紅豆汽爆膨化預處理工藝試驗研究

李朝魯蒙，陳坤杰

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇南京　210031）

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紅豆汽爆膨化預處理工藝試驗研究

李朝魯蒙，*陳坤杰

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇南京210031）

摘要：通過設計一種新型的預處理工藝，采用汽爆的方式對紅豆進行預處理，以縮短再加工時間，并獲得紅豆的最佳口感。紅豆預處理工藝的評判指標為硬度和煲湯后的吸光度，采用響應曲面法，從蒸煮壓力、保壓時間和紅豆初始含水率3個因素變化的角度，分析了其對2項指標的影響并確定汽爆的最優(yōu)參數(shù)。試驗結果表明，汽爆后的紅豆比未加工的紅豆煲湯時間減少50%，紅豆的硬度為42.3 N，紅豆煲湯后的吸光度為0.775，分別是原始紅豆硬度的0.58倍、煲湯后吸光度的2.09倍。紅豆汽爆預處理效果最好，其工藝參數(shù)為蒸煮壓力0.69 MPa，保壓時間120 s，紅豆初始含水率25%。

關鍵詞：紅豆；汽爆膨化；工藝；硬度；吸光度

0　引言

紅豆，又稱赤豆、紅小豆、小紅豆，具有很高的藥用價值和營養(yǎng)價值，是我國北方主要雜糧之一［1］。現(xiàn)今，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與生活水平的提高，人們的生活節(jié)奏變得很快，要求烹飪食品的時間越短越好，尤其早餐的烹飪。紅豆具有極高的營養(yǎng)價值，常被選做煮粥的原料。而紅豆種皮結構致密、不易吸水的特性使得制作紅豆食品，尤其制作紅豆粥時不易煮爛、耗時長、口感不佳、香氣不濃郁，為解決這些問題，人們通常采用預先長時間浸泡、加Na2CO3蒸煮或高壓鍋蒸煮等方式，但效果都不甚理想。

將紅豆以適當?shù)募庸ゎA處理，可有效解決上述問題。國內(nèi)對食品常采用膨化加工處理，如油炸膨化、擠壓膨化、微波膨化、氣流膨化及CO2膨化［2-3］等。紅豆做煮粥用途要求經(jīng)過預處理后依然有較好的感官形態(tài)，因而油炸膨化、擠壓膨化等技術不適于處理煮粥用途的紅豆，微波膨化雖然能夠用于處理做煮粥用途的紅豆，但存在紅豆膨化效果較差、耗能較高等缺點。蒸汽爆破是近幾年發(fā)展迅速的一種預處理方法，簡稱“汽爆”，是將生物質(zhì)原料在高溫高壓下維持一定時間后，通過瞬間釋壓實現(xiàn)物料的爆破處理。處理后的物料質(zhì)地蓬松，底物與酶的接觸面積大大增加，使得提取物的產(chǎn)量迅速提高，且反應時間大幅縮短［4-5］。

目前，蒸汽爆破用于紅豆預處理的相關文獻較少見，本研究對煮粥用途的紅豆進行蒸汽爆破預處理，采用響應曲面分析法，以蒸煮壓力、保壓時間和紅豆初始含水率作為考察因素，以汽爆后紅豆的硬度和紅豆煲湯后的吸光度為指標，探索對煮粥用途的紅豆進行蒸汽爆破預處理的工藝參數(shù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

紅豆，原產(chǎn)于黑龍江省寶清，分裝地為江蘇省南京市，購于當?shù)氐奶K果超市。

1.2儀器與設備

QBS- 80B型汽爆試驗臺，鶴壁正道生物能源有限公司產(chǎn)品；DHG- 10型烘箱，上海華連醫(yī)療器械有限公司產(chǎn)品；TMS- PRO型質(zhì)構儀，美國FTC公司產(chǎn)品；CFXB40FZ12- 85型蘇泊爾豪華智能電飯煲，浙江蘇泊爾股份有限公司產(chǎn)品；759S型紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司產(chǎn)品；FA1004型電子天平，上海舜宇橫平科學儀器有限公司產(chǎn)品；5 cm篩子，浙江紹興華豐實驗儀器廠產(chǎn)品。

