熊明洲 石磊 汪春節(jié) 丁濼火 王鐘黎 趙娟紅

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著人們健康意識的日益加強，越來越多的人選擇自己在家動手制作各種健康美食。蒸烤箱是一款集蒸、烤功能于一體的廚房電器，近兩年，電蒸烤箱的市場普及率迅速提升，逐漸成為消費者選購廚電的新寵[1]。蒸烤箱將蒸烤功能合二為一，不僅能烹飪出美食佳肴，還能節(jié)省大量空間，使廚房更加整潔，帶給用戶更加優(yōu)質(zhì)的烹飪體驗。據(jù)中怡康統(tǒng)計，2019年上半年嵌入式一體機零售額為10.0億元，同比增長27.2%，零售量為16.7萬臺，同比增長35.1%。

烤箱在食品加工領域應用廣泛，一般為自然、強制對流電加熱烤箱。蒸汽烤箱由于蒸汽的加入可有效抑制食物水分的散失，保證其口感[2]，其較高的比熱可強化傳熱過程，減少加熱時間，而且?guī)追N典型烤箱的對比研究表明蒸汽輔助烤箱產(chǎn)生的丙烯酰胺濃度最低[3]，具有最高的安全性。因此將蒸汽加熱與先進烤箱技術結(jié)合成為一個重要的發(fā)展方向[4]。

目前，國內(nèi)外關于蒸烤箱烹飪過程中的烹飪工藝控制，尤其是蒸汽控制的研究較少。海綿蛋糕作為烘焙食品中的一個主要品種，具有質(zhì)地口感柔軟、甜度適中、氣味色澤誘人、老少皆宜等特點，備受人們喜愛[5]。本文對海綿蛋糕的制作工藝進行優(yōu)化，設計單因素實驗，以質(zhì)構(gòu)、色澤、感官評分、丙烯酰胺的含量為指標，選出較優(yōu)的參數(shù)。在單因素實驗的基礎上，利用響應面法Box-behnken中心組合設計，以烘烤溫度、烘烤時間、蒸汽使用量三個因素為自變因素，海綿蛋糕的質(zhì)構(gòu)、色澤、感官評分和丙烯酰胺為評價指標，對海綿蛋糕的蒸烤工藝進行優(yōu)化，以期對蒸烤箱的產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

2 原料與方法

2.1 材料

2.1.1 實驗材料

低筋面粉、細砂糖、雞蛋、牛奶、玉米油、檸檬片：購自格力南沙灣新友誼超市。

2.1.2 實驗儀器

蒸烤箱：某市售蒸烤一體機；質(zhì)構(gòu)儀：TMS-Touch質(zhì)構(gòu)儀，美國FTC公司；色差儀：CM-600d型，日本美能達儀器有限公司；JA5003N電子天平，上海精密科學儀器有限公司；DDQ-A01G1打蛋器：小熊電器股份有限公司。

2.2 方法

2.2.1 海綿蛋糕制作方法

在無水無油的盆中打入3個雞蛋，加入細砂糖80g，擠入少許檸檬汁除蛋腥，將打蛋盆坐浴在50℃的熱水中，用打蛋器先中速后高速打發(fā)蛋液，蛋液打發(fā)至提起打蛋器時滴落下的蛋糊不會馬上消失；依次加入玉米油30g，牛奶30g，繼續(xù)攪打均勻；加入過篩的低筋面粉，用刮刀輕柔的從底部向上部翻拌至無干粉顆粒；蛋糕糊倒入模具，用力震出氣泡；置于蒸烤箱內(nèi)第三層烤架進行烘烤[6]，烘烤結(jié)束，晾涼后脫模，對其感官、質(zhì)構(gòu)、色澤丙烯酰胺進行測定。

2.2.2 單因素實驗

保持蛋糕的制作配方不變，探討蒸烤箱蒸汽量（0%、3%、13%、22%、31%、40%）、烹飪溫度（140℃、155℃、170℃、185℃、200℃）、烹飪時間（15min、25min、35min、45min、55min）3個因素對海綿蛋糕感官品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性、色度和丙烯酰胺的影響。

