Plackett Burman试验设计联用Box Behnken响应面法优化脂肪替代物的制备.docx

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1、Plackett-Burman试验设计联用Box-Behnken响应面法优化脂肪替代物的制备由甘油和脂肪酸组成的脂肪，以三酰甘油酯的形式广泛存在于各类食品中，能承载脂溶性维生素,是人类膳食组成中重要的营养及供能物质。在食品工业中，脂肪的添加能够使食品口感细腻润滑、风味独特并形成特定的组织状态。在常温下，动物脂肪常以固态微颗粒状态存在，其在肉制品加工中的作用尤为重要。在肉制品加工中如何在降低脂肪含量的同时，又能维持成品良好的感官品质，成为从业者迫切需要解决的问题。为了满足消费者的需求，适用于各类不同产品的脂肪替代物的开发及应用成为近年来的研究热点。肉类制品中的动物脂肪替代物多以碳水化合物、蛋白质

2、和植物油脂为基质，通过使用物理、化学的方法进行改性，添加到产品中以期模拟脂肪的部分或全部特性，使产品达到“降脂不降质”的目的。从业者需要找到具有更好物理化学性质的脂肪替代品模拟肉制品中的固体动物脂肪。通过优化筛选魔芋精粉、卡拉胶、大豆分离蛋白、乳清蛋白、明胶、水、碳酸钠以及植物油等物质的用量，在碱性环境中复配为热不可逆凝胶块模拟动物块状脂肪，并将其与猪背脂肪进行对比，以期其在肉制品中能作为固体动物脂肪的替代物而广泛应用。1复配凝胶Plackett-Burman试验设计结果由于复配凝胶作为块状脂肪的替代物，需要尽可能模拟脂肪的主要物理性能。因此，本研究选取硬度、感官弹性和咀嚼性等响应值来察复配凝

3、胶与脂肪质构的差异；选取白度值为响应值考察复配凝胶与脂肪的色泽差异；选取在烘烤条件下的收缩率和质量损失率考察复配凝胶与脂肪保水性能的差异。通过Plackett-Burman试验，筛选出复配凝胶的各组分中对于影响其作为脂肪替代物的整体性能的关键因素。结果显示，本研究中的所有试验模型都差异显著（P0.05）,表明每个模型的拟合度和可靠性都很高，适合于研究各组分因素对于响应值的影响程度。其中X2（卡拉胶添加量）、X4（乳清蛋白添加量）、X7（水添加量）和X8（碳酸钠添加量）4个因素分别对各响应值都存在显著影响（P0.05）因此选取以上4个因素为主要影响因素，在下一步的试验设计中继续考察其最优的水平范

4、围。对其余无显著影响的因素，根据单因素试验结果及正负效应，确定复配凝胶中各组分的添加量为魔芋精粉6g、明胶1.5g、大豆分离蛋白Ig和植物油20m1.。2复配凝胶最陡爬坡试验设计结果结果显示，随着水、乳清蛋白、碳酸钠和卡拉胶等各组分添加量的增加，复配凝胶的感官弹性、咀嚼性、白度值均呈现出先升高后降低的趋势，硬度呈现逐渐下降的趋势，而收缩率和质量损失率呈现出先降后升的趋势。结果显示，猪背脂肪的质构指标和色泽指标均大于复配凝胶的表现，而保水性指标小于复配凝胶的表现，因此，当复配凝胶中各组分添加量分别为水270m1.、乳清蛋白1.25g、碳酸钠1.67g和卡拉胶1.25g时，其各项指标评分均与对照组

5、的猪背脂肪最为接近，说明该试验组接近各组分的最佳响应区间。因此，以该试验组为下一步响应面的中心试验点，进行响应面试验。3复配凝胶Box-Behnken响应面试验设计结果结果显示，各个模型的P值均小于0.01,表示模型对响应值有极显著影响，且失拟项P值均大于0.05（即不显著），它表明每个模型都具有高度的拟合度，并且试验误差很小，模型能够准确描述各因素与响应值之间的真实关系，即可以用各模型分别对复配凝胶的各项性能进行分析和预判。在响应面分析中，回归模型的确定系数越高，即所选因素对响应值变化的影响越大。本试验中，各模型的确定系数R2均大于0.92,校正确定系数R2Adj均大于0.85,说明各模型中

