小米粉在水和牛奶中穩定性參數及糊化特性的探究

李 苒,劉少偉,秦 天,蔡婉靜,張 健

(華東理工大學生物工程學院食品科學與工程系,國家生物反應器重點實驗室，上海 200237)

小米是一種種植簡單、營養價值高的糧食作物。眾多研究表明,小米的品種、處理方式不同會造成小米成分、口感、性質的變化[15]。另外,谷物飲料近年來成為研究熱點,關于小米飲料的研究也取得了一定的進展[69]。然而,小米飲料的相關研究多是通過添加穩定劑來使小米在溶液中獲得較好的穩定性[1012],忽略了小米自身穩定性的作用。因此,本文通過比較不同熟化處理的小米粉、不同粒徑的小米粉在不同體系中的穩定性,得到一定的規律和啟發。

常用的熟化方式包括炒、烤、微波、蒸、煮等。糊化程度與小米的加熱溫度和時間有著直接的聯系[13]。一方面,在糊化過程中淀粉顆粒膨脹、吸水,直鏈淀粉被瀝出,最突出的表觀現象是粘度發生變化。因此,粘度的變化可以部分體現樣品直鏈淀粉與支鏈淀粉含量關系。另一方面,由于淀粉的結構、相對含量發生變化,小米粉的穩定性也會有不同的的變化。近年來,測定淀粉粘度的方法多種多樣,其中,布拉本德粘度儀的應用十分廣泛,是世界淀粉行業通用的一種評價淀粉糊化的手段[1415]。

本文將小米進行炒、烤、微波等熟化處理后粉碎,分別過40、60、80、100和140目標準篩得到粒徑不同的小米粉,分別在水中、牛奶中測定其穩定性參數,橫向比較不同處理方法、不同粒徑、不同體系中小米粉的穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

杭州小米 沃爾瑪超市;伊利牛奶(無菌枕);實驗所用水 均為去離子水。

電磁爐 廣東美的電器股份有限公司;SM-603T型烤箱 SINMAG;G80D23CN2LG1(R0)型微波爐 廣東格蘭仕企業(集團)有限公司;高速萬能粉碎機 上海頂帥電器有限公司;分子篩;CP213型電子分析天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;DHG9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;JB90S型電動攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;HWS24型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學儀器有限公司;離心機 上海安亭科學代理儀器廠;布拉本德粘度儀 GmbH & Co.KG;差示量熱掃描儀 島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米的前處理

1.2.1.1 小米的凈化 小米除去糠皮、塵土等。

1.2.1.2 小米的熟化與研磨炒制 冷鍋時放入凈化后的小米,以1000 W的功率炒10 min左右。炒制以產生良好的香味但不燒焦為標準。

焙烤:在潔凈的烤盤中均勻平鋪一層厚度約為0.5 cm的凈化后的小米。烤箱的中層設置為上火溫度160 ℃,下火溫度180 ℃,待溫度穩定后放入烤盤。烤制30 min。烤后取出。烤制以產生很好的香味但不烤焦為標準。

微波:在托盤中均勻平鋪薄薄的一層(約2 mm)凈化后的小米,800 W微波5 min。微波后取出,以產生良好的香味但不焦為標準。

對照:未經加工處理的小米粉。

將炒制、焙烤、微波和對照的小米用高速萬能粉碎機研磨,分別進行粗粉碎、細粉碎。并將小米粉分別過40、60、80、100、140目標準篩。

1.2.2 小米粉糊化特性的檢測 使用布拉本德粘度儀,模式為corn starch,對小米粉的糊化特性進行檢測。準確稱取12 g小米粉于燒杯中,加入去離子水使小米粉與水的總質量為100 g,攪拌形成均勻懸浮液,然后進行檢測。設置實驗參數:降溫速率和升溫速率均為7.5 ℃/min;溫度由30 ℃升溫到93 ℃,在93 ℃保持5 min,然后降溫至50 ℃,保持1 min。每組樣品做三組平行實驗,實驗結果取平均值。

1.2.3 小米粉穩定性參數的測定 本實驗用來衡量小米粉物理穩定性的參數包括沖調穩定性、沖調結塊率、吸水指數和水溶性指數。

1.2.3.1 沖調穩定性參數測定 稱取10 g小米粉樣品,置于50 mL的潔凈燒杯中,加入80～90 ℃水90 mL,以500 r/min的速率攪拌5 min,得到均勻的懸浮液,將懸浮液轉移至100 mL量筒中,靜止10 min,測量上清液高度h1和沖調液總高度h,按下式計算k值:

式(1)

