響應(yīng)面法優(yōu)化即食燕麥粥配方工藝

張園園，霍瑞，喬健敏，王莉梅，李星云，康連和*

內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院（呼和浩特 010031）

燕麥?zhǔn)俏覈匾奶厣r(nóng)作物之一，也是世界及我國第六大糧食作物[1-2]。燕麥的營養(yǎng)較為豐富，其氨基酸組成更為合理，必需氨基酸占總氨基酸含量的33.14%，燕麥中的賴氨酸含量較多，是玉米、大米和小麥等農(nóng)作物的2倍以上[3]。燕麥中脂肪含量高于其他谷物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占6%～11%，主要分布在燕麥的胚乳中，并且多為不飽和脂肪酸，相對(duì)總含量在80%左右[4-5]。燕麥中的膳食纖維含量較多，其中可溶性膳食纖維含量較高，尤其以獨(dú)有的β-葡聚糖而被人熟知，具有減少高脂血癥患者血液中脂肪含量、促進(jìn)膽固醇排出并改善脂質(zhì)代謝紊亂的作用。

粥是中國的傳統(tǒng)美食，具有食用方便、易消化吸收和輔助保健等作用，是嬰幼兒、老年人和病人的理想輔食。近年來，粥的研究熱點(diǎn)聚集在即食性和營養(yǎng)性兩方面。即食粥是由一種或多種原輔料按照不同比例及工藝調(diào)配而成的灌裝類產(chǎn)品，原料多為谷物雜糧。市面上的粥往往存在同質(zhì)化嚴(yán)重和高血糖響應(yīng)的問題，進(jìn)而忽略粥可用材料的多樣性和對(duì)應(yīng)的益生特性。試驗(yàn)以燕麥、藜麥等為主要原料進(jìn)行復(fù)配，通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化配方，在即食粥中添加幾種原輔料以豐富產(chǎn)品的微量營養(yǎng)素，并改善粥體的穩(wěn)定性，也具有促進(jìn)食欲的色澤和較好的谷物風(fēng)味品質(zhì)，符合健康速食的理念，為復(fù)配谷物在即食食品方面的開發(fā)和利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

裸燕麥籽粒（內(nèi)蒙古西貝匯通農(nóng)業(yè)科技有限公司）；糯米、花生、紅蕓豆（市售）；藜麥（內(nèi)蒙古谷農(nóng)農(nóng)牧業(yè)有限公司）；菊粉、木糖醇（江蘇瑞多生物工程有限公司）；黃原膠、D-異抗壞血酸鈉、蔗糖酯（均為食品級(jí)，南通英瑞達(dá)生物科技有限公司）。

濃硫酸、氫氧化鈉、無水乙醚、無水乙醇等（均為分析純）。

1.2 儀器與設(shè)備

SX-500型高壓蒸汽滅菌鍋（日本Tomy Digital Biology公司）；K35FK602型電烤箱（浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司）；SZC-C型脂肪測(cè)定儀（上海纖檢儀器有限公司）；UV2300Ⅱ雙光束紫外可見分光光度計(jì)（上海天美科學(xué)儀器有限公司）；PEN3型便攜式電子鼻傳感器（德國Airsense公司）；PB-10型賽多利斯pH計(jì)（上海奧豪斯儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

裸燕麥籽?！s、清洗→烘烤→添加輔料（糯米、藜麥、花生、紅蕓豆和菊粉）→混合水和添加劑（木糖醇、黃原膠、蔗糖酯和D-異抗壞血酸鈉）→灌裝、壓蓋→殺菌→冷卻→成品

1.3.2 操作要點(diǎn)