1.3試驗方法

1.3.1試驗影響因素的確定

影響蒸汽爆破預處理紅豆效果的因素有蒸煮壓力、保壓時間、紅豆初始含水率、紅豆顆粒大小，以及紅豆品種、產(chǎn)地［6］等。研究中，選擇蒸煮壓力（MPa）、保壓時間（s）和紅豆初始含水率（%）3個最重要的因素進行探究。將保壓時間220 s，紅豆初始含水率20%設為定值，蒸煮壓力分別在0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 MPa的條件下進行汽爆試驗；在蒸煮壓力0.6 MPa，紅豆初始含水率20%設為定值，保壓時間分別為20，120，220，320，420 s的條件下進行汽爆試驗；將蒸煮壓力0.6 MPa，保壓時間220 s設為定值，紅豆初始含水率分別在10%，15%，20%，25%，30%的條件下進行汽爆試驗。

1.3.2試驗結果評價

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，紅豆的硬度與紅豆煲湯煮熟的時間有一定聯(lián)系，即紅豆的硬度越小，紅豆煲湯煮熟的時間越短，反之越長。因此，選用紅豆的硬度來衡量紅豆煲湯煮熟的時間。

紅豆煲湯后的吸光度則與紅豆湯里所釋放的營養(yǎng)成分濃度有關，即吸光度越大，紅豆湯里所釋放的營養(yǎng)成分濃度越高，同時紅豆湯的口感越佳、香氣越濃郁。因此，選用紅豆煲湯后的吸光度來衡量紅豆煲湯的品質(zhì)。紅豆煲湯時間不同，其吸光度也不同，為了解紅豆煲湯后的吸光度隨煲湯時間的規(guī)律，對原始紅豆和經(jīng)不同汽爆條件處理的紅豆煲湯，并測定不同煲湯時間下的吸光度。

1.3.3Box- Behnken試驗設計（BBD）

為了能夠快速地找到最優(yōu)的工作點，所定的3個因素選在一個較寬的范圍內(nèi)，采用Box- Behnken試驗設計（BBD）方案［7］，以紅豆的硬度（D1）和煲湯后的吸光度（D2）為響應值，進行L9（33）試驗設計。

試驗自變量因素與水平設計見表1。

1.3.4試驗步驟

表1　試驗自變量因素與水平設計

（1）紅豆的硬度檢測。汽爆前后的紅豆每組選取50顆，使用質(zhì)構儀進行TPA測試。采用HDP/KS5型探頭，測試參數(shù)設置為感應力0.5 N，起始力0.1N，測試速率60 mm/s，下壓變形50%［8］。

（2）紅豆煲湯后的吸光度檢測。烘干的紅豆稱取150 g，紅豆與水以1∶10的比例在電飯煲中進行常壓、溫度≥98℃下微沸騰150 min。

每隔15 min舀取紅豆上清湯，冷卻至約35℃，于540 nm的波長下進行吸光度測定。每次測定完吸光度后，將紅豆湯放回電飯煲。

1.3.5紅豆的汽爆試驗

挑選新鮮無蟲傷、籽粒飽滿、外皮無破裂的紅豆，使用5 cm的谷物篩子過篩；按初始含水率的要求分別調(diào)整紅豆的含水率，每組取浸泡后的紅豆1 000 mL（約爆腔容積的1/2）左右，進行試驗；汽爆后的紅豆放置在烘箱內(nèi)進行烘干，烘干至紅豆的含水率達到豆類安全儲存水分的標準［9］。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1蒸煮壓力對紅豆煲湯后吸光度的影響

