響應面法優化家用豆漿機濕豆制漿工藝

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(1.中國標準化研究院食品與農業標準化研究所,北京 102200;2.中標能效科技(北京)有限公司,北京 100088;3.揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127)

豆漿又稱豆奶、豆乳,它是以大豆為主要原料,經過研磨、過濾、煮沸等工序制備而成的優質植物蛋白飲品。因其口感醇厚、營養豐富、易于消化吸收等特點,越來越受到消費者喜愛[1-5]。傳統豆漿制作繁瑣、出漿率低、口感粗糙等劣勢突出,市售豆漿在給人們帶來便捷的同時,還存在著非現磨、“粉沖”、添加防腐劑和增香劑等問題,使豆漿質量大打折扣,均不能滿足現代人們高質量的生活追求。越來越多的人選擇制漿過程更簡單、便捷的家用豆漿機自制豆漿,這已經成為我國豆漿的主要消費形式之一[6]。據中國報告大廳網發布的《2015年豆漿機行業市場分析報告》顯示,家用豆漿機市場需求已經呈現加速增漲的勢頭。

本研究室通過對比市面上4款主流品牌的家用豆漿機兩種模式下所制豆漿的營養指標和感官品質,研究濕豆模式均優于干豆模式[7-8]。濕豆制漿過程中,主要可調控因素包括浸泡溫度、浸泡時間和豆水比[9]。浸泡能降低抗營養因子含量,提高蛋白消化率[10-14]。浸泡時間一般需要8～12 h甚至更長,但浸泡時間過長、溫度過高易導致營養成分流失和微生物滋生,影響豆漿質量[15]。當豆水比高于1∶5 g/mL時(即加水越少),會使水溶性蛋白分子間結合速度加快而導致不溶;當豆水比低于1∶14 g/mL時(即加水越多),越有利于打漿,可溶性蛋白質溶出也更徹底,又會降低可溶性蛋白質的濃度,影響豆漿營養攝入和口感[16]。因此采用適宜的前處理條件也是制作營養美味豆漿的關鍵。

本文針對消費者最易控制的三個制漿條件(浸泡溫度、浸泡時間、豆水比),選擇2015年市場份額占比接近80%的九陽品牌中受關注度高達1.07%的DJ13B-D08型家用豆漿機,通過單因素實驗研究其對豆漿理化指標的影響,利用響應面法優化家用豆漿機的濕豆制漿工藝條件,提高豆漿可溶性蛋白質含量,旨在為家庭自制豆漿質量控制和豆漿機企業產品研發提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

萬谷美食黃豆(一級) 非轉基因,產自黑龍江海倫,北京山農生態農業有限公司生產,購于北京市昌平區世紀聯華超市;牛血清白蛋白 美國Sigma公司;考馬斯亮藍G-250、乙醇、磷酸(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司;實驗室自制超純水 電阻率18.2 MΩ·cm。

AL104-1C型電子分析天平 瑞士梅特勒托利多公司;DZKW-D-4型恒溫數顯水浴鍋 上海樹立有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏有限公司;J357型折光儀 美國魯道夫公司;Cary100型紫外可見分光光度計 美國瓦里安公司;HT-866型紅外測溫儀 廣州市宏成集業有限公司;DJ13B-D08型家用豆漿機 九陽股份有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 制漿工藝流程 家用豆漿機按如下流程制漿:黃豆→精選→秤取→清洗→加水浸泡→去皮→加水→加熱→磨漿→均質→過濾→得漿

秤取100.0 g精選黃豆,流水沖洗干凈后,一次性加入800 mL水在指定溫度條件下浸泡相應時間,除去浸泡時脫落的黃豆皮并瀝干水,按指定豆水比加入豆漿機中選擇濕豆模式進行磨漿;待豆漿機磨漿程序結束后,手動混勻均質,經80目濾網過濾得漿。

1.2.2 單因素實驗 為確定豆漿機濕豆模式下的最佳制漿條件,準確秤取精選后的黃豆100.0 g,分別以不同浸泡時間、浸泡溫度、豆水比等3個因素進行研究。

1.2.2.1 浸泡時間的影響 在室溫下分別浸泡6、8、10、12、14、16 h后,按豆水比1∶10 g/mL制漿,對吸水率、出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質含量等指標進行測定。

1.2.2.2 浸泡溫度的影響 浸泡溫度分別為20、25、30、35、40、45 ℃,浸泡12 h后,按照豆水比1∶10 g/mL制漿,對吸水率、出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質含量等指標進行測定。