原料篩選：燕麥、糯米、藜麥等原料，要求顆粒飽滿、無蟲害、無霉變，去除土塊和沙石等雜質(zhì)。

原料預(yù)處理：主料燕麥、藜麥、糯米，用清水洗凈，撈出、瀝干，備用；輔料紅蕓豆、花生，用清水洗凈，瀝干，備用。

烘烤燕麥米：裸燕麥籽粒經(jīng)過清水潤洗至水分20%，在170 ℃電烤箱中烘烤一定時(shí)間。

灌裝、壓蓋：將不同原料按一定比例稱量后，放入馬口鐵罐中，將一定比例的水與添加劑先混合均勻，灌入馬口鐵罐中。使用壓蓋機(jī)進(jìn)行壓蓋。

殺菌：121 ℃，25 min。

冷卻：放在室溫條件下自然冷卻，24 h后進(jìn)行感官評(píng)定。

1.3.3 燕麥籽粒烘烤時(shí)間

研究燕麥籽粒烘烤5，10，15，20和25 min時(shí)，對(duì)即食燕麥粥的影響。

1.3.4 配方優(yōu)化單因素試驗(yàn)

裸燕麥籽粒經(jīng)過清水潤洗至水分20%，在170 ℃電烤箱中烘烤20 min。物料按20 g計(jì)，固定裸燕麥籽粒添加量50%、糯米添加量15%、藜麥添加量15%、剩余物料花生、紅蕓豆、菊粉質(zhì)量比1∶1∶1、料液比1∶7（g/mL），燕麥粥總體按160 g計(jì)，添加2.4%木糖醇、0.3%黃原膠、0.12%蔗糖酯和0.05% D-異抗壞血酸鈉。選取裸燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比4個(gè)因素，保持其中3個(gè)因素固定不變，對(duì)1個(gè)變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)以確定響應(yīng)面優(yōu)化自變量。單因素試驗(yàn)中各因素的水平分別為：裸燕麥籽粒添加量40%，45%，50%，55%和60%；藜麥添加量5%，10%，15%，20%和25%；木糖醇添加量2%，2.2%，2.4%，2.6%和2.8%；料液比1∶6，1∶6.5，1∶7，1∶7.5和1∶8（g/mL）。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以燕麥添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比4個(gè)因素為自變量，以感官評(píng)分為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，確定即食燕麥粥的最佳配方工藝，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.3.6 感官評(píng)分表

加工好的燕麥粥常溫放置24 h后，邀請(qǐng)10名經(jīng)過培訓(xùn)的食品相關(guān)專業(yè)人員參考即食粥燕麥感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表1）進(jìn)行感官評(píng)定。

表1 即食粥燕麥感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.7 基本營養(yǎng)成分和理化指標(biāo)的測(cè)定

利用均質(zhì)機(jī)對(duì)成品處理后樣液的基本營養(yǎng)成分和理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定（脂肪、蛋白質(zhì)、膳食纖維、固形物含量和pH等）。

粗脂肪含量的測(cè)定參考GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》中的索氏抽提法；粗蛋白含量的測(cè)定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中的凱氏定氮法；膳食纖維含量的測(cè)定參考GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》中的酶重量法；固形物含量和pH的測(cè)定參考GB/T 10786—2006《罐頭食品檢驗(yàn)方法》；可溶性固形物含量的測(cè)定參考GB/T 10786—2006《罐頭食品檢驗(yàn)方法》中的折光計(jì)法。

1.3.8 電子鼻測(cè)定

參照孫學(xué)穎等[6]的方法略作修改。稱取3 g已混勻的樣品溶液放入10 mL頂空瓶中，于80 ℃水浴20 min后取出靜置平衡5 min，在室溫環(huán)境下用PEN3型便攜式電子鼻傳感器對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。電子鼻條件：初始進(jìn)樣流量300 μL/min，取樣間隔時(shí)間1 s，清洗時(shí)間120 s，檢測(cè)時(shí)間120 s，零點(diǎn)修剪時(shí)間1 s，每組樣品做3次平行重復(fù)。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果計(jì)算表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；采用Origin 2018軟件繪制圖表，采用Design-Expert 13.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥籽粒烘烤時(shí)間對(duì)燕麥粥感官品質(zhì)的影響

