基于均勻設計和主成分分析的即食捻轉加工及滅菌工藝優化

何夢影,張康逸,*,朱笑鵬,王 莉,張 燦,趙 迪

(1.河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南鄭州 450002;2.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122)

捻轉,又叫碾轉或攆轉,是中國華北、華中等地區的特色小吃,以青麥仁為原料,經洗凈、烘烤或炒干,再經專用石磨將其捻成繩狀的制品,可直接食用,或再經涼拌、炒制調味,具有獨特的嚼勁和青麥香味[1]。捻轉富含淀粉、蛋白質、膳食纖維和α、β兩種淀粉酶等營養成分,能夠幫助人體消化,降低血糖[2-3],是一種綠色健康的小麥制品。

本團隊目前已對捻轉的制作工藝、營養成分、風味以及速凍捻轉的品質保持方面做了大量的研究[4-6],對傳統捻轉的制作工藝進行了完善,實現了規范化生產且產品品質較為穩定。但傳統捻轉口味與產品形式較為單一,限制了捻轉的推廣發展,而簡單的速凍工藝則會使捻轉在凍藏和解凍過程中品質發生劣變,造成營養成分和風味物質的流失,口感變差[7]。而休閑類食品,開袋即食取用方便,將捻轉調味后制作成即食產品,既豐富了捻轉的口感,也能較大程度地保持捻轉的原有口感。近年來學者們做了大量關于即食肉干、水產品、豆制品等方面的研究[8-11],如駱紅玲等[12]以感官品質為指標,確立了即食香魚產品的最優鹵制、預干燥和油炸加工工藝;趙品等[13]研究了鹽腌時間、預干制條件與間歇真空糟制條件對酒糟魚品質的影響。但關于即食捻轉配方、制作參數及滅菌條件等系統生產工藝方面的研究仍未見報道。目前在工藝優化研究中,常用均勻設計結合主成分分析的方法進行實驗,均勻設計法主要用于實驗方案和產品配方的優化等[14-15],而主成分分析則主要運用于綜合評價產品品質等方面[16-17]。

本研究以感官評分為考察指標,通過單因素和均勻設計試驗,對即食捻轉進行了配方工藝優化,確定最佳工藝參數,在此基礎上以感官評分、菌落總數、色澤、質構為考察指標,通過主成分分析對即食捻轉的滅菌方式進行優化,確定滅菌工藝,為新口味即食捻轉的推廣應用提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

速凍鮮食青麥仁 河南省農科院農副產品加工研究所;食鹽、花椒、辣椒、菠菜粉 均購自鄭州家樂福超市。

DL-5色彩色差計 美國Hunter Lab公司;TA.XT-Plus型質構儀 英國Stable Micro System公司;AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;SPX-250B-Z生化培養箱 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司;SW-CJ-1FD超凈工作臺 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司;YSN-X1T電熱食品烘爐 廣州荷達科技有限公司;YXQ-LS-立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司;MAGIC真空包裝機 廣州邇杰邏包裝機械有限公司;超純水機 北京盛盛科技發展有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 捻轉的加工工藝

1.2.1.1 工藝流程 青麥仁→清洗→熟制(加料煮)→浸泡→過濾→烘烤→晾涼→拌入芝麻和菠菜粉→碾磨→包裝→滅菌

1.2.1.2 操作要點 速凍青麥仁洗凈瀝干,取青麥仁1 kg,加水1.5 kg,加入一定量的食鹽、花椒、辣椒煮制15 min,關火浸泡,浸泡完成后撈出瀝水25 min,使青麥仁表面的水分充分晾干。將瀝水后的青麥仁平鋪于烤盤中,設置烤箱溫度為底火83 ℃,面火153 ℃,烘烤一段時間后,取出加入一定量菠菜粉和15 g芝麻拌勻,冷卻至室溫,放入石磨進行碾磨,將制作完成的捻轉進行真空包裝,并滅菌處理。

1.2.2 即食捻轉配方優化的單因素實驗

1.2.2.1 食鹽添加量對捻轉感官品質的影響 取青麥仁1 kg,設定花椒、辣椒(質量比4.5∶6.5)添加比例50%,菠菜粉添加量9 g,浸泡時間60 min,焙烤時間60 min;食鹽添加量分別為13、15、17、19、21 g,按照1.2.1方法制備捻轉并測定感官評分。

1.2.2.2 花椒與辣椒添加比例對捻轉感官品質的影響 取青麥仁1 kg,設定食鹽添加量17 g,菠菜粉添加量9 g,浸泡時間60 min,焙烤時間60 min;花椒、辣椒(質量比4.5∶6.5)添加比例分別為10%、30%、50%、70%、90%,按照1.2.1方法制備捻轉并測定感官評分。

1.2.2.3 菠菜粉添加量對捻轉感官品質的影響 取青麥仁1 kg,設定食鹽添加量17 g,花椒、辣椒(質量比4.5∶6.5)添加比例50%,浸泡時間60 min,焙烤時間60 min;菠菜粉添加量分別為5、7、9、11、13 g,按照1.2.1方法制備捻轉并測定感官評分。

1.2.2.4 浸泡時間對捻轉感官品質的影響 取青麥仁1 kg,設定食鹽添加量17 g,花椒、辣椒(質量比4.5∶6.5)添加比例50%,菠菜粉添加量9 g,焙烤時間60 min;浸泡時間分別為20、40、60、80、100 min,按照1.2.1方法制備捻轉并測定感官評分。

