模糊評判響應面法優化無糖明日葉曲奇配方

許 蓓,龔盛祥,王正武

(上海交通大學農業與生物學院,上海 200240)

明日葉(AngelicakeiskeiKoidzumi)是一種芹菜科多年生植物,因今日摘除其葉子,第二天便能長出新葉子而得名“明日葉”。明日葉主要的功能性成分為查耳酮類和香豆素類,其中以查耳酮類黃酮化合物居多。近年已有許多研究表明,明日葉具有抗癌[1-2]、抗糖尿病[3-4]、抗氧化[5-6]、抑菌的作用[7-8],此外明日葉還富含天然有機鍺、膳食纖維等活性成分。明日葉的保健功能與人體健康密切相關,具有廣闊的開發應用潛力。

曲奇餅干是一種以低筋小麥粉、油脂以及糖為主要原材料,經烘焙而成的外形小巧精致、口感香甜酥脆的小食,深受廣大消費者的喜愛[9]。但曲奇因其高糖高熱量的特點,使部分消費者特別是糖尿病患者望而止步,Levin等[10]研究表明,控制熱量的攝入能夠顯著減少重大疾病的發病率和延長壽命。糖醇是一類由糖的還原性羰基加氫生成的多元醇[11],被視為糖的優秀替代品。用糖醇制備的食品被稱作無糖(sugar-free)產品,且已被應用到焙烤產品中。本實驗采用麥芽糖醇代替蔗糖,進行無糖明日葉曲奇的研發。

模糊數學評定法是由Zadeh[12]創建的一種評定方法,通過建立模糊綜合評價的評判因素集、評語集、權重集以及建立矩陣和權重之間的運算,模糊數學評定法將模糊的、定性的指標轉變為清晰的、定量的指標。模糊評判法和響應面分析相結合的方法在優化曲奇配方領域鮮有報道,本實驗將具有降血糖功能的明日葉粉作為輔料,并用麥芽糖醇代替白砂糖,利用模糊評判-響應面法對傳統曲奇餅干配方進行改良優化,以期對明日葉的開發應用提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低筋小麥粉 濰坊風箏面粉有限責任公司;黃油 恒天然有限公司;麥芽糖醇 世紀華名生物科技有限公司;雞蛋 上海地區某超市;明日葉(墨綠色、過80目篩) 南京樂呵呵莊園農業科技有限公司。

FD-B18N-80真空冷凍干燥器 上海勝衛電子科技有限公司;MS105DU分析天平 上海恒勤儀器設備有限公司;YB-1000A多功能粉碎機 永康市速鋒工貿有限公司;Universal TA質構儀 上海騰拔儀器科技有限公司;SM2-901C烤箱 廣州新麥機械設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 明日葉粉的制備 選取適量新鮮明日葉的莖和葉經清洗和脫水后,置于-18 ℃的冰箱預凍,過夜后取出,置于-70 ℃真空冷凍干燥器,待24 h完全干燥后[13],用多功能粉碎機粉碎后過80目篩,密封袋包裝好后置于干燥器中避光保存。

1.2.2 曲奇的制作工藝 稱取一定的黃油置于室溫中軟化,用電動攪拌器攪至順滑,加入一定的麥芽糖醇,使麥芽糖醇與黃油完全融合,分三次倒入一定量已攪拌均勻的全蛋液至順滑、蓬松奶油狀,加入一定的經80目篩分的低筋粉和明日葉粉,攪拌均勻成團后放入模具中,放置于4 ℃冰箱冷凍成型,切成0.8 cm的均勻薄片置于烤盤上,將烤盤放入提前預熱好的烤箱,底火溫度為150 ℃,面火溫度為170 ℃,焙烤時間20 min。將曲奇取出冷卻至室溫后及時包裝,室溫下置于陰涼干燥處保存。

1.2.3 單因素實驗 經預實驗結果確定,低筋小麥粉量以100%計,烘焙溫度和時間固定為:上火170 ℃、下火150 ℃、烘焙20 min。單因素實驗條件為:固定麥芽糖醇添加量40%、全蛋液添加量15%、明日葉粉添加量2.0%,考察不同黃油添加量(40%、50%、60%、70%、80%)對曲奇餅干感官評分的影響;固定黃油添加量60%、全蛋液添加量15%、明日葉粉添加量2.0%,考察不同麥芽糖醇添加量(20%、30%、40%、50%、60%)對曲奇餅干感官評分的影響;固定黃油添加量60%、麥芽糖醇添加量40%、明日葉粉添加量2.0%,考察不同全蛋液添加量(5%、10%、15%、20%、25%)對曲奇餅干感官評分的影響;固定黃油添加量60%、麥芽糖醇添加量40%、全蛋液添加量15%,考察不同明日葉粉添加量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)對曲奇餅干感官評分的影響,分別進行模糊數學感官評定。

