高膳食纖維食用菌營養工程米的工藝優化

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(1.東北林業大學林學院,黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江省農業科學院食品加工研究所,黑龍江哈爾濱 150086;3.哈爾濱商業大學藥學院,黑龍江哈爾濱 150028)

稻米是人們日常餐桌上最主要的主食之一,是人們膳食結構中不可或缺的重要組成部分[1]。世界范圍內50%以上的人口都以稻米為食,而在我國則約有60%的人口以稻米為食[2]。稻米中含有的淀粉、蛋白質、脂肪、氨基酸和維生素等保證了人們日常活動所需的營養和能量[3]。近些年來,隨著人們物質生活水平的提高以及對日常飲食高質構品質的需求,稻米加工呈現精細化趨勢。然而,由于稻米中的營養成分分布不均衡,導致其在加工過程中受到不同程度的損失,進而降低了稻米的營養性[4]。有文獻報道稻米在加工成大米過程中,微量元素損失60%左右,維生素損失70%～80%,膳食纖維損失60%～70%[5]。膳食纖維作為自然界普遍存在的一類物質,被譽為人類所需的“第七大營養素”,其在促進人體健康和預防疾病發生等方面發揮著重要作用。生理學研究表明,膳食纖維具有降血脂、降血糖、預防便秘、改善腸道菌群、清除自由基、預防心腦血管疾病和結腸癌發生等作用[6-8]。膳食纖維在自然界分布十分廣泛,主要包括糧油、果蔬、水產以及食用菌等,其中,食用菌由于含有豐富的活性多糖,被視為一種潛在的功能性膳食纖維來源而引起了人們廣泛的關注[9]。

為了彌補稻米加工過程中營養成分流失以及增強大米的營養性等問題,國內外學者在大米的營養強化方面開展了卓有成效的研究[10]。目前,大米的營養強化制備方法主要有涂膜法、浸吸法、強烈強化法以及擠壓強化法等,其中,尤以擠壓強化法應用較為廣泛[11]。擠壓強化法是以不同粉碎粒度的原料按照營養配比,通過物理擠壓,再經過干燥而成的方法,其制備的營養強化米具有外觀品質接近普通大米,營養均衡全面以及易熟易蒸煮等特點[12-14]。鑒于此,本研究以大米、玉米、黑木耳、榛蘑、香菇、銀耳為原料考察對象,通過線性規劃確定高膳食纖維擠壓食用菌營養工程米的原料配方,在此基礎上,運用單因素實驗結合響應面法對雙螺桿擠壓的高膳食纖維擠壓食用菌營養工程米的工藝進行優化,旨在通過該研究開發出一款符合市場需求的健康食品,進而為營養強化米在市場上的推廣提供一定的現實基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米 黑龍江東直米業有限公司;玉米 黑龍江祖谷米業有限公司;黑木耳、銀耳 東寧潤香山產品有限公司;香菇粉 興化市嘉禾食品有限公司;榛蘑 山東淳谷物食品科技有限公司;硫酸 北京化工廠;氫氧化鉀、丙酮 天津市天力化學試劑有限公司,化學試劑均為國產分析純。

MWL50型攪拌機 常州中實三水機械科技有限公司;TSE72型雙螺桿擠壓機 濟南盛潤機械有限公司;MB-FS5089型電飯煲 廣東美的生活電器制造有限公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;TA-XT plus型質構儀 英國Stable Micro Systems公司;HB43-S型快速水分測定儀、XS204型電子分析天平 瑞士METTLER TOLEDO公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工程米配方確定 配方設計依據已有研究[15-16]以及對比普通大米營養成分對高膳食纖維營養工程米的界定,每100 g高膳食纖維營養工程米中,能量≥1300 kJ、蛋白質≥9 g、脂肪≥2 g、碳水化合物≥60 g、膳食纖維≥7 g,并且生產出的擠壓營養工程米在組織結構、口感、顏色、形態、風味等需符合人們的飲食習慣。因此,本研究以大米、玉米、黑木耳、榛蘑、香菇、銀耳為原料考察對象,以營養成分含量為限制條件,所考察原料營養成分參照食品原料營養成分表[17],含量如表1所示,以價格為優化目標值,通過線性規劃來確定高膳食纖維食用菌擠壓營養強化米的原料配方。

