基于响应面和主成分分析的速冻微波青稞鱼面品质改良

肖 猛，丁 捷,2，赵雪梅，何江红，黄益前

(1.四川旅游学院，四川 成都 610100；2.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014)

随着社会和经济的发展，生活节奏越来越快，人们对营养健康型方便食品也越来越热衷。微波食品因省时间、经济节能、最大限度保持食品风味和营养而深受消费者欢迎[1]。中国微波食品尚处于起步阶段，具有极大的发展空间。微波速冻食品的研究多以披萨类、春卷类、蛋糕类、调理食品为对象，何江红等[2]研发了一款速冻微波青稞昆虫蛋糕；刘晶晶等[3]针对速冻微波调理食品——调味鱼片的研究取得了成功。戚逸飞等[4]对速冻微波即食素面的制作工艺进行研究，确定了最佳的配方和复热工艺，其成品色泽鲜亮，软硬适中，口感醇厚；戴阳军等[5]研发出了一款微波调理面条——牛乳鱼糜面条，该面条经调味、冷冻后，直接用微波加热即可食用，口感较佳。鱼面是中国南方一种传统淡水鱼糜制品，因其风味独特而深受国内外消费者喜爱，目前对鱼面的研究主要集中在品种创新和工艺优化领域。作者所在项目团队2015-2016年研发了一种速冻青稞鱼面压延工艺和单螺旋挤压工艺[6-7]，利用该工艺生产的产品具有营养全面、口感独特的优点，但其水煮复热易出现断条和混汤现象，若采用微波复热，则不存在上述问题。但微波处理后的面条易出现偏软且弹性下降，黏性增加和咀嚼感差等问题，深究其原因可能是，淀粉分子因水分子重新分布而导致面条老化[8-9]。

近年来，很多国内外研究人员利用改良剂的复配来控制面条老化[10-13]，相比单一改良剂，复配改良剂抗老化效果更显著。研究结果证实，瓜尔胶能与蛋白质发生反应，然后形成致密的网络结构，使面条耐煮[14]；黄原胶也可以同小麦粉中的蛋白质相互作用，使面筋和淀粉颗粒的粘结更加紧密牢固，显著提高面条品质[15]；TG酶可催化小麦粉中的蛋白质分子之间发生交联，将蛋白质分子粘合起来，能够增加面制品韧性，提高面条的档次[16]。而将瓜尔胶、黄原胶和TG酶应用于微波速冻青稞面条类产品质构特性改良的研究较少。

目前产品品质改良和工艺优化已经逐渐从单一指标考察转变为全面反映产品特性的多指标评价。其中多指标响应面优化应用较为广泛，多采用权重法或模糊度综合评价法对多指标进行简化处理，如张越等[17]通过人为确定指标权重系数，对稻谷流化床干燥工艺进行优化；李榕等[18]以模糊感官综合评价结果为响应值研制核桃营养早餐糊。但这些分析方法存在主观性较强的局限性。而主成分分析法能够通过计算各因素贡献度并进行客观赋权，避免了人为因素带来的不能完全反映事物关系的影响，有利于综合评价产品品质。因此，本研究选用响应面-主成分分析法研究黄原胶、瓜尔胶、TG酶对微波熟制速冻青稞鱼面质构特性的影响，筛选出最佳品质改良剂配方，为微波食品的研究开发提供一条新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞品种编号为94-8-10，由四川旅游学院培育，于2016年四川甘孜州农业科学研究所道孚县八美农场收获。家庭多用途麦芯粉由新乡良润全谷物食品有限公司生产，谷朊粉由封丘县华丰粉业有限公司生产，食盐由营口盐业有限责任有限公司生产，食用纯碱、羧甲基纤维素钠(CMC)、复合磷酸盐由郑州特正商贸有限公司生产，瓜尔胶由广饶六合化工有限公司生产，黄原胶由淄博中轩生化有限公司生产，TG酶(谷氨酰胺转氨酶)由江苏一鸣生物股份有限公司生产。

1.2 仪器与设备

HR2356家用智能面条机购买于飞利浦公司，YP-N型电子天平购买于上海精密仪器仪表有限公司，TMS-PRO型高精度专业食品物性分析仪购买于美国FTC公司，实验室磨粉机购买于成都施特威科技发展公司，SF-400型手压封口机购买于沈阳东泰机械制造有限公司，立式RD10急冻柜购买于北京荣港顺华制冷设备有限公司，DS-1高速组织捣碎匀浆机购买于上海标本模型厂，XHF-D高速分散器(内切式匀浆机)购买于宁波新芝生物科技股份有限公司，P80D23N1L-A9格兰仕微波炉购买于佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 速冻微波青稞鱼面的加工工艺 参照文献[4]、[19]、[20]、[21]、[22]方法制作速冻微波青稞鱼面。

