基于响应面-主成分分析法优化豆渣膨化食品的配方

赵久毅，游欢，唐春红，吴丽，常海军

基于响应面-主成分分析法优化豆渣膨化食品的配方

赵久毅a,b，游欢a,b，唐春红a,b，吴丽a,b，常海军a,b

（重庆工商大学 a.环境与资源学院 b.绿色食品研究院，重庆 400067）

为了克服新鲜豆渣难以膨化的缺点，添加小麦面粉、玉米淀粉和水进行复配，开发出一款膨化效果较好、品质较高的豆渣膨化食品。将湿豆渣、小麦面粉、玉米淀粉和水按一定比例混合均匀，利用单螺杆挤压膨化机对其膨化，然后添加防腐酒，最后进行真空包装。单因素实验以500 g湿豆渣为基准量，选取小麦面粉的质量分数、玉米淀粉的质量分数和水的质量分数作为影响因素，并以膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼度作为评价指标，再通过响应面-主成分分析法确定最佳配方。最后测定产品菌落总数和感官分数以确定防腐酒的质量分数和产品保质期。在小麦面粉质量分数为83%，玉米淀粉质量分数为20%，水质量分数为31%时，产品的膨化度为5.61，弹性为0.97，硬度为1178.43 g，胶黏性为935.33，咀嚼性为1028.05。添加质量分数为1%的防腐酒后并真空包装，产品在常温下的保质期至少可达6个月。湿豆渣与小麦面粉、玉米淀粉和水按最优配方复配后，产品膨化效果较好，品质优良。

湿豆渣；挤压膨化；响应面；主成分分析

豆渣是生产豆腐、豆干等豆制品的副产物[1]，但它的营养价值却不容忽视。干豆渣中膳食纤维的质量分数高达50%～60%，蛋白质的质量分数可达18%～23%，且包含8种必需氨基酸[2]。此外还含有镁、钾、钙、磷、铁等矿物质，以及黄酮、磷脂和甾醇类化合物等。豆渣中的膳食纤维是研究热点之一，它能够促进肠胃蠕动，利于排便，可以起到控制便秘和预防肠癌的作用[3]；还能够预防肥胖，维持血糖稳定，减缓糖尿病的并发症等[4]。

据统计，我国大豆食品厂每年约产生2000万t的湿豆渣[5]，但由于其水分含量高、易腐败，通常将它当作饲料低价卖出，浪费了资源[6]。运用挤压膨化技术把豆渣做成休闲食品是实现豆渣高值化的有效途径之一，因为该技术可以利用豆渣中的水分从而节约烘干的成本，还能改变原料的分子结构及性质，提高产品的消化吸收率和改善产品的口感等[7]。豆渣中含有较多的膳食纤维，难以单独膨化成型，需要与其他物料复配。刘淑婷等[8]将豆渣与藜麦、黑米、芸豆等杂粮复配后膨化，产品糊化度较高，但膨化度较低。宫雪等[9]将豆渣与藜麦、薏仁和黄芪进行复配后膨化，产品的膨化度仅为2.15。说明一般的粗粮和中药材与豆渣复配后膨化性能较低，而小麦粉和淀粉易在高温下溶胀，能分裂形成均匀糊状溶液，膨化性能更好。孙冰玉等[10]将豆渣与小麦粉复配后膨化，其膨化度和理化特性均有明显提升。芦菲等[11]将玉米粉和玉米淀粉分别与豆渣复配，对比了其膨化效果，结果表明添加玉米淀粉的膨化效果更佳，气孔更大。文中同时利用小麦面粉和玉米淀粉作为辅料，与豆渣复配后膨化，研究其最佳配比，开发出一款膨化效果较好、品质更高的豆渣膨化食品。

1 实验

1.1 材料和仪器

主要材料：神象牌特精小麦面粉，新良牌玉米淀粉，重庆人人乐超市；湿豆渣，重庆天润食品有限公司；防腐酒，九江市敏月芳食品有限公司；营养琼脂培养基，杭州微生物试剂有限公司；伊红美蓝琼脂，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；16丝复合尼龙包装袋，浙江佳大印务有限公司。

