响应面法优化青稞焙烤工艺

易晓成，聂 庆，李雄波，杨 爽，万 萍

（1.四川工商职业技术学院 酒类与食品工程系，四川 都江堰 611830；2.酿酒生物技术及应用四川省重点实验室，四川 自贡 643000；3.成都大学 药学与生物工程学院，四川 成都 610106）

青稞（Hordeum vulgare）是一种禾谷类作物，又称大麦，盛产地是中国西藏、青海等高原以及四川盆地地区。因富含支链淀粉、蛋白质、维生素、膳食纤维、氨基酸、β-葡聚糖及微量元素等对人体有益的营养成分和重要的保健功能，青稞不仅作为藏族人民的主粮之一，还可以制作成青稞酒、青稞炒面、青稞馒头、青稞饼干、青稞蛋糕以及青稞面条等，以其独特的口感而深受欢迎[1-3]，青稞不仅是藏族人民的一种物质文化，还是一种精神文化。青稞作为酒类加工的原料，首先必须要进行糊化，传统的方法主要是通过浸泡和蒸煮[4]，糊化后的青稞必须马上进行后续的加工，不便于保存。

焙烤又称为烘烤、烘焙，是指在物料燃点之下通过干热的方式使淀粉产生糊化、蛋白质变性等一系列化学变化后，使物料达到熟化和干燥的目的，是面包、蛋糕类产品制作不可缺少的步骤，通过焙烤在物料熟化的同时，由于高温下的淀粉和蛋白质的降解产物间发生剧烈的美拉德反应而赋予产品特殊的香味，而广受欢迎[5-6]。目前国内对谷物焙烤的研究主要集中在焙烤谷物产品的开发：如大麦茶饮料[7]、玉米茶[8]、焙烤米粉[9]等，焙烤对谷物含有的生理活性物质及抗氧化活性的影响[10-11]，以及焙烤谷物的食品糖基化产物的定性、定量评价方法[12]等，国外对焙烤谷物对健康的影响也进行了相关的研究，如LUZARDO-OCAMPO I等[13]研究发现，食用焙烤玉米能够减少慢性结肠炎。经过焙烤后的青稞，淀粉达到一定程度的糊化，有利于后续加工中淀粉酶的作用[14]，可作为酒类生产和加工食品的原料。而有关青稞焙烤工艺的研究鲜见报道。

本研究采用单因素试验考察浸泡时间、浸泡温度、焙烤时间、焙烤温度对青稞糊化率的影响，并在单因素试验的基础上，以糊化率为响应值，采用响应面法优化青稞焙烤工艺，旨在为青稞熟化的新方法和新工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞：青海新绿康食品有限责任公司；糖化酶（酶活10万U/g）：北京奥博星生物技术有限责任公司；盐酸、硫酸铜（均为分析纯）：成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

SK2-623型电烤箱：新麦机械（无锡）有限公司；FW-100型高速万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；BSA124S型分析天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PE20型精密pH计：梅特勒-托利多仪器有限公司；LD型电子分析天平：沈阳龙腾电子有限公司；HHS型电热恒温水浴锅：上海博讯实业有限公司。

1.3 方法

1.3.1 焙烤青稞的制备

挑选优质且颗粒饱满、均匀、无霉变、无破碎的青稞，用清水淘洗去灰尘和杂质，温水浸泡，沥去水分，摊凉20 min左右，再将青稞均匀铺在烤盘中，放入已经预热并达到规定温度的烤箱中，按照设置的温度和时间进行焙烤，得到焙烤青稞。

1.3.2 焙烤工艺优化

（1）单因素试验

试验选取浸泡温度（20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃）、浸泡时间（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、焙烤温度（250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃、290 ℃）、焙烤时间（9.0 min、9.5 min、10.0 min、10.5 min、11.0 min、11.5 min、12.0 min）因素分别进行试验，以青稞糊化率作为评价指标，探讨各因素对焙烤的影响。

（2）响应面法试验设计

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken中心组合试验设计原则，以浸泡温度（A）、浸泡时间（B）、焙烤温度（C）、焙烤时间（D）为响应因子，以糊化率（Y）为响应值，运用响应面软件Design-Expert.V.8.0.6设计4因素3水平试验组，Box-Behnken试验因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.3 理化分析方法

糊化率的测定：按照参考文献[15]中的方法进行。

式中：m1为青稞浸泡前的质量，g；m2为青稞浸泡前的质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 浸泡温度对糊化率的影响

