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:

干物质吸水率

(1)

烹调损失率

(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。

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。

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)

其中,

(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:

淀粉水解率

(8)

以淀粉水解率为纵坐标,时间为横坐标绘制样品水解曲线。利用Ct=C∞(1-e-kt)对其进行一级动力学拟合,求得水解180 min后淀粉水解率的平衡值C∞及一级反应动力学常数k值,再由计算水解曲线下面积(area under curve,AUC)[11]。以白面包为对照,计算淀粉水解指数(hydrolysis index,HI),定义白面包HI为100,计算血糖生成指数(expected glycemic index,eGI),如公式(9)、公式(10)所示:

(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]。

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]。

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)。

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]。

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。

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]。

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。

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)。

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。

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。

由表8可知,模型F值为320.99,P<0.000 1,则模型极显著。失拟项F=0.28,P=0.951 8>0.05,说明该回归模型拟合性良好,误差小。回归方程的相关系数R2为0.996 9,校正系数为0.993 8,说明建立的回归模型较好地拟合试验的真实情况,可解释99.38%响应值的变化。信噪比为62.47>4,信号充足。综上所述,可通过此模型对石磨全麦挂面工艺配方进行优化。其中A、B、C、D、AC、A2、B2、C2、D2对综合评分影响极显著,AB、AD、BC、BD、CD对综合评分影响不显著。由F值得出4个因素对综合评分的影响顺序为:A>C>B>D。

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]。

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。

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Recipe optimization of stone-milled whole wheat noodles by response surface design and entropy weight method

CAI Mengdi1, LI Yuhui1, SHEN Chunxia1, XIONG Shuangli2*, LI Feng1, ZHANG Congrong3, XIONG Dequan4, TANG Dan4

1(School of Life Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China) 2(College of Food Science and Technology, Sichuan Tourism University, Chengdu 610100, China)3(Sichuan Fenglaohan Technology Co.Ltd., Mianyang 621000, China)4(Chengdu Wuhou Experimental Middle School, Chengdu 610043, China)

ABSTRACT To improve the quality of stone-milled whole wheat noodles, stone-milled whole wheat flour was used as the main raw material, whole wheat flour particle size, salt addition amount, curing time, and water addition amount were selected as single factors, and the cooking properties, texture properties, and sensory score of noodles were investigated, and the optimal levels of each factor were screened.On the basis of a single-factor test, the cooking loss rate and the sensory score of noodles were used as judgment indicators to optimize the recipe of stone-milled whole wheat noodles by designing a four-factor and three-level test according to the Box-Behnken principle, with the comprehensive score calculated by the entropy weight method as the response value.Results showed that the effect order of the factors on the comprehensive score of stone-milled whole wheat noodles was whole wheat flour particle size>curing time>salt addition amount>water addition amount, and the optimal recipe of noodles was that whole wheat flour particle size was 120 mesh, salt addition amount was 0.85%, curing time was 15 min, and water addition amount was 37.32%.Under the optimal recipe, the cooking loss rate of noodles was (6.31±0.11)%, the sensory score was (92.33±2.52), the dietary fiber content was (10.40±0.22)%, and the glycemic index was (69.37±0.52).

Key words stone milling;whole wheat noodles;recipe optimization;response surface;entropy weight method

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034210

引用格式：蔡梦迪,李玉辉,沈春霞,等.响应曲面设计结合熵权法优化石磨全麦挂面配方[J].食品与发酵工业,2024,50(5):259-266.CAI Mengdi, LI Yuhui, SHEN Chunxia, et al.Recipe optimization of stone-milled whole wheat noodles by response surface design and entropy weight method[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(5):259-266.

第一作者：硕士研究生(熊双丽教授为通信作者,E-mail:xiongshuangli9@163.com)

基金项目：四川旅游学院科研团队项目(21SCTUTY03,20SCTUTY03)

收稿日期：2022-11-04,改回日期：2023-01-02