響應(yīng)面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕工藝的研究

劉琳琳，孫冰玉，王麗超，呂銘守，張 光，陳鳳蓮，石彥國

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076）

響應(yīng)面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕工藝的研究

劉琳琳，孫冰玉，王麗超，呂銘守，張 光，陳鳳蓮，*石彥國

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076）

近年來，無谷蛋白焙烤食品的研究引起越來越多的關(guān)注。由于在海綿蛋糕的制作過程中，不需要形成很強的面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)，且面筋蛋白是麩質(zhì)過敏者的主要過敏源，因此考慮選用不含面筋蛋白的大米粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)烘焙用小麥粉，并加入糯米粉改善米粉特性，從而提高米粉海綿蛋糕質(zhì)構(gòu)形成效果。試驗以糯米粉添加量、水添加量和蛋糖攪打時間為自變量，以米粉糊密度、蛋糕彈性和體積指數(shù)為響應(yīng)值，用響應(yīng)面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕配方及工藝。結(jié)果表明，糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖攪打時間10 min時蛋糕的品質(zhì)最佳。在此條件下，評價指標(biāo)的預(yù)測值分別為米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕彈性0.90，蛋糕體積指數(shù)12.52 cm。

響應(yīng)面法；無谷蛋白；海綿蛋糕；大米粉；糯米粉

隨著飲食習(xí)慣的變化及醫(yī)學(xué)診斷水平的提高，目前全世界每100個人中就有1個麩質(zhì)過敏患者[1]，他們對含谷蛋白的麥粉食物異常敏感，其最有效的治療方法是避免食用含谷蛋白飲食，如各種麥類[2]。無谷蛋白食品是為特殊營養(yǎng)用途而專門生產(chǎn)或加工，以滿足特殊膳食需求的食品，因此研究和開發(fā)無谷蛋白食品具有重要的現(xiàn)實意義。

在海綿蛋糕的制作中，不需要形成很強的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此富含面筋蛋白的小麥粉并不是海綿蛋糕所必不可少的原料。有研究者嘗試在海綿蛋糕中加入大麥、黑麥、小米、高粱或者黑小麥[3-5]等原料粉替換海綿蛋糕中的小麥粉，由于大米粉和小麥粉在面筋含量上的巨大差異，會導(dǎo)致大米海綿蛋糕內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、易碎，從而降低海綿蛋糕感官品質(zhì)。為解決這一問題，有研究者在蛋糕中加入樹膠或者同時加入樹膠和酶[6-8]，用來改善米粉原有特性。

試驗從原料天然性角度出發(fā)，考慮到糯米粉在改善米粉海綿蛋糕質(zhì)構(gòu)形成效果方面與樹膠或酶有相似效果，因此以糯米粉為輔助原料，改善米粉海綿蛋糕品質(zhì)上的不足。通過對米粉糊性質(zhì)、海綿蛋糕品質(zhì)（形態(tài)學(xué)和質(zhì)構(gòu)參數(shù)）的綜合評價，優(yōu)化無谷蛋白海綿蛋糕配方及工藝條件。目前，國內(nèi)對無谷蛋白焙烤食品的研究較少，以糯米粉改善米粉海綿蛋糕性質(zhì)尚無相關(guān)研究；對海綿蛋糕的相關(guān)研究多采用感官評價方法，試驗采用米粉糊性質(zhì)、海綿蛋糕形態(tài)學(xué)及質(zhì)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，對海綿蛋糕品質(zhì)進行可量化的綜合評價。在試驗設(shè)計中，響應(yīng)面法可以建立連續(xù)變量曲面模型，對因素及其交互作用進行評價[9-10]，并可以在多個評價指標(biāo)同時取得相對極值的情況下，得出自變量的最優(yōu)值。因此，采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕的配方及生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

普通粳米粉（過80目篩）、糯米粉（過80目篩）、鮮雞蛋、白砂糖、泡打粉，均為市售。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀，北京微訊超技儀器技術(shù)公司產(chǎn)品；XYF-K型紅菱系列高級食品烤爐，浙江柳市電子儀表廠產(chǎn)品；CS-B5A型打蛋器，廣州市番禺區(qū)昌盛機電設(shè)備有限公司產(chǎn)品；電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司產(chǎn)品；游標(biāo)卡尺，哈爾濱量具刃具集團有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 測定方法