通常青稞的含水量为11.4%～14.0%[16-17]，直接焙烤的青稞淀粉糊化率不高，通过浸泡增加青稞水分含量，进而提高其淀粉的糊化率[18]。不同浸泡温度对青稞吸水率和淀粉糊化率的影响，结果见图1。

图1 浸泡温度对糊化率和吸水率的影响Fig.1 Effect of soaking temperature on gelatinization ratio and water absorption ratio

由图1可知，当浸泡温度在20～40 ℃时，青稞的吸水率和糊化率均随着浸泡温度的升高呈上升趋势；浸泡温度达到40 ℃时，糊化率达到最高值92.71%，此时的吸水率为63.85%；浸泡温度高于40 ℃之后，随着浸泡温度的升高，青稞吸水率几乎趋于稳定而糊化率则呈下降趋势。这主要是因为青稞淀粉的糊化温度在58.8～65.2 ℃[19]，当温度高于50 ℃后浸泡会造成部分淀粉在此温度条件下糊化而溶出，进而使得糊化率降低，另外，浸泡温度超过40 ℃后，虽然吸水率增加但是明显出现了青稞粒吸水不均而崩裂的现象，经焙烤后，出现较多青稞粉，使原料损失，也是造成糊化率低的原因。由此可见，并不是吸水率越高对青稞的糊化越有利。因此，确定最适浸泡温度为40 ℃。

2.1.2 浸泡时间对糊化率的影响

在确定浸泡温度的前提下，不同浸泡时间对青稞吸水率和淀粉糊化率的影响，结果见图2。

图2 浸泡时间对糊化率及吸水率的影响Fig.2 Effect of soaking time on gelatinization ratio and water absorption ratio

由图2可知，青稞吸水率随着浸泡时间在1～5 h范围的延长而增大，而淀粉的糊化率呈现出先增加后下降的趋势。在浸泡时间3 h时，吸水率为63.85%，糊化率达到最大值92.71%。这是由于随浸泡时间增加，青稞的吸水率缓慢升高，但超过3 h，由于吸水过度，造成青稞粒胀破，经焙烤后出现较多青稞粉，造成青稞的质量损失，糊化率反而下降，同时，过度浸泡使得青稞中的可溶性糖类溶出，也会使得糊化率降低。因此，确定最适浸泡时间为3 h。

2.1.3 焙烤温度对糊化率的影响

不同焙烤温度对青稞糊化率的影响，结果见图3。

图3 焙烤温度对糊化率的影响Fig.3 Effect of baking temperature on gelatinization ratio

由图3可知，随着焙烤温度在250～290 ℃范围内的升高，糊化率呈现先增加后降低的趋势，在焙烤温度270 ℃时，糊化率达到最高值92.71%。这是因为随着焙烤温度升高，青稞被快速加热，使青稞温度超过淀粉的熔点进入熔融状态，破坏淀粉粒的原有结构糊化率逐渐增大[20]；但是当温度继续升高超过270 ℃后，青稞出现了焦化的现象，继续升高温度甚至出现部分青稞炭化的现象，造成糊化率降低。因此，确定最适焙烤温度为270 ℃。

2.1.4 焙烤时间对糊化率的影响

不同焙烤时间对青稞淀粉糊化率的影响，结果见图4。

图4 焙烤时间对糊化率的影响Fig.4 Effect of baking time on gelatinization ratio

由图4可知，随着焙烤时间在9.0～12.0 min范围内的延长，青稞中淀粉的糊化率呈现先上升后下降的趋势，在焙烤时间为11.5 min时，糊化率达到最大值为92.71%。这是因为随着焙烤时间延长，淀粉在高温下溶胀、分裂、熟化程度增加，糊化率也就增加，但是随着焙烤时间继续延长，高温糊化使青稞粒中的水量含量急剧减少，从而促进了青稞中的糖类和蛋白质间的美拉德反应[21]，其产物不能被糖化酶作用或抑制了糖化酶的作用，从而表现出糊化率降低，且焙烤时间过长出现焦化甚至是炭化现象，从而造成糊化率降低。因此，确定最适焙烤时间为11.5 min。

2.2 响应面试验结果与分析

在单因素试验基础上，以浸泡温度（A）、浸泡时间（B）、焙烤温度（C）、焙烤时间（D）为响应因子，以糊化率（Y）为响应值，根据Box-Behnken 试验设计的统计学要求，设计了29组试验，Box-Behnken试验设计与结果见表2，对模型进行方差分析，结果见表3。

