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响应曲面法降低清蛋糕水分活度的研究 林晓岚 田妍基 ( 福建农林大学食品科学学院, 福州 350002) 摘 要 根据降低水分活度可以抑制食品霉菌增长繁殖的原理, 采用响应曲面法, 以丙二醇、 F42 果葡糖 浆和山梨糖醇三种降水分活度剂为因素, 以清蛋糕 Aw 为响应值进行响应面设计, 建立其回归模型。结果表 明: 丙二醇、 F42 果葡糖浆和山梨糖醇的最佳添加量( 占总糖) 分别为: 1. 20%、 10. 00%和 25. 00% 。此方案制作 的清蛋糕水分活度( Aw) 为0. 765。 关键词 清蛋糕 水分活度 响应曲面 中图分类号:TS213. 2 文献标识码:A 文章编号: 1003- 0174( 2009) 01- 0016- 04 清蛋糕, 又称海绵蛋糕( Sponge cake) , 是以鸡蛋、 糖、 面粉为主要原料, 经搅拌、 制糊、 入模以及烘焙等 工序制成的松软可口的高蛋白美味食品 1- 2。清蛋 糕含有丰富的糖类、 蛋白质和脂类。汪国钧3提到 在蛋糕上生长的霉菌主要是毛霉、 棍霉、 曲霉等。国 内外对水分活度与食品保藏稳定性之间的关系进行 了大量的研究, Beauchat4报道了大多数霉菌在水分 活度0. 8以下停止生长。为此, 研究通过控制水分活 度来延长清蛋糕的保质期。 果葡糖浆、 山梨糖醇、 丙二醇均具有降低水分活 度的能力5, 鉴于目前三者综合作用降低水分活度 及两两之间是否存在相互作用尚无系统的研究报 道, 本试验按照中心复合旋转试验设计理论, 采用响 应曲面法, 探讨三种添加剂降低清蛋糕水分活度的 能力。 1 材料与方法 1. 1 试验材料 低筋面粉: 厦门海嘉面粉有限公司; 鸡蛋: 市售; 白砂糖: 福建省糖酒副食品总公司; 银谷牌速发蛋糕 油: 美晨集团股份有限公司; 金龙鱼大豆油: 嘉里粮 油( 深圳) 有限公司; 山梨糖醇: 青岛金泰源海洋科技 有限公司;F42 果葡糖浆: 武汉佳宝糖业。 1. 2 试验仪器及设备 JD- 10 型蛋液搅拌机: 韶关食品机械厂; DKL- 5 型多丽牌电热远红外烤箱: 广东多丽食品机械有限 收稿日期: 2007- 11- 15 作者简介: 林晓岚, 女, 1966 年出生, 副教授, 粮食、 油脂及植物蛋 白工程 公司;TN- 100B 型托盘扭力天平: 上海第二天平仪器 厂; 烤盘; 过筛网; 秒表; DHG- 9070A 型电热恒温鼓 风干燥器: 上海益恒实验仪器有限公司; AW- 1型智 能水分活度仪: 无锡碧波电子厂; 扁型称量瓶( 30 50) ; 研钵等。 1. 3 测定指标及方法 1. 3. 1 水分含量的测定 直接干燥法: 参照 GB/T 5009. 3) 20036。 1. 3. 2 水分活度的测定 水分活度测定仪法。测定样品前先用饱和的碘 化钾溶液对仪器进行校正, 然后称取 5. 000 g 捣碎的 蛋糕样品置于干燥的玻璃器皿中, 放入测试盒中进 行测定, 待测定容器内达到平衡相对湿度后, 定时报 警, 记录数据即可。 1. 4 试验方法 为了控制清蛋糕的水分活度, 得到较好的感官 质量, 以鸡蛋B白砂糖B面粉= 1B1B1, 蛋糕油添加量为 鸡蛋的 4%为基础, 对丙二醇、 山梨糖醇、 F42 果葡糖 浆进行单因素实验, 并采用响应曲面试验设计进行 分析选出三种添加剂的最佳添加量。 1. 4. 1 清蛋糕的制备 鸡蛋( 去壳)+ 白砂糖(或果葡糖浆、 山梨糖醇) y 打 蛋( 搅打 10 min 时加入 4% ( 占鸡蛋)蛋糕油或丙二醇) y 拌面粉y 装模y 烘烤y 清蛋糕y 冷却y 包装y 成品 小麦粉y 过筛 烤盘刷油z 大豆油 1. 4. 