沙棘營養代餐粉的研制及其流變特性

劉 儉,蔡永國,王霞偉,張 兵,汪莉莉,楊海燕,3,*

(1.新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830052;2.新疆慧華沙棘生物科技有限公司,新疆阿勒泰 836200;3.新疆沙棘工程技術研究中心,新疆烏魯木齊 830000)

沙棘(HippopherhamnoidsL.),是一種藥食兩用的植物資源,果實富含維生素C、黃酮類化合物、多糖、氨基酸、不飽和脂肪酸和微量元素等[1],極具營養保健價值,是人類補充營養的首選水果之一[2]。我國是沙棘資源最為豐富的國家,總面積近3000萬畝,占世界沙棘總面積的95%[3]。真空冷凍干燥的沙棘果粉最大限度地保留了沙棘的活性成分[4],利用沙棘果粉開發新的產品附加值高,發展前景十分廣闊。

代餐粉是由一種或多種原輔料粉,按照一定的方法、比例混合調配而成的一類沖調粉劑產品[5]。由于它的營養均衡、食用方便等優點,成為現在最為流行的營養代餐產品之一。代餐粉產品種類豐富,有單一原料的代餐粉,如蔣勇等[6]開發的一款豆渣代餐粉,具有低能量、低鈉鹽、營養均衡的特點。也有多種復合原料的營養代餐粉,如馮彥君[5]以麥苗酵素粉、魔芋粉、魚膠原蛋白等研制了一種麥苗酵素營養代餐粉,具有良好的抗氧化能力。張麗穎[7]以紅豆粉、薏米粉、甜味劑等為原料,設計的雜糧代餐粉營養豐富,口感細膩,滋味甘甜。目前市面上代餐粉的產品以紅豆薏米粉為主,關于添加果粉的代餐粉產品鮮有報道。

鑒于此,為了充分開發利用沙棘資源,本實驗以沙棘果粉、紅小豆粉、薏仁米粉為主要原料,添加甜菊糖苷、赤蘚糖醇、菊粉和魔芋粉研制沙棘營養代餐粉,通過單因素實驗、Plackett-Burman因素篩選試驗、最陡爬坡試驗和Box-Behnken試驗結合感官評分優化代餐粉的配方,并對其流變特性進行測定,以期為沙棘營養代餐粉的工業化生產提供配方和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

沙棘凍干果粉(純度100%) 新疆慧華沙棘生物科技有限公司提供;紅小豆、薏仁米 品牌金亮子,購于新疆烏魯木齊友好超市;菊粉、魔芋粉、微粉硅膠、甜菊糖苷、赤蘚糖醇等 均為市售食品級。

JY5002電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;CKWSZ-100嘉利電烤爐 廣州嘉利電器有限公司;FW-100高速萬能粉粹機 北京市永光明醫療儀器有限公司;HH-S4數顯恒溫水浴鍋 金壇市醫療儀器廠;SNB-1數字粘度計 上海天美天平儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點 烘烤:將紅小豆、薏仁米分別平鋪于烤盤,放入烤箱,設置溫度150 ℃,時間25 min,烤制終點以紅小豆顏色暗紅、薏仁米顏色黃白為宜。

沙棘果粉+微粉硅膠:微粉硅膠的添加量為1.5%(基于沙棘果粉的質量百分比)[8]。

粉碎、過100目篩:使用FW-100高速萬能粉粹機將原料和輔料進行粉粹,粉粹兩次,每次時間10 s,然后過100目篩。

1.2.3 代餐粉配方單因素實驗 研究紅小豆粉、薏仁米粉和沙棘果粉,以及甜菊糖苷、赤蘚糖醇、菊粉和魔芋粉不同添加量對代餐粉感官品質的影響。固定其余的因素在中間水平上,然后逐一進行每個單因素實驗。具體試驗設計方案見表1。

