表1 响应面优化因素与水平表
Table 1 Factors and levels of response surface methodology
水平因素A(马铃薯雪花全粉)/%(质量分数)B(TG酶)/%(质量分数)C(谷朊粉)/%(质量分数)-1200.081.50250.122.01300.162.5
随着消费者生活节奏的不断加快，易于便捷化消费、大规模机械化生产的面包，在我国的需求量逐年增长。据统计，2016年我国面包销售量达223万t，面包替代传统中式早餐的势头明显。低成本、高品质、功能化的面包产品是未来面包市场的常胜军，也成为当前烘焙业界的研究焦点之一。
马铃薯是茄科属一年生草本植物，营养价值丰富，有“地下苹果”、“第二面包”、“蔬菜之王”之称，是人类公认的全营养食品[1]。鲜马铃薯中水分含量高达79.50%[2]，不利于贮藏和运输。因此，马铃薯全粉加工是马铃薯产业链中的主要环节，是马铃薯大规模转化增值的有效途径[3-4]。目前，马铃薯全粉根据工艺可分为雪花全粉和颗粒全粉2种。相对于颗粒全粉，马铃薯雪花全粉生产可操作性强、能耗低、设备简单、周期短、出粉率高而占有很大的市场份额。促进马铃薯雪花全粉在主食品工业中的应用是推进马铃薯主食化、提高全民饮食健康水平的重要举措。但是，马铃薯粉缺乏面筋蛋白，是其在主食加工中广泛应用的限制性因素。
TG酶可以通过催化蛋白质分子内及分子间谷氨酸(谷氨酰胺)与赖氨酸基团之间的交联而强化面筋的网络结构。小麦面粉中麦醇溶蛋白和麦谷蛋白富含谷氨酰胺基，马铃薯粉中蛋白质属于完全蛋白质，其赖氨酸含量显著高于谷物蛋白[5]，均是谷氨酰胺转胺酶的良好底物。本研究将马铃薯雪花全粉与小麦面粉按一定的比例混合，混合粉用于主食面包的制作。通过对面包比容、质地和感官品质的评价，研究不同比例的马铃薯雪花全粉对面包烘焙品质的影响，以及不同比例的谷朊粉、TG酶对马铃薯雪花全粉面包的烘焙品质的改善作用。以期为马铃薯雪花全粉在面包产品中的合理应用提供理论依据，并为主食面包营养功能的改善提供实践指导。
马铃薯雪花片，宣化县汇吃食品经销有限公司；高筋小麦粉，滨州中裕食品有限公司；谷氨酰胺转氨酶，江苏一鸣生物有限公司；谷朊粉，河南万邦实业有限公司；高活性干酵母，安琪酵母伊犁股份有限公司；植物黄油，光明乳业股份有限公司；白砂糖、天然湖盐均为市售。
TMS-CONSOLE物性仪，美国FTC公司产品；SM-523电烤箱，新麦机械(无锡)有限公司；JXFD 7醒发箱，北京东孚久恒仪器技术有限公司；SM-25搅拌机，新麦机械(无锡)有限公司；FA2204B电子天平：上海精科天美科学仪器有限公司；KQ-5200E型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；HJ-500高速中药粉碎机，山东东营弘玖制药机械有限公司。
1.3.1 马铃薯雪花全粉的制备
马铃薯雪花片粉碎，过100目筛，得马铃薯雪花全粉，密封保存备用。
1.3.2 面包的制作
面包制作采用一次发酵法，混合面粉700 g、水420 mL、安琪酵母11.2 g、白砂糖70 g、食用盐3.5 g、植物黄油70 g；原辅料混合搅拌成面团，温度27 ℃、相对湿度75%发酵2 h；整形；温度37 ℃、相对湿度90%醒发1 h；上火190 ℃，下火170 ℃，烘烤15 min，室温冷却1 h、密封待测。
1.3.3 单因素试验设计
以面包比容、质地和感官品质为评价指标，首先考察不同比例的马铃薯雪花全粉对面包烘焙品质的影响，并选择可接受的马铃薯雪花粉最高添加比例为准，考察不同比例的谷朊粉、TG酶对马铃薯雪花粉面包烘焙品质的改善作用。各添加物的水平如下：
马铃薯雪花全粉：0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%(混合粉(小麦粉+马铃薯雪花全粉)为100 g计)；