1.2.4 響應面實驗 依據單因素實驗的結果,每個因素選取對曲奇餅干感官評分影響較大的三個水平,以感官評分為評價指標,應用Design-Expert軟件的Box-Behnken模塊設計4因素3水平實驗。

表1 無糖明日葉曲奇的響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface experiment for sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

1.2.5 模糊數學-感官評價方法

1.2.5.1 立評判因素合集 選擇無糖明日葉曲奇的色澤、形態、口感、風味作為評判指標,設u1=色澤、u2=形態、u3=口感、u4=風味;組成評判因素集合:U={u1、u2、u3、u4}。

1.2.5.2 建立評語集評語集 由4個反應無糖明日葉曲奇品質的指標組成,由數值和等級結合表示:v1=優、v2=良、v3=中、v4=差;一級:90分,二級:80分,三級:70分;四級:60分;組成評語集合:V={v1、v2、v3、v4}。

1.2.5.3 建立權重集 所謂權重是指一個因素在被評定因素中的影響和所處的地位[14]。在本實驗中x1=色澤、x2=形態、x3=口感、x4=風味,組成權重集:X={x1,x2,x3,x4}。本實驗依據無糖明日葉曲奇的感官評價指標的標準和品評員判定的權重系數得分統計結果,確定色澤、形態、口感、風味的權重系數分別為0.10、0.20、0.35、0.35,即權重集:X={x1、x2、x3、x4}={0.10,0.20,0.35,0.35}。

1.2.5.4 打分評價 參照GB/T 16291.1-2012《感官分析選拔、培訓與管理評價員一般導則》,在上海交通大學農業與生物學院挑選10位品評員(18～45歲,6女4男)進行感官評定實驗,每塊餅干樣品3位隨機編碼,大小相同(40 mm×40 mm),4種樣品同時進行呈送,將樣品置于白色紙盤中,在自然光線中觀察餅干,檢查有無異物,聞其氣味,溫開水漱口后品評其滋味。參考GB 7100-2015《食品安全國家標準餅干》中對餅干的感官要求制定各指標評分參考表,如表2所示,品評員按評語集優(90分)、良(80分)、中(70分)、差(60分)對樣品進行打分。

表2 無糖明日葉曲奇感官評分標準Table 2 Sensory scoring criteria of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

對被評定因素的各分值段打分人數進行匯總,如表3所示(ri1+ri2+ri3+ri4=10,其中i=1、2、3、4):

表3 被評定因素各分值段打分人數匯總Table 3 Summary of the number of scover in divided segments

1.2.5.5 建立綜合評判 對每一個被評定因素建立從U到V的模糊關系評判矩陣運算關系:

綜合評判的結果用Y表示,Y是權重X和模糊矩陣R的合成:

綜合評價得分M=y1×90+y2×80+y3×70+y4×60。

1.2.6 質構品質的測定 以響應面試驗所得最優配方制作麥芽糖醇明日葉曲奇,并控制其余變量不變,以蔗糖取代麥芽糖醇制作蔗糖明日葉曲奇,并對這兩種曲奇的質構進行測定。將烤制完成的曲奇置于室溫下冷卻2 h,采用Universal TA質構儀進行TPA測試分析,探頭型號為P2,測量條件如下:測前速度為2.0 mm/s,測試速度為1.0 mm/s,測后速度為2.0 mm/s,選擇壓縮程度為50%,兩次壓縮間隔為5 s,選擇樣品中心進行測定,進行5次重復實驗,測定的質構指標為硬度、酥脆性、黏聚性、咀嚼性[15]。