表1 考察原料營養成分含量Table 1 Nutrient contents of selected materials

利用LINGO 11.0軟件建立線性規劃模型,分別設置考察原料大米、玉米、黑木耳、榛蘑、香菇、銀耳分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6,模型需滿足以下限制條件:

Min=3.65X1+1.5X2+27.8X3+37.8X4+29.5X5+32.5X6

1448.30X1+1423.19X2+858.10X3+657.18X4+883.21X5+837.17X6≥1300

7.4X1+8.10X2+12.10X3+9.5X4+20X5+10X6≥9

0.8X1+3.3X2+1.5X3+3.7X4+1.2X5+1.4X6≥2

77.2X1+69.6X2+35.7X3+21.5X4+30.1X5+36.9X6≥60

0.7X1+5.6X2+29.9X3+10.4X4+31.6X5+30.4X6≥7

X1+X2+X3+X4+X5+X6=1

X1≥0;X2≥0;X3≥0;X4≥0;X5≥0;X6≥0

1.2.2 工程米制備方法 將玉米和香菇磨成粉,分別使用快速水分測定儀測定其水分含量備用,按玉米粉和香菇粉配比為92.4∶7.6將原材料混合,放入攪拌機中攪拌,按所需含水量加入一定量的水,進行調質后攪拌20 min。將充分攪拌的原料倒入加料斗中,調至對應參數開始擠壓,待米形穩定后開始收集工程米,厚度約1 cm均勻鋪于鐵盤中,放入烘箱中烘干至工程米水分含量約為13%～14%,即可放入密封袋中保存,以用于下一步的操作。

1.2.3 復水率測定 由于工程米吸水后質地較黏,取出晾干稱量過程中誤差較大,因此將高揚等[18]的方法進行改進,稱量的過程先在錐形瓶中完成。取錐形瓶標記并稱重,放入10 g工程米樣品,向錐形瓶中加入80 mL蒸餾水,在25 ℃下水浴30 min。水浴完成后將水倒出,將錐形瓶倒置在濾紙上20 min,將錐形瓶與被濾紙吸去多余水分的工程米稱重再減去錐形瓶的重量即為吸水后工程米的重量。復水率按公式(1)測定:

式(1)

式中:W為復水率(%);A1為工程米吸水后的質量(g);A2為工程米吸水前的質量(g)。每種樣品取三份測定取平均值。

1.2.4 質構綜合評價值測定 取10 g工程米樣品放入小玻璃碗中并編號,向碗中加入8 mL水,將碗口使用濾紙覆蓋并固定后,放入電飯鍋內蒸煮10 min,取出于常溫下放置20 min,轉涼后將濾紙取下用保鮮膜封碗口,使用質構儀進行測定。每種樣品測定五次,棄最高值和最低值數據后進行計算。

質構儀測定出的數據按孟慶紅等[19]的方法進行數據標準化,標準化按公式(2)進行計算,計算后的數據符合正態分布。

式(2)

其中,a*為標準化后的數據;a為標準化前的數據;μ為每組三個數據的平均值;σ為每組三個數據的標準差。

參考孟慶虹等[19]對應在大米質構綜合評價值中硬度、粘著性、咀嚼度在質構評價中占比例約為43.4%、29.2%和27.4%,據此取整確定硬度、粘著性和咀嚼度在綜合評價中的權重分別為45%、30%和25%。因各項指標所測單位不同,所以需將其進行標準化,將標準化后的數值按三種指標權重進行計算,如公式(3)。以計算結果為質構綜合評價值數值進行評測。

s=(H×45%+V×30%+C×25%)×100

式(3)

其中,s為質構綜合評價值;H為樣品硬度;V為樣品粘著性;C為樣品咀嚼度。

1.2.5 單因素實驗設計 以螺桿轉速(100、125、150、175、200 r/min)、水分含量(20%、23%、26%、29%、32%)、模頭溫度(40、50、60、70、80 ℃)、干燥溫度(50、60、70、80、90 ℃)為影響因素,以復水率、質構綜合評價值為指標進行單因素試驗,其中各因素的固定化水平為螺桿轉速150 r/min;水分含量26%;模頭溫度60 ℃;干燥溫度70 ℃。

1.2.6 響應面試驗設計 根據單因素實驗結果,以螺桿轉速、水分含量、模頭溫度、干燥溫度四個影響因素為自變量,以復水率和質構綜合評價值為響應值進行響應面試驗,以優化工程米擠壓工藝,因素水平見表2。

表2 響應面試驗設計因素水平和編碼表Table 2 Factors level and codes table of response surface design