主要仪器：JY2000电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HM740和面机，上海氏家用电器；HS-A单螺杆挤压膨化机，黄氏食品机械有限公司；DHG-9090A 电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；BJ-300高速多功能粉碎机，拜杰有限公司；BHS-4数显恒温水浴锅，上海垒固有限公司；TD6M台式低速离心机，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；MNT-150T数显游标卡尺，美耐特；SW-CJ-2FD洁净工作台，苏净集团苏州安泰空气技术有限公司；DHP-9082 电热恒温培养箱，上海齐欣科学仪器有限公司；BXM-30立式压力蒸汽灭菌锅，上海博讯实业有限公司；ESH105快速水分测定仪，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。TA-XT plus质构仪，北京微讯超技仪器技术有限公司。

1.2 方法

1.2.1 豆渣膨化食品工艺流程

工艺流程：按比例添加湿豆渣、小麦面粉、玉米淀粉→均匀搅拌3 min→按比例添加水→均匀搅拌5 min→挤压膨化→添加防腐酒→真空包装→成品。

原料筛选：采用同一批次的湿豆渣（湿基含水率为75%），有适当的豆腥味，无酸味。

第1次和面：混合时先将湿豆渣与面粉、淀粉按比例混合，使用和面机在低速状态下匀速搅拌3 min，防止面粉飞扬。注意在混合过程中要保证原料混合均匀。

第2次和面：豆渣与面粉、淀粉混合均匀后，在高速搅拌状态下将水添加至和面盆，时间为5 min，至混合物完全混合即可取出膨化。

挤压膨化：使用单螺杆挤压膨化机时应匀速喂料，保证机筒内温度一致，膨化出的产品质量稳定，待出料稳定后开始收集样品。膨化时选择6孔模具，单孔直径2 mm。

防腐：用食品刷将防腐酒均匀刷在产品表面。防腐酒主要成分有白酒（54%）、水（10%）以及胡萝卜、海带、韭菜、菊花等植物浸提物，酒精度为53%。

成品：最终产品形状为条状，以豆渣调味面制品的形式呈现，属于休闲食品。

1.2.2 原料配方单因素实验

实验中湿豆渣的质量为500 g，选取的单因素有小麦面粉的质量分数、玉米淀粉的质量分数和水的质量分数（均以湿豆渣质量为基准），以膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼度作为评价指标。根据预实验，分别选取小麦面粉的质量分数为60%，70%，80%，90%，100%，玉米淀粉的质量分数为10%，15%，20%，25%，30%，水的质量分数为20%，25%，30%，35%，40%。

1.2.3 原料配方响应面优化实验设计

在单因素实验的基础上，从每个因素中选取3个较好的水平进行响应面实验，同样以膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼度作为指标，通过主成分分析法对多个指标进行降维，转化成一个综合得分值作为总评价指标。利用Design-Expert 8.0.6软件，采用Box-Behnken设计方案进行实验，对实验结果进行分析得到豆渣膨化食品的最佳配方。

1.2.4 防腐酒添加量的确定

添加防腐酒对豆渣膨化食品进行防腐，以菌落总数和感官评价分数作为指标，研究防腐酒的质量分数为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，通过单因素实验找到防腐酒的最佳质量分数。感官评价采用9分制评价法，由10位专业人员从色泽，气味以及口感对产品进行评分，感官评价表见表1。

表1 豆渣膨化食品感官评价

1.2.5 指标的测定

1.2.5.1 膨化度的测定

采取Rayas-Duarte[12]等的方法并略做修改，挤压膨化出产品后，待样品冷却，每组随机抽取10段产品，用游标卡尺测定样品厚度及宽度，计算各段膨化产物的横截面积取平均值[13—14]，按式（1）计算。

(1)

式中：为膨化度；为膨化产物的横截面积；0为磨具的横截面积。

1.2.5.2 质构的测定

利用质构仪对豆渣膨化食品进行全质构的测定。测试条件：P/36R型探头，测试前速率为1.0 mm/s，测试速率为1.0 mm/s，测试后速率为1.0 mm/s，压缩率为50.0%。在全质构实验曲线上选取4个所需要的参数值：弹性、硬度、胶黏性、咀嚼性。