1.3.2 试验设计

1.3.2.1 单因素试验 在基础配方的基础上，以混粉总质量为基准，分别研究不同添加量的瓜尔胶(0、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%)、黄原胶(0、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%)、谷氨酰胺转氨酶(TG酶)(0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%)对速冻微波青稞鱼面质构特性(硬度、黏附性、弹性)、感官评分的影响，采用主成分综合评价获得改良效果较佳的品质改良剂添加范围。

1.3.2.2 Box-Benhnken响应面试验 在单因素试验的基础上，以主成分综合得分为考察指标，根据Box-Benhnken试验设计原理[23]，对速冻微波青稞鱼面的品质进行改良，其三因素三水平的响应面试验方法见表1。

表1响应面试验因素水平的编码表

Table1Thecodingtableofresponsesurfacetestfactorlevel

因素代码水平-101瓜尔胶添加量(%)A0.20.30.4黄原胶添加量(%)B00.10.2TG酶添加量(%)C0.020.030.04

代码A、B、C分别代表3个因素(瓜尔胶添加量、黄原胶添加量和TG酶添加量)；表中水平-1表示所筛选因素范围的最低值，0代表中间值，1代表最高值。

1.3.3 面条TPA质构测定 参考Hwayoung等[24]和赵田田等[25]的方法进行样品处理：从面条中心部位切割至检测标准规格，即6 cm。检测方法：采用TMS-Pro物性仪，选用TA/LKB-切刀探头，选择TPA测试程序，在测试速度60 mm/min、形变量60%的条件下，测定面条的质构特性。由于在样本范围内，鱼面的硬度、黏附性越大，其品质越差，但在主成分分析中，指标数值越大，则得分越高，成品鱼面品质越好，因此采用指标M1=A-硬度值，M2=B-黏附性值，其中硬度值、黏附性值的取值范围为 1.34～3.61 N、0.78～13.25 mJ，根据硬度值、黏附性值的取值范围确定A值为5，B值为14。

1.3.4 感官评价 取100 g速冻微波青稞鱼面，加入60 ml纯净水，微波炉输出功率为600 W，加热3 min后捞出待品尝。选择10名感官评定员，对不同处理的样品进行感官评定[20]。感官评价标准见表2。

表2微波速冻青稞鱼面感官评价标准

Table2Sensoryevaluationcriteriaforquick-frozenmicrowavehighlandbarleyfishnoodles

项目 满分评分标准色泽10指面条颜色和亮度,面条白,乳黄色。光亮为8～10分,亮度一般为5～7分,色泽发暗、发灰、亮度差为1～4分表观状态10指面条表面光滑和膨胀度,表面结构细密。表面光滑为7～10分,中间为4～6分,表面粗糙、膨胀、严重变形为1～3分适口性20用力咬掉一根面条需要的力的大小。适中15～20分,稍偏硬或软10～14分,太硬或太软1～9分韧性25指面条在咀嚼时的咬劲和弹力的大小。有咬劲、有弹性21～25分,一般15～20分,咬劲差、弹性弱1～14分黏性25指在咀嚼时面条过程中的粘牙程度。咀嚼时爽口、不粘牙18～25分,较爽口、稍粘牙10～17分,不爽口、较粘牙1～9分光滑性5指在品尝时面条的光滑程度。光滑4～5分,中间2～3分,较差0～1分

1.3.5 主成分综合得分计算 参考李玉龙等[26]的方法，根据主成分贡献度选取主成分数量，根据主成分得分计算各产品综合得分F，计算公式为：F=PC1×F1+PC2×F2+……+PCn×Fn，式中，PC1、PC2、PCn为主成分贡献率，F1、F2、Fn为主成分得分。

1.4 数据分析

采用Excel2010软件进行数据统计，采用SPSS20.0软件进行显著性差异分析，主成分分析采用Origin9.0软件，响应面分析用desgin8.0.6软件。