2 三种降水份活度剂的单因素实验 Aw 值的大小直接影响到食品贮存安全性, 选取 丙二醇、 山梨糖醇、 果葡糖浆有较强的降水分活度能 力 5- 7。各降水分活度剂的单因素试验因素水平分 2009 年 1月 第24 卷第 1 期 中国粮油学报 Journal of the Chinese Cereals and Oils Association Vol. 24, No. 1 Jan. 2009 别为: 仅添加丙二醇时, 丙二醇添加量( 占总糖的百 分比) 为 0%、 0. 3% 、 0. 6% 、 0. 9%、 1. 2% 、 1. 5% ; 仅添 加果葡糖浆时, 果葡糖浆添加量( 占总糖的百分比) 为0% 、 10%、 20%、 30% 、 40%; 仅添加山梨糖醇时, 山 梨糖醇添加量( 占总糖的百分比) 为 0% 、 5% 、 10% 、 15% 、 20% 、 25%、 30%。( 注: 总糖包括白砂糖、 F42 果葡糖浆和山梨糖醇) 1. 4. 3 响应曲面实验设计 根据单因素实验结果, 以丙二醇添加量( A) 、 果 葡糖浆添加量( B) 、 山梨糖醇添加量( C) 为因素, 以清 蛋糕的水分活度为响应值, 用 Design- Expert 6. 0. 10 软件进行实验设计, 优化清蛋糕配料比。 表 1 响应曲面实验设计表 因素 A 丙二醇 添加量/ % B 果葡糖浆 添加量/ % C 山梨糖醇 添加量/ % 下限0. 3105 上限1. 24025 2 结果与分析 2. 1 单因素分析 2. 1. 1 丙二醇对清蛋糕水分含量和水分活度的影响 表 2 丙二醇对清蛋糕水分含量和水分活度的影响 丙二醇占 总糖比例/ % 水分含量 / % 水分活度 0. 015.370.795 0. 315.520.789 0. 615.630.783 0. 915.610.776 1. 215.310.763 1. 515.730.757 由表 2 可以看出, 当不同丙二醇添加量制得的 清蛋糕的水分含量在 15. 3% 15. 8% 之间时, 随着 丙二醇的增加, 清蛋糕的Aw 呈下降趋势。因为丙二 醇为极性小分子, 具有亲水性, 带有两个羟基, 其空 间位阻较小, 两个羟基均可与水分子以氢键的方式 结合, 所以丙二醇添加量越大, Aw 越低。但必须在 国家标准要求的添加量范围内, GB2760 规定, 用于糕 点, 最大用量为 3. 0 g/ kg5。丙二醇可作为蛋糕的保 湿剂及柔软剂, 还可以作为保鲜剂, 防止霉变7。 2. 1. 2 果葡糖浆对清蛋糕水分含量和水分活度的影 响 由表 3 可以看出, 清蛋糕的水分含量和 Aw 均随 着果葡糖浆占总糖比例的增加而增加, 未加果葡糖 浆的清蛋糕水分含量和 Aw 分别只有 15. 37% 和 0. 795, 而用果葡糖浆占总糖 10% 时, 水分含量和 Aw 上升的最多, 比未加果葡糖浆时分别上升了 4. 36% 和 0. 040; 果葡糖浆占总糖的量为 20% 、 30%、 40% 时, 水分含量和Aw 均呈缓慢上升的趋势。添加量为 40%时的水分含量和 Aw 比添加量为 30% 时仅分别 增加了 0. 08%和 0. 003。 表 3 果葡糖浆对清蛋糕水分含量和水分活度的的影响 果葡糖浆占 总糖比例/ % 水分含量 / % 水分活度 015. 370. 795 1019. 730. 835 2020. 200. 852 3021. 580. 857 4021. 660. 860 水分含量和 Aw 均有上升是因为果葡糖浆中含 有一定量的水分。而果葡糖浆占总糖 40% 时制作的 清蛋糕水分含量比果葡糖浆占总糖 10% 时增加 9. 80%, 而水分活度却增加 3. 00%。可以看出, Aw 比水分含量的增加率慢。说明随着果葡糖浆添加量 的增加, 会有更多的羟基与水形成氢键。 