表2 Box-Behnken试验设计与结果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

用Design-Expert.V.8.0.6统计软件对表3的试验数据进行统计分析，得到试验因素对糊化率影响的多元二次回归方程如下：

由表3可知，回归方程模型P＜0.000 1，表明模型极显著，说明方程对试验的拟合度好、误差小，因此该模型可以真实地拟合和推测实际情况；失拟项P=0.122 0＞0.05，不显著，表示试验结果和数学模型拟合良好，可用该数学模型推测试验结果；模型的决定系数R2=0.995 8，调整决定系数R2Adj=0.991 5，说明实际值与预测值高度相关；变异系数（coefficient of variation，CV）=0.28%，说明本试验有较高的置信度，试验稳定结果可靠。综上，该模型可以用作最佳试验条件的推测。

由表3回归模型显著性检验结果可以看出，一次项A、D，二次项A2、B2、C2、D2，交互项AB、AC、AD、BC、CD对糊化率的影响极显著（P＜0.01），一次项B、C对糊化率的影响显著（P＜0.05），而交互项BD则影响不显著（P＞0.05）。由此可见，试验设计的四个因素均不同程度的对响应值产生极显著或显著的影响，说明该试验设计的因素选择是成功的。

利用Design-Expert.V.8.0.6对表3的数据进行二次多元回归拟合，得出响应面图及等高线图，能直观地反映出各因素两两间交互作用对糊化率的影响，结果见图5。

图5 浸泡温度、浸泡时间、焙烤温度和焙烤时间交互作用对糊化率影响的响应面及其等高线Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between soaking temperature,soaking time,baking temperature and baking time on gelatinization ratio

由图5a可知，当浸泡温度不变时，随着浸泡时间不断延长，糊化率呈先增后减的趋势；当浸泡时间不变时，随着浸泡温度的升高，糊化率呈先增后减的趋势；等高线图椭圆度较大，说明浸泡温度和浸泡时间的交互作用对糊化率的影响极显著；由图5b可知，当浸泡温度不变时，随着焙烤温度升高，糊化率呈先增后减的趋势；当焙烤温度不变时，随着浸泡温度升高，糊化率呈先增后减的趋势；等高线图椭圆度大，说明浸泡温度和焙烤温度的交互作用对糊化率的影响极显著；由图5c可知，当浸泡温度不变时，随着焙烤时间延长，糊化率呈先增后减的趋势；而焙烤时间不变时，随着浸泡温度升高，糊化率呈先增后减的趋势；等高线图椭圆度大，说明浸泡温度和焙烤时间的交互作用对糊化率的影响极显著；由图5d可知，当焙烤温度保持不变时，随着浸泡时间延长，糊化率呈先增后减的趋势；而浸泡时间不变时，随着焙烤温度升高，糊化率呈先增后减的趋势；等高线图的椭圆度大，说明浸泡温度和焙烤时间的交互作用对糊化率的影响极显著；由图5e可知，当焙烤时间保持不变时，随着浸泡时间延长，糊化率呈先增后减的趋势，但变化趋势不明显；而浸泡时间不变时，随着焙烤时间延长，糊化率呈先增后减的趋势，但变化趋势不明显；等高线图的椭圆度较小，说明浸泡时间和焙烤时间显交互作用对糊化率的影响不显著；由图5f可知，当焙烤时间保持不变时，随着焙烤温度升高，糊化率呈先增后减的趋势；当焙烤温度不变时，随着焙烤时间延长，糊化率呈先增后减的趋势；等高线图椭圆度大，说明焙烤时间和焙烤温度的交互作用对糊化率的影响极显著。

2.3 最佳工艺条件的验证

通过Design-Expert.V.8.0.6 软件得出青稞焙烤最佳工艺条件为浸泡温度34.94℃，浸泡时间3.50h，焙烤温度267.54℃，焙烤时间11.59 min，在此条件下青稞糊化率的预测值为93.36%，为验证焙烤的最佳条件，并考虑试验的可操作性，修改条件为浸泡温度35.0 ℃，浸泡时间3.5 h，焙烤温度268.0 ℃，焙烤时间12.0 min。在此优化条件下，进行3组平行试验结果取其平均值，青稞糊化率实际值为93.18%，与预测值仅相差0.19%，两者结果高度相符。因此，采用响应面法优化后得到的青稞焙烤工艺条件是可行的。

3 结论

采用响应面法对青稞焙烤工艺进行优化得出最佳工艺条件为浸泡温度35 ℃，浸泡时间3.5 h，焙烤温度268 ℃，焙烤时间12 min，该优化条件下青稞糊化率可达到93.18%。经焙烤后的青稞产品具有独特的香味，可以作为酿酒、发酵饮品的原料，也可以直接作为青稞茶泡饮，还可经磨粉后冲调食用或添加到各类冲调食品中，具有广泛的用途。