1.3 數據處理

每組實驗進行三次重復。模糊數學評定感官得分的數據處理參照1.2.5,實驗結果采用PASW Statistic 18和OriginPro 9.1軟件進行數據分析;響應面實驗設計和結果分析應用Design-Expert 10軟件進行分析。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 黃油添加量對曲奇感官評分的影響 黃油添加量對無糖明日葉曲奇感官評分結果如圖1所示。由圖1可知,無糖明日葉曲奇的感官評分隨黃油的添加量呈現先升高后降低的趨勢,在黃油添加量為60%時,感官評分達到最大值80.11±2.32分,在黃油添加量為80%時,感官評分達到最小值61.84±1.89分。黃油不僅能賦予曲奇奶香風味;而且黃油具有打攪充氣性和疏水性,使曲奇成品酥脆滋潤[16]。因此,黃油添加量過低時,曲奇面團氣泡生成少,面筋形成過多,導致口感干硬、表面無光;當黃油添加量由40%增加到60%時,曲奇的奶香風味和松脆度都隨之升高,感官評分隨黃油添加量而升高,但黃油添加量超過60%時,會出現過油和餅干易碎裂現象,使得感官評分下降。項雷文等[17]在研制花生粕曲奇時也得到相近的結果。因此,本文選取黃油添加量50%、60%、70%進行響應面試驗。

圖1 黃油添加量對無糖明日葉曲奇感官評分的影響Fig.1 Effects of butter addition on sensory score of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

2.1.2 麥芽糖醇添加量對曲奇感官評分的影響 麥芽糖醇添加量對無糖明日葉曲奇感官評分結果的影響如圖2所示。由圖2可知,無糖明日葉曲奇的感官評分隨麥芽糖醇的添加量先升高后降低,當麥芽糖醇添加量為20%時,感官評分最低,為(63.87±1.96)分;在添加量為40%時,感官評分達到最大值(80.37±2.39)分;添加量超過40%時,感官評分逐漸降低。麥芽糖醇在餅干生產中,與蔗糖性質接近,不用改變基于蔗糖的配方工藝[18]。麥芽糖醇在曲奇餅干面團中,除了作為甜味劑提供甜味,還能與水分子、淀粉分子相互作用,有利于減少面筋的形成[19],為曲奇提供松脆的口感。當麥芽糖醇添加量大于40%時,由于曲奇面團中的面筋含量過少,口感過硬,且甜味太重,感官評分降低。王小英等[20]在優化紫薯曲奇配方時,也認為糖粉添加量應為40%～45%。因此本實驗選取麥芽糖醇添加量30%、40%、50%進行響應面試驗。

圖2 麥芽糖醇添加量對無糖明日葉曲奇感官評分的影響Fig.2 Effects of maltitol addition on sensory score of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

2.1.3 蛋液添加量對曲奇感官評分的影響 蛋液添加量對無糖明日葉曲奇感官評分結果的影響如圖3所示。由圖3可知,在5%～25%的蛋液添加量范圍內,無糖明日葉曲奇的感官評分隨蛋液添加量的增大先升高后降低。蛋液添加量為5%時,感官評分最低，為(62.91±1.73)分,在蛋液添加量為15%時,感官評分最高為(79.08±1.92)分。蛋液除了能提供雞蛋特有的香味外,在曲奇體系中還起著乳化和起酥的作用[20],能夠提高曲奇的細膩感和酥松性。當蛋液添加量過低時,蛋液裹挾的氣泡過少,從而使得無糖明日葉曲奇的硬度過大,酥松度較小,口感不佳;當蛋液添加量大于15%,感官評分因蛋腥味過重而降低。王穎周等[21]在研制玉米曲奇配方時也認為,蛋液添加量為15%時感官品質最佳。因此選取蛋液添加量10%、15%、20%進行響應面試驗。

圖3 蛋液添加量對無糖明日葉曲奇感官評分的影響Fig.3 Effects of egg liquid addition on sensory score of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

2.1.4 明日葉粉添加量對曲奇感官評分的影響 明日葉粉添加量對無糖明日葉曲奇感官評分結果的影響如圖4所示。由圖4可知,在明日葉粉添加量1.0%～3.0%的范圍內,無糖明日葉曲奇的感官評分呈現先上升后下降的趨勢,在明日葉粉添加量為2.0%時,感官評分最高為80.16±2.41分,在明日葉粉添加量為3.0%時,感官評分最低為64.43±1.99分。明日葉粉不僅賦予了曲奇餅干天然的綠色色澤,而且提供了特有的明日葉清香,當明日葉粉添加量過低時,色彩稍淡且明日葉風味不突出,當明日葉粉添加過量時,濃重的明日葉中藥味使得風味變差,不被人接受。因此選取明日葉粉添加量1.5%、2.0%、2.5%進行響應面試驗。