谷朊粉: 0%、1%、1.5%、2%、2.5% (混合粉(小麦粉+25%马铃薯雪花全粉+谷朊粉)为 100 g计)；
TG酶:0%、0.04%、0.08%、0.12%、0.16% (混合粉(小麦粉+25%马铃薯雪花全粉+TG酶)为100 g计)。
1.3.4 响应面实验设计
在单因素试验的基础上，选取马铃薯雪花全粉、谷朊粉、TG酶等3个因素，以面包综合评分值为响应，根据Box-Behnken试验设计原理，使用Design-Expert 8.0 软件，设计3因素3水平的响应面试验，并进行数据处理和回归分析。试验因素及水平见表1。
表1 响应面优化因素与水平表
Table 1 Factors and levels of response surface methodology
水平因素A(马铃薯雪花全粉)/%(质量分数)B(TG酶)/%(质量分数)C(谷朊粉)/%(质量分数)-1200.081.50250.122.01300.162.5
1.4.1 面包比容测定
面包比容测定参照GB/T14611—2008的方法。将制备好的面包称重，采用菜籽代替法测定面包的体积，面包的体积与质量之比即为面包比容(mL/g)。比容测定时面包体积的平均偏差要小于等于 15 mL。
1.4.2 面包质地测定
1.4.2.1 面包样品的切片方法
用专用面包刀切片，每个面包样品先切去一端厚度为20 mm的面包片，然后切出3片厚度为15 mm的面包片作为面包测试样品。用保鲜膜包住以防水分散失。
1.4.2.2 面包样品质构测定
参照AACC74—09标准测试方法，选用直径为100 mm 的圆柱形平底探头进行面包质构测试。测试探头的测前速度设定为120 mm/min，测后速度设定为120 mm/min， 测定时速度设定为60 mm/min，压缩程度设定为30%[6]。每个样品重复测定10次。
1.4.3 面包感官评价
参考中国农科院《面包烘焙品质评分标准》制定，对冷却1 h的新鲜面包进行感官评定，感官评价人员为20人。分别从表面色泽、外表形态、面包心色泽、面包心纹理结构、弹柔性、口感、风味7个方面进行评分，总分100分。具体感官评定标准如表2所示。
表2 面包感官评定标准
Table 2 Sensory evaluation criteria of bread samples
感官指标分值范围(满分100分)表面色泽10 外表形态10面包心色泽15面包心纹理结构15弹柔性20口感20风味10
1.4.4 面包综合评分
响应面设计试验取面包比容、硬度、弹性、感官评价为测定指标，各指标对面包综合得分的权重比例依次为25%、20%、20%、35%，以面包综合评分为最终的响应值。面包综合评分的计算方式如式(1)：
面包综合评分
(1)
2.1.1 马铃薯雪花全粉添加量对面包比容的影响
比容是衡量面包烘焙品质的最重要的指标。马铃薯雪花全粉对面包比容的影响结果如图1所示。
图1 马铃薯雪花全粉添加量对面包比容的影响
Fig.1 Effect of potato flake powder on the specific volume of bread
注：图中不同小写字母表示差异显著。下同。
由图1可知，起初随着雪花粉添加量逐渐增大，面包比容没有显著变化；当添加量(质量分数)为10%时，面包比容有显著改变(P<0.05)。当添加量(质量分数)超过15%时，面包比容随着添加量增大出现显著(P<0.05)降低。马铃薯雪花全粉生产过程中马铃薯淀粉在淀粉分解酶作用下产生了酵母发酵所需的单糖等底物，因此马铃薯雪花粉的引入会增强酵母的发酵能力，对面包的体积有正面贡献[7]；另一方面，马铃薯雪花全粉的加入会稀释面团中的面筋蛋白，降低面团的强度和持气能力，这对面包的体积有显著的负面影响[8]。起初阶段两者的作用互相抵消，面包体积没有显著变化，但当马铃薯雪花粉添加量达到一定程度，面筋蛋白稀释造成的影响占绝对优势，面包体积显著降低。
2.1.2 马铃薯雪花全粉添加量对面包质地的影响