式中,h1為上清液高度(cm);h為沖調液總高度(cm)。

按行業慣例,若k<0.05,則沖調穩定性較好[16]。

1.2.3.2 沖調結塊率測定 稱取10 g小米粉樣品于400 mL玻璃燒杯中,加80 ℃水90 mL,靜止10 min;將沖調液加水稀釋2倍;用恒重過的20目篩網(重量m1)過濾小米粉懸浮液。將裝有小米粉的篩網干燥、恒重,記重量m2[17]。

按照下式計算結塊率(Q):

式(2)

式中,m0為小米粉的重量,g;m1為烘干后的空20目篩網的重量,g;m2為烘干后的20目篩網和小米粉的重量,g。

1.2.3.3 水中吸水指數(WAI)和水溶性指數(WSI)的測定 稱取干基為2.50 g的小米粉,記重量為W0,放入已知重量(W1)的50 mL塑料帶蓋的離心管中,加入35 mL去離子水,攪拌至膨化物形成懸浮液;將懸浮液在30 ℃水浴中保溫30 min,間歇性攪拌;在離心機上以3000 r/min的速度離心15 min,分離上清液和沉淀物。

取已知重量的潔凈玻璃皿,干燥至恒重,記空玻璃皿質量為W2。將離心好的上清液慢慢倒入玻璃皿中,以105 ℃的溫度在烘箱中烘干并稱重,記重量為W3。同時,對離心管和沉淀凝膠進行稱量,記重量為W4[1819]。

按照下式計算水溶性指數和吸水指數:

水溶性指數(WSI,%,干基)=(W3W2)/W0×100

式(3)

式(4)

1.2.3.4 牛奶中的吸水指數和水溶性指數的測定 牛奶中除水分外還有很多復雜的成分,因此,小米粉在牛奶中的吸水指數和水溶性指數的測定稍不同于小米粉在水中的吸水指數和水溶性指數的測定。

稱取干基為2.50 g的小米粉,記重量為W0,放入已知重量(W1)的50 mL塑料帶蓋的離心管中,加入35 mL牛奶,按照1.2.3.3所述方法離心。

取已知重量的潔凈玻璃皿,干燥恒重,記空玻璃皿質量為W2。將上清液慢慢倒入玻璃皿中,記重量為W3,并測量體積(V),在體積基本保持不變的前提下所得到的實驗數據是可信的。同時,對離心管及沉淀的凝膠重量進行稱量,記重量為W4,用天平測量35 mL牛奶的重量,記為W5,按照下式計算水溶性指數和吸水指數:

水溶性指數(WSI,%,干基)=(W3W2W5)/W0×100

式(5)

式(6)

1.2.4 數據統計分析 每組樣品做三組平行實驗,實驗結果以平均值±標準差表示。通過Origin 9.0軟件對數據進行統計處理。

2 結果與分析

以80目小米粉為例進行2.1和2.2的實驗。其他粒徑的實驗結果與此相近,不做一一列出。

2.1 熟化處理方法對小米粉糊化特性的影響

峰值溫度反映了淀粉完全糊化所需要的能量;峰值粘度反映了淀粉在蒸煮過程中達到的粘度。崩解值反映了淀粉在溫度和剪切力的作用下的耐受能力;回生值反映了淀粉在冷卻時濃度增加的能力。由表1可知，炒小米粉峰值溫度最高,為90.5 ℃,說明淀粉完全糊化所需要的能量最多。烤小米粉的崩解值最小,為87 BU,說明烤處理的小米粉對溫度和剪切力的耐受能力強,穩定性好。回生值按照炒、烤、微波、對照的順序依次遞減,說明淀粉在冷卻時,濃度增加的能力按照炒、烤、微波、對照的順序依次降低。

表1 處理方法對小米粉的糊化特性的影響Table 1 The gelatinization properties of millet powder with different handling methods

熟化處理的方法會對淀粉的結構和性質有一定影響[2021]。影響淀粉糊化的因素有很多,其中最重要的是淀粉粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例,其次是溫度、水分活度、淀粉中其他共存物質和pH等。在本實驗中,實驗溫度和pH保持不變,水分活度已經通過計算干物質的含量得到校正,因此,淀粉的糊化特性在很大程度上反映了直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的多少[22]。淀粉中的直鏈淀粉在糊化后較支鏈淀粉容易回生,并且直鏈淀粉含量越高,淀粉越容易回生;炒小米粉和烤小米粉的回生值較大,推測直鏈淀粉含量可能略高于微波小米粉和未經熟化處理的小米粉。

2.2 處理方法對小米粉穩定性的影響

表2數據表明,小米粉的沖調穩定性參數按照炒、烤、微波、對照的順序依次增加,沖調穩定性參數越大,沖調穩定性越差。結合小米淀粉的回生值,可以發現,由于烤小米粉和炒小米粉中淀粉的回生能力較強,冷卻時淀粉濃度增加,粘稠度也相應增加,使得懸浮液體系中的懸浮物質沉降速率降低,從而獲得較好的沖調穩定性。