6、所选因素对于响应值的变化影响较高，仅有较少量的变化不能使用模型进行解释。本试验中，各模型的信噪比均大于4,也说明各模型设计合理，可信度较高。综合以上分析，在本试验中各个模型的置信度较高，能较好拟合响应值与所选自变量的关系。结果显示，A、C和AD3个因素对各回归模型影响均显著(Pv0.05);B对除以硬度为响应值外的其余回归模型影响均显著(P0.05);D对除以硬度和质量损失率为响应值外的其余回归模型影响均显著(P0.05);AC对除以咀嚼性为响应值外的其余回归模型影响均显著(Pv0.05);BD仅对以质量损失率为响应值的回归模型影响显著(P0.05）.而替代组的脂肪含量相对于空白对照组降低了5

7、0%,说明通过前期实验结果制备的作为脂肪替代物的复配凝胶，能在肉制品中较好地模拟动物脂肪的各项性能，通过将其添加到产品中能真正达到“降脂不降质”的目的。结论本研究通过Plackett-Burman设计，最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面法对作为脂肪替代物的复配凝胶的配方进行优化设计，研究魔芋精粉、卡拉胶、大豆分离蛋白、乳清蛋白、明胶、植物油、水以及碳酸钠的添加量8个因素，对复配凝胶的质构性能、色泽性能和保水性能的影响。首先，通过Plackett-Burman试验，筛选出配方中的卡拉胶、乳清蛋白、水和碳酸钠的添加量为4个关键因素,它们对复配凝胶的各项品质指标均有显著性影响，然后通过最陡爬

8、坡试验和Box-Behnken响应面试验建立了这4种物料的添加量与各响应值之间的回归模型。通过软件优化得到复配凝胶配方中各物料之间的质量比例为，卡拉胶-乳清蛋白-水-碳酸钠魔芋精粉-明胶-大豆分离蛋白-植物油=1.19：1:254.52：2：6：1.5：1：18.4o经验证实验，得知按此配方制得的复配凝胶作为脂肪替代物加入到中式香肠中，在保证产品感官品质不降低的前提下，极大降低了中式香肠的脂肪含量。综上所述，通过本研究制得的复配凝胶能较好的模拟动物脂肪的各项物理性能，且能良好运用于中式肉制品的实际生产中，为低脂肉制品的开发提供了一定的理论参考价值。本研究中，针对作为脂肪替代物的复配凝胶的配方由

9、于存在因素较多的情况，故而先采用Plackett-Burman试验设计，根据各因素对于复配凝胶的物性影响大小进行重要性筛选，找出主要作用因素；再使用最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面法，找出这些主要作用因素在复配凝胶配方中的最适添加量，进而确定出制作复配凝胶的最优配方。通过以上3步试验设计内容，可使用较少的试验量在众多因素中快速寻找到最优配方。本研究中的实验设计是通过使用先“定性”即因素重要性，后“定量”即因素添加量的研究方法，后期验证实验表明本设计可靠、实验方法科学合理，且按照最优配方制作的复配凝胶在中式香肠中亦能较好替代猪背脂肪。附脂肪替代品在烘焙行业中的研究进展近几年,烘焙食品深

10、受人们欢迎，不仅美味，还可为我们提供膳食纤维和其他营养物质烘焙行业快速发展。但据世界卫生组织统计2014年全世界有约39%的人口超重约13%的人口肥胖，且肥胖率逐年上升健康问题日益突出，低脂的健康饮食成为潮流然而大多数传统烘焙食品具有高油、高糖、高卡路里易肥胖等特点，并不属于健康饮食。无法满足人们对健康的需求，是现如今烘焙行业面临的主要问题之一。故低脂的健康烘焙将成为烘焙行业发展的大趋势之一但烘焙食品中的脂肪在食品的质地和口感方面具有一定作用，若简单地去除会对食物的品质造成严重影响，从而降低消费者对食物的可接受度。因此，脂肪替代品的开发与研究刻不容缓，目前已有部分学者对脂肪替代品进行了大量研究

