基于响应面设计的黄精代餐饼干工艺配方优化研究

柯俊涛，王孟娇，郭可依，李晓红,2,*

（1.安徽师范大学生命科学学院，安徽 芜湖 241000；
2.安徽师范大学重要生物资源保护与利用研究安徽省省级重点实验室，安徽 芜湖 241000）

黄精为百合科（Liliaceae）重要的药食同源植物，主要包括多花黄精（Polygonatum cyrtonema Hua）、黄精（Polygonatum sibiricum Delar.ex Redoute）和滇黄精（Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl）等，因其地下根状茎具有丰富的药用价值而多被开采利用。黄精的应用由来已久，早在公元前一世纪左右，《神农本草经》记载中就将之列为上品。黄精不仅能补气养阴、健脾、润肺、益肾，还被广泛用于治疗脾胃气虚、体倦乏力、胃阴不足、口干食少、肺虚燥咳、劳嗽咯血、精血不足、腰膝酸软、须发早白、内热消渴等症状[1]。此外，黄精在调节免疫功能、调节血糖、抗菌消炎以及抗肿瘤方面的药用价值也十分显著[2]。近些年，一些研究学者开始关注黄精的活性成分与美容效果的关系，主要包括抗衰老、抗菌、美白、保湿等作用[3]。除了传统上人们对黄精的认知，现代许多研究发现，黄精含有多种天然活性成分，比如多糖类、甾体皂苷类、三萜类、生物碱类、黄酮类、植物甾醇类化合物及挥发油等[4-7]，因此黄精沿用至今仍被认为具有良好的应用潜力和开发前景。此外，现代研究还表明，黄精提取物具有各项生理功能，如降血脂[8]、防治糖尿病[9]、抗氧化[10]、抗癌[11]等。目前，人们面临超重与肥胖的风险，并且肥胖症、糖尿病、高血糖和高血脂等疾病在年轻群体中也越来越常见，因此，控制食物的血糖反应，在控制能量的基础上提高食物的饱腹感，受到大众和研究人员的关注[12]，人们对具有相关功能食品的需求和期待日益增高。近年来，黄精产品的开发主要体现在黄精功能饮料[13]、黄精酒[14]、黄精酸奶[15]等多种形式上。

本研究拟选用九华山“九蒸九晒”中药黄精作为主要材料，以传统饼干的制作工艺为基础，加入对人体有所裨益、能降低肥胖及高血糖风险且具有甜味的赤藓糖醇以及给人体带来饱腹感的粗粮和奇亚籽成分，不仅能够赋予传统中草药新的生命力和活力，也能在一定程度上克服饼干自身存在的糖分和油脂含量高的局限，更能满足消费人群对于健康的需求。同时，探究黄精、玉米油、赤藓糖醇添加量对黄精代餐饼干感官品质的影响，最后通过响应面法优化工艺配方，开发出一款新产品，以期为该类代餐食品在开发及应用方面提供参考价值，提升中草药黄精的附加值。

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

市售低筋面粉，益海嘉里食品工业有限公司；
绿豆粉、红豆粉、黄豆粉、燕麦粉，均购于菏泽高新区家田粗粮铺；
脱脂奶粉，新西兰恒天然合作社集团有限公司；
精磨黄精粉，青阳县禅悦食品工贸有限公司；
奇亚籽，安徽省沂泽生物科技有限公司；
玉米胚芽油，秦皇岛金海食品工业有限公司；
赤藓糖醇，山东三元生物科技股份有限公司；
甜菊糖苷，万邦化工科技有限公司；
以上材料均为食品级。

1.1.2 仪器与设备

YXDF60 电热食品烤炉，上海一喜食品机械有限公司；
NV622ZH 电子天平，上海衡平仪器仪表厂；
C21-H1202 电磁炉，青岛海尔成套家电服务有限公司；
HM741 和面机，青岛汉尚电器有限公司；
JP08P破壁料理机，浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司；
GZX-GF101-1-BS-Ⅱ电热恒温鼓风干燥箱，上海龙跃仪器设备有限公司；
BCD-535WKZM(E)电冰箱，合肥美的电冰箱有限公司。

1.2 方法

1.2.1 黄精代餐饼干的基本配方

低筋面粉50.0 g，豆类（红豆、绿豆、黄豆）粉末均为5.0 g，燕麦粉5.0 g，脱脂乳粉5.0 g，奇亚籽2.0 g，甜菊糖苷0.2 g，黄精粉、玉米胚芽油、赤藓糖醇均为变量。