適當(dāng)?shù)暮婵臼寡帑溨械矸酆⒃诶匣A段與其他物質(zhì)發(fā)生物理交聯(lián)，食用可使血糖緩慢升高，避免快消化產(chǎn)生的血糖效應(yīng)。烘烤后的燕麥發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生宜人的風(fēng)味和色澤，烘焙時(shí)間對(duì)裸燕麥粥的感官評(píng)價(jià)影響如圖1所示。

圖1 燕麥籽粒烘烤時(shí)間對(duì)燕麥粥感官評(píng)價(jià)的影響

隨著燕麥籽粒烘焙時(shí)間的增加，燕麥粥的感官評(píng)分先增大后減小，烘烤20 min時(shí)達(dá)到最大值，為84分。這是因?yàn)楹婵緶囟冗^低或過高會(huì)使燕麥籽粒熟化度不足或者糊化過度，影響產(chǎn)品色澤和口感，營養(yǎng)成分也未完整保留[7]，因此選擇20 min為最佳烘烤時(shí)間。

2.2 原料配比的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 燕麥籽粒添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

由圖2可知，隨著燕麥籽粒添加量的增加，燕麥粥的感官評(píng)分先上升后下降，燕麥籽粒添加量50%時(shí)感官評(píng)分達(dá)到最大。燕麥為粥中最主要原料，提供較高的營養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特的勁道口感，并且燕麥中的水溶性膳食纖維可以增加粥體溶液的穩(wěn)定性，但添加過量的燕麥會(huì)使口感單一，并且使粥的黏稠度過高，因此燕麥籽粒最適添加量為50%。

圖2 燕麥籽粒添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

2.2.2 木糖醇添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

由圖3可知，隨著木糖醇添加量的增加，燕麥粥的感官評(píng)分先上升后下降，木糖醇添加量2.4%時(shí)感官評(píng)分達(dá)到最大。木糖醇是一種低熱量的甜味替代劑，大量研究證實(shí)其安全性和益處，具有抗高血糖、緩解便秘和調(diào)節(jié)免疫等作用，并可通過被結(jié)腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸鹽[8]，但過量的木糖醇不僅導(dǎo)致甜度過高，同時(shí)也會(huì)使內(nèi)分泌系統(tǒng)出現(xiàn)代謝紊亂的現(xiàn)象。因此木糖醇最適添加量為2.4%。

圖3 木糖醇添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

2.2.3 藜麥添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

藜麥中富含人體所需的9種必需氨基酸和賴氨酸，脂肪中不飽和脂肪酸占80%左右，同時(shí)，藜麥中豐富的皂苷、黃酮類物質(zhì)、多酚和植物甾醇等具有多種生物活性，在食療領(lǐng)域發(fā)揮著有益功效[9]。

由圖4可知，隨著藜麥添加量的增加，燕麥粥的感官評(píng)分呈輕微波動(dòng)型，藜麥添加量10%時(shí)感官評(píng)分達(dá)到最大，藜麥具有低熱量、低升糖指數(shù)和無麩質(zhì)等特點(diǎn)，可以改善機(jī)體的酸堿平衡[10]，預(yù)防慢性病的發(fā)生[11]，以感官評(píng)價(jià)為前提，藜麥最適添加量為10%。

圖4 藜麥添加量對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

2.2.4 料液比對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

由圖5可知，隨著料液比中液體占比增大，燕麥粥的感官評(píng)分先上升后下降，料液比1∶7（g/mL）時(shí)感官評(píng)分達(dá)到最大值。較低的液料占比會(huì)使即食燕麥粥的黏稠度增加，并且降低消費(fèi)者的食欲，增加成本；過高的液料占比則會(huì)使即食燕麥粥黏稠度下降變稀，口感及風(fēng)味變淡，營養(yǎng)含量相對(duì)變少，因此最適的料液比為1∶7（g/mL）。

圖5 料液比對(duì)燕麥粥感官評(píng)分的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定最適的燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量以及料液比，因素水平表見表2。采用響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)，以感官評(píng)分為響應(yīng)值，確定最佳工藝配方組合，結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