11、本文将从脂肪在烘焙产品中的作用、脂肪替代品的分类及其应用这几方面进行分析总结。一、脂肪在烘焙产品中的作用脂肪是由甘油和脂肪酸组成的三酰甘油酯，在面包、蛋糕和饼干等固态烘焙食品中通常存在于与固体基质分离的不规则分散相或连续相中。其中,起酥油是一系列由氢化植物油或动物脂肪制成的半固体脂肪,在烘焙产品制作过程中,起酥油与其他材料混合。液体部分与蛋白质和淀粉表面的水竞争，而固体脂肪晶体埋于蛋白质网络中，分布在空气油或油水界面。烘烤后液体和固体脂肪形成了连续或分散的油相，组成了食品的结构。在烘焙产品中,脂肪通过阻碍蛋白质和淀粉形成连续固体网络,从而赋予食物柔软的质地，当食物中的脂肪减少时,脂肪-脂肪.、

12、脂肪蛋白质和脂肪-多糖之间的相互作用减少改变食品的质构，固体网络的弹性和脆性变大产品将具有高硬度和弹性。厚度、光滑度、油性和乳脂状等感官特性以及食物的颜色、持水力、微观结构特征和粒径等均与食物中的脂肪密切相关。除此之外食品中的脂肪可保存一定的亲脂性特征风味和香气影响水相中味道化合物浓度的变化以及食物的苦味涩味、酸味和咸味。同时脂肪也会影响食物中的生化过程，比如对于需要发酵或后熟的食物（例如面包）去除脂肪会导致特征性脂肪来源的香气消失以及一些不良味道和气味的产生。二、脂肪替代品的分类及应用为了降低由脂肪减少所引起的食物感官特性的变化。许多学者用脂肪替代品来替代部分食物中的脂肪。脂肪替代品根据其化

13、学组成和功能一般可分为两类:脂肪替代物和脂肪模拟物。脂肪替代物通常指基于脂质的脂肪替代品，一般具有与三酰甘油酯类似的结构，且用于一对一地替代脂肪而脂肪模拟物通常指基于蛋白质或碳水化合物的脂肪替代品，具有与脂肪相当的功能且不一定通过一对一替代脂肪。而不同脂肪替代品的替代机理根据PENG等阐述的碳水化合物基替代机理并稍作修改如图1所示。A-全射体系；B-Jurr体系;C-StIMA系；D-不曜妫斯勒怛抗体系；E-说用指朝相Kl体寂；F-由防善代体察用I不耐的肪替代后的替代机理Fig.1ThrMilMtituiMNttnr-hamMn/difmnl(alMIiZilUtc脂肪替代物及其应用脂肪替代物

14、是以脂肪酸为基础的酯化产品，其酯键能抵抗脂肪酶的催化水解，消化率低,因此能量较低或为0。如图1-A图I-C所示。它的最大优点是具备类似油脂的物化特性。用脂肪替代物来替代食品中的部分或全部油脂，可显著降低食品的能量且几乎不会对食品的感官品质造成不良影响。同时这类化合物具有热稳定性，在高温油炸及焙烤食品中有独特的优越性。目前常用的脂肪替代物为蔗糖聚酯、三烷氧基丙三竣酸酯、二元酸酯、竣酸酯、聚硅氧烷、霍霍巴油和丙氧基甘油酯等如表1所示。表I不同代舫的18成和生产公用Table1CamPQUlionandproductionComfNmofdifTcrcnt(tMItMtkUteV户一tr公M费ffM

15、,Ct-C221t箝化产，PmrtrfAa*Je公MeaUl11MUmmbMVI公彳Rrai公司化”的RIUN生(更甲M”及DmOnunf合作公MJr兄弟公M内KlUt油占环冬儿。0.05).通常,天然或未改性淀粉由于其在各种温度、H和剪切条件下的不稳定性而在食品中的应用受限。但对淀粉进行化学物理、酶处理和基因等方法的修饰可使其获得更理想的功能特性。化学改性是生产变性淀粉的主要途径吴俊等用亲酯改性的微细化淀粉替代饼干中的油脂制作成的低脂压缩饼干口感细腻成型良好、连食性强。交联淀粉与天然淀粉相比，具有更低的溶胀度、溶解度和消化率。更高的糊稳定性和耐蒸者剪切，对温度和低PH值的敏感度更低产生的卡路

