響應面法優化糙米微波改性工藝

陳培棟,萬忠民,王勝錄,馬倩婷

(南京財經大學食品科學與工程學院,江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心,江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023)

微波作為一種非電力輻射能,具有加熱均勻,升溫快,穿透性強和能耗低等特點,被廣泛應用于食品領域各個單元[14]。就糙米微波改性來看,微波處理的作用機制可簡要歸結于微波自身的電加熱效應和電磁極化效應。一方面,微波場下糙米籽粒內部極性大分子大量摩擦放熱,使籽粒溫度升高,造成內部物化特性發生改變。另一方面,微波輻射影響籽粒內部聚合物或基團的電子云排布,導致分子構象發生變化。通常,微波處理時間與功率是影響整個工藝最為直觀的因素,研究表明微波功率和處理時間與籽粒的平均失水速率、脂肪酸值、發芽率及RVA特性有著極其顯著的關聯[1517]。同時,初始水分也是影響微波處理對物料升溫的重要因素之一,它的相對含量直接影響籽粒內部成分對微波磁場的響應,表現出不同速率的升溫現象,進而影響籽粒內部成分尤其是淀粉分子的特性變化。現階段食品加工中微波主要用于加熱、殺菌滅酶和營養物質提取等,而微波處理對糙米蒸煮品質的影響及其工藝探索還未見報道。因此,深入研究微波改性糙米蒸煮品質指標的變化,有利于糙米食用的推廣及綜合利用。

本研究以糙米為原料,開展微波處理對糙米蒸煮品質影響的研究,以糙米蒸煮后的硬度、吸水率和米湯碘藍值為目標參數,結合單因素實驗和響應曲面分析,建立二次回歸數學模型。并引入期望函數優化方法進行多指標函數的優化[1819],確定微波處理糙米的最佳工藝參數組合,為實際生產活動提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

2016年產粳稻淮五糙米 南京稻盛和豐農業有限公司;碘、碘化鉀等 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

XOGZ7KW連續隧道式微波裝置(0～8000 W) 南京先歐儀器制造有限公司;JCS3000電子天平(±0.01 g) 凱豐集團有限公司;TP214分析天平(±0.0001 g) 丹佛儀器(北京)有限公司;YJ308H美的電飯煲(500 W) 佛山市美的電器制造有限公司;TA.TX.Plus質構儀 英國SMS公司;UV1200紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;HH4數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;H1850R臺式高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗 準確稱取(500±1) g糙米,置于聚乙烯塑封袋中(15 cm×25 cm),擠出袋內空氣后封裝。綜合微波裝置參數及預實驗結果,采用間歇式加熱的方法[14],微波工作10 s后間歇20 s,總微波時間以累計工作時間為準,冷卻至室溫后備用。在微波處理糙米的過程中,微波功率、微波時間和糙米初始水分含量對糙米蒸煮食用品質的影響較大。本文以微波功率2000 W、微波時間60 s和初始水分15%為固定水平,分別考察微波時間(30、60、90、120、150 s)、微波功率(500、1000、1500、2000、2500、3000 W)和初始水分含量(13.0%、14.0%、15.0%、16.0%、17.0%)對糙米吸水率、碘藍值、可溶性固形物含量和糙米飯硬度的影響。

1.2.2 微波條件的響應面優化 以微波功率、微波時間、糙米初始水分含量為三因素,根據BoxBenhnken中心組合實驗,采用響應面法對微波處理糙米條件進行三因素三水平優化,因素和水平見表1。以微波處理后糙米飯的硬度、吸水率、碘藍值為響應值,每個指標重復檢測三次,取平均值。

表1 響應面分析因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface design

1.2.3 糙米飯質構特性的測定 在蒸煮鋁盒中稱取微波處理后的糙米樣品10.00 g,加12 mL蒸餾水,于電飯煲里蒸煮30 min,保溫10 min,用質構儀測定糙米飯硬度。選用P/36R探頭,測前速度5 mm/s,測中速度1 mm/s,壓縮比為70%。選取3粒完整的米粒平行放置在測試臺上,重復三次。