面包质构特性与面包的烘焙品质息息相关。马铃薯雪花全粉对面包质地的影响结果如表3所示。
表3 马铃薯雪花全粉添加量对面包质构特性的影响
Table 3 Effect of potato flake powder on the texture properties of bread
马铃薯粉添加量(质量分数)/%硬度/N弹性/mm咀嚼性/N015.38±3.23cd5.00±0.32b6.65±1.37d514.05±1.15d5.17±0.22ab6.25±0.54d1014.50±1.06d4.98±0.51b6.74±1.05d1515.52±1.04cd5.36±0.23a7.07±0.38d2016.77±1.04c5.26±0.26ab8.70±1.43c2519.53±1.06b5.42±0.22a10.10±0.74b3021.62±0.70a5.46±0.17a11.11±0.58a
注：每列上角标的不同字母表示样品间差异显著(P<0.05)。
由表3可知，当添加量小于20%左右时，马铃薯雪花全粉的添加对面包的硬度没有显著影响；高于20%的雪花粉的添加使得面包的硬度显著增大。面包的咀嚼性随马铃薯雪花粉添加量的增大的变化趋势与硬度完全一致。马铃薯雪花粉的添加对面包的弹性的影响不显著。这是因为马铃薯雪花全粉具有黏度高、吸水性强的特性[9]，起初阶段补偿了由于面筋网络弱化而导致的面包硬度的增加。
2.1.2 马铃薯雪花全粉添加量对面包感官品质的影响
由图2可以看出，随着马铃薯添加量的增加，面包感官评价逐渐降低。当添加量超过15%时，面包评分出现了显著降低。这是因为马铃薯雪花全粉的大量添加弱化了面筋网络结构。并且马铃薯雪花全粉具有强粘性，会导致面包烘烤后发粘发硬，导致口感降低。
图2 马铃薯雪花全粉添加量对面包感官品质的影响
Fig.2 Effect of potato flake powder on the sensory quality of bread
2.2.1 谷朊粉添加量对面包比容的影响
谷朊粉添加对面包比容影响的实验结果如图3所示。
图3 谷朊粉添加量对面包比容的影响
Fig.3 Effect of vital gluten on the specific volume of bread
由图3可知，起初谷朊粉的添加对面包比容没有显著影响；当谷朊粉添加量超过2.0%时，随着谷朊粉添加量的增大面包的比容呈现显著下降趋势(P<0.05)。这是因为过量的谷朊粉会使面团的刚性增强，降低膨胀能力，导致最终面包体积的下降[10]。
2.2.2 谷朊粉添加量对马铃薯雪花全粉面包质地的影响
由表4可以看出，随着谷朊粉的添加，硬度和咀嚼性都逐渐降低，弹性没有显著变化。
表4 谷朊粉添加量对马铃薯雪花全粉面包质构特性的影响
Table 4 Effect of vital gluten on the texture properties of bread
谷朊粉添加量(质量分数)/%硬度/N弹性/mm咀嚼性/ N019.53±1.46a5.42±0.22a10.10±0.74a117.11±1.66a5.28±0.22a7.89±0.76b1.510.97±0.85c5.08±0.37a4.99±0.81c212.22±0.61bc5.10±0.30a5.80±0.62c2.514.03±1.22b5.24±0.16a6.12±0.86c
注：每列上角标的不同字母表示样品间差异显著(P<0.05)。
这是因为谷朊粉具有独特的黏弹性和持水性[11]，连续蛋白相将CO2和水汽包围，从而使面筋呈海绵状提升了面包的弹性，降低了面包的硬度。并且添加谷朊粉后咀嚼性逐渐降低，咀嚼性越低说明咀嚼时所作的功越小，越容易被咀嚼，口感也越好。所以可以表明谷朊粉对马铃薯雪花全粉面包有改良的效果。
2.2.3 谷朊粉添加量对面包感官品质的影响
由图4可以看出，随着谷朊粉添加量的增加，面包的口感、弹柔性、面包纹理结构、面包心色泽、外表形态都得到了改善，当谷朊粉添加量为2%时，面包总体感官评分最高。
