、eGI显著高于石磨全麦挂面(P<0.05),主要是因为麸皮含有丰富的膳食纤维。全麦挂面中含量最高的多不饱和脂肪酸亚油酸氧化反应速率较快,易产生乙酸、己酸及壬酸等物质[26],因此酸度较高。小麦挂面eGI值79.23,为高GI食品,石磨全麦挂面eGI值69.37,属于中GI食品,原因可能是,一方面全麦挂面含有的可溶性膳食纤维与淀粉交叉错杂,在一定程度上阻碍糖化酶、α-淀粉酶与淀粉相互作用[27];另一方面全麦粉抗性淀粉含量较高,不易被酶解。此外,多酚不仅能与淀粉形成多酚-淀粉复合物,还能与消化酶结合,从而降低糖化酶、α-淀粉酶活性[28]。

表9 挂面理化指标及血糖生成指数Table 9 Physical and chemical indexes and glycemic index of dried noodles

3 结论

以石磨全麦挂面蒸煮特性、质构特性及感官评分为考察指标,在单因素试验基础上,由响应面结合熵权法优化出全麦挂面最佳配方:全麦粉粒度120目,食盐添加量0.85%,熟化时间15 min,加水量37.32%。此条件下制备的全麦挂面烹调损失率为(6.31±0.11)%,感官评分为(92.33±2.52)分,麦香浓郁,软硬适中,口感光滑,富有弹性。与小麦挂面相比,该石磨全麦挂面膳食纤维含量增加5.38%,血糖生成指数降低9.86。通过对全麦挂面加工影响因素的研究,可进一步改善其综合品质,以期为患有肥胖、糖尿病和癌症等慢性疾病人群提供饮食依据,为石磨全麦粉的加工与应用提供参考。