圖4 明日葉粉添加量對無糖明日葉曲奇感官評分的影響Fig.4 Effects of powder addition on sensory score of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies

2.2 響應面法優化無糖明日葉曲奇配方

2.2.1 響應面試驗設計及結果 無糖明日葉曲奇配方優化的響應面試驗設計及結果如表4所示,共有29個試驗點。

2.2.2 回歸模型的建立及方差分析 利用Design-Expert 10.0軟件對上表響應面結果進行回歸擬合分析,得無糖明日葉曲奇餅干感官評分Y對自變量黃油(A)、麥芽糖醇(B)、蛋液(C)、明日葉粉(D)四個因素的二次多項回歸模型:Y=81.32-0.33A-1.05B-1.75C-0.47D-1.65AB+0.33AC+0.73AD-0.77BC-0.47BD-0.85CD-4.7A2-0.33B2-2.15C2-1.33D2。

無糖明日葉曲奇配方優化的響應面二次多項式回歸方程的方差分析結果如表5所示。由表5可知,本實驗模型的p<0.01,極顯著,表明該模型具有統計學意義;失擬項表示模型與實驗結果的擬合程度,p=0.0554>0.005,表示無失擬因素存在,未知因素對本實驗結果影響很小,可用該回歸方程代替真實點對實驗結果進行分析;決定系數R2=0.9165,決定系數越接近1,表明該實驗模型擬合度越好。綜上,該模型能較好地擬合、分析無糖明日葉曲奇配方優化實驗,可合理正確地預測黃油(A)、麥芽糖醇(B)、蛋液(C)、明日葉粉(D)的最佳添加量。一次項麥芽糖醇添加量(B)對感官評分有顯著影響(p<0.05),蛋液添加量(C)對感官評定有極顯著影響(p<0.01),一次項對感官評定結果的影響大小依次為C>B>D>A。二次項A2、B2、C2對感官評分有極顯著影響(p<0.01),二次項D2和交互項AB對感官評分有顯著影響(p<0.05)。

表5 回歸方程方差分析Table 5 Variance analysis of regression equation

2.2.3 響應面分析及最優配方預測 通過Design-Expert 10.0軟件的Model Graphs模塊,固定黃油(A)、麥芽糖醇(B)、蛋液(C)、明日葉粉(D)其中的兩個因素為0水平,可得另外兩個因素的交互作用對感官評分的影響,通過響應曲面圖及其投影而成的等高線圖更加直觀地表現出來,結果如圖5顯示。通過三維曲面圖,觀察曲面的傾斜程度可確定兩因素對感官評分結果的影響顯著程度,傾斜程度越大,即坡度越陡,影響越顯著;傾斜程度越小,即坡度越平緩,影響越不顯著[22]。等高線的形狀和密集程度也可反應交互作用的強弱,等高線越接近圓形表明交互作用越不顯著,橢圓形則表明交互作用顯著;等高線越密集表明交互作用越不顯著,等高線越稀疏表明交互作用越顯著。

由圖5所示,AB兩因素的響應面三維圖的傾斜程度最大,CD兩因素的響應面三維圖的傾斜程度次之,表明黃油添加量和麥芽糖醇添加量、蛋液添加量和明日葉粉添加量之間的交互作用比較明顯,與方差分析結果一致。AB兩因素的響應面圖所示為固定蛋液添加量和明日葉粉添加量不變時,黃油添加量和麥芽糖醇添加量對感官評分的影響和兩者之間的交互作用。感官評分隨麥芽糖醇和黃油添加量的增大呈現先升高后下降的趨勢,且麥芽糖醇添加量的上升幅度大于黃油添加量的上升幅度,說明麥芽糖醇的添加量對感官評分的影響比較大。CD兩因素的響應面所示為固定黃油添加量和麥芽糖醇添加量不變時,蛋液和明日葉粉添加量對感官評分的影響和兩者之間的交互作用。無糖明日葉曲奇的感官評分隨蛋液和明日葉粉添加量的增大先上升后下降,且蛋液添加量的上升幅度明顯大于黃油添加量的上升幅度,即蛋液添加量無糖明日葉曲奇的影響較大。綜合響應面三維圖可以看出,兩因素交互作用的影響顯著性由大到小為:AB>CD>BC>AD>BD>AC,與表5方差分析結果一致。