利用果葡糖浆具有吸湿性和保水性的特点, 使 蛋糕不易失去水分, 并长时间保持湿润柔软, 不易老 化, 从而延长了保质期。 2. 1. 3 山梨糖醇对清蛋糕水分含量和水分活度的影响 表 4 山梨糖醇对水分含量和水分活度的影响 山梨糖醇占 总糖比例/ % 水分含量 / % 水分活度 015. 370. 795 515. 490. 790 1015. 320. 784 1515. 420. 779 2015. 410. 777 2515. 290. 769 3015. 470. 758 从表 4 看出, 不同山梨糖醇添加量制得的蛋糕 的水分含量处于 15. 2% 15. 5% 之间, Aw 则有逐渐 下降的趋势, 山梨糖醇占总糖的比例越大, Aw 越小。 这是因为山梨糖醇为单糖, 为亲水性物质, 并带有的 六个羟基容易与自由水分子结合, 从而降低 Aw。 2. 2 响应面分析 以丙二醇、 果葡糖浆、 山梨糖醇为因素, 以成品 的Aw 为考察指标, 进行响应曲面设计, 试验方案及 测定结果见表 5。 2. 2. 1 Aw 响应面分析 用 Design- Expert 6. 0. 10 软件对数据进行处理, 方差分析见表 6, 获得 Aw 的回归模型见公式( 1) 。 17第 24卷第 1期林晓岚等 响应曲面法降低清蛋糕水分活度的研究 表 5 响应曲面实验方案及结果 序号 因素 丙二醇/ %果葡糖浆/ % 山梨糖醇/ % 响应值 Aw 10. 3025. 005. 000. 846 0 20. 7510. 005. 000. 829 0 30. 3010. 0015. 000. 836 5 41. 2010. 0015. 000. 822 5 50. 7540. 0025. 000. 850 0 60. 3025. 0025. 000. 828 0 70. 7525. 0015. 000. 838 0 80. 7525. 0015. 000. 828 5 91. 2025. 0025. 000. 786 0 100. 7525. 0015. 000. 849 0 110. 7525. 0015. 000. 841 0 120. 7540. 005. 000. 844 0 131. 2040. 0015. 000. 845 0 141. 2025. 005. 000. 810 5 150. 7510. 0025. 000. 792 5 160. 3040. 0015. 000. 877 5 170. 7525. 0015. 000. 845 5 表6 Aw 响应曲面回归模型方差分析表 方差来源平方和自由度均方F值P 值 模型7.206E- 00361.201E- 00322. 51 0. 000 1 A1.922E- 00311.922E- 00312. 830.000 1 B2.312E- 00312.312E- 00343. 33 0. 000 1 C6.661E- 00416.661E- 00412. 490.005 4 B22.667E- 00412.667E- 0045.000.049 4 C21.656E- 00311.656E- 00331. 030.000 2 BC4.516E- 00414.516E- 0048.460.015 6 残差5.335E- 004105.335E- 005 误差2.477E- 00446.192E- 005 总和7.739E- 00316 R- Squared= 0. 931 1,Adj R- Squared= 0. 889 7, Pred R- Squared = 0. 819 2,Adeq Precision( 信噪比) = 19. 000 Aw= 0. 854 35- 0. 034 444 A- 1. 695 25E- 3 B+ 3.25746E- 3 C+ 3. 