1.2.7 高膳食纖維營養工程米膳食纖維含量的測定 使用聚酯纖維篩網袋輔助測定工程米中膳食纖維的含量[20]。取6個孔徑25 μm的聚酯纖維篩網袋編號,準確稱量其重量(m1),在每個篩網袋中放入1 g打碎的工程米樣品,用繩子系住封口。將1 L 0.13 mol/L的硫酸溶液于電爐上煮沸,將篩網袋放入溶液中持續煮沸30 min,煮沸完畢后將篩網袋用熱水沖洗至中性。將1 L 0.23 mol/L的氫氧化鉀溶液置于電爐上煮沸,將篩網袋放入溶液中持續煮沸30 min,煮沸完畢后將篩網袋用熱水沖洗至中性。最后將篩網袋放入適量丙酮持續浸泡10 min以去除樣品中的脂肪,將篩網袋在80 ℃下烘干60 min,最后稱量其重量記為m2。最后可得樣品中含膳食纖維的量為m=m2-m1。六份平行樣品進行三次試驗后棄最大值和最小值進行平均取值。

1.3 數據處理

每組實驗均進行三次平行實驗,其中質構綜合評價值進行五次實驗。利用OriginPro 2017和Design Expert 8.0.5處理得到實驗數據。

2 結果與分析

2.1 工程米配方確定

通過使用LINGO 11.0軟件建立線性規劃模型并且進行求解,結果如表3所示,從表3可以看出,當X2和X5比例分別為0.9244和0.0756時,可以滿足模型的限制條件,因此確定高膳食纖維擠壓食用菌營養工程米配方為玉米粉和香菇粉比例為92.4∶7.6。

表3 工程米配方線性規劃結果Table 3 The linear programming results of engineering rice recipe

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 螺桿轉速對工程米復水率和質構綜合評價值的影響 如圖1,隨著螺桿轉速的提高工程米復水率也隨著升高,螺桿轉速125 r/min時,工程米的質構綜合評價值最高,隨著螺桿轉速的增加工程米的質構綜合評價值逐漸降低。當螺桿轉速為200 r/min時雖然復水率最高,但是質構綜合評價值只有約60.20分。這可能是由于隨著螺桿轉速提高,螺桿的剪切力和擠壓腔內的壓力升高,使工程米膨化變高,在175～200 r/min的條件下大部分工程米出現爆粒的情況,使其復水率大幅升高,硬度變小,黏度增加,質構綜合評價值降低。當螺桿轉速低時淀粉的糊化和交聯程度低,螺桿轉速升高時淀粉的糊化和交聯程度也變高,此時質構綜合評價值較高,但螺桿轉速達到更高的水平時,物料停留時間較短,淀粉不能充分受熱糊化,因此使產品的質構綜合評價值下降[21]。總體來看當螺桿轉速在100～150 r/min時,工程米的復水率適中,質構綜合評價值較高,米粒外形穩定,因此選為響應面試驗水平。

圖1 螺桿轉速對復水率和質構綜合評價值的影響Fig.1 Effects of screw speed on rehydration rate and texture comprehensive scores

2.2.2 水分含量對工程米復水率和質構綜合評價值的影響 如圖2,隨著工程米中水分含量的升高,工程米的質構綜合評價值呈現先上升后下降的趨勢,可能是由于在配料過程中水分越高,擠壓后淀粉顆粒內部有序的淀粉鏈破壞程度加劇,淀粉糊化度提高;當加水量過高時,物料潤滑度提高,物料在機腔中承受的擠壓和剪切力減小,淀粉交聯程度減弱[22],因而質構綜合評價值呈現先上升后下降的趨勢。當工程米中水分含量為29%時,復水率僅有99.8%;水分含量為32%時,復水率僅有78.5%,可能是由于物料中含水量過高,物料吸水量過大從而吸水能力下降,復水率隨之降低。當水分占20%時,雖然復水率較高,但是由于配料中水分較低,擠壓出的工程米表面比較粗糙,質構綜合評價值較其它樣品較低。但由于水分含量太高時復水率較低,而且在擠壓過程中材料過于潮濕不易成型,因此選擇水分含量23%～29%為響應面試驗水平。

圖2 水分含量對復水率和質構綜合評價值的影響Fig.2 Effects of moisture on rehydration rate and texture comprehensive scores