2 结果与分析

2.1 单一品质改良剂对微波速冻青稞鱼面品质的影响

2.1.1 瓜尔胶添加量对微波速冻青稞鱼面品质的影响 由图1可知，成品面条的弹性随瓜尔胶添加量的增加呈现增大趋势，在0.3%时达到最大值(8.61 mm)；M1随瓜尔胶添加量的增加整体呈现减小的趋势，添加量为0时，M1最大(3.66)；M2随瓜尔胶添加量的增加呈先减小后增大的趋势，在0时达到最大值(13.09)；感官评分随瓜尔胶添加量的增加呈增大趋势，添加量为0.3%时评分最高为84.5，显著高于其他处理组。由表3可知，选取2个主成分即可解释97.56%的信息，主成分综合得分以0.3%水平最高(1.320 2)，而未添加瓜尔胶的空白组和添加量为0.1%的综合得分为负值。综上所述，瓜尔胶较佳添加量范围为 0.2%～0.4%。

2.1.2 黄原胶添加量对微波速冻青稞鱼面品质的影响 由图2可知，随黄原胶添加量的增加，面条的弹性呈现增加趋势，添加量为0.2%时的弹性达到最大值(10.66 mm)；M1随黄原胶添加量的增加呈现先减小后增加的趋势，在添加量为0达到最大值；M2随黄原胶添加量的增加呈现减小的趋势；感官评分随黄原胶添加量的增加呈现先增加后减小的趋势，感官评分在0.1%达到最大值(79.3)。由表4可知，前2个主成分可解释99.29%的信息，0～0.2%水平的主成分综合得分明显高于其他水平。综上所述，黄原胶添加量为 0～0.2%较佳。

图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图1 瓜尔胶添加量对微波速冻青稞鱼面品质的影响Fig.1 Effect of the addition of guar gum on the quality of quick-frozen microwave highland barley fish noodles

表3瓜尔胶单因素试验主成分分析

Table3Resultsofprincipalcomponentanalysisinsingle-factortestofguargum

分量来源 主成分主成分1主成分2主成分3主成分4综合得分添加量0-2.491 70.647 0-0.221 40.021 8-1.606 1添加量0.1%-0.918 0-0.546 50.463 9-0.016 3-0.797 9添加量0.2%0.606 0-1.556 7-0.249 40.013 90.023 0添加量0.3%1.570 20.765 10.049 80.162 21.320 2添加量0.4%1.233 50.691 1-0.042 9-0.181 51.060 8特征值2.851 41.050 90.082 70.015 1贡献率(%)71.2826.272.070.38累计贡献率(%)71.2897.5699.62100.00

图2 黄原胶添加量对微波速冻青稞鱼面品质的影响Fig.2 Effect of the addition of xanthan gum on the quality of quick-frozen microwave highland barley fish noodles

表4黄原胶单因素试验主成分分析

Table4Resultsofprincipalcomponentanalysisinsingle-factortestofxanthangum

分量来源 主成分主成分1主成分2主成分3综合得分添加量02.012 9-0.932 6-0.101 41.437 5添加量0.1%1.905 00.934 40.093 91.706 6添加量0.2%-1.195 20.887 5-0.056 0-0.790 0添加量0.3%-1.467 5-0.196 7-0.178 9-1.215 0添加量0.4%-1.255 1-0.692 60.242 4-1.139 0特征值3.209 60.762 20.028 3贡献率(%)80.2419.050.71累计贡献率(%)80.2499.29100.00

2.1.3TG酶添加量对微波速冻青稞鱼面品质的影响TG酶的加入，可能促进了更多的蛋白质交联形成大蛋白质聚合物，大蛋白质聚合物增多，增强了面条的筋力，从而增加了拉断力[27]。由图3可知，TG酶添加量为 0.03%～0.04%时面条的弹性较佳，与其他处理组差异显著；M1、M2随TG酶的添加呈现波动变化趋势，M1在添加量为0达到最高值，M2在0.02%时达到最高值；感官评分随TG酶添加量增加呈现先增大后减小的趋势，0.03%达到峰值，显著高于空白组。由表5可知，仅需1个主成分即可解释86.85%的信息，0.03%～0.04%水平的面条主成分综合得分明显高于其他水平，以0.03%水平综合得分最高。因此，添加TG酶的量为0.02%～0.04%较佳。

图3 TG酶对微波速冻青稞鱼面品质的影响Fig.3 Effect of TG on the quality of quick-frozen microwave highland barley fish noodles

表5TG酶单因素试验主成分分析

Table5Resultsofprincipalcomponentanalysisinsingle-factortestofTGenzyme

分量来源 主成分主成分1主成分2主成分3主成分4综合得分添加量0-2.871 6-0.454 60.157 70.004 4-2.494 0添加量0.01%0.366 9-0.330 4-0.296 9-0.048 20.318 7添加量0.02%-0.595 81.176 5-0.056 60.003 6-0.517 5添加量0.03%1.971 3-0.048 70.364 7-0.015 01.712 0添加量0.04%1.129 2-0.342 8-0.168 90.055 10.980 7特征值3.474 20.455 00.069 40.001 4贡献率(%)86.8511.371.740.04累计贡献率(%)86.8598.2399.96100.00