表1 單因素實驗因素與水平Table 1 Factors and levels of one-factor-at-a-time experiments

1.2.4 代餐粉配方Plackett-Burman因素篩選試驗 根據單因素實驗結果,考察紅小豆粉、薏仁米粉、沙棘果粉、甜菊糖苷、赤蘚糖醇、菊粉和魔芋粉的添加量,一共7個因素對代餐粉感官品質的影響顯著性。利用Design-Expert 10.0.3軟件進行Plackett-Burman試驗設計及數據處理,根據試驗結果,確定影響顯著的因素,進行后續試驗[9]。試驗因素與水平設計見表2。

表2 Plackett-Burman試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiments

1.2.5 顯著因素最陡爬坡試驗 為了使得通過Plackett-Burman試驗確定的顯著因素取值逼近最佳的區域,進行最陡爬坡試驗,從而建立響應面擬合方程。按照一次擬合方程,設計顯著因素的爬坡方向和步長,完成最陡爬坡試驗。根據試驗結果選取感官評分最高的試驗處理組,該處理組對應的各因素值,作為進行Box-Behnken優化試驗時的“0水平”[10]。

1.2.6 代餐粉配方優化試驗 根據Plackett-Burman試驗確定的顯著因素和最陡爬坡試驗確定的各個顯著因素的“0水平”,按照步長計算得到“-1”和“1”水平。采用Box-Behnken試驗設計原理設計響應面試驗,以感官評分為響應值,進一步優化代餐粉配方。響應面優化試驗因素與水平見表3。

表3 響應面試驗的因素與水平Table 3 Factors and levels of response surface experiments

1.2.7 感官評定 挑選食品專業愛好代餐粉的學生10人(男女比例1∶1)組成感官評定小組,根據代餐粉屬于沖調糊狀食品,制定具體評價標準見表4[11]。稱取20 g攪拌均勻的代餐粉倒入透明玻璃杯中,用70 ℃的純凈水80 mL沖調,攪拌30 s即可進行評定。10個小組成員逐一對樣品進行感官評價,評完一個樣品后用純凈水漱口,5 min后再評定下個樣品。

表4 沙棘營養代餐粉感官評分標準Table 4 Sensory evaluation criteria of nutritional seabuckthorn meal replacement powder

1.2.8 代餐粉粘度的測定 將40 g的代餐粉倒入250 mL杯中,用70 ℃左右的純凈水160 mL沖調,形成質量分數20%的糊狀液[12]。采用SNB-1數字粘度計測定其粘度,測定條件:SP:3轉子,6 r/min,恒溫25、50和70 ℃測定。

1.2.9 代餐粉營養成分的測定 水分的測定:GB 5009.3-2016直接干燥法[13];粗蛋白的測定:GB 5009.5-2016凱氏定氮法[14];粗脂肪的測定:GB 5009.6-2016索氏抽提法[15];抗環血酸的測定:GB 5009.86-2016 2,6-二氯靛酚滴定法[16];黃酮的測定:參照DB13/T385-1998《食品中總黃酮(蘆丁)的測定》[17]和史雯[18]的方法進行測定。

1.3 數據分析

數據處理和統計分析使用Excel和SPSS 21.0軟件,作圖采用Origin 8.5軟件,使用Design-Expert 10.0.3軟件進行Plackett-Burman試驗設計和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

紅小豆營養豐富,含有蛋白質、膳食纖維、皂苷、多酚和單寧等[19],具有利尿通便、降低膽固醇等功效[20],以紅小豆為原料加工的食品深受大眾歡迎。由圖1可知,代餐粉的感官評分隨著紅小豆粉添加量的增加呈現先增加后減少的趨勢,當紅小豆粉添加量為12 g時,代餐粉感官評分達到最高。這是因為紅小豆粉的淀粉含量較高,增加紅小豆粉可使代餐粉沖調后穩定不分層,但過多后也會使代餐粉易結塊;且其富有宜人的紅豆香氣,一定程度可以調和沙棘的刺鼻氣味。

圖1 紅小豆粉添加量對代餐粉感官評分的影響

薏仁米又名薏苡仁,富含薏苡仁酯、薏仁多糖、薏醇、薏苡素及特有的三萜類化合物等多種藥用成分[21],因此具有消炎抗敏、降血壓降血脂、瘦身美白等功效[22]。由圖2可知,隨著薏仁米粉添加量的增多,代餐粉的感官評分先增加后減少,添加量為6 g時,感官評分達到最高。這是因為少量薏仁米粉顆粒可以增加代餐粉的口感,過多會讓代餐粉變得口感粗糙,有砂粒感。