2.2.3 響應面實驗

響應面分析法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的實驗設計方法并通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法。

在單因素實驗研究的基礎上，選取溫度、時間、蒸汽量3個因素為自變量，感官評分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）、丙烯酰胺（B）為響應值，根據(jù)Design-Expert Software 8.0.6軟件中的Box-Behnken實驗設計原理，進行3因素三水平共17個實驗點的響應面分析實驗，優(yōu)化海綿蛋糕的烹飪工藝。實驗因素及水平編碼如表1所示。

2.3 海綿蛋糕品質(zhì)測定

2.3.1 感官的測定

選取10位對于食品具有專業(yè)知識的人員，依據(jù)蛋糕的品嘗項目和評分標準對產(chǎn)品進行評分，總分100分，其中色澤20分，外觀形狀20分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)20分，彈韌性20分，氣味和滋味20分，具體評定標準如表2所示[7]。

2.3.2 質(zhì)構(gòu)的測定

將蛋糕切成2×2×2cm的正方塊，置于質(zhì)構(gòu)儀載物臺上進行測定，測試探頭選擇TMS-50mm型圓柱形壓縮探頭。采用TPA模式，形變量50%，起始力0.2N，測試速度60mm/min。每個樣品做6個平行實驗，取平均值。

2.3.3 色度的測定

L*的測定用手持色差儀，測定前先進行白板校正。

2.3.4 海綿蛋糕丙烯酰胺的測定

參考GB 5009.204-2014第二法。

2.3.5 數(shù)據(jù)處理

實驗所得數(shù)據(jù)由SPSS 17.0和Design-Expert 8.0軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸烤箱單因素實驗結(jié)果

3.1.1 蒸汽量對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

由圖1可知，在蒸汽量0%～40%中，海綿蛋糕感官得分先增加后減小，當蒸汽量為22%時，感官評分最高（86.8分），且彈性最大硬度最低，此時的蛋糕內(nèi)部結(jié)構(gòu)良好，香味純正，有蛋糕特有的風味。與不加蒸汽量相比，海綿蛋糕在烘焙過程中加了蒸汽，硬度顯著降低（置信概率p<0.05），彈性顯著增加（p<0.05），其原因可能是蛋糕表面吸收了水分，從而變得濕潤，蛋糕的水分蒸發(fā)形成疏松結(jié)構(gòu)，彈性變大。當蒸汽量超過22%時，蛋糕表面粗糙，感官評分降低，品質(zhì)逐漸變差。

表1 實驗設計因素水平及編碼

表2 海綿蛋糕感官評分標準

圖1 蒸汽量對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖3 溫度對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖2 蒸汽量對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

圖4 溫度對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

在富含脂肪的體系中，丙烯酰胺的形成主要通過油脂熱解產(chǎn)生的丙烯醛或丙烯酸與游離氨反應或者是一些羰基化合物與3-氨基丙烯酰胺反應產(chǎn)生[8]。由圖2可知，蛋糕在不加蒸汽的情況下烘焙之后，丙烯酰胺的含量為0.0549mg/kg，隨著蒸汽量的增加，丙烯酰胺的生成量逐漸減少，可能的原因是水蒸氣具有洗脫食物中油脂的作用，因此也降低了食物中丙烯酰胺的含量。綜上所述，選擇蒸汽量為22%。

3.1.2 烹飪溫度對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

由圖3可知，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），彈性逐漸降低，硬度先減小后增大（p<0.05），蛋糕在烘焙過程中糖類發(fā)生焦糖化反應生成深色物質(zhì)，色澤變暗，隨著烘焙溫度的增加，蛋糕的表面開始發(fā)生焦糊，亮度逐漸降低。打發(fā)好的蛋糕糊置入烤箱，黏稠狀的乳化液會轉(zhuǎn)變成固相的膠體，蛋糕內(nèi)部組織形成多孔結(jié)構(gòu)，使蛋糕的彈性逐漸增加，但是隨著時間的延長，蛋糕質(zhì)地堅韌，彈性逐漸降低，硬度變大。