16、里更低Rodriguez-Sando-VA1.等研究发现可用交联木薯淀粉替代马芬蛋糕中8%的油脂实验组和对照组在重量损失、比容面包含水量、水分活度、黏性、质构和色泽方面没有显著差异。而用辛烯基琥珀酸钠(OCtenylSUCeniCan-hydride,OSA)来改良天然淀粉，可增强淀粉颗粒的乳化性质从而更好地模拟脂肪BA1.IC等用小麦和木薯OSA改性淀粉替代面包中的起酥油发现OSA改性淀粉可改善面团的糊化特性、凝胶硬度、黏性、混合性和面团强度且木薯OSA改性淀粉比小麦OSA改性淀粉效果好。麦芽糖糊精麦芽糖糊精是通过淀粉的部分酶酸水解获得的是具有低聚合度(degreeofpolymerizat

17、ion,DP)的-D葡聚糖。麦芽糖糊精通常用其葡萄糖当量(dextroseequivalem,DE)值标记DE值通常不超过20。DE值越大水溶性和甜味强度越大。如表2所示。低DF值麦芽糊精可形成柔软可伸展、热可逆的凝胶，有利于提高产品的顺滑感柔软性、持水性、黏稠性从而替代脂肪。为了达到更好地脂肪替代效果，可以将低DE麦芽糖糊精加工成成直径为l3m的不规则形状的微凝胶含有20%25%（质量分数）麦芽糖糊精.且提供的能量（4.2Jg）比干麦芽糖糊精（16.7Jg）低得多。除此之外。不同植物来源也会对麦芽糖糊精的功能产生影响。例如，用蜡质玉米淀粉形成的麦芽糖糊精微凝胶比马铃薯淀粉更适合替代氢化植物油

18、。SERlN等分别用菊粉聚葡萄糖和麦芽糖糊精代替土耳其传统烘焙产品中的油脂.研究发现用麦芽糖糊精和聚葡萄糖制备糕点的感官评价比菊粉的分数高.麦芽糖糊精可以替代糕点中30%的脂肪。总卡路里降低约22%,且对糕点品质不产生影响。CH-YSlRlCHoTE等用麦芽糖糊精凝胶和菊粉凝胶用作脂肪替代品，开发低脂的中式糕点结果表明麦芽糖糊精凝胶替代脂肪的效果没有菊粉凝胶好。李东霞等研究了低DE值麦芽糖糊精替代部分苏式月饼皮中的猪油结果表明，低DE值麦芽糖糊精可替代水油皮面团中30%的猪油而不会对产品感官品质造成影响，但低DE值麦芽糊精不能替代油酥皮面团中的猪油。聚葡萄糖聚葡萄糖是在柠檬酸作用下由葡萄糖和山

19、梨醇合成的一种高分子糖类化合物,其平均DP（约12）低于大多数碳水化合物聚合物（例如淀粉树胶和纤维）。如表2所示葡萄糖和山梨糖醇单元之间的随机交联使聚葡萄糖对人体消化酶具有抗性，因此聚葡萄糖的能量很低（IJ/g）且聚葡萄糖具有复杂的结构和较强的持水性,有利于保持烘焙食品的柔软度,改善组织结构和延缓淀粉老化糊化等。除此之外,聚葡萄糖具有调节肠道、血糖血脂等作用，是一种功能性水溶膳食纤维。聚葡萄糖能替代烘焙产品中的糖和脂肪并通过其独特的功能来维持低脂产品的品质。AGGARWAI等”研究发现聚葡萄糖能替代饼干中30%的油脂。并对饼干的感官特性不产生影响。KOCER等用聚葡萄糖来替代蛋糕中的脂肪和糖.