1.2.5.3 菌落总数和大肠杆菌的测定

菌落总数的测定按照GB 4789.2—2016[15]进行，大肠杆菌的检测按照GB 4789.3—2016[16]进行。

1.2.5.4 产品保质期的测定

将产品真空包装后置于37 ℃培养箱里进行加速破坏实验，每隔一定时间对其进行菌落总数和大肠杆菌的检测，推算出产品的保质期。

1.2.6 数据处理

响应面实验中对豆渣膨化食品所测的指标进行主成分分析[17]，利用SPSS 19.0软件对17组数据降维，进行因子分析，可得到特征向量矩阵。分别对特征向量矩阵和17组原始数据标准化，得到矩阵和矩阵，利用Matlab 7.1软件计算式（2）可得到各主成分的得分矩阵。根据因子分析中主成分的贡献率，可计算出综合得分F值，见式（3）。

(2)

(3)

式中：为标准化后的特征向量矩阵；为标准化后的原始数据矩阵；F为第组实验的综合得分；C为矩阵中第行第列的数据；为第个主成分的贡献率。

2 结果与分析

2.1 单因素结果

2.1.1 小麦面粉的质量分数

从图1可以看出，随着混合物中小麦面粉的质量分数逐渐增加，产品的膨化度和弹性呈现出先增后降的趋势，质量分数在80%时达到最大，分别为5.29和0.91；从表2可以看出，质量分数在80%时产品的硬度最低，为1279.03 g，胶黏性和咀嚼性最大，分别为929.44和955.10。这是因为豆渣中的膳食纤维为大分子结构，不易被较弱的剪切力降解，难以膨化，而小麦面粉遇水后具有较好的粘性，可以使豆渣很好地粘连在一起，且高温下易形成糊状溶液，更利于膨 化[14]。小麦面粉添加过量时，混合物的水分含量降低，部分物料在机筒内被挤压成干粉状，淀粉颗粒的内部结构没有完全破坏，也没有达到充分糊化，致使产品膨化度较低[18]。因此适量的小麦面粉能够使混合物的水分适宜，让物料在机筒内充分糊化，得到的产品膨化效果好，弹性较高，硬度偏软，胶黏性和咀嚼性较高。综合考虑，选择质量分数为70%，80%和90%的小麦面粉做响应面实验。

图1 不同小麦面粉的质量分数对产品膨化度和弹性的影响

表2 不同小麦面粉的质量分数对产品硬度、胶黏性和咀嚼性的影响

注：表中小写字母表示同一列的显著性差异（<0.05）

2.1.2 玉米淀粉的质量分数

从图2中可以看出，随着玉米淀粉的质量分数增加，产品的膨化度先快速增加，再缓慢下降，弹性同样呈先增后减的趋势。根据图2和表3可发现，玉米淀粉的质量分数为20%时，产品的膨化度和弹性达到最高，分别为5.34和0.94，胶黏性和咀嚼性达到最高，分别为934.81和981.89，硬度较质量分数为10%和15%时更软，为1391.54 g。玉米淀粉中的支链淀粉在高温情况下发生部分水解产生糊精，增加了物料的黏稠度和物料所受的剪切力和摩擦力，导致机筒内温度升高，支链淀粉在热熔融状态下发生膨胀，产品膨化度和弹性增高，硬度下降，胶黏性和咀嚼性增强[19]。支链淀粉含量过多，导致物料粘性过大，不利于气泡产生和破裂，阻碍产品的膨化，从而使膨化度下降，产品品质降低。综合考虑，选择质量分数为15%，20%和25%的玉米淀粉做响应面实验。

2.1.3 水的质量分数

由图3可以看出，产品的膨化度和弹性随着水的质量分数增加呈先急剧升高后急剧下降的趋势，在水的质量分数为30%时达到最高，分别为5.47和0.96。由表4可知，随着水质量分数的增加，产品硬度下降，在质量分数为30%时，产品胶黏性和咀嚼性最大，分别为944.36和988.45。物料中水的质量分数改变可以使产品各个质构指标发生较为明显的变化，适量的水分可以让物料变得松软，利于膨化，质构品质提高。水过量时，它在机腔中充当润滑剂的作用，熔融状态下物料的黏度和弹性下降，物料受到的摩擦力因水的润滑作用也随之降低，导致机筒温度及模具口处压强降低，物料在机腔内停留的时间缩短，使产品膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼性都降低[20]。综合考虑，选择质量分数为25%，30%，35%的水做响应面实验。