不同蒸煮壓力對紅豆湯吸光度的影響見圖1。

圖1　不同蒸煮壓力對紅豆湯吸光度的影響

當蒸煮壓力高于0.8 MPa時，汽爆后的紅豆變成泥狀，氣味焦煳，已不適合食用；而蒸煮壓力小于0.4 MPa時，紅豆并無明顯的膨化效果，達不到試驗目的。因此，蒸煮壓力的取值范圍為0.4～0.8 MPa。

2.1.2不同保壓時間對紅豆煲湯后吸光度的影響

不同保壓時間對紅豆湯吸光度的影響見圖2。

保壓時間要選擇合理的范圍，確保汽爆后的紅豆營養(yǎng)成分盡量少流失，又能夠最大限度地節(jié)約能源，并使汽爆后的紅豆能夠達到膨化的效果。當保壓時間為20 s時，紅豆并無膨化效果；而保壓時間為420 s時，紅豆已焦煳。因此，保壓時間的取值范圍為120～320 s。

圖2　不同保壓時間對紅豆湯吸光度的影響

2.1.3不同紅豆初始含水率對紅豆煲湯后吸光度的影響

不同紅豆初始含水率對紅豆湯吸光度的影響見圖3。

圖3　不同紅豆初始含水率對紅豆湯吸光度的影響

爆破前的紅豆需要調(diào)節(jié)到適當?shù)某跏己什拍苡行蚧苊馕锪纤痔彤a(chǎn)生焦煳氣味，水分太高而紅豆容易泥爛化。初始含水率為30%時，因紅豆初始含水率太高而無法吸收蒸汽，導致汽爆出來的紅豆泥爛化；而初始含水率為10%時，因紅豆初始含水率太低產(chǎn)生出現(xiàn)焦煳氣味。因此，紅豆初始含水率的取值范圍為15%～25%。

2.2吸光度評價指標

不同條件下對紅豆湯吸光度的影響見圖4，不同的汽爆條件見表2。

由圖4（a）可看出，原始紅豆煲湯后的吸光度隨著煲湯時間的延長，在60 min之前迅速增加，在60 min后逐漸趨于平緩，同時紅豆湯的香氣逐漸濃郁，口感變好，表明紅豆中的營養(yǎng)成分在迅速釋放，并且紅豆在60 min左右基本煮熟。由圖4（b）可看出，經(jīng)汽爆預處理紅豆煲湯后的吸光度隨著煲湯時間的延長，在30 min之前迅速增加，在30 min后逐漸趨于平緩，同時紅豆湯的香氣迅速濃郁，口感更佳，表明紅豆的營養(yǎng)成分以更快的速度釋放，并且紅豆在30 min左右基本煮熟。

由此可知，經(jīng)汽爆預處理的紅豆煲湯煮熟時間比原始紅豆縮短50%，為準確衡量不同汽爆條件預處理的紅豆煲湯品質(zhì)，取煲湯30 min時的吸光度作為評價指標。

圖4　不同條件下對紅豆湯吸光度的影響

表2　不同的汽爆條件

2.3響應曲面優(yōu)化試驗與分析

采用Design Expert.V8.0軟件設計響應曲面試驗，選用Box- Behnken設計（BBD）模型，以D1，D2為響應值，A，B，C 3個因素為自變量，進行三因素三水平共17個試驗點（中心點重復5次）的二次響應曲面旋轉組合試驗。

Box- Behnken試驗設計及結果見表3。

2.3.1硬度的方差分析

（1）硬度的方差分析。硬度的方差分析見表4。

對表4的試驗結果進行二次回歸擬合，得硬度D1與因素A，B，C之間關系的擬合方程為：

表3　Box- Behnken試驗設計及結果

表4　硬度的方差分析

從表4可看出，本次試驗所選的模型顯著（p＜0.018 7）；失擬項的p值為0.428 5，不顯著；因素A，B的p值均小于0.01，對D1的影響極顯著；因素C的p值小于0.05，對D1的影響顯著；而AB，AC，BC的p值均大于0.05，說明A，B，C 3個因素間的兩兩交互作用不顯著。