1.2.2.3 豆水比的影響 稱取6份挑選好的黃豆各100.0 g,在室溫下浸泡12 h后,分別為按照豆水比1∶6、1∶8、1∶10、1∶11、1∶12、1∶13 g/mL制漿,由于黃豆被足量水飽和浸泡，豆水比變化不影響豆水的吸水率，因此只對出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質含量等指標進行測定。

1.2.3 響應面優化實驗 在單因素實驗基礎上,運用Design-Expert 8.0.5b軟件,根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理[17-18],選擇浸泡時間、浸泡溫度和豆水比等3個因素,以可溶性蛋白質含量為優化指標,進行3因素3水平的響應面優化實驗,并對實驗數據進行回歸分析。實驗因素水平及編碼如表1所示。

表1 Box-Behnken設計實驗因素水平及編碼Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters tested in Box-Behnken experimental design

1.2.4 吸水率的測定 準確稱取100.0 g精選黃豆,加入充足等量的水,經不同條件浸泡后,稱量黃豆的重量。計算方法如公式(1)所示:

式(1)

式(1)中:m1-大豆浸泡前的質量(g);mt-浸泡t時刻大豆的重量(g);Qt-t時刻的大豆吸水率(%)。

1.2.5 出漿率的測定 磨漿前,稱取浸泡后黃豆的質量和加入水的質量,用同一濾網過濾后,稱量豆漿的重量。計算方法如公式(2)所示:

式(2)

式(2)中:w1-浸泡后黃豆的質量(g);w2-加水的質量(g);w3-豆漿的質量(g)。

1.2.6 可溶性固形物含量的測定 參考GB/T 12143-2008《飲料通用分析方法》[19]中的折光計法,將折光率換算為可溶性固形物百分含量,平行3次測定求平均。

1.2.7 可溶性蛋白質含量的測定 采用考馬斯亮藍G-250法[20]測定可溶性蛋白質含量,測定三次取平均值。根據所測樣品的吸光度、稀釋倍數等,可溶性蛋白質含量計算如公式(3)所示:

式(3)

式中:c-標準曲線上讀出的相應可溶性蛋白質濃度(μg/mL);N-豆漿稀釋倍數;V-豆漿體積(mL);m-豆漿質量(g);ω-可溶性蛋白質百分含量(%)。

1.3數據處理

實驗數據處理和作圖采用SPSS 19.0、Excel 2010和Origin 7.5軟件等,數據的顯著性分析采用SPSS的單因素方差分析ANOVA的Duncan’s multiple range test方法分析,置信區間p為0.05。每個實驗三次平行,結果表示為均值±標準差。

2 結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1 浸泡時間對豆漿指標的影響 由圖1可知,隨著黃豆浸泡時間的增加,豆子吸水率顯著升高,在10 h時吸水率已超過100%,浸泡14 h后豆子吸水率趨于平緩;在12 h時出漿率相對高,之后隨著浸泡時間延長出漿率增幅不明顯;可溶性蛋白質百分含量隨著浸泡時間的增加,顯著升高,12 h含量最高;可溶性固形物百分含量隨著浸泡時間的增幅不明顯,在12 h相對較高。浸泡時間對豆漿品質的影響規律與文獻[6,10]報道結論一致,隨著時間的延長,大豆籽粒越來越疏松,部分營養物質溶出至浸泡水中,導致營養流失,因此豆子的浸泡時間不宜太長,12 h左右最適合。

圖1 浸泡時間對豆漿品質的影響(n=3)Fig.1 Effect of soaking time on the quality of soybean milk(n=3)

2.1.2 浸泡溫度對豆漿指標的影響 由圖2可知,浸泡溫度越高,豆子的吸水率越高,但40 ℃后開始降低;出漿率隨著浸泡時間的變化不明顯;隨著浸泡溫度的升高,可溶性蛋白質百分含量先升高后下降,25 ℃時最高,超過25 ℃下降明顯;超過30 ℃后可溶性固形物含量明顯下降。這可能是因為隨著溫度的升高,大豆中的蛋白酶活性較高,將大豆中的大分子物質分解為小分子物質,導致營養物質流失[21-22]。浸泡溫度過高,還容易滋生微生物,也會消耗大豆中的營養成分[23]。因此,浸泡溫度為25 ℃左右較適合。

圖2 浸泡溫度對豆漿品質的影響(n=3)Fig.2 Effect of soaking temperature on soybean milk’s index(n=3)