1.2.2 工艺流程

预处理→原料称量→面团调制→和面→模具成型→烘焙→冷却→包装→成品

1.2.3 操作要点

1.2.3.1 预处理

将试验用具（不锈钢盆等）经沸水消杀后置于鼓风干燥箱中50 ℃干燥0.5 h 后使用。

1.2.3.2 面团调制

按照上述配方称取低筋面粉，并向其中加入玉米胚芽油与其他原料（红豆粉、黄豆粉、绿豆粉、燕麦粉、脱脂奶粉、奇亚籽），甜菊糖苷及赤藓糖醇使用5.0 mL水溶解后加入其中。

1.2.3.3 和面、成型

将混合粉末置于和面机中搅拌均匀，连续运转10 min 左右，至面团基本成型且具有可塑性。将面团用保鲜膜覆盖，放入冰箱内醒发30 min 以便成型。

1.2.3.4 烘焙

面团使用模具塑型，使其厚薄基本均匀一致后，转移至预热20 min 的烘炉中，参数设置为：面火180 ℃，底火160 ℃，时间20 min。

1.2.3.5 冷却与包装

烘焙结束后冷却，并及时进行包装及密封处理。

1.2.4 黄精代餐饼干配方优化

1.2.4.1 单因素试验设计

根据预试验结果，在色泽、滋味、形状、口感、结构、甜度方面设置感官评分梯度表格，选取黄精粉添加量、玉米胚芽油添加量、赤藓糖醇添加量作为单因素，固定黄精粉添加量3.0 g、玉米胚芽油添加量15.0 g 及赤藓糖醇添加量8.0 g，分别研究黄精粉添加量（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 g）、玉米胚芽油添加量（5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 g）及赤藓糖醇添加量（4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 g）对黄精代餐饼干感官品质的影响。

1.2.4.2 黄精代餐饼干配方响应面优化试验设计

以感官评分为指标，采用Box-Benhnken Design（BBD）在单因素试验基础上，优化黄精代餐饼干配方。表1 为响应面试验因素与水平。

表1 黄精代餐饼干配方BBD 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels of BBD response surface test for polygonatum meal replacement biscuit formula单位：g

1.2.5 感官评定

感官评价参与人员为固定的8 人，根据表2 中的感官评分细则对制得的黄精代餐饼干进行品尝并评分，结果取平均值[16]。

表2 黄精代餐饼干感官评分细则Table 2 Sensory scoring criteria of polygonatum meal replacement biscuit

1.2.6 数据处理

采用Excel 2016 和Design-Expert 10.0.1 软件对数据进行处理分析。

2.1 单因素试验结果

2.1.1 黄精粉添加量的确定

由图1 可知，当黄精粉添加量为4.0 g 时，黄精代餐饼干的感官评分最高，但伴随着黄精添加量的继续增加，感官评分呈下降趋势，分析其原因为：黄精本身具有一定的苦涩口感，当其在饼干中添加量过大时，将会导致产品苦涩味明显，口感下降；
此外，谢晶等[17]研究发现，黄精粉的添加超过一定量时，会影响高筋面粉面筋的形成，使得饼干表面粗糙且不平整，口感韧度不够。因此，选择适宜的黄精添加量为4.0 g。

2.1.2 玉米胚芽油添加量的确定

如图2 所示，玉米胚芽油的最适添加量应控制在15.0 g，该状态下黄精代餐饼干表面有淡黄色光泽且不显油腻，断面结构疏松多孔，气孔体积小并且分布均匀。当玉米胚芽油添加量在15.0 g 以下时，黄精代餐饼干的感官评分随着植物油添加量的增加而升高，主要是因为油的适量添加使得面团黏度适中，易于塑形，持水力增强；
但当玉米胚芽油添加量超过15.0 g时，饼干的感官评分开始呈现下降趋势，主要原因是：油脂分布在淀粉微粒和面筋蛋白周围，会形成一层薄的油膜，限制面团吸水，从而控制面筋的胀润性，油膜的隔离使面筋微粒相互粘合形成面筋网络，从而降低了饼干的抗裂能力，使面团黏性差，不容易成型[18]。