我們知道大部分預制構件都是在生產工廠的車間利用運輸工具輸送到預制裝配式項目的施工現場，這個環節經歷了裝貨、運輸、卸貨、堆放整個過程。考慮到構件的尺寸和質量都較大的問題，難免在上述環節中出現磕碰的現象，所以我們提前設置運輸方案以及注意的細節。首先，我們在堆放這些構件時，在底部要提前加上軟木墊，然后務必將所有構件整齊排列，最好準備專門堆放這些構件的置物架；另外，運輸過程中也要對構件之間添加棉墊，安排專車來運輸；吊裝過程也要嚴格按照操作程序進行[3]。

1.2.4 糙米的蒸煮品質

1.2.4.1 蒸煮方法 稱取10.00 g微波處理后的糙米,蒸餾水淘洗兩次,每次10 s,吸干表層水分,加入200 mL蒸餾水后沸水浴30 min,立即撈出米飯于濾紙上吸干表層多余水分待測,同時取出剩余米湯備用,重復三次[20]。

1.2.4.2 米飯吸水率測定 米飯靜置10 min后,用吸水紙吸去表面殘余水分,并分別稱量米飯的質量。吸水率按公式(1)計算

式(1)

1.2.4.3 米湯中可溶性固形物含量測定 取1.2.4.1中米湯上層清液20 mL,置于已知質量的鋁盒中,于105 ℃條件下干燥至恒重,得到的固體物質量乘以10,即為100 g糙米的固體溶出物質量。

可溶性固形物含量(g/100 g)=干物質質量×10

式(2)

1.2.4.4 米湯的碘藍值 取1.2.4.1中米湯上層清液20 mL,1500 r/min離心5 min,取上清液1.0 mL加入1.0 mL碘液(2 g/L)定容至100 mL,于OD600 nm處測定其吸光度[21]。

1.2.5 期望函數 期望函數優化通過指定單個響應值的重要度w來計算最大期望函數值。將所有的響應值根據如下方程轉化為期望函數di:當獨立響應值目標為最小值時采用公式(3)計算,當獨立響應值目標為最大值時采用公式(4)計算。總體期望函數D按照公式(5)求最大期望函數值,再根據最大期望函數值在響應面圖中尋找所對應的條件即為微波處理的最佳工藝條件[22]。

式(3)

式(4)

式(5)

式中:Li、Hi分別代表最小和最大響應值,d1,d2…dn為各響應值的期望值,n為響應值數目,w為重要度1～5。d1為硬度期望函數值,d2為吸水率期望函數值,d3為碘藍值期望函數值。w1、w2、w3分別為3項指標的重要度,在實際評價過程中,其大小要視指標的性質和側重程度而定。糙米的硬度指示糙米蒸煮后的食用口感,重要度設為4;吸水率指示糙米蒸煮后的糙米飯的含水量,重要度設為3;米湯碘藍值指示糙米蒸煮過程中溶出的可溶性淀粉,重要度設為3。因此,w1=4,w2=3,w3=3。

1.3 數據處理與統計分析

實驗數據通過SPSS 22進行分析,ANOVA程序用于方差分析,鄧肯氏多重比較法(Duncan’s multiple range test)進行數據多重比較分析。通過Design Expert 8.0.6設計響應面實驗和期望函數分析。

2 結果與分析

2.1 微波處理對糙米蒸煮食用品質的影響

2.1.1 微波時間的影響 由圖1a、1b可知,吸水率、碘藍值和可溶性固形物隨微波時間的延長而增大,增幅分別為17.0%,32.4%和22.1%。在微波處理初始60 s內糙米飯的硬度大幅降低,降幅可達14.1%,隨后硬度降低趨勢逐漸平緩,降幅僅為0.4%(圖1b)。Yu等[13]研究表明,吸水率、可溶性固形物含量和碘藍值高的糙米食味品質較好。微波處理后,由于糙米皮層的自身結構形態與內部大米的差異,表層的能量吸收速率高于內部[14],這種能量差會導致糙米皮層的破壞,進而影響籽粒的吸水率和米湯可溶性固形物,同時也會造成硬度降低,此外微波處理后,淀粉分子之間持續摩擦和碰撞,引起籽粒溫度上升的同時,淀粉結構呈現松散狀態[23],直鏈淀粉溶出導致碘藍值增加。微波時間超過60 s后,糙米飯硬度、吸水率、米湯碘藍值和可溶性固形物含量趨于平緩,而150 s后糙米破損,營養物質大量流失。結合此次糙米蒸煮食用品質特性以及能耗背景,初步設定微波處理適宜時間為60 s。