圖2 薏仁米粉添加量對代餐粉感官評分的影響

沙棘果實的有機酸含量豐富,高達215.83 mg/L[23],沙棘果粉味酸且其特征氣味較不宜人。由圖3可知,當沙棘果粉添加量為3～4 g時,感官評分不斷增加,在添加量為4 g時達到最高。當沙棘果粉添加量大于4 g時,代餐粉的感官評分開始急劇下降,這是因為過多的沙棘果粉會使代餐粉的整體風味變差。

圖3 沙棘果粉添加量對代餐粉感官評分的影響

由圖4可知,隨著甜菊糖苷添加量的不斷增加,代餐粉的感官評分先增加后減少,在添加量為0.05 g時達到最高。這是因為甜菊糖苷是甜菊糖苷的甜度是蔗糖的300～450倍,略帶苦澀后味[24]。適量的甜菊糖苷可以增加代餐粉的甜味,使得代餐粉酸甜可口;但是過量的甜菊糖苷不僅會使代餐粉口味過甜,而且會使代餐粉變得苦澀。

圖4 甜菊糖苷添加量對代餐粉感官評分的影響

由圖5可知,隨著赤蘚糖醇添加量的不斷增加,代餐粉的感官評分先增加后減少,在添加量為0.9 g時達到最高。這是因為赤蘚糖醇也是天然、低糖甜味劑,它的甜度低于蔗糖,但其甜味純正清爽能夠掩蓋苦味,因而成為甜菊糖苷的完美搭檔[25],但是過量的赤蘚糖醇會使代餐粉過甜。

圖5 赤蘚糖醇添加量對代餐粉感官評分的影響

菊粉又名菊糖,是一種天然的可溶性膳食纖維,具有降脂降壓的功效,被廣泛應用于谷物雜糧食品中[26]。由圖6可知,當菊粉添加量為1～3 g時,代餐粉的感官評分不斷提高,這是因為菊粉增加了代餐粉的溶解性;繼續增加菊粉的添加量,感官評分基本不變,這與菊粉的甜度極低不會影響代餐粉的甜酸口味有關。

圖6 菊粉添加量對代餐粉感官評分的影響

由圖7可知,隨著魔芋粉添加量的增加,代餐粉的感官評分呈現先增加后下降的趨勢。這是因為魔芋粉含有魔芋葡甘聚糖(KGM),具有良好的乳化性、增稠性等,且其還是一種膳食纖維[27]。魔芋粉用作代餐粉的配料,可以提高代餐粉的穩定性、乳化性,并使代餐分稠度適宜,口感細膩。

圖7 魔芋粉添加量對代餐粉感官評分的影響

2.2 代餐粉配方Plackett-Burman因素篩選試驗結果

表5為代餐粉配方Plackett-Burman因素篩選試驗設計與結果,7個因素一共12組試驗,以感官評分為指標進行考察。Plackett-Burman試驗中各因素顯著性排序的柏拉圖如圖8所示,顯著性最前的3位因素是魔芋粉添加量、紅小豆粉添加量、赤蘚糖醇添加量。固定薏仁米粉添加量6 g、沙棘果粉添加量3 g、甜菊糖苷添加量0.05 g、菊粉添加量3 g,設計顯著因素的爬坡方向和步長,完成最陡爬坡試驗。魔芋粉添加量對代餐粉感官品質的影響極顯著(p<0.01),紅小豆粉添加量、赤蘚糖醇添加量對代餐粉感官品質的影響顯著(p<0.05),并且魔芋粉添加量、紅小豆粉添加量表現出負相關性,赤蘚糖醇添加量表現出正相關性。

表5 Plackett-Burman試驗設計與結果Table 5 Plackett-Burman design with experimental results