532 16E- 5 B2- 1.98026E- 4 C2+ 7. 083 33E- 5 B C( 1) 由表 6 可看出, 该模型极显著( P 0. 000 1) , R2 和Adj R2分别为0. 931 1 和0. 8897, 说明该模型拟合 程度良好, Pred R2为 0. 819 2, 说明该模型预测性良 好,Adeq Precision( 信噪比) 为 19. 000 远高于临界值 4, 说明该模型是合适的。A、 B 和 C 均为 Aw 的极显 著因子, 对Aw 产生极显著影响,其中 B2和B、 C 交互作 用对Aw 产生显著影响,C2对Aw 产生极显著影响。 果葡糖浆和山梨糖醇影响 Aw 的响应曲面图和 等高线如图1 所示。图 1 显示了果葡糖浆和山梨糖 醇添加量对 Aw 的交互影响效应。随着山梨糖醇添 加量的增加, Aw先增加后减小; 随着果葡糖浆添加 量的增加, Aw 逐渐增加。当果葡糖浆添加量低时, 18中国粮油学报2009 年第 1 期 山梨糖醇对Aw 影响的程度较大, 随山梨糖醇添加量 的增加,Aw 先逐渐增大后快速减小; 果葡糖浆添加 量高时, 山梨糖醇对 Aw 影响的程度相对较小, 随山 梨糖醇添加量的增加, Aw 先增大后减小; 当山梨糖 醇添加量低时, 果葡糖浆对 Aw 影响不大; 当山梨糖 醇添加量高时, 果葡糖浆对 Aw 影响的程度较大, 随 果葡糖浆添加量的增加, Aw 呈不断增大的趋势。 丙二醇和山梨糖醇影响 Aw 的响应曲面图和等 高线如图 2 所示。随着丙二醇添加量的增加, Aw 明 显下降; 随着山梨糖醇添加量的增加, Aw 先增加后 降低。 2. 2. 2 实验的优化 利用 Design- Expert 6. 0. 10 软件, 通过对回归方 程求解, 获得Aw 最小为值0. 774 989。此时丙二醇添 加量为 1. 20%, 果葡糖浆添加量为 10. 00%, 山梨糖 醇添加量为25. 00% 。 依据 Design- Expert6. 0. 10 软件得出的最优条件 进行制作清蛋糕, 并测定出其水分活度值为 0. 765。 由试验结果可看出, 水分活度实际值比理论值小 1. 3%, 试验的真实值与理论值存在一定的差异, 但 差异不明显。 3 结论 采用响应曲面法设计实验, 研究了丙二醇、 果葡糖浆和山梨糖醇对清蛋糕Aw 的影响, 对这该响 应值建立了数学模型, 并优化了清蛋糕加工配料比。 Aw 响应值的模型均呈极显著性, 拟合程度良好, 并 有很好的预测性。 用 Design- Expert6. 0. 10 软件, 得到 3 种降水分 活度剂的最优添加量为: 丙二醇添加量为 1. 20% , 果 葡糖 浆添 加量 为 10. 00% , 山梨 糖醇 添 加 量为 25. 00%, 制得的清蛋糕水分活度值为 0. 765。 参考文献 1 刘江汉. 焙烤工业实用手册M . 北京: 中国轻工业出版 社, 2003 2陈守江. 优化清蛋糕生产工艺的探讨 J . 安徽农业技术师 范学院学报, 1995, 9( 4) : 55- 60 3汪国钧. 蛋糕面包防霉保质原理和方法(上) N. 中国食品 报, 2005- 04- 22 ( B03版) 4 Beauchat L R. Microbial stability as affected by water activity J . Cereal Food World. 1981, 7: 345 5GB2760) 1996, 食品添加剂使用卫生标准S 6GB/T 5009. 3- 2003, 食品中水分的测定S 7 北京市英发轻工技术开发公司. 最新食品添加剂大全 M . 北京: 北京市英发轻工技术

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