圖1 微波工作時間對糙米蒸煮食用品質的影響Fig.1 Effects of microwave treatment time on cooking and taste quality of brown rice注:相同字母表示差異不顯著(p>0.05), 不同字母表示差異顯著(p<0.05),圖2、圖3同。

2.1.2 微波功率的影響 由圖2可知,糙米吸水率、碘藍值和可溶性固形物均隨著微波功率升高而增加,增幅分別為12.7%、35.1%和32.4%。相同時間內,高功率微波輻照劑量更大,導致處理后糙米吸水率、米湯可溶性固形物和碘藍值增加,這與張習軍在研究微波處理對稻谷食味品質影響結果類似[24]。Zhao[25]研究發現,微波處理后的大米水溶性直鏈淀粉含量增加,進而引起碘藍值的升高,有助于改善蒸煮后的食用口感;另一方面,微波處理后會增加大米的可溶性蛋白含量,有利于蒸煮后的吸水膨脹和糊化,增加蒸煮米飯的黏性,但隨著微波功率進一步提升后,水溶性蛋白含量逐漸降低。這是因為高功率微波具很強的穿透力,酶等蛋白質類物質極易變性,同時高功率微波也會導致淀粉顆粒被破壞,米飯口感變差[14]。糙米飯硬度隨微波功率增加而減少,而微波功率超過2000 W后硬度先增加后減少(圖2b),同時糙米籽粒嚴重破壞。因此,結合此次單因素實驗分析,選擇微波處理適宜功率為2000 W。

圖2 微波功率對糙米蒸煮食用品質的影響Fig.2 Effects of microwave power on cooking and taste quality of brown rice

2.1.3 初始水分含量的影響 圖3為不同初始水分的糙米在2000 W微波功率下分別作用60 s后糙米蒸煮品質變化。水分子為極性分子,在微波場中糙米的水分對微波的吸收作用比淀粉等其他物質更強,因此樣品中水分含量不同,微波處理后產生的效應不同[24]。由圖3可知,糙米吸水率、碘藍值和可溶性固形物均隨著糙米初始水分含量升高而增加,增幅分別為3.4%、50.0%和15.6%。糙米飯硬度隨初始水分增加而降低,最大降幅為22.6%(圖3b)。由圖可知,可溶性固形物、碘藍值和吸水率在初始水分高于14%時趨于平緩,而初始水分高于15%時糙米籽粒破損吸水率增加迅速。綜合分析糙米初始水分適宜為14%。

圖3 初始水分對糙米蒸煮食用品質的影響Fig.3 Effects of moisture content on cooking and taste quality of brown rice

2.2 響應面實驗結果

2.2.1 響應面實驗設計與結果 實驗方案及結果見表2。

表2 響應面分析實驗方案及結果Table 2 Program and experimental results of response surface design

2.2.2 方差分析與回歸方程 回歸得到各指標與各因素間的多元二次回歸模型(表3),對微波改性糙米吸水率、碘藍值和糙米飯硬度進行方差分析(表4)。硬度與三因素的回歸方程p<0.05,R2為0.9231,變異系數(C.V.%)為3.16,說明硬度與三因素之間的多元回歸關系顯著且誤差較小,回歸方程失擬項無顯著性差異(p>0.05),回歸方程與實驗的擬合度高,說明該方程可用以代替實際實驗對結果進行分析,并對工藝參數范圍內不同條件下硬度進行預測。硬度、吸水率、碘藍值與三因素的回歸關系顯著(p<0.05),表明方程的擬合度高,可作科學預測。回歸方程表明各因素對響應值的影響并非簡單的線性關系,還受因素之間交互作用的影響,其中二次項X1X2對吸水率的影響顯著(p<0.05);二次項X2X3對吸水率的影響極顯著(p<0.01)。

表3 各響應值回歸方程Table 3 Regression equations of responses

表4 多元線性回歸方差分析Table 4 Variance analysis of multiple linear regression relationship