丙烯酰胺是高碳水化合物食物加熱到120℃以上逐漸發(fā)生美拉德反應形成的，由圖4可知，隨著烘焙溫度的增加，海綿蛋糕丙烯酰胺的含量顯著增加（p<0.05），當烘焙溫度控制的較低時，蛋糕中生成的丙烯酰胺的量很少，當溫度升高到一定階段時，蛋糕表面的水分減少，表面溫度越來越高，生成的丙烯酰胺的量也越來越多。因此在一定范圍內(nèi)，丙烯酰胺的生成量與烘焙溫度成正比。

綜上所述，當蒸烤箱溫度設定為170℃時，蛋糕質(zhì)地均勻，感官評分最高，因此蒸烤箱溫度設定為170℃。

3.1.3 烹飪時間對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖5 時間對海綿蛋糕品質(zhì)的影響

圖6 時間對海綿蛋糕丙烯酰胺的影響

由圖5可知，感官評分隨著烘焙時間的延長先增加后減小，當烘焙時間為35min時感官評分最高，此時蛋糕的彈性最大、硬度最小。當繼續(xù)烘焙時，蛋糕的水分逐漸蒸發(fā)，蛋糕的表面開始發(fā)生焦糊，蛋糕變干硬，因此硬度顯著增大（p<0.05）。隨著烘焙時間的延長，蛋糕的L*顯著降低（p<0.05），蛋糕表面越來越糊，顏色也越來越難以接受。烘焙時間為35min時蛋糕的色澤適中，口感松軟細膩，不干硬，感官評分最高，因此選擇烘焙時間為35min。

由圖6可知，烘焙時間越長，蛋糕中丙烯酰胺的含量越高；水分含量是影響丙烯酰胺形成的重要因素，烘焙時間越長，水分減少越多，丙烯酰胺生成越多。

3.2 蒸烤箱響應面優(yōu)化實驗結(jié)果

由Box-Behnken設計的實驗方案如表3所示，選擇溫度、時間、蒸汽量為實驗因素，設置感官評分、硬度、彈性、亮度和丙烯酰胺含量為響應值來篩選最佳工藝。17個實驗點分為析因點和零點，1～12號是析因?qū)嶒灒?3～17號是中心實驗。其中析因點為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維頂點；零點為區(qū)域的中心點，零點實驗重復5次，用以估計實驗誤差。

利用Design-Expert 8.0統(tǒng)計軟件對表3數(shù)據(jù)進行多項擬合回歸。研究一個因變量與一個或多個自變量間多項式的回歸分析方法，稱為多項式回歸（Polynomial Regression）。由于任一函數(shù)都可以用多項式逼近，因此多項式回歸有著廣泛應用。如果自變量只有一個時，稱為一元多項式回歸；如果自變量有多個時，稱為多元多項式回歸。在一元回歸分析中，如果依變量y與自變量x的關系為非線性的，但是又找不到適當?shù)暮瘮?shù)曲線來擬合，則可以采用一元多項式回歸。以感官評分（G）、硬度（Y）、彈性（T）、亮度（L）和丙烯酰胺（B）為因變量，溫度（X1）、時間（X2）、蒸汽量（X3）為自變量，建立回歸方程如下：

表3 Box-Bchnken實驗設計與結(jié)果

表4 回歸方程可信度分析

回歸方程可信度分析如表4所示，其中感官評分、亮度和丙烯酰胺的R2分別為93.23%、83.42%和91.39%。表明超過90%的實驗數(shù)據(jù)可用該模型進行解釋，說明方程可靠性較高。CV值越低，顯示實驗穩(wěn)定性越好，本實驗中CV值分別為4.28%、6.70%和13.35%，說明實驗操作可信度較高。綜上說明了該回歸方程為優(yōu)化海綿蛋糕工藝條件提供了一個良好的模型。