使用Design-Expert 13.0軟件對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到響應(yīng)值Y（感官評(píng)分）對(duì)影響即食燕麥粥的4個(gè)因素（A燕麥籽粒添加量、B藜麥添加量、C木糖醇添加量、D料液比）的二次多項(xiàng)回歸模型：Y=85.16-1.13A+0.466 7B+0.610 0C-0.049 2D-0.235 0AB-0.060 0AC-0.052 5AD-0.135 0BC+0.650 0BD-0.490 0CD-1.68A2-1.11B2-0.707 8C2-1.13D2。

由表4可知：回歸模型F值為35.94，P值＜0.000 1，表明回歸模型顯著；失擬項(xiàng)P值為0.077 5＞0.05，說明失擬項(xiàng)不顯著，說明該模型與實(shí)際試驗(yàn)有較好的擬合；回歸決定系數(shù)R2=0.972 9，說明有97.29%的響應(yīng)面值符合此模型；校正決定系數(shù)Radj2為0.945 9，說明94.59%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化可用該回歸模型參考。該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，回歸方程可以較好地描述各因素與感官評(píng)分之間的關(guān)系，因此可以利用方程模型對(duì)即食燕麥粥的工藝配方進(jìn)行優(yōu)化。

表4 回歸模擬方差分析

由回歸方程系數(shù)的顯著性表明，4個(gè)因素對(duì)即食燕麥粥感官評(píng)分影響的重要程度為A＞C＞B＞D，即燕麥籽粒添加量＞木糖醇添加量＞藜麥添加量＞料液比，其中燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量對(duì)感官評(píng)分的影響顯著或極顯著（P＜0.05，P＜0.01），料液比對(duì)感官評(píng)分的影響不顯著（P＞0.05），交互項(xiàng)AB、AC、AD、BC對(duì)即食燕麥粥感官評(píng)分的影響不顯著（P＜0.05），交互項(xiàng)BD、CD對(duì)即食燕麥粥感官評(píng)分的影響極顯著（P＜0.01），二次型A2、B2、C2、D2對(duì)即食燕麥粥感官評(píng)分的影響均為極顯著（P＜0.01）。

2.4 各因素的交互作用對(duì)即食燕麥粥感官評(píng)分的影響

由圖6（a）～（c）可知，燕麥籽粒添加量與藜麥添加量、木糖醇添加量、料液比的交互作用曲線彎折程度稍大，等高線呈現(xiàn)近橢圓形。燕麥籽粒添加量的變化對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響大于其他因素的變化對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響，說明燕麥籽粒添加量對(duì)感官評(píng)分的影響較大。

圖6 燕麥籽粒添加量、藜麥添加量、木糖醇添加量和料液比的相互作用對(duì)感官評(píng)分的響應(yīng)面結(jié)果

由圖6（d）可知，藜麥添加量與料液比的交互作用曲線彎折程度較大。由圖6（e）可知，藜麥添加量與木糖醇添加量的交互作用曲線彎折程度較大，等高線呈現(xiàn)圓形，說明藜麥添加量與木糖醇添加量的交互作用不明顯，而與料液比較為明顯。由圖6（f）可知，木糖醇添加量與料液比的交互作用曲線彎折程度大，且等高線為橢圓形，說明木糖醇添加量與料液比這兩因素之間的交互作用較為顯著。木糖醇添加量的變化對(duì)感官評(píng)分的影響大于料液比的變化對(duì)感官評(píng)分的影響，說明在木糖醇添加量與料液比添加量這兩因素中，木糖醇添加量對(duì)感官評(píng)分的影響較大。