表2 炒、烤、微波、對照小米粉的穩定性參數Table 2 The stability parameters of fried,baked,microwaved and raw millet powder

小米粉的沖調結塊率與沖調穩定性有相同的變化規律。沖調穩定性是表征粉末狀固體在溶液中的分層情況,而沖調結塊率是表征粉末狀固體在溶液中結塊的情況,二者表征的物理性質有著極為相似的地方,兩個參數表現出了相同的結果。

吸水指數反映了樣品的親水性。四種樣品按照炒、烤、微波、對照的順序,親水性依次下降。小米中對吸水性起主要作用的有淀粉、蛋白質和纖維素,而這三者的親水性大小依次為蛋白質>淀粉>纖維素[2324]。

水溶性指數反映了樣品在溶劑中的分散性。四種樣品按照對照、炒、烤、微波的順序依次下降,且經過熟化處理后的小米粉在水中的分散性下降。這可能是因為加熱使蛋白質肽鏈松散,大部分疏水基團暴露在肽鏈外部,使得蛋白質的溶解性下降[25]。

2.3 粒徑對小米粉糊化特性的影響

表3表明,峰值溫度隨著小料粉粒徑的減小而降低。小米粉粒徑越小,需要的能量也就越小,越容易完全糊化。峰值粘度和崩解值隨著炒小米粉粒徑減小而增加,這一結論與梁麗松等[26]的結論一致。這說明,對于炒小米粉來說,峰值粘度、崩解值會隨著粒徑的降低而增加。從峰值粘度看出,小米粉的粒徑越小,能夠達到的粘度也就越高。小米粉的粒徑越小,對溫度和剪切力的耐受能力則越弱,穩定性越差。在該樣品測試中,隨著小米粉粒徑減少，回生值與最終粘度均呈現出先下降在上升的趨勢。可以推斷,在40～140目之間,會出現至少一個峰值,使得淀粉的回生能力最弱,冷卻時淀粉濃度增加的能力越弱。烤小米粉與炒小米粉在這些方面有著相同的結論,在此不予贅述。

表3 不同粒徑炒小米粉的糊化特性Table 3 The gelatinization properties of fried millet powder in different meshes

微波處理后的小米粉與炒和烤小米粉略有不同。表4表明,微波處理后的小米粉的峰值溫度隨著粒徑的減小呈下降趨勢;在溫度和剪切力的作用下的耐受能力越弱,穩定性越差。但是峰值粘度卻呈現出先增大后減小的趨勢。回生值依然呈現出先減小后增大的趨勢,表明在40～140目之間,有一點使得淀粉的回生能力最弱,冷卻時淀粉濃度增加的能力越弱。最終粘度隨粒徑的減小而降低。

表4 不同粒徑微波處理小米粉的糊化特性Table 4 The gelatinization properties of baked millet powder in different meshes

2.4 粒徑對小米粉穩定性的影響

研究發現,炒、烤、微波產生的實驗規律相同,故此處只對炒小米粉進行穩定性分析。

2.4.1 沖調穩定性測定 從圖1中的數據可以看出,隨著粒徑的減小,沖調穩定性參數降低,且粒徑較小時,樣品的沖調穩定性參數都很小,穩定性很好。原因可能是表面積會影響到顆粒的沉降速率。

圖1 不同粒徑小米粉的沖調穩定性Fig.1 The resolvent stability of millet powder in different meshes

表面積間接反映了顆粒受到的物理化學作用與重力作用的相對大小。顆粒越小,比表面積越大,重力對顆粒的影響越小,因此顆粒沉降速度慢,穩定性好。當粒徑較大時,顆粒的比表面積較小,更容易受到重力的影響,因此沉降速度快,穩定性差。這解釋了圖1粒徑較小時穩定性好,粒徑較大時穩定性差的現象。

2.4.2 沖調結塊率測定 從圖2中的數據可以看出,隨著粒徑的減小,結塊率減小。說明粒徑變小后,顆粒的持水能力增加。這是因為在沖調時,部分顆粒先與水分子接觸,熟化的淀粉吸水膨脹;由于直徑小的顆粒比表面積比較大,吸水膨脹后,比表面積會大幅度減小,造成了粉體自身分子引力與靜電引力作用減小,相比較大直徑顆粒,粉粒的流動更自由,受到的影響更小,因此不容易結塊。但是冉新炎[17]在玉米沖調粉研究中得出了和本實驗相反的結論。原因可能是冉新炎的樣品是經過膨化處理的玉米粉,膨化作用使得樣品具有了蜂窩狀的結構,過度粉化后這種膨化蜂窩狀結構被破壞,持水能力降低。此外,膨化過程中會發生復雜的化學變化,這對樣品的結塊率也有著重要的影響。