2.1.3 赤藓糖醇添加量的确定

由图3 可知，当赤藓糖醇添加量达到10.0 g 时，感官评分达到最佳值，饼干甜度适中，甜味较为接近真实蔗糖的口感，但继续加大添加量则会导致感官评分出现下降趋势。分析其原因为：添加赤藓糖醇会赋予饼干香甜的口感，且随其添加量的增加（低于10.0 g），感官评定人员更容易接受；
但当糖醇添加量过高，导致其本身带有的苦涩口感放大，给饼干带来较强烈的苦齁味。因此赤藓糖醇添加量以10.0 g 为宜。

图3 赤藓糖醇添加量对黄精代餐饼干感官评分的影响Fig.3 Effects of meso-erythritol addition on sensory score of polygonatum meal replacement biscuit

2.2 响应面法优化黄精代餐饼干配方结果

2.2.1 响应面试验结果

根据单因素试验结果，确定3 个试验因素分别为黄精粉、玉米胚芽油以及赤藓糖醇添加量。根据Box-Beheken 试验设计方案，采用三因素三水平响应面分析，试验设计及结果如表3 所示，方差分析见表4。

应用Design-Expert 10.0.1 软件对表3 中的数据进行多项拟合，得到感官评分Y 与黄精粉添加量（A）、玉米胚芽油添加量（B）及赤藓糖醇添加量（C）的二元多次回归模型为：

表3 响应面优化试验设计与结果Table 3 Design and results of response surface optimization test

Y=85.20+5.29A+4.07B+9.39C-2.96AB+2.37AC-8.48BC-6.68A2-7.23B2-17.82C2

表4 方差分析结果表明：该模型P＜0.01，回归模型极显著，说明其与实际情况吻合，可反映综合评分与各因素之间的关系；
失拟项（P=0.436 1）不显著，表明方程用于黄精代餐饼干配方优化的效果理想；
一次项A、B、C，交互项BC，以及二次项A2、B2、C2对黄精代餐饼干感官评分有极显著影响（P＜0.01）。

表4 Box-Behnken 试验结果方差分析Table 4 Analysis of variance of Box-Behnken test result

2.2.2 各因素交互作用分析

为验证方差分析结果，对响应面图和等高线图进行分析，曲面的陡峭程度反映对感官评分的影响程度，曲面越陡，说明影响越大；
而等高线反映了各因素交互作用的大小，椭圆表示作用显著[19]。如图4 所示。黄精粉和玉米胚芽油添加量交互作用的响应曲面坡度较陡峭，其等高线呈椭圆形，表明黄精粉和玉米胚芽油两者交互作用较明显；
黄精粉与赤藓糖醇添加量的响应曲面坡度明显，其等高线呈椭圆形，表明赤藓糖醇和黄精粉添加量的交互作用非常明显；
赤藓糖醇与玉米油胚芽添加量的响应曲面坡度较明显，其等高线呈扁平椭圆形，则表明赤藓糖醇与玉米胚芽油两者交互作用极显著（P＜0.01）。

图4 各因素之间的交互作用对黄精代餐饼干感官评分影响的响应面图和等高线图Fig.4 Response surface and contour maps of effects of various factors interaction on sensory scores of polygonatum meal replacement biscuit

2.2.4 验证试验

采用Design-Expert 10.0.1 软件对二次多项式回归方程进行计算，最终确定黄精代餐饼干的最佳配方为：黄精粉添加量为4.50 g，玉米胚芽油添加量15.68 g，赤藓糖醇添加量10.25 g。

根据实际应用条件，将参数进行调整后的最佳配方为：黄精粉添加量4.5 g，玉米胚芽油添加量16.0 g，赤藓糖醇添加量10.0 g，并进行验证试验，3 组感官评定所得平均分为86.50 分，与预测值87.45 分误差极小，说明该模型能很好地拟合黄精代餐饼干的配方。

选取黄精粉、玉米胚芽油、赤藓糖醇三者的添加量作为变量，经单因素与响应面试验，在原基本配方的基础上，最终确定了黄精代餐饼干的最佳配方为：低筋面粉50.0 g，红豆粉5.0 g，绿豆粉5.0 g，黄豆粉5.0 g，脱脂乳粉5.0 g，奇亚籽2.0 g，甜菊糖苷0.2 g，黄精粉4.5 g，玉米胚芽油16.0 g，赤藓糖醇10.0 g。该配方制得的产品口感适宜，味道浓厚，营养丰富，食用后饱腹感较强。

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