图4 谷朊粉添加量对面包感官品质的影响
Fig.4 Effect of vital gluten on the sensory quality of bread
2.3.1 TG酶添加量对面包比容的影响
TG酶对马铃薯雪花粉面包比容的影响结果如图5所示。
图5 TG酶添加量对比容的影响
Fig.5 Effect of TGase on the specific volume of bread
由图5可知， TG酶的引入显著改善了(P<0.05)面包的比容。但是当TG酶添加量达到0.08% 左右时，继续增大添加量，面包的比容呈现下降趋势。这是因为TG酶促进了面团中蛋白质之间的交联，增强了面团的持气能力，增大了面包的体积，但是随着TG酶添加量的增大，可引起蛋白间的过度交联，增强了面团的刚性，面团膨胀力减弱，面包体积变小[7,12]。当TG酶添加量超过0.12%时，TG酶的增加对面包比容影响不显著。之后随着TG酶增加面包的比容显著下降。
2.3.2 TG酶添加量对面包质地的影响
TG酶对马铃薯雪花全粉面包质地的影响结果如表5所示。由表5可以看出，在添加量低于0.12%时，随着TG酶添加量的增加，面包的硬度和咀嚼性均呈现下降趋势，弹性变化趋势不显著。这是因为TG酶引起的交联可以改变面团的持水性，增加面包蓬松度，因此硬度和咀嚼性下降，但是过度交联会起到反作用，面包硬度和咀嚼性反而增大。
表5 谷氨酰胺转氨酶添加量对马铃薯雪花全粉面包质构特性的影响
Table 5 Effect of transglutaminase on the texture properties of bread
TG酶添加量(质量分数)/%硬度弹性咀嚼性019.53±1.46ab5.42±0.22a10.1±0.74a0.0420.69±1.82a4.87±0.32a9.86±0.93ab0.0817.88±0.77b5.45±0.31a8.85±0.31b0.1213.19±0.55c4.77±0.26b6.45±0.45c0.1615.67±1.92b5.13±0.34a7.43±0.95c
注：每列上角标的不同字母表示样品间差异显著(P<0.05)。
2.3.3 谷氨酰胺转氨酶添加量对面包感官品质的影响
TG酶对马铃薯雪花全粉面包感官品质的影响结果如图6所示。
图6 TG酶添加量对面包感官品质的影响
Fig.6 Effect of transglutamisnase on the sensory quality of bread
由图6可知，TG酶的添加有效的改善了马铃薯面包的面包品质，当添加量为0.12%时，口感最好、面包心纹理结构最均匀。
2.4.1 响应面试验设计方案及结果
响应面试验设计方案与响应值结果如表6所示。
表6 中心组合试验方案及结果
Table 6 Program and results for central composite design
序号ABC响应值10008.964 220-118.332 43-1018.026 740009.002 351018.423 660009.334 271-108.416 280118.626 4910-18.422 310-10-18.366 2110009.216 312-1-108.410 41301-18.763 214-1108.206 3150009.262 4161108.863 4170-1-18.687 1
2.4.2 回归方程的建立与分析
采用Design-Expert 8.0对实验值采取二元回归拟合，得出回归方程为Y=9.16+0.14A+0.077B-0.1C+0.16AB+0.085AC+0.054BC-0.49A2-0.19B2-0.36C2。方差分析和各因素的显著性分析见表7。
表7 响应面回归方程的方差分析表