表5 感官評分回歸模型的方差分析

表6 硬度回歸模型的方差分析

表7 彈性回歸模型的方差分析

表8 亮度回歸模型的方差分析

采用Design Expert 8.0程序?qū)嶒灲Y(jié)果進行方差分析，分析結(jié)果如表5-表9所示。表中的Pr為置信概率，Pr＞F值項表示大于F值的概率，從中可以看出感官評分X2、X32對G值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X1X2、X12對G值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕感官評分的3個因素的主次因素依次為: 時間（X2）＞蒸汽量（X3）＞溫度（X1）；硬度和彈性的模型不顯著；亮度X1、X2、X3對Y值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005）。影響海綿蛋糕亮度的3個因素的主次因素依次為：時間（X2）＞溫度（X1）＞蒸汽量（X3）；丙烯酰胺X1、X3、X2X3、X22對B值的影響顯著（Pr＞F的值小于0.05），X2對B值的影響高度顯著（Pr＞F的值小于0.005），影響海綿蛋糕丙烯酰胺含量的3個因素的主次因素依次為：溫度（X1）＞時間（X2）＞蒸汽量（X3）。

溫度和時間、溫度和蒸汽量、時間和蒸汽量分別對感官評分的影響如圖7-圖9所示；對彈性的影響如圖10-圖12所示；對丙烯酰胺的影響如圖13-圖15所示。

應用design expert 8.0中Box-Behnken中Optimization Choises的Numerical Optimization對感官評分（maximize）、亮度（maximize）和丙烯酰胺（minimize）進行最優(yōu)化設計。得到在同一烹飪條件下，感官評分、亮度和丙烯酰胺最佳的烹飪工藝條件，如表10所示。

烹飪溫度為167.11℃，時間為25min，蒸汽量為16.74%時，海綿蛋糕的烹飪效果達到最好，感官評分的理論值可達83.0638，亮度的理論值可達到51.3438，丙烯酰胺的理論值可達0.0308783mg/kg，其合意性（Desirability）為0.853665。各因素對海綿蛋糕的綜合影響的合意性（Desirability），可見圖16。但考慮到實際情況，將最佳烹飪工藝條件修正為烹飪溫度為167℃，時間為25min，蒸汽量為17%。分別按以上最優(yōu)條件，重復驗證實驗結(jié)果。在此條件下實際測得的海綿蛋糕感官評分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg，與理論預測值相比接近，由此證明實驗模式合理，結(jié)果理想。

圖7 溫度和時間對感官評分的影響

圖8 溫度和蒸汽量對感官評分的影響

圖9 時間和蒸汽量對感官評分的影響

圖11 溫度和蒸汽量對彈性的影響

4 結(jié)論

圖10 溫度和時間對彈性的影響

圖12 時間和蒸汽量對彈性的影響

本實驗采用蒸烤雙能機對海綿蛋糕的烹飪工藝進行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)烤箱烹飪方法不同，本實驗在烹飪過程中引入了蒸汽因素。采用響應面優(yōu)化方法，對蒸烤雙能機烹飪溫度、時間和蒸汽量進行了優(yōu)化，最終優(yōu)化工藝參數(shù)為溫度167℃，時間25min，蒸汽量17%。在此條件下海綿蛋糕的品質(zhì)感官較好，實際測得的海綿蛋糕感官評分為82，亮度L*為52.11，丙烯酰胺含量為0.0302mg/kg。

圖13 溫度和時間對丙烯酰胺的影響

圖14 溫度和蒸汽量對丙烯酰胺的影響

圖15 時間和蒸汽量對丙烯酰胺的影響

圖16 各因素對海綿蛋糕感官評分、亮度和丙烯酰胺的合意性的響應面和等高線

表9 丙烯酰胺回歸模型的方差分析

表10 最優(yōu)設計推薦方案