（1）米粉糊密度的測定。用米粉糊質(zhì)量除以一定質(zhì)量米粉糊的體積，單位g/cm3。

（2）蛋糕彈性的測定。參照美國谷物化學(xué)家協(xié)會2000年的標(biāo)準(zhǔn)[7]并略有修改，使用TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)分析儀，采用TPA 2次壓縮模式對海綿蛋糕進行質(zhì)構(gòu)分析。測定條件如下：海綿蛋糕樣品切成邊長2.5 cm的立方體，探頭P35，形變25%，測試前速度2.00 mm/sec，測試速度1.00 mm/sec，測試后速度2.00 mm/sec，2次壓縮之間的時間間隔5 s，每個樣品進行3次平行，取平均值。

（3）蛋糕體積指數(shù)的測定。參照美國谷物化學(xué)家協(xié)會的方法[12]。

1.2.2 試驗設(shè)計

在對各因素預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法確定海綿蛋糕中糯米粉添加量、水添加量和蛋糖攪打時間的最優(yōu)水平，采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法。試驗設(shè)計3個因素，每個因素3個水平，分別是糯米粉添加量（X1：5%，10%，15%），水添加量（X2：20%，25%，30%），蛋糖攪打時間（X3：10，15，20 min）；其他因素對試驗結(jié)果影響不顯著，固定為白砂糖添加量100%，雞蛋添加量130%，泡打粉添加量2.5%；選擇米粉糊密度、蛋糕彈性和體積指數(shù)作為響應(yīng)值。

響應(yīng)曲面試驗設(shè)計見表1。

1.2.3 工藝流程

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

利用Design Expert.V 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行處理，通過對響應(yīng)曲面及等高線的分析獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，采用多元二次回歸方程擬合響應(yīng)值與因素之間函數(shù)關(guān)系。多元二次回歸方程模型如下：

在回歸方程中，Xi是自變量（X1是糯米粉添加量，X2是水添加量，X3是蛋糖攪打時間），bi是模型參數(shù)，Ys是響應(yīng)值（分別代表米粉糊密度、蛋糕彈性、體積指數(shù)）。利用回歸方程模型和相應(yīng)的等高線圖，確定各試驗因素的最優(yōu)值，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化試驗條件并預(yù)測最佳響應(yīng)值。所有樣品均進行3次平行，采用方差分析（ANOVA）進行方程和系數(shù)顯著性檢驗，以p＜0.05為顯著（*）。

2 結(jié)果與討論

無谷蛋白米粉海綿蛋糕回歸方程見表2。

為了使模型具有較好的擬合性，R2應(yīng)大于0.80[13]。由表2可知，回歸方程的R2均大于0.90，方程高度擬合。失擬項是用來評估方程可靠性的一個重要數(shù)據(jù)，如果顯著表明方程模擬的不好，不顯著表明方程模擬較好。p值大小表明模型及各個考查因素的顯著性水平。

米粉糊密度是決定海綿蛋糕品質(zhì)的一個重要物理特性，它代表了攪拌過程中混入面糊中氣泡的保存率。米粉糊在攪拌過程中不斷地充入空氣，充入的空氣越多，米粉糊質(zhì)量越輕，同等質(zhì)量面糊烤出的海綿蛋糕體積越大，因此米粉糊密度是影響焙烤后海綿蛋糕體積大小的重要因素[14]。目前對米粉糊密度影響因素的研究較少，主要集中在蛋糕品質(zhì)改良劑、添加劑及糖醇對米粉糊密度的影響，如海藻酸鈉、黃原膠、梭甲基纖維素、單甘酯、麥芽糖醇等[5-16]。關(guān)于糯米粉對米粉糊密度的影響尚未有相關(guān)研究。