圖8 Plackett-Burman試驗的因素顯著性排序

2.3 顯著因素最陡爬坡試驗結果

由表6可知,第2組試驗代餐粉的感官評分最高,得分為90.5分。因此響應面優化試驗因素的“0水平”選擇第2組試驗處理即紅小豆粉添加量10 g、赤蘚糖醇添加量1.0 g、魔芋粉添加量0.5 g,在此基礎選擇涵蓋次優水平即第3組試驗處理的步長,從零水平數值計算“-1”和“1”水平。構成Box-Behnken優化試驗設計水平[28]。

表6 最陡爬坡試驗設計與結果Table 6 Steepest ascent path design with experimental results

2.4 代餐粉配方優化試驗結果

運用Design-Expert 10.0.3軟件對表7試驗結果進行多元回歸擬合,擬合所得代餐粉感官評分(Y)的多元二次回歸方程如下:

表7 Box-Behnken試驗設計及結果Table 7 Experimental design and results of Box-Behnken

對該回歸模型及其系數進行顯著性檢驗,結果見表8。

表8 Box-Behnken試驗結果二次回歸方差分析Table 8 Analysis of variance(ANOVA)for the results of Box-Behnken design quadratic model

通過軟件的優化程序模塊對感官品質進行優化,結果如下紅小豆粉添加量8.886 g、赤蘚糖醇添加量1.0135 g、魔芋粉添加量0.4945 g,模型預測感官評分可達91.2分。考慮實際生產操作的可行性,將原輔料粉的添加量修正為:紅小豆粉添加量8.89 g、赤蘚糖醇添加量1.01 g、魔芋粉添加量0.49 g。采用上述優化的添加量進行3次重復試驗,代餐粉實際感官評分為91.0±0.6分,與預測值基本一致。

2.5 代餐粉的粘度

圖9是代餐粉在6 r/min、不同溫度下的粘度曲線。從圖9中可以看出,代餐粉的粘度在0～15 min內急速增大,在15～30 min內趨于平緩。一方面淀粉顆粒吸水溶脹,淀粉糊化程度開始上升,淀粉糊化到一定程度,則會趨于平緩[30];另一方面魔芋粉在溶脹時吸收掉了大量的水使得黏度增加,當水分不夠后凝膠強度不再增加粘度也就不再變化[31]。對比圖9中三條曲線可知,代餐粉的粘度隨著溫度的升高而降低,這與于文滔等[32]關于膨化粉的粘度研究結果一致。

圖9 不同溫度下代餐粉的粘度曲線

2.6 代餐粉的營養成分

由表9可知,與市面上“纖磨坊”的一款紅豆薏米粉相比,本沙棘營養代餐粉含有較多的粗蛋白、維生素C和黃酮等營養成分,粗脂肪的含量較低,表明該代餐粉營養價值極高,老少皆宜食用。

表9 代餐粉的主要成分Table 9 Major components of meal replacement powder

3 結論

試驗利用沙棘果粉、紅小豆粉、薏仁米粉、甜味劑和魔芋粉研制沙棘營養代餐粉。通過單因素實驗和Plackett-Burman因素篩選試驗結合柏拉圖確定顯著性最前的3位因素是魔芋粉、紅小豆粉、赤蘚糖醇。由最陡爬坡試驗和Box-Behnken優化試驗得,顯著因素優化結果為紅小豆粉添加量8.89 g、赤蘚糖醇添加量1.01 g、魔芋粉添加量0.49 g。最終確定沙棘營養代餐粉的配方為紅小豆粉添加量8.89 g、薏仁米粉添加量6 g、沙棘果粉添加量3 g、甜菊糖苷添加量0.05 g、赤蘚糖醇添加量1.01 g、菊粉添加量3 g、魔芋粉添加量0.49 g,該工藝下代餐粉的感官評分為(91.0±0.6)分。

代餐粉的流變特性研究結果表明,在恒定的剪切速率下,20%的代餐粉沖調后的粘度先增大后趨于平緩,隨著溫度的升高而降低。產品經熱水沖調后呈橘黃色,香氣濃郁宜人,口感柔和細膩,具有沙棘營養代餐粉特有的風味和良好的溶解性,富含蛋白質、維生素C和黃酮等營養成分,老少皆宜,且其加工工藝簡單,貯藏和運輸方便,易于工業化生產。