圖5 兩因素的交互作用對感官評分影響的響應面圖Fig.5 Response surface of interaction between two factors on sensory scores

2.2.4 驗證實驗 由2.2.2節所得二次多項式回歸模型分析可預測黃油(A)、麥芽糖醇(B)、蛋液(C)、明日葉粉(D)四因素的最佳添加量和最優感官評分分別為:黃油添加量71.29%,麥芽糖醇添加量38.53%,蛋液添加量13.15%,明日葉粉添加量2.00%,此時感官評分預測值Y=(81.61±2.35)分。為適應實際操作,將實驗條件定為選取低筋面粉100 g、黃油71.3 g、麥芽糖醇38.5 g、蛋液13.2 g、明日葉粉2.0 g,按照1.2.2方法制作無糖明日葉曲奇,所得產品色澤均勻,表面呈黃綠色,具有明日葉的清香,組織結構細膩,酥脆可口,清甜不膩。采用模糊數學-感官評價法所得感官評分結果為(81.92±2.14)分,與預測值基本一致,表明所建數學模型預測性佳,可靠性高,可代替真實點進行試驗預測,具有一定的實用價值。

2.3 無糖明日葉曲奇的質構品質

測定結果如表6所示,無糖明日葉曲奇的硬度略高,但與蔗糖明日葉曲奇無顯著差異。硬度是使曲奇達到一定變形所需的力,是評價曲奇質地的主要指標,麥芽糖醇代替蔗糖對曲奇硬度的影響不大。無糖明日葉曲奇的酥脆性與蔗糖明日葉曲奇相比提高6.88%(p<0.05)。酥脆性體現的是致使樣品破碎的力,表明無糖明日葉曲奇的酥脆口感要優于蔗糖明日葉曲奇。蔗糖明日葉曲奇和無糖明日葉曲奇的黏聚性都比較小,但后者與前者相比,黏聚性提高了16.67%(p<0.05)。黏聚性表示測試樣品經過第一次壓縮變形后所表現出來的對第二次壓縮的相對抵抗能力,這表明無糖明日葉曲奇在抵抗受損時使之保持完整的性能要優于蔗糖明日葉曲奇,有利于在生產運輸過程中保持產品的完整性。無糖明日葉曲奇的咀嚼性與蔗糖明日葉曲奇相比有了很大程度的降低,降低幅度達65.60%(p<0.05)。咀嚼性用于描述將固體食品咀嚼到可吞咽時需做的功,這表明無糖明日葉曲奇的韌性較小,更容易被嚼碎?？傮w來看,無糖明日葉曲奇的質構品質優于蔗糖明日葉曲奇,Olinger等[23]研究了用麥芽糖醇替代蔗糖后曲奇感官、結構的變化,也得到了相似的結果,麥芽糖醇曲奇的硬度類似于蔗糖曲奇,但口感更松脆、風味更佳。

表6 無糖明日葉曲奇和蔗糖明日葉曲奇的質構差異Table 6 Texture differences of sugar-free Angelica keiskei Koidzumi cookies and sucrose Angelica keiskei Koidzumi cookies

3 結論

本實驗通過模糊評判法對感官進行評定,以模糊感官評分為響應值設計無糖明日葉曲奇的最佳配方。利用Box-Behnken建立二次多項式模型,該實驗模型擬合度好。各因素對無糖明日葉曲奇感官評分的影響由大到小為:蛋液添加量>麥芽糖醇添加量>明日葉粉添加量>黃油添加量。最佳配方:以低筋小麥粉添加量100.0 g為計,黃油添加量為71.3 g,麥芽糖醇添加量為38.5 g,蛋液添加量為13.2 g,明日葉粉添加量為2.0 g。所得產品色澤均勻,表面呈黃綠色,外形完整形態一致,清甜不膩,酥脆可口,具有明日葉特殊香味,采用模糊評判-感官評價法所得感官評分結果為(81.92±2.14)分,與預測值基本一致,用最佳配方制備的無糖明日葉曲奇與蔗糖明日葉曲奇相比具有更佳的質構品質,模糊評判-響應面法用于優化曲奇餅干配方切實可行。