（2）硬度回歸方程優(yōu)化。對二項式方程中的各項系數(shù)進行t檢驗，刪除不顯著項后，方程簡化為：

方程優(yōu)化后，失擬項的p值為0.622 2，失擬不顯著，表明擬合良好。模型的擬合優(yōu)度可通過復數(shù)相關系數(shù)R2和調(diào)整后的R2來驗證，該模型的復數(shù)相關系數(shù)R2為82.05%，調(diào)整后的R2為76.07%，說明該模型可解釋其響應值76.07%的變化。在本試驗設定的區(qū)域范圍內(nèi)，各因素對D1的影響程度由大到小依次為A，B，C。

（3）響應曲面分析。

硬度的響應曲面見圖5。

圖5　硬度的響應曲面

為直觀分析二因素作用下紅豆硬度的變化情況，按照文獻［10］所述的方法，固定試驗中3個因素中的1個因素于試驗設計的零水平點，繪制另外2個因素對紅豆硬度的響應面圖。從圖5可看出，隨著A的增加，D1減少，減幅較大；隨著B的增加，D1增加，增幅較大；隨著C的增加，D1減少，減幅較大。當蒸煮壓力0.8 MPa，保壓時間120.01 s，紅豆初始含水率25%時，紅豆的硬度最小，為36.9 N。

2.3.2吸光度方差分析與模型優(yōu)化

（1）吸光度的方差分析。吸光度的方差分析見表5。

對表5的試驗結果進行二次回歸擬合，得吸光度D2與因素A，B，C之間關系的擬合方程為：

表5　吸光度的方差分析

由表5可看出，本次試驗所選的模型極顯著（p＜0.000 5）；失擬項的p值為0.361 0，不顯著；因素C的p值小于0.01，對D2的影響極顯著；因素A，B的p值均小于0.05，對D2的影響顯著；而AB，AC，BC的p值均大于0.05，說明A，B，C 3個因素間的兩兩交互作用不顯著。

（2）吸光度回歸方程優(yōu)化。對二項式方程中的各項系數(shù)進行t檢驗，刪除不顯著項后，方程簡化為：

方程優(yōu)化后，失擬項的p值為0.334 4，失擬不顯著，表明擬合良好。該模型的復數(shù)相關系數(shù)R2為92.34%，調(diào)整后的R2為88.86%，說明該模型可解釋其響應值88.86%的變化。在本試驗設定的區(qū)域范圍內(nèi)，各因素對D2的影響程度由大到小依次為C，A，B。

（3）響應曲面分析。

吸光度的響應曲面見圖6。

由表3可知，在不同的汽爆工藝條件下，紅豆湯吸光度有一定的變化范圍。在蒸煮壓力0.8 MPa，保壓時間220 s，紅豆初始含水率15%的加工條件下，紅豆湯的吸光度為0.492；在蒸煮壓力0.8 MPa，保壓時間220 s，紅豆初始含水率25%的加工條件下，紅豆湯的吸光度達到0.800，是最小值的1.63倍，表明汽爆加工工藝條件對汽爆后紅豆湯吸光度有很大的影響。

由圖6可看出，隨著A的增加，D2提高，增幅較大；隨著B的增加，D2減少，減幅較小；隨著C的增加，D2提高，增幅較大。因此，當蒸煮壓力0.63 MPa，保壓時間183.5 s，紅豆初始含水率25%時，紅豆湯的吸光度最大，為0.820。

2.3.3最優(yōu)加工工藝分析

D1越小，表明紅豆煲湯時煮熟的時間越短；而D2越大，表明紅豆湯里所釋放的營養(yǎng)成分濃度越高，同時紅豆湯的口感越佳、香氣越濃郁。為了同時使D1及D2同時達到最優(yōu)，經(jīng)Design Expert.V8.0軟件分析，在蒸煮壓力0.69 MPa，保壓時間120 s，紅豆初始含水率25%時，D1為39.8 N，D2為0.796。