图2 不同玉米淀粉的质量分数对产品膨化度和弹性的影响

表3 不同玉米淀粉的质量分数对产品硬度、胶黏性和咀嚼性的影响

注：表中小写字母表示同一列的显著性差异（<0.05）

图3 不同水的质量分数对产品膨化度和弹性的影响

表4 不同水的质量分数对产品硬度、胶黏性和咀嚼性的影响

注：表中小写字母表示同一列的显著性差异（<0.05）

2.2 响应面实验结果与分析

根据单因素实验结果，以小麦面粉的质量分数（）、玉米淀粉的质量分数（）和水的质量分数（）作为响应面实验的3个影响因素，研究其对产品膨化度、弹性、硬度、胶黏性和咀嚼性的影响。实验因素水平表见表5，实验设计与结果见表6。

2.2.1 主成分分析

采用SPSS 19.0对表6中豆渣膨化食品的所有指标进行主成分分析，主成分的特征值、贡献率和累积贡献率见表7。根据大于80%累积贡献率的原则[21]，提取的2个主成分累积贡献率为90.589%，可以说明提取的2个主成分能够全面地反映豆渣膨化食品的品质信息。主成分中指标的特征向量绝对值越大，表示这个指标在该主成分中决定性越强，2个主成分中指标的特征向量值见表8。

表5 响应面因素水平

表6 响应面实验设计及结果

表7 豆渣膨化食品主成分的特征值及贡献率

表8 豆渣膨化食品指标的特征向量值

因为各个指标间存在变异程度的差异，所以利用SPSS 19.0软件对表6和表8中的数据进行标准化后计算得到第1和第2主成分的得分，通过第1和第2主成分的贡献率计算出综合得分值，见表9。

2.2.2 综合得分的响应面分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对17个实验点和对应的综合得分值进行多元归拟合，得到回归模型方差分析见表10。综合得分与小麦面粉的质量分数（）、玉米淀粉的质量分数（）和水的质量分数（）的二次多项回归方程如下：

=1.97+0.75+0.028+0.58+0.034+0.059− 0.3−1.352−1.752−1.092

由表10可知，该模型项<0.0001，极显著，说明该回归模型具有统计学意义；失拟项>0.05，失拟因素影响小，说明该模型的拟合可靠；决定系数2=0.9783，说明预测值与实测值之间具有较高的相关性，因此该模型可以用于豆渣膨化食品综合得分的分析和预测。各因素中，一次项和极显著，不显著；交互项，和均不显著；二次项2，2和2均极显著。值越大、值越小，表明该因素对结果的影响越大，所以影响豆渣膨化食品综合得分的顺序为：小麦面粉的质量分数（）>水的质量分数（）>玉米淀粉的质量分数（）。

2.2.3 各因素交互分析

根据图4e可看出，玉米淀粉添加量和水添加量的响应面图更陡峭，说明的交互作用相对较大。又根据图4b，4d和4f可知，各因素交互作用的等高线图均近似于圆形，说明各因素间的交互作用对豆渣膨化食品综合得分的影响均不显著。

表9 响应面实验中的主成分得分及综合得分F值

2.2.4 模型验证

通过对多元回归模型方程进行分析，当小麦面粉的质量分数为82.83%，玉米淀粉的质量分数为19.94%，水的质量分数为31.39%时，豆渣膨化食品综合得分最大，预测值为2.1564。调整小麦面粉的质量分数为83%，玉米淀粉的质量分数为20%，水的质量分数为31%，通过3次重复实验得到豆渣挤压膨化食品的膨化度为5.61，弹性为0.97，硬度为1178.43 g，胶黏性为935.33，咀嚼性为1028.05，的平均值为2.1458±0.0134，与理论预测值接近，说明该模型较准确，得到的豆渣膨化食品的配方具有一定的可靠性。