圖2 不同粒徑小米粉的沖調結塊率Fig.2 The caking rate of millet powder in different meshes

在實驗中發現,粒徑大的小米粉結塊率高,形成的糊狀物外觀粗糙,均勻性差,但是水分子的滲透性好于粒徑小的小米粉。實驗結束時,有些粉狀物外表雖然濕潤,成為了糊化層,但是內部卻包裹了干粉。只是這種包裹了干粉的糊狀物直徑比較小,能夠透過20目的分子篩。

2.4.3 吸水指數和水溶性指數測定 從圖3可知熟化處理過的小米粉的吸水指數都大于未經過熟化處理的小米粉,與前面的結論相吻合。這說明熟化處理可以增加小米粉的親水性。從圖4中可以看出,隨著粒徑的減小,小米粉的水溶性增加。熟化處理會降低小米粉在水中溶解的能力。

圖3 不同粒徑小米粉的吸水指數Fig.3 The injectivity index of millet powder in different meshes

圖4 不同粒徑小米粉的水溶性指數Fig.4 The water soluble index of millet powder in different meshes

2.5 小米粉在不同體系下的穩定性

2.5.1 處理方法對不同體系下小米穩定性的影響 以80目小米粉為例,比較不同處理方法下的小米粉在水中和牛奶中的穩定性參數。

從表5出,小米粉在牛奶中的沖調穩定性參數大于水中的沖調穩定性參數,說明小米粉在水中的穩定性較好,但是在牛奶中的結塊率卻比較低。牛奶中的吸水指數要小于水中的吸水指數,牛奶中的水溶性指數相比水中要明顯增加。說明小米粉在牛奶中更不容易結塊,容易混合均勻。

表5 不同處理方法的小米粉在不同體系中的穩定性參數Table 5 The stability parameters of millet powder with different handing methods in different systems

2.5.2 粒徑對不同體系下小米粉穩定性參數的影響

2.5.2.1 沖調穩定性測定 由圖5,炒小米粉在牛奶中和水中的沖調穩定性隨著粒徑的減小而增強,同時,粒徑小于80目時,小米粉在牛奶中的穩定性急速上升。這表明,當粒徑足夠細時,小米粉在牛奶中和在水中的沖調穩定性并無明顯差距。甚至當粒徑小于80目時,小米粉在牛奶中的沖調穩定性比在水中的要好。

圖5 炒小米粉在水中和在牛奶中的沖調穩定性Fig.5 The resolvent stability of fried millet powder in water and milk

2.5.2.2 沖調結塊率測定 由圖6能夠發現,炒小米粉在牛奶中和水中的結塊率隨著粒徑的減小而降低。

圖6 炒小米粉在水中和在牛奶中的沖調結塊率Fig.6 The caking rate of fried millet powder in water and milk

2.5.2.3 吸水指數和水溶性指數測定 由圖7能夠發現,炒小米粉粒徑對吸水指數的影響較弱,并無明顯的線性關系;但在水中的吸水指數永遠高于在牛奶中的吸水指數。這可能是因為牛奶中除了含有親水基團外,還含有很多疏水基團。水分子包裹了小油滴,形成了水包油體系。在水包油體系中,體系仍表現為水的性質,但是由于油滴的存在削弱了水的性質,從而造成小米粉在牛奶中的吸水指數下降。

圖7 炒小米粉在水中和在牛奶中的吸水指數Fig.7 The injectivity index of fried millet powder in water and milk

由圖8可知,炒小米粉在牛奶中和水中的水溶性指數呈現上升趨勢,并且在牛奶中的水溶性指數(0.4～0.6)遠高于在水中的水溶性指數(<0.1)。這可能是因為牛奶的水包油體系中含有大量的疏水基團,在小米粉中,除了含有親水物質外,也同樣含有大量的油脂類疏水物質。這樣的成分使得小米粉與牛奶的體系更加接近,因此在牛奶中的溶解能力更強。

圖8 炒小米粉在水中和在牛奶中的水溶性指數指數Fig.8 The water soluble index of fried millet powder in water and milk

3 結論

本實驗采用炒、烤、微波三種熟化處理的方法對小米進行熟化,熟化后經粉碎處理,測得小米粉的粘度特征和在水中和牛奶中的沖調穩定性、沖調結塊率、吸水指數、水溶性指數。熟化能夠使小米粉在水中和牛奶中的分散性下降。當對粉的穩定性要求較高時,可以采用80目以上的小米粉。相比在水中,小米粉在牛奶中更不容易結塊,穩定性好,容易混合均勻。

為了得到更加準確的實驗結論,在未來的研究中,可以利用紅外光譜進一步研究小米粉中的淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的成分和變化情況。小米粉中其他的成分也會對小米粉的以上性質產生影響,因此,其他成分諸如蛋白質、纖維素的變化等也是值得探究的。牛奶水包油體系對小米粉的影響也可以再進行一些實驗探究。

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