圖6　吸光度的響應曲面

2.4驗證試驗結果

為檢測由模型預測得到的最優(yōu)D1和D2與實測值的適合度，按照上述最優(yōu)工藝參數(shù)加工紅豆，重復3次試驗，測得樣品的D1和D2分別如表6所示，可知D1實測值與預測值的相對誤差為6.28%，D2實測值與預測值的相對誤差為2.64%，表明模型與實際情況擬合良好。

優(yōu)化方案的驗證結果見表6。

表6　優(yōu)化方案的驗證結果

由表6可看出，按照最優(yōu)工藝參數(shù)汽爆預處理紅豆后，其D1實測值相比原始紅豆大大減小，是原始紅豆的0.58倍；D2實測值相比原始紅豆大大增加，是原始紅豆的2.09倍。這表明，將汽爆膨化工藝用于預處理紅豆效果良好。

3　結論與討論

（1）本文將汽爆膨化工藝用于預處理紅豆，獲得了良好的效果，并采用響應曲面法得到了紅豆的硬度及煲湯后的吸光度2個指標在試驗范圍內(nèi)的預測模型。

（2）汽爆膨化預處理紅豆后其煲湯煮熟時間比原始紅豆縮短50%。

（3）對于紅豆的硬度，在試驗范圍內(nèi)隨著蒸煮壓力及紅豆初始含水率提高而降低，隨著保壓時間的延長而增加，3個因素的影響程度由大到小依次為蒸煮壓力、保壓時間、紅豆初始含水率。在蒸煮壓力0.8 MPa，保壓時間120.01 s，紅豆初始含水率25%時，紅豆的硬度最小，為36.9 N。

（4）對于紅豆煲湯后的吸光度，在試驗范圍內(nèi)隨著蒸煮壓力及紅豆初始含水率提高而增加，隨著保壓時間的延長而降低，3個因素的影響程度由大到小依次為蒸煮壓力、保壓時間、紅豆初始含水率，在蒸煮壓力0.63 MPa，保壓時間183.5 s，紅豆初始含水率25%時，紅豆煲湯后的吸光度最大，為0.820。

（5）綜合考慮2個評價指標，通過Design Expert. V8.0軟件分析，在蒸煮壓力0.69 MPa，保壓時間120 s，紅豆初始含水率25%時，會得到較優(yōu)的汽爆膨化預處理紅豆工藝的參數(shù)組合，此時紅豆的硬度為42.3 N，紅豆煲湯后的吸光度為0.775，分別是原始紅豆硬度的0.58倍、煲湯后吸光度的2.09倍。

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Research on Steam Explosion Puffing Pretreatment of Red Bean

LI Chaolumeng，*CHEN Kunjie
（College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

Abstract：A new pre- process is designed using puffing method for quick time and better tasting. The hardness of red bean and the absorbance of red bean soup are the most important judgement. A test is done by changing three parameters（puffing pressure，cooking time and initial moisture）to achieve the best results. Testing results show that after puffing，red bean soup cooking time is reduced about 50%than normal，the hardness is 42.3 N and the absorbance of soup is 0.775，to be 0.58 times and 2.09 times than usual respectively. The best parameter for puffing pre- process are puffing pressure 0.69 MPa，cooking time 120 s and the initial moisture 25%.

Key words：red bean；steam explosion；technology；hardness；absorbance

中圖分類號：TS214.9

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.05.011

文章編號：1671- 9646（2016）05a- 0036- 06

收稿日期：2016- 02- 26

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項基金項目（KYZ201224）。

作者簡介：李朝魯蒙（1991—），女，碩士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與無損檢測。

*通訊作者：陳坤杰（1963—），男，教授，博士生導師，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與無損檢測。