20、发现聚葡萄糖可替代25%的脂肪和22%的糖从而使蛋糕卡路里降低了22%oZOU1.IAS等用聚葡萄糖来替代饼干中的脂肪可替代20%的油脂且对饼干的硬度几乎没有影响。同时，聚葡萄糖对人体不存在毒性粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会没有限制聚葡萄糖的每日摄入量。胶体天然胶体的来源广泛如植物来源（瓜尔豆和果胶等）树源（蔷薇科分泌胶等）细菌来源（黄原胶和葡聚糖胶等）和藻类来源（褐藻胶等）等。胶体是一组天然存在的多糖被广泛用作胶凝剂增稠剂、乳化剂、涂层剂和稳定剂。胶体中存在大量羟基,具有一定的亲水能力。其中许多胶体是由聚合物组成，可形成交联网络并将水固定在黏弹性系统中O如表2所示，胶体可使油

21、和水稳定地混合同时可稳定食品中结合水等组分并抑制水分流失增加产品的稠度提供与脂肪类似的口感，因此它们被广泛应用在低脂食品中。HU等用秋葵胶替代香蕉面包中50%、75%和100%的脂肪发现所有的低脂面包与普通面包相比。在风味、质地颜色和总体可接受度上没有显著差异。SA1.EHI等研究发现在蛋糕中加入胶体后蛋糕糊的黏度和蛋糕体积显著增加了蛋糕密度从344kgm3降至321kgm3蛋糕质地更加柔软了。HAJMOHAMADI等认为将黄原胶（质量分数0.4%为佳）加入到海绵蛋糕中，有利于改善蛋糕质地并且可延长保质期。在50多年的广泛应用中基本上没有临床或可靠的科学证据表明食用胶会对人体的健康造成威胁。纤

22、维素类纤维素是一种在自然界大量存在的可再生的生物聚合物。植物来源纤维素脂肪替代品主要通过机械研磨（例如.粉末纤维素）化学解聚、湿机械崩解（例如微晶纤维素/纤维素凝胶）和化学衍生（例如竣甲基纤维素钠/纤维索胶，甲基纤维素/改性植物胶和羟丙基甲基纤维素/碳水化合物胶）等获得。如表2所示纤维素大都不能被人体消化吸收,故不能转化为能量能量为016.75Jg0纤维素类粒子的直径通常小于10m,与脂肪微粒大小差不多纤维素粒子可通过物理键能的作用与水分子形成三维网状结构的弱凝胶从而获得类似于脂肪的特性。1.AGUNA等”分别用菊粉和羟丙基甲基纤维素取代饼干中的脂肪研究发现最高可替代饼干中15%的脂肪并且羟丙

23、基甲基纤维素模拟脂肪的效果要比菊粉好。C）H等3将羟丙基甲基纤维素（hvdroxypropyl-methleellulose,HPMC）和向日葵油加工成HPMC油凝胶替代马芬蛋糕中的起酥油。研究结果表明，HPMC油凝胶可以有效地替代高达50%起酥油，且不会对马芬蛋糕的品质造成影响。SANZ等用不同的纤维素酸乳液（羟丙基甲基纤维素HPMC甲基纤维素MC和具有更大甲氧基取代的甲基纤维素MCH）来替代饼干中的起酥油，其中MCH乳液替代起酥油的效果最好，与普通饼干的品质相似，最受人欢迎，食品中的纤维素不仅能替代脂肪,降低食物的卡路里，还具有提高人体免疫力.预防癌症糖尿病和心血管疾病等功能。蛋白质基脂肪

24、替代品蛋白质基脂肪模拟物是以天然高分子蛋白质为原料，通过热处理酶解等方法而获得的能够模拟脂肪特性的脂肪替代品。其来源广泛，比如鸡蛋牛奶乳清、大豆、明胶和小麦面筋等。可通过热作用剪切使蛋白质基脂肪模拟物微粒化，从而形成可变形的圆形微颗粒来模拟脂肪的质地和口感:也可通过物理化学等方法使其变性使分子中的疏水基团暴露在分子表面，从而模拟油脂的疏水性状。虽然大部分蛋白质基脂肪模拟物是非热稳定性的不能用于油炸，但部分蛋白质基脂肪模拟物可替代超高温食物的脂肪。2不同胞肪模力，及其功健TaNc2ThrdifTcrrmfalIninIicandtheirfctinm防但1与的奥PttU1.bI1）功传作用应Nl