綜上所述，在即食燕麥粥配方中，燕麥籽粒添加量與木糖醇添加量是影響即食燕麥粥口感的主要因素。燕麥作為主要原料，為產(chǎn)品提供營養(yǎng)、風(fēng)味以及獨(dú)特筋道的口感[12-13]，燕麥β-葡聚糖的溶解性質(zhì)使成品呈現(xiàn)良好的懸浮穩(wěn)定性[14]；木糖醇作為甜味劑為產(chǎn)品提供甜味，豐富即食燕麥粥的風(fēng)味特征，盡管研究表明長期攝入木糖醇不會(huì)影響人體腸道葡萄糖的吸收[15]，但高劑量甜味替代劑可能引起神經(jīng)激素調(diào)節(jié)能力的損傷[16]。因此需要嚴(yán)格的控制燕麥籽粒的添加量及木糖醇的添加量，以確保即食燕麥粥的口感風(fēng)味及安全性。

2.5 即食燕麥粥配方優(yōu)化

根據(jù)Design-Expert 13.0軟件分析可得即食燕麥粥的最佳工藝配方：燕麥籽粒添加量48.81%、藜麥添加量9.32%、木糖醇添加量2.53%、料液比1∶6.79（g/mL）。在此條件下，所預(yù)測(cè)的產(chǎn)品感官評(píng)分為85.96分。根據(jù)實(shí)際情況，將即食燕麥粥的最優(yōu)配方調(diào)整為燕麥籽粒添加量48.8%、藜麥添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL），所得到的感官評(píng)分為85.59分。

2.6 即食燕麥粥品質(zhì)評(píng)價(jià)

2.6.1 即食燕麥粥的基本營養(yǎng)成分

由表5可知，即食燕麥粥所提供的能量為182 kJ（43.48 kcal），這歸因于合適的料液比以及高膳食纖維含量，可以帶來飽腹感的同時(shí)提供低能量需求[17]。Zhang等[18]探究8種全谷物的體外消化并給出針對(duì)不同人群的膳食建議，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由燕麥、藜麥或蕎麥制成的粥被認(rèn)為比其他粥更健康，因?yàn)樗鼈兊难侵笖?shù)和血糖負(fù)荷較低，可消化蛋白質(zhì)含量和氨基酸生物可及性較高，膳食纖維含量較高（＞12%）。試驗(yàn)加工的即食燕麥粥可為人體提供營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)減少能量攝入。

表6 即食燕麥粥理化指標(biāo)

2.6.2 即食燕麥粥理化指標(biāo)評(píng)價(jià)

通過測(cè)定，即食燕麥粥的固定物含量65%、可溶性固形物含量7.8%、pH 6.5、干燥物含量16.1%。即食燕麥粥理化性質(zhì)符合QB/T 2221—2019《粥類罐頭》濃稠型甜粥罐頭要求。

2.6.3 即食燕麥粥電子鼻分析

W1C、W3C和W5C對(duì)芳香成分敏感[19]，由圖7可知，傳感器對(duì)樣品的響應(yīng)值都比較大，尤其是W1C（對(duì)苯類芳香成分靈敏）和W5C（對(duì)短鏈烷烴芳香成分靈敏），因此最優(yōu)配方制得的即食燕麥粥產(chǎn)品具有較多揮發(fā)性香氣成分，加熱食用可增加風(fēng)味。

圖7 燕麥粥的電子鼻雷達(dá)分析圖譜

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)得到即食燕麥粥優(yōu)化后的條件：燕麥籽粒添加量48.8%、藜麥添加量9%、木糖醇添加量2.5%、料液比1∶6.8（g/mL）。在此條件下，即食粥的感官評(píng)分為85.59分，營養(yǎng)成分和理化指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，膳食纖維含量較高且熱量較低，每100 g即食粥可滿足每天24%的膳食纖維需求，具有營養(yǎng)全面、溶液性質(zhì)穩(wěn)定和良好風(fēng)味的特點(diǎn)。未來在即食燕麥粥相關(guān)領(lǐng)域的研究應(yīng)注重配方與藥食同源原料庫及新食品原料庫的結(jié)合，做到以燕麥為主體，食品輔料替代添加劑并改善粥的穩(wěn)定性，整體產(chǎn)品具備益生特性。試驗(yàn)結(jié)果為健康輔食和速食食品提供參考。