2.2 响应面试验结果分析

为了筛选出3种改良剂的最优配比，将单因素试验筛选出的添加量进行响应面试验，响应面试验方案见表6。对表6中的试验数据进行多元回归拟合，分别得到以弹性(Y1)、M1(Y2)、M2(Y3)、感官评分(Y4)为响应值的回归方程，结果如表7所示，各多元二次方程模型项均达到极显著水平(P<0.01)，且R2皆接近1，表明方程模型具有很好的拟合度，因此数据可用于主成分分析。

表6Box-Behnken试验设计及结果

Table6DesignandpredictedresultsofBox-Behnkentest

试验号A(黄原胶添加量)B(瓜尔胶添加量)C(TG酶添加量)Y1(弹性)Y2(M1)Y3(M2)Y4(感官评分)1-1-1017.843.947.0373.5921-1019.093.9810.7685.773-1104.142.645.4780.49411019.393.607.8875.875-10-110.011.581.7883.52610-117.052.143.7079.797-10110.883.877.2781.54810122.314.4610.1187.0590-1-120.262.889.1383.821001-112.070.651.6570.09110-1122.904.019.0679.531201114.824.3211.8683.131300023.514.8210.8884.361400020.064.5111.9689.401500022.414.5012.9088.111600022.024.6312.9688.341700019.594.4813.0588.14

表中，指标M1=A-硬度值；M2=B-黏附性值，其中硬度值、黏附性值的取值范围为1.34～3.61 N、0.78～13.25 mJ，根据硬度值、黏附性值的取值范围确定A值为5、B值为14；试验号为desgin expert 软件自动生成，试验实施时按此编号进行。

表7品质指标模型

Table7Modelofqualityindex

指标模型R2PY121.520+4.370A-3.710B+1.440C+3.500AB+1.100AC+0.026BC-4.340A2-1.980B2-2.030C20.973 7<0.000 1Y24.580+0.270A-0.450B+1.180C+0.230AB+0.009AC+0.630BC-0.500A2-0.550B2-1.070C20.995 9<0.000 1Y312.340+1.360A-1.140B+2.760C+0.330AB+0.230AC+2.570BC-3.390A2-1.170B2-3.240C20.981 7<0.000 1Y487.670+1.170A-1.640B+1.750C-4.200AB+2.310AC+4.330BC-2.450A2-6.290B2-2.240C20.944 20.001 3

Y1:弹性；Y2：M1;Y3：M2;Y3：感官评分。A：黄原胶添加量；B：瓜尔胶添加量；C：TG酶添加量。

2.3 BBD(Box-Behnken Design)响应面试验结果主成分分析

由表8可知，通过主成分分析，提取的前2个主成分累计贡献率达到90.29%，大于85.00%，因此前2个主成分能够全面反映速冻微波青稞鱼面的品质信息。由此建立BBD响应面主成分综合得分公式：F=0.749 9F1+0.153 0F2，利用公式：Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)，进一步将主成分综合得分计算为规范化综合得分，实现考察指标的简化。

表8BBD响应面试验中4个主成分分析的相关信息

Table8RelatedinformationoffourprincipalcomponentsinBBDresponsesurfacetest

分量来源 主成分主成分1主成分2主成分3主成分4综合得分规范化综合得分1-0.798 81.195 2-0.889 30.245 5-0.416 20.556 620.879 8-0.223 60.114 4-0.112 90.625 50.806 13-2.165 4-1.507 7-0.783 8-0.059 1-1.854 50.212 04-0.508 41.091 0-0.416 5-0.006 9-0.214 30.604 95-2.452 9-1.097 60.888 60.348 8-2.007 40.175 46-1.650 60.296 30.785 60.211 8-1.192 40.370 67 -0.706 4-0.733 8-0.773 00.311 1-0.64 20.502 581.367 90.064 80.367 90.346 31.035 70.904 49 0.081 50.163 10.704 9-0.373 10.086 10.676 910-3.824 50.840 40.238 9-0.474 5-2.739 4011 0.440 41.091 3-0.010 50.115 90.497 20.775 412 0.626 2-0.459 6-0.809 2-0.312 80.399 30.751 9131.517 50.564 0-0.014 30.299 31.224 30.949 614 1.672 2-0.551 70.213 10.025 71.169 60.936 5151.895 6-0.091 80.244 5-0.179 01.407 50.993 5161.947 5-0.168 50.164 0-0.126 21.434 71.000 0171.678 3-0.472 0-0.025 5-0.260 01.186 30.940 5特征值2.999 50.612 20.317 10.071 3贡献率(%)74.9915.307.931.78累计贡献率(%)74.9990.2998.22100.00