2.2.3 響應面分析

2.2.3.1 糙米飯硬度 圖4反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對糙米飯硬度的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,米飯的硬度降低幅度越高。這是因為糙米在吸收微波輻照產生的熱效應破壞糙米皮層,蒸煮米飯時水分更容易進入糙米,米飯硬度降低更易煮熟[26]。微波處理可改變支鏈淀粉的微晶結構,增加淀粉顆粒的溶脹程度和持水力[24],蒸煮時能吸收更多水分減小硬度,提高米飯的食味品質。當籽粒內外層水分梯度較小時,糙米中因水分吸收微波產生的熱效應對硬度的影響差異有限,因此米飯硬度變化不明顯(圖4b、4c)。

圖4 各因素交互作用對硬度影響的響應面Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on hardness

2.2.3.2 糙米吸水率 圖5反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對糙米吸水率的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,糙米吸水率增加。原因是微波處理后破壞糙米表面的麩皮和蠟質層,同時微波處理可改變糙米淀粉的微晶結構,增加糙米內部淀粉顆粒的溶脹程度和持水力[25,27],糙米在蒸煮過程中能吸收更多水分,吸水率增加。圖5b、5c表明初始水分與微波時間交互時,微波時間越長吸水率增加;初始水分與微波功率交互作用時微波功率相對越大,吸水率增幅較小。

圖5 各因素交互作用對吸水率影響的響應面Fig.5 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on water absorption

2.2.3.3 米湯碘藍值 圖6反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對米湯碘藍值的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,糙米米湯碘藍值增加。這是因為微波處理后破壞糙米表面的麩皮和蠟質層,而淀粉大分子鏈極性基團在微波交變電磁場的作用下產生高頻擺動[27],這種高頻率的擺動容易造成大分子顆粒間的相會碰撞和摩擦,進而產生熱量并使淀粉分子結構松散,直鏈淀粉易溶出,導致碘藍值上升[24]。水溶性直鏈淀粉含量高的大米蒸煮成米飯后,黏性增加,有助于糊化,具有良好的食用口感。圖6b、6c表明初始水分與微波功率交互作用時微波功率越大,米湯碘藍值增加;初始水分與微波時間交互時,時間相對越長碘藍值增加。

圖6 各因素交互作用對米湯碘藍值影響的響應面Fig.6 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on iodine blue value

2.3 結果優化與驗證

2.3.1 期望函數 在微波處理糙米的實驗中,目標期望設為糙米蒸煮食用品質最佳。在本研究中各品質指標期望函數重要度的選取按1.2.5節被定義為:最大化吸水率和碘藍值,重要度均設為3;最小化糙米飯硬度,重要度為4。期望函數最大值為1,最小值為0,響應面分析將各指標期望函數最大化或最小化,得到最大期望[17,19]。最終優化后得出工藝參數為:微波功率2399.95 W、微波時間74.56 s、初始水分14.50%,此時糙米飯硬度為2866.5 g,吸水率為56.95%,碘藍值為0.57,期望函數值最大,為0.74。

2.3.2 驗證實驗結果 為了考察預測結果的可靠性,在優化的工藝參數下進行驗證實驗,考慮到實際操作條件,將最佳工藝參數修正為:微波功率2400 W、微波時間75 s、初始水分14.5%,所得此時糙米飯硬度為2865.85 g,吸水率為56.96%,碘藍值為0.57,期望函數值最大為0.76,與理論預測值0.74差異不顯著(p>0.05),模型可靠。與原始糙米相比,硬度降低21.54%,吸水率增加26.94%,碘藍值增加56.76%。

3 結論

本文主要探討不同微波處理工藝對糙米蒸煮特性的影響,通過分析糙米飯硬度,糙米吸水率,米湯碘藍值和米湯可溶性固形物等食用品質指標,衡量微波處理對糙米蒸煮食用品質的提升效果。同時結合期望函數串聯響應面法進行微波改性工藝優化,獲得對糙米蒸煮品質提升效果最好的微波工藝參數,結論如下:

微波處理對糙米蒸煮品質的提升效果顯著,通過響應面分析得出微波處理的最佳工藝參數為:微波功率2400 W、微波時間75 s、初始水分14.5%,所得此時糙米飯硬度為2865.85 g,吸水率為56.96%,碘藍值為0.57,期望函數值最大為0.76,所得品質指標與理論值相對誤差均小于5%,微波處理過的糙米蒸煮品質提升效果明顯,說明優化工藝可靠有效。

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