2.1.3 豆水比對豆漿指標的影響 由圖3可知,出漿率與豆水比呈正相關,固形物含量與豆水比呈正相關;可溶性蛋白質含量先升高后下降,超過1∶10 g/mL下降明顯。加水的越多,豆子和水能夠充分混合,可溶性蛋白質溶出的更徹底。但隨著水的比例加大,豆子被打到的概率也會隨之下降,導致可溶性蛋白質溶出較少。水越多,會大大降低豆漿中可溶性蛋白質的濃度,從而影響其口感[24-25]。而且豆漿機的機體容量有限,不宜加水過多。因此,選擇豆水比為1∶10 g/mL較適合。

圖3 豆水比對豆漿品質的影響(n=3)Fig.3 Effect of soybean-to-liquid ratio on soybean milk’s soluble protein content(n=3)

2.2響應面優化實驗結果

2.2.1 響應面實驗設計及分析 根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理,結合單因素實驗結果,采用三因素三水平的設計方案優化實驗,響應面實驗設計與結果如表2所示。運用Design-Expert 8.0.5b軟件,以浸泡時間(A)、浸泡溫度(B)和豆水比(C)為響應變量,以可溶性蛋白質含量(R)為響應值,對表2數據進行二次多項式回歸擬合,獲得回歸方程模型方差分析及回歸方程系數顯著性檢驗,分別如表3和表4所示。

表2 Box-Behnken實驗設計結果Table 2 Experiment result of Box-Behnken

表3 回歸方程的二次多項模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

表4 回歸方程系數顯著性檢驗Table 4 Test of significance for regression coefficient

注:*為差異顯著,p<0.05;**為差異極顯著,p<0.01。

通過Design-Expert8.0.5b軟件對表2數據進行非線性回歸的二次多項式擬合后,所得到的預測模型如下:

R=14.45-0.24A+0.24B-0.37C-0.48A2-1.65B2-0.57C2-0.36AB-0.40AC+0.63BC

由表4可知,浸泡時間、浸泡溫度以及豆水比3個因素對豆漿可溶性蛋白質含量均有顯著(p<0.05)影響,各因素對豆漿可溶性蛋白質含量影響的大小順序為豆水比(C)>浸泡時間(A)>浸泡溫度(B),其中豆水比對豆漿可溶性蛋白質含量的影響達到極顯著水平(p<0.01)。

2.2.2 響應面結果分析及驗證 為了考察各因素的交互作用對豆漿可溶性蛋白質含量的影響,在固定其他因素不變的情況下,利用Design-Expert 8.0.5b軟件對回歸方程進行運算,得到兩兩因素交互作用對豆漿可溶性蛋白質的響應曲面如圖4所示。

圖4 兩兩因素交互作用對豆漿可溶性蛋白質含量的響應面圖Fig.4 Response suface plots showing the effects of pairwise interaction of the Factor on the soybean milk of soluble protein

由圖4可以直觀地看到各因素之間的交互作用對響應值的影響。在一定范圍內,保持一個因素不變的情況下,隨著另外兩個因素的增加,豆漿蛋白含量呈現先升高后降低的變化趨勢。

采用Design-Expert8.0.5b軟件求解回歸方程,求得豆漿機的最佳制漿工藝為:浸泡時間為11.7 h,浸泡溫度為25.7 ℃,豆水比為1∶9.49 g/mL,可溶性蛋白質含量預測值為14.52%。但考慮到實際操作,為了家庭應用上的方便,將制漿條件定為浸泡時間為12 h,浸泡溫度為25 ℃,豆水比為1∶9 g/mL。按上述最優條件進行3次重復驗證實驗,測得豆漿可溶性蛋白質含量平均為14.36%,與響應面預測值14.52%擬合性較好與預測值相近,進一步驗證了該模型的可行性,具有實用價值。

3 結論

本實驗在單因素實驗的基礎上,根據中心組合設計原理,利用響應面設計并建立了豆漿中可溶性蛋白含量與浸泡時間、浸泡溫度、豆水比三個因素之間的二次多項回歸模型,旨在優化家用豆漿機制漿工藝條件,制得可溶性可溶性蛋白質含量更高的豆漿。

由該模型優化的家用豆漿機最佳制漿工藝條件為浸泡時間為12 h,浸泡溫度為25 ℃,豆水比為1∶9 g/mL。在此條件下家用豆漿機所制豆漿呈淡黃色,豆香濃郁,口感細膩、綿滑;可溶性蛋白質含量驗證值為14.36%,在豆漿中的含量明顯提高,且與模型預測值僅相差0.16%,表明該模型得到的預測值與實驗真實值相符度較高,進一步驗證了該模型的可靠性。本研究通過正交實驗獲得的最佳制漿工藝條件,將對后續家用豆漿機所制豆漿品質評價標準的建立提供一定的基礎數據支撐,同時將對豆漿機制造企業新產品的研發及家庭自制豆漿等具有一定的應用價值和指導意義。

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