2.3 防腐酒添加量的确定

由表11的结果可知，防腐酒的添加量会抑制豆渣膨化食品中微生物的生长，同时也会对它的色香味产生一定的影响。随着防腐酒的增加，产品中的菌落总数会呈下降趋势，质量分数超过1.0%时，产品的菌落总数均小于1.0×104CFU/g，符合调味面制品DBS 50/028—2017[22]的要求，但此时的感官分数急剧下降。防腐酒过量不仅会产生酒味还会破坏产品的口感，综合考虑，选取防腐酒的质量分数为1.0%。

表10 回归模型方差分析

注：*表示差异显著（<0.05）；**表示差异极显著（<0.01）。

图4 各因素间的交互作用

表11 防腐酒的质量分数对产品菌落总数及感官分数的影响

2.4 豆渣膨化食品保质期的测定

通过对菌落总数和大肠杆菌的测定，对豆渣膨化食品的保质期进行预测。保质期的测定方法采用加速破坏实验法，添加了1.0%防腐酒的产品经真空包装后置于37 ℃恒温培养箱中，根据培养时间的长短以及相应微生物指标判断其保质期[23]。调味面制品DBS 50/028—2017中规定产品菌落总数应小于1.0×104CFU/g，大肠菌群应少于3 CFU/g，见表12，豆渣膨化食品在37 ℃条件下可以储藏30 d，常温下至少能保质6个月。

表12 豆渣膨化食品保质期测定

3 结语

实验将湿豆渣、小麦面粉、玉米淀粉和水按一定比例复配后进行挤压膨化，以湿豆渣质量为基准量，当小麦面粉的质量分数为83%，玉米淀粉的质量分数为20%，水的质量分数为31%时豆渣膨化食品的膨化度为5.61，弹性为0.97，硬度为1178.43 g，胶黏性为935.33，咀嚼性为1028.05，再添加质量分数为1%的防腐酒并真空包装，产品在常温下保质期至少可达6个月。

实验利用了淀粉的黏性和易糊化的特性克服了豆渣膳食纤维难以膨化的缺点，找到了豆渣挤压膨化效果最佳的原料配方，同时该膨化食品也降低了豆渣腥味，改善了口感与质地。豆渣的利用价值极高，其衍生的休闲食品具有广阔的前景。

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Optimization of Formula of Puffed Soybean Dregs Food by Response Surface and Principal Component Analysis Method

ZHAO Jiu-yia,b, YOU Huana,b, TANG Chun-honga,b, WU Lia,b, CHANG Hai-juna,b

(a.School of Environment and Resources b.Green Food Research Institute, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

The work aims to develop a puffed soybean dregs food with good puffing effect and high quality by adding wheat flour, corn starch and water, so as to overcome the disadvantage that fresh soybean residue is difficult to puff. Wet soybean dregs, wheat flour, corn starch and water were mixed evenly in a certain proportion and puffed by single screw extruder, then added with antiseptic wine and finally packed by vacuum. The single factor experiment was carried out based on 500 g wet soybean dregs, the mass fraction of wheat flour, corn starch and water was selected as the influencing factors, and the puffing degree, springiness, hardness, gumminess and chewiness were chosen as evaluation indexes. Then, the response surface and principal component analysis method was used to determine the best formula. Finally, the total number of colonies and sensory scores were selected as evaluation indexes to determine the mass fraction of antiseptic wine and the shelf life of the product. When the mass fraction of wheat flour, corn starch and water was 83%, 20%, and 31%, the puffing degree of the product was 5.61, the springiness was 0.97, the hardness was 1178.43 g, the gumminess was 935.33, and the chewiness was 1028.05. After 1% antiseptic wine was added and vacuum packaging was provided, the shelf life of the product could reach at least 6 months at room temperature. When the wet soybean dregs, wheat flour, corn starch and water are mixed according to the best formula, the product has a better puffing effect and good texture quality.

soybean dregs; puffing; response surface; principal component analysis

TS209

A

1001-3563(2022)01-0124-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.016

2021-06-18

重庆市科技计划（cstc2017shmsA80001）

赵久毅（1997—），男，重庆工商大学硕士生，主攻功能性食品。

唐春红（1965—），女，博士，重庆工商大学教授，主要研究方向为功能性食品。