糯米粉及水添加量對米粉糊密度的影響見圖1，水添加量及蛋糖攪打時間對米粉糊密度的影響見圖2。

表2 無谷蛋白米粉海綿蛋糕回歸方程

圖1 糯米粉及水添加量對米粉糊密度的影響

圖2 水添加量及蛋糖攪打時間對米粉糊密度的影響

由表2、圖1及圖2可知，糯米粉添加量對米粉糊密度有顯著影響（p＜0.001），即糯米粉的添加會降低米粉糊中氣體的充入量；水添加比例在20%～30%時，對米粉糊密度影響不顯著（p＞0.05）；蛋糖攪打時間在10～20 min時，對米粉糊密度有較顯著影響（p＜0.05）。

糯米粉及水添加量對蛋糕彈性的影響見圖3，水添加量及蛋糖攪打時間對蛋糕彈性的影響見圖4。

圖3 糯米粉及水添加量對蛋糕彈性的影響

圖4 水添加量及蛋糖攪打時間對蛋糕彈性的影響

由表2、圖3及圖4可知，糯米粉添加量對海綿蛋糕彈性影響顯著（p＜0.001），水添加量和蛋糖攪打時間對海綿蛋糕彈性影響不顯著（p＞0.05）。Martínez-Cervera S等人[17-18]研究認(rèn)為，蛋糕彈性與蛋糕內(nèi)部氣孔數(shù)量有顯著的正相關(guān)性，即蛋糕內(nèi)部氣孔數(shù)量少會使蛋糕彈性降低。結(jié)合圖1，糯米粉添加量與米粉糊密度呈正相關(guān)，即糯米粉增加，米粉糊密度增大，蛋糕內(nèi)部氣泡減少，因此可以推論糯米粉增加會使蛋糕彈性降低。劉小翠等人[19]在研究稻米直鏈淀粉含量與淀粉凝膠彈性關(guān)系時認(rèn)為，隨著直鏈淀粉含量增大，淀粉分子的剛性增強、內(nèi)聚力減小，會使淀粉凝膠彈性增大，即直鏈淀粉含量與淀粉凝膠彈性呈正相關(guān)。圖3中，隨著糯米粉添加量增加，蛋糕彈性降低。糯米粉中直鏈淀粉含量幾乎為零，增加糯米粉添加量會使蛋糕中直鏈淀粉含量降低，從而使蛋糕彈性降低，這與劉小翠等人的研究結(jié)論一致。

糯米粉及水添加量對蛋糕體積指數(shù)的影響見圖5，水添加量及蛋糖攪打時間對蛋糕體積指數(shù)的影響見圖6。

圖5 糯米粉及水添加量對蛋糕體積指數(shù)的影響

由表2、圖5及圖6可知，糯米粉及水添加量、蛋糖攪打時間對海綿蛋糕體積指數(shù)均有顯著影響。由圖5可見，隨著糯米粉添加量的增大，蛋糕體積指數(shù)減小。通過比較糯米粉和粳米粉的糊化特性曲線可知，糯米粉的起始糊化溫度較低，并且達到峰值黏度迅速，因此可以推斷出，糯米粉糊化后使米粉糊黏性增加，抑制了蛋糕內(nèi)部氣體膨脹，從而使蛋糕體積指數(shù)降低。這一結(jié)論與Sahi S S等人[20]的研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為雖然高黏度的面糊有利于氣體保持，但也會抑制面糊中氣體膨脹，從而使蛋糕體積較小。水添加量與蛋糕體積指數(shù)呈正相關(guān)，隨著水添加量的增加，蛋糕體積指數(shù)逐漸增大。由圖6可知，蛋糖攪打時間為11 min時，蛋糕體積指數(shù)取得最大值；蛋糖攪打時間低于11 min時，蛋糖攪打時間與蛋糕體積指數(shù)呈正相關(guān)；蛋糕攪打時間高于11 min時，蛋糕體積指數(shù)逐漸減小。由表2蛋糕體積指數(shù)回歸方程可知，蛋糖攪打時間與糯米粉添加量、水添加量之間有顯著的交互作用。豆康寧等人[21]研究認(rèn)為，蛋糖液在攪打過程中由融化期到干性發(fā)泡期，蛋糖液體積逐漸增大，干性發(fā)泡期后再繼續(xù)攪打，到干泡沫期，雞蛋液有所塌陷，蛋糖液體積有所減小，從而使蛋糕體積減小。另一方面，蛋糖液攪打初期泡沫由大而粗糙的形式逐漸變得小而細(xì)膩，在此過程中蛋糕體積指數(shù)不斷變大。另外，米粉糊在攪打初期形成的氣泡較大，在焙烤過程中大氣泡快速合并，氣泡數(shù)減少，從而蛋糕體積指數(shù)較小。