2.2.3 模頭溫度對工程米復水率和質構綜合評價值的影響 如圖3,當模頭溫度在50 ℃時復水率較為適中,質構綜合評價值也較高,此時工程米中的淀粉糊化度適中;在60～80 ℃時復水率大幅上漲,質構綜合評價值大幅下降。由于模頭溫度過高,在物料經過模頭的過程中會發生膨化現象,當模頭溫度為80 ℃時擠壓出的產品表面有大幅凹凸,米內含有較多空氣,在蒸煮后已經難成米形。因樣品已經膨化,吸水特性大大增加,復水率大幅上漲。模頭溫度較低時會較難使物料熟化,從而影響質構綜合評價值,但經試驗,模頭溫度40 ℃條件下擠壓出的產品雖然復水率和質構綜合評價值略低于最高值,可以列入響應面試驗的范圍內。因此選擇模頭溫度40～60 ℃為響應面試驗水平。

圖3 模頭溫度對復水率和質構綜合評價值的影響Fig.3 Effects of die temperature on rehydration rate and texture comprehensive scores

2.2.4 干燥溫度對工程米復水率和質構綜合評價值的影響 如圖4,將剛擠壓出的工程米樣品放入烘箱中以不同溫度烘干至水分約為12%～13%后進行試驗,在干燥溫度不同的情況下工程米的復水率和質構綜合評價值差異不明顯,因此說明在其它條件相同的情況下,干燥溫度對工程米的影響不大。因此在接下來的響應面試驗中選擇干燥溫度為50 ℃為響應面試驗條件。

圖4 干燥溫度對復水率和質構綜合評價值的影響Fig.4 Effects of drying temperature on rehydration rate and texture comprehensive scores

2.3 響應面優化試驗結果

2.3.1 回歸模型的建立與回歸模型的方差分析 根據單因素試驗結果,以螺桿轉速(A)、水分含量(B)、模頭溫度(C)作為變量,以復水率(Y1)和質構綜合評價值(Y2)作為響應值。經篩選剔除了單因素試驗中實驗結果不理想的條件設計實驗方案,見表4。

表4 響應面試驗方案與結果Table 4 Design and result of response surface methodology

使用Design Expert 8.0.5對表4的試驗結果進行分析得到食用菌高膳食纖維工程米復水率(Y1)作為響應值的回歸模型為:

Y1=183.33-0.93A-3.23B-1.40C+8.12AB+3.58AC+12.81BC-8.39A2-18.11B2-5.35C2

對該模型進行方差分析得到回歸方差分析結果,見表5。

表5 以復水率為響應值回歸模型方差分析表Table 5 Results of variance analysis of regression model with rehydration rate as response value

由表5可以看出,模型的p值為0.0009<0.01,說明模型極其顯著;失擬項的p值為0.3988(大于0.05),不顯著;該模型的R2為95.04%(大于80%),說明該回歸方程可以較好地與試驗所得數據進行擬合,試驗誤差較低,所得模型與真實情況有較大的聯系,可以用來進行各因素之間關系的分析。其中,AB交互對復水率的影響顯著(p<0.05),BC交互對復水率的影響極其顯著(p<0.01);二次項中A2、B2對復水率的影響極其顯著(p<0.01)。

使用Design Expert 8.0.5對表4的試驗結果進行分析得到食用菌高膳食纖維工程米質構綜合評價值(Y2)作為響應值的回歸模型為:

Y2=+74.82-0.65A+1.26B+4.56C-3.65AB+2.46AC+3.61BC-4.59A2-7.01B2-3.29C2

對該模型進行方差分析得到回歸方差分析結果,見表6。

由表6可以看出,模型的p值為0.0017<0.01,說明模型極其顯著;失擬項的p值為0.8520(大于0.05),不顯著;該模型的R2為93.97%(大于80%),說明該回歸方程可以較好地與試驗所得數據進行擬合,試驗誤差較低,可以用來進行各因素之間關系的分析。其中,C項對質構綜合評價值的影響極其顯著(p<0.01),AB、AC對質構綜合評價值的影響顯著(p<0.05),二次項中C2對質構綜合評價值的影響顯著(p<0.05),A2和B2對質構綜合評價值的影響極其顯著(p<0.01)。

表6 以質構綜合評價值為響應值回歸模型方差分析表Table 6 Results of variance analysis of regression model with texture comprehensive score as response value