Table 7 Analysis of variance for regression model
来源平方和自由度均方F值P值Prob > F显著性Model2.3190.26 15.260.000 8∗∗A0.1610.169.270.018 7∗B酶0.04710.0472.800.138 3 C0.08610.0865.120.058 0AB0.1110.116.310.040 2∗AC0.02910.0291.730.230 0BC0.01210.0120.710.428 3 A211159.500.000 1∗∗B20.1610.169.490.017 8∗C20.5410.5432.300.000 7∗∗残差0.1270.017 失拟项0.0133.49E-030.130.937 2 纯误差0.1140.027总和2.4216R20.951 5R2adj0.889 1
注：“**”，差异极显著(P<0.01)，“*”，差异显著(P<0.05)。
由表7可以得出模型的P=0.000 8<0.01，达到极显著水平。而相关系数
表示方程的拟合程度较好，可信度较高；失拟项P=0.937 2>0.05，分析得出该模型失拟不显著，说明该回归方程可以较好地拟合真实的响应面，可用来分析马铃薯雪花全粉面包的品质优化研究。
由表7可知，各因素对马铃薯雪花全粉面包品质影响的先后顺序为马铃薯雪花全粉>谷朊粉>TG酶。A2和C2对马铃薯雪花全粉面包品质影响达到极显著，B2对面包品质影响达到显著所以可判断出马铃薯雪花全粉、谷朊粉和TG酶添加量对马铃薯雪花全粉面包品质优化作用效果显著。
利用Design-Expert 8.0软件对实验数据进行多元回归拟合，通过响应面分析可求得最佳参数以及各参数之间的相互作用。通过软件分析，得到马铃薯雪花全粉-小麦复合粉面包的最佳工艺配方为：马铃薯雪花全粉添加量25.88%、TG酶添加量0.13%和谷朊粉添加量1.95%。考虑到实验可操作性，将优化配方修正为马铃薯雪花全粉添加量26%、TG酶添加量0.13%和谷朊粉添加量2.0%。按此优化配方制作出面包的相应值与预测值基本一致，进一步验证了回归模型的可靠性，可用于指导生产实践。
2.4.3 多因素交互作用分析
由图7可知，响应面3D图直观地展现AB为较为陡峭的曲面，等高线图表现为椭圆状。说明马铃薯雪花全粉和TG酶添加量之间的交互作用对马铃薯雪花全粉面包综合指标有显著影响。
图7 马铃薯雪花全粉和TG酶对综合指标影响的响应面3D图和等高线图
Fig.7 Response surface 3D and contour plot of the influence of potato flake and transglutaminase on the comprehensive index
由图8可知，响应面3D图微微陡峭，等高线趋于圆形。说明马铃薯雪花全粉和谷朊粉添加量之间的交互作用对马铃薯雪花全粉面包综合指标虽然没有显著影响，但也有改善作用。
图8 马铃薯雪花全粉和谷朊粉对综合指标影响的响应面3D图和等高线图
Fig.8 Response surface 3D diagram and contour diagram of the influence of potato flake and vital gluten on the comprehensive index
在小麦粉中添加马铃薯雪花全粉，通过谷朊粉和TG酶的改善作用可以制作主食面包。本实验通过单因素试验和Box-Behnken响应面优化试验确定出最佳配比为：马铃薯粉添加量(质量分数)26%、TG酶添加量(质量分数)0.13%和谷朊粉添加量(质量分数)2.0%。采用优化配方制作出的面包感官评分最高。因此，马铃薯雪花全粉可应用于主食面包的制作，这对于推进马铃薯主食化、提高全民饮食健康水平具有非常重要的意义。
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