表中综合得分按照F=0.749 9F1+0.153 0F2计算得到；规范化综合得分按照Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)计算得到。

2.4 面条品质综合得分模型的建立

通过Desgin expert建立多元回归模型，结果如表9所示。从表9可以看出，响应面试验计算得出的多元二次回归模型的P<0.000 1，具有高度的显著性，且失拟项不显著(P=0.422 4>0.05)，表明方程具有显著意义；模型R2=0.995 6，说明模型相关性良好。因此，方程拟合度良好，可信度较高，可用于推测面条品质综合得分。

回归方程：Y=0.980+0.150A-0.160B+0.210C+0.036AB+0.052AC+0.160BC-0.240A2-0.180B2-0.230C2，根据回归方程，作出响应面图，观察响应曲面的形状并分析各因素对主成分综合得分的影响。如图4所示，直观反映了各因素对响应值的影响，响应面图越陡则说明因素对面条品质综合评分影响越大，底部的等高线密集且呈椭圆形表明因素间交互作用强。结合方差分析可知，模型的一次项A、B、C对响应值的影响均达到极显著水平(P<0.01)，交互项BC对响应值的影响达到极显著水平(P<0.01)，交互项AC对响应值的影响达到显著水平(P<0.05)，交互项AB对响应值有影响但不显著(P>0.05)，二次项(A2、B2、C2)均对响应值的影响均达到极显著水平(P<0.01)。由F值可判断各因素对综合得分贡献率为C>B>A，即TG酶添加量>黄原胶添加量>瓜尔胶添加量。

表9回归模型方差分析表

Table9Varianceanalysisofregressionmodel

来源 平方和自由度方差F值P值模型1.56090.170 0174.29< 0.000 1A0.19010.190 0193.70< 0.000 1B0.19010.190 0195.80< 0.000 1C0.37010.370 0369.23< 0.000 1AB0.01010.005 15.190.056 9AC0.01010.011 010.770.013 4BC0.11010.110 0107.65< 0.000 1A20.24010.240 0246.61< 0.000 1B20.13010.130 0134.78< 0.000 1C20.23010.230 0234.18< 0.000 1误差0.00770.001 0失拟项0.00330.000 11.180.422 4纯差0.00440.000 9总和1.56016

A:黄原胶添加量；B：瓜尔胶添加量；C：TG酶添加量。R2=0.995 6，校正后的相关系数Radj=0.989 8。表中P<0.05表示模型达到显著水平,P<0.01表示模型达到极显著水平。

图4 响应面图和等高线图Fig.4 Contour and response surface plots

2.5 最佳复合品质改良剂应用效果的预测及验证

以主成分综合评分为目标，采用响应面法建立回归模型，通过模型优化的改良剂配方为：瓜尔胶添加量占混粉总质量的0.34%，黄原胶添加量占混粉总质量的0.08%，TG酶添加量占混粉总质量的0.03%，预测的规范化综合得分为0.877。采用得到的最优配方进行6次验证试验，分别测定面条的质构特性，进行主成分分析，得到的规范化综合评分为 0.882±0.094，与预测的规范综合得分0.877结果近似，相对误差较小。因此，本试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠，具有实用意义。

3 结 论

经过单因素试验筛选及BBD响应面试验设计，建立以主成分综合得分为Y值的多元回归模型，方差分析结果显示所建模型回归效果显著，拟合度较好，模型准确有效，可以用于成品质构特性改良效果的预测，由F值可判断各因素对综合得分贡献表现为TG酶添加量>黄原胶添加量>瓜尔胶添加量，并且获得了速冻微波青稞鱼面复合改良剂最优配方为瓜尔胶添加量占混粉总质量的0.34%，黄原胶添加量占混粉总质量的0.08%，TG酶添加量占混粉总质量的0.03%，此配方下成品综合得分为 0.882±0.094，与预测值0.877近似。通过此方法生产的速冻微波青稞鱼面不仅口感良好，还有效解决了微波处理后的面条偏软且弹性差和缺少嚼劲等问题，为青稞微波食品的开发提供了一条新思路。