2.3.2 回歸模型中各因素間交互作用的分析 兩個因素的交互作用見圖5～圖10。圖5～圖7為以復水率為響應值的響應面圖,圖8～圖10為以質構綜合評價值為響應值的響應面圖。由圖5可以看出,響應面圖較陡,等高線圖呈現橢圓形,螺桿轉速和水分含量的交互作用較為顯著;由圖6可以看出,響應面圖雖然呈現較明顯的趨勢,但整體趨勢幅度不大,等高線圖接近圓形,螺桿轉速和模頭溫度的交互作用不顯著;由圖7可以看出,響應面圖呈現較大的弧度,等高線圖明顯呈現橢圓形,水分含量呵模頭溫度的交互作用十分顯著;由圖8可以看出,在水分含量和螺桿轉速低時響應面圖呈現較為陡峭的趨勢,水分含量和螺桿轉速高時較平緩,等高線圖呈橢圓形,螺桿轉速和水分含量的交互作用較顯著;由圖9可以看出,響應面圖較平緩,沒有巨大的幅度,而且等高線圖呈現圓形,螺桿轉速和模頭溫度交互作用不顯著;由圖10可以看出,響應面圖有一定的坡度且等高線圖呈橢圓形,水分含量和模頭溫度交互作用較顯著。

圖6 螺桿轉速(A)和模頭溫度(C)對工程米復水率的影響的響應面圖Fig.6 The 3-D surface plot of effect of screw speed(A)and die temperature(C)on rehydration rate

圖7 水分含量(B)和模頭溫度(C)對工程米復水率的影響的響應面圖Fig.7 The 3-D surface plot of effect of moisture(B)and die temperature(C)on rehydration rate

圖8 螺桿轉速(A)和水分含量(B)對工程米質構綜合評價值的影響的響應面圖Fig.8 Response surface diagram of effect of screw speed(A) and moisture(B)on texture comprehensive score

圖9 螺桿轉速(A)和模頭溫度(C)對工程米質構綜合評價值的影響的響應面圖Fig.9 Response surface diagram of effect of screw speed(A) and die temperature(C)on texture comprehensive score

圖10 水分含量(B)和模頭溫度(C)對工程米質構綜合評價值的影響的響應面圖Fig.10 Response surface diagram of effect of moisture(B) and die temperature(C)on texture comprehensive score

2.3.3 最優工藝參數的確定以及驗證 使用Expert Design 8.0.5軟件分析后可以得到該回歸模型的最優工藝參數:螺桿轉速為126.26 r/min;水分含量為26.41;模頭溫度為54.68 ℃。取該理論條件的近似值為實際操作條件:螺桿轉速為126 r/min;水分含量為26;模頭溫度為55 ℃。進行試驗理論上復水率為181.61%;質構綜合評價值為76.49分;實際上經三次平行實驗取平均值得復水率為185.35%±3.17%;質構綜合評價值為(78.37±1.25)分。實際試驗結果與理論試驗結果較為接近,說明該條件下擠壓工程米效果較好。

2.3.4 高膳食纖維營養工程米膳食纖維含量的測定 進行六份樣品的平行測定,測定三次后取得平均值得出1 g工程米樣品中含有(0.073±0.008) g膳食纖維,實際試驗結果與理論試驗結果較為接近,說明該工程米的膳食纖維可以達到一定的水平,比較符合預設的要求。

3 結論

本研究以大米、玉米以及富含功能性膳食纖維的食用菌包括黑木耳、榛蘑、香菇、銀耳為原料考察對象,通過線性規劃確定高膳食纖維食用菌擠壓營養強化米的原料配方為玉米和香菇,配比為92.4∶7.6;在此基礎上,運用單因素試驗結合響應面法對雙螺桿擠壓的高膳食纖維食用菌營養強化米的工藝進行優化,確定最優工藝參數:螺桿轉速126 r/min、水分含量26%、模頭溫度55 ℃,在此條件下,制備的高膳食纖維食用菌擠壓營養強化米具有較高的復水率和質構綜合評價值,分別為185.35%±3.17%和(78.37±1.25)分,該工程米的膳食纖維含量約為7.3%,與理論結果較接近。本研究開發的高膳食纖維食用菌擠壓營養強化米色澤呈均一的淺褐色,粒型接近普通大米,并伴有香菇的特殊氣味,營養豐富、尤其富含膳食纖維,該產品的研發可為市場提供一款新型的健康食品,進而為營養強化米在市場上的推廣提供一定的現實基礎。