利用Design Expert.V 8.0.6軟件處理試驗數(shù)據(jù)確定糯米粉添加量、水添加量及蛋糖攪打時間，最佳點的確定是在最小米粉糊密度、最大蛋糕彈性、最大蛋糕體積指數(shù)的條件下，最優(yōu)值分別為糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖攪打時間10 min。在此條件下，響應(yīng)值的預(yù)測值分別是米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕彈性0.90，體積指數(shù)12.52 cm。在最優(yōu)配方及工藝的條件下，驗證試驗結(jié)論為米粉糊密度0.56 g/mL，蛋糕彈性0.91，蛋糕體積指數(shù)12.52 cm。試驗結(jié)果較穩(wěn)定，有較好的重現(xiàn)性，證實響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗配方及工藝結(jié)果可靠。

圖6 水添加量及蛋糖攪打時間對蛋糕體積指數(shù)的影響

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕技術(shù)條件，試驗發(fā)現(xiàn)糯米粉添加量、水添加量和蛋糖攪打時間都會顯著影響蛋糕體積指數(shù)。其中，糯米粉添加量與米粉糊密度呈正相關(guān)，與蛋糕彈性和體積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)；水添加量與蛋糕體積指數(shù)呈正相關(guān)，對米粉糊密度、蛋糕彈性影響不顯著；蛋糖攪打時間與米粉糊密度、蛋糕體積指數(shù)呈正相關(guān)，對蛋糕彈性影響不顯著。響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗獲得的最佳工藝條件是糯米粉添加量5%，水添加量22.03%，蛋糖攪打時間10 min；此時各響應(yīng)值的預(yù)測值分別是米粉糊密度0.58 g/mL，蛋糕彈性0.90，蛋糕體積指數(shù)12.52 cm。結(jié)果表明，響應(yīng)曲面法優(yōu)化無谷蛋白米粉海綿蛋糕配方及工藝結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以為無谷蛋白米粉海綿蛋糕的研究和生產(chǎn)提供參考。

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Optimization of Sponge Cakes of Gluten-free of Rice Flour by Response Surface Methodology

LIU Linlin，SUN Bingyu，WANG Lichao，LV Mingshou，ZHANG Guang，CHEN Fenglian，*SHI Yan'guo
（College of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China）

The impact of gluten-free bakery products has caused more and more attention.In making sponge cake，gluten network formation is not essential and it is the major cause of allergies for the gluten sensitivity，therefore gluten-free of rice flour can be used instead of wheat flour.A certain amount of glutinous rice flour is used to improve properties of rice flour and the effect of sponge cake texture forming.Response surface methodology is used to optimize the formulation of gluten-free rice sponge cakes.The independent variables are glutinous rice flour content，water content and eggs-sugar string time.The quality factors evaluated are paste density，springing of the crumb and volume index.The optimal result is 5%glutinous rice flour，22.03%water and eggs-sugar string time for 10 minutes.Under these conditions，the cake paste density is 0.58 g/mL，springing of the crumb is 0.90 and volume index is 12.52 cm.

response surface methodology；gluten-free；sponge cake；rice flour；glutinous rice flour

TS213.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.034

1671-9646（2017）05b-0021-04

2017-04-15

2014年黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃課題“稻米食品加工關(guān)鍵技術(shù)研究”（GA14B201）。

劉琳琳（1986—），女，在讀博士，研究方向為大豆、谷物化學(xué)與加工機理。

*通訊作者：石彥國（1960—），男，碩士，教授，研究方向為谷物與大豆化學(xué)及加工原理。