25、大总健除n化学UU恨化化收收.2M合A.上。.小麦.174-17-4TCUtJIf1.盘善旗利.马芬FKKMF.包和4-17AMl.MHn中式点.号KJlS皮等WK4fff4!MAttMVU.结构.MflE我俯叁化化K*.*.”分KNtR.AR9Q畏供ilQA4Wf.包.*Mff2t谷奂纤维tf*cmwU立0大左等4.4.*a,nw4-1760ffKrA*tt.WI.马芬色等X理法（蛆交门.魁等）h化，法化.去段GJIllt化.9V化付PH等）“.令H*.Kfl.&“小去面等17.e定体Wf.“皮假点.NutraSweetKelco公司开发的SimPleSSe是由乳清蛋白浓缩物经微粒化加工而来

26、的,其干基的卡路里为4kJg使用时与水形成凝胶可减少卡路里。虽然SimPleSSe能提供脂肪般的质感，但与其他蛋白质基模拟物一样，会掩盖食物原有的风味。ZOU1.IAS等用基于蛋白质和碳水化合物的5种脂肪替代品去替代曲奇中的脂肪发现SimPleSSe的添加能使饼干变软适合应用于低脂软曲奇。用蛋白质基脂肪替代品替代烘焙产品中的脂肪还能显著提高食品中蛋白质含量。AKESOWAN等用m（小麦粉）:m（魔芋粉）:m（大豆分离蛋白）=89.5:0510的混合物来加工蛋糕，并用水替代50%70%的油蛋糕中水分和蛋白质含量显著提高蛋糕的硬度和咀嚼性显著降低。PIMDIT等用不同来源的脂肪替代品替代酥皮糕点中

27、的脂肪研究表明,脂肪基脂肪替代物Salatrim能使酥皮糕点的外观与普通相似但同时产生一种令人不悦的气味，使用碳水化合物基和蛋白质基脂肪替代品能使酥皮糕点的质地更致密,其中添加麦芽糖糊精的酥皮糕点的感官评价分最高，但仍无法完全替代脂肪。复合型脂肪替代物以及应用目前没有一种单一的脂肪替代品能够完全模拟脂肪的功能和感官特性。因此人们将不同基质来源的脂肪替代品按照一定比例混合在一起形成复合型脂肪替代物如图1所示利用脂肪替代物、碳水化合物基和蛋白质基脂肪模拟物各自的特性来协同模拟脂肪的特性。CHUGH等用聚葡萄糖和瓜尔胶作为脂肪替代品优化开发低脂饼干最终得到的最优配方为面粉100g、糖24g、油10.

28、5g、聚葡萄糖24.2g、瓜尔胶0.3g、碳酸氢镂2g、水24m1.,可替代饼干中70%的油脂，且比普通饼干具有更强的氧化稳定性。MORIANO等用聚葡萄糖和抗性淀粉替代饼干中的油脂。经优化得到的最终配方如下:12.38g/100g起酥油，10.69g100g聚葡萄糖,33.64g100g小麦粉，4.81g100g抗性淀粉，11.54g100g蔗糖，1.23g100g发酵剂，0.08glg盐和25.63100g水，饼干中起酥油含量降低了46.3%且对品质没有显著影响。FORKER等用单一脂肪替代物（玉米纤维、麦芽糖糊精和羽扇豆提取物）或二元组合来替代饼干中的油脂，研究发现玉米纤维和羽扇豆提取物

29、以1:1的比例替代饼干中30%油脂得到的低脂饼干品质最佳。复合型脂肪替代物可以是人为混合的，也可以是从天然产物中提取的混合物。NAMIR等从番茄渣中提取乙醇不溶性基质TAIS来替代海绵蛋糕中的油脂,研究发现TAlS具有很强的膨胀持水和持油能力可替代海绵蛋糕中25%的油脂从而获得低脂高营养价值的海绵蛋糕。展望近几年来，随着肥胖率的不断升高，人们越来越重视健康饮食。烘焙产品虽深受大众欢迎,但脂肪含量过高不宜过多食用开发低脂烘焙产品是未来的趋势但目前已有的脂肪替代物大都不能完全替代脂肪在食品中的作用，满足产品开发需求。单一的脂肪替代品由于其功能特性有限无法模拟脂肪的所有功能和感官特性故一方面应寻找新的脂肪替代来源另一方面需在复合型脂肪替代品方面还进行更深入的研究。由于烘焙产品大都会经过高温处理故需要开发具有热稳定性、高持水性、低热量和营养安全的脂肪替代品。