1.2.2.5 焙烤時間對捻轉感官品質的影響 取青麥仁1 kg,設定食鹽添加量17 g,花椒、辣椒(質量比4.5∶6.5)添加比例50%,菠菜粉添加量9 g,浸泡時間60 min,焙烤時間分別為50、55、60、65、70 min,按照1.2.1方法制備捻轉并測定感官評分。

1.2.3 均勻設計試驗 在單因素實驗的基礎上選取食鹽添加量、花椒與辣椒(HL)的添加比例、菠菜粉添加量、浸泡時間、焙烤時間作為自變量,以感官評分為考察指標,進行五因素十水平U10(105)的均勻設計試驗,設計方案見表1,確定即食捻轉的最佳工藝參數。

表1 均勻設計試驗因素U10(105)

1.2.4 最佳滅菌工藝參數的優化 對真空包裝袋進行100 ℃蒸煮滅菌5 min,紫外照射30 min,40 ℃烘干包裝袋水分。按照優化后的最佳工藝參數制作捻轉,每袋按照(30±0.1) g的標準用滅菌后包裝袋進行真空包裝,根據試驗參數進行100 ℃蒸煮-紫外聯合滅菌,不同滅菌組合分別為100 ℃蒸煮4 min-紫外殺菌20 min,100 ℃蒸煮5 min-紫外殺菌15 min,100 ℃蒸煮6 min-紫外殺菌10 min,將滅菌后樣品于4 ℃條件下貯藏7 d。按時取樣測定色澤、質構、菌落總數相關品質指標,并進行主成分分析,建立綜合評分模型,確定最佳滅菌參數。

1.2.5 指標測定

1.2.5.1 感官評分標準 隨機選20名有經驗的評價員組成評價小組,在進行品評時隨機放置,依次對捻轉色澤、香氣、形態、口感、組織進行綜合評價,結果取平均值。評定標準見表2。

表2 捻轉感官評分標準

1.2.5.2 色度的測定 參照Li等[18]的實驗方法。用便攜式色差儀測定不同熱滅菌時間參數下,捻轉貯藏過程中色澤的變化,依次讀取L、a、b值,其中,L代表明度指數,從黑暗(L=0)到明亮(L=100)的變化;a代表顏色從綠色(-a)到紅色(+a)的變化;b代表顏色從藍色(-b)到黃色(+b)的變化。每個樣品取樣5次,取平均值。ΔE計算公式如下:

式(1)

式中:L、a、b為貯藏過程中樣品的顏色參數;L*、a*、b*為0 d對照樣品的顏色參數。

1.2.5.3 質構的測定 用CT3質構儀對捻轉硬度、內聚性、粘附性進行測定分析,評價捻轉的品質。測定條件:TPA(texture profile analysis)模式,選用P150圓柱形探頭,力量感應元2500 N、檢測速度60 mm/min、時間間隔1 s、形變百分量30%、探頭回升表面高度20 mm,記錄彈性、內聚性、粘附性3個考察指標,每個樣品測定5次,取平均值[19]。

1.2.5.4 菌落總數的測定 菌落總數測定參照GB 4789.2-2016[20]的具體方法步驟進行。

1.3 數據處理

采用SPSSV 19.0、DPS 7.05對實驗數據進行統計分析處理。

2 結果與分析

2.1 即食捻轉配方工藝的優化

2.1.1 食鹽添加量對捻轉感官品質的影響 由圖1可知,隨著食鹽的添加量增加,捻轉的感官評分呈現先升高后降低的趨勢,且食鹽添加量在19 g時,捻轉的感官評分達到最大值。食鹽添加量主要影響捻轉的口感,添加量較低時捻轉幾乎沒有咸味,感官評分較低,而添加量過多時,捻轉咸味過重,口感不佳,因此,食鹽添加量在17～21 g左右較為適宜,感官評分較高。

圖1 食鹽添加量對捻轉感官評分的影響

2.1.2 花椒與辣椒(HL)的添加比例對捻轉感官評分的影響 由圖2可知,隨著HL添加比例的增大,捻轉的感官評分不斷升高,在添加比例達到50%時達到最大值,繼續增加添加量感官評分則趨于平緩,繼而開始下降。花椒、辣椒的添加主要賦予捻轉麻辣口味,添加量過少捻轉缺乏麻辣口感,而添加量過多則口味過重,麻辣味掩蓋了捻轉原有的麥香味,感官評分過低,因此,HL的添加比例在30%～70%之間較為適宜。

圖2 HL的添加比例對捻轉感官品質的影響

2.1.3 菠菜粉添加量對捻轉感官評分的影響 由圖3可知,捻轉的感官評分在菠菜粉添加量為7 g時達到最大值,繼續增加菠菜粉添加量,感官評分則開始降低,當添加量超過11 g時,感官評分的變化趨于平緩。菠菜粉的添加不僅賦予捻轉碧綠的色澤,同時從口感上為捻轉帶來蔬菜的清香味。若菠菜粉添加量過少,則捻轉色澤較為暗淡,而添加量過高則捻轉中菠菜味道過重,掩蓋了其本身的麥香味,導致感官評分降低。因此,菠菜粉添加量在7～11 g之間較為適宜。

圖3 菠菜粉添加量對捻轉感官品質的影響

2.1.4 浸泡時間對捻轉感官品質的影響 由圖4可知,隨著浸泡時間的延長,捻轉的感官評分呈現出先升高后降低的趨勢,在浸泡時間為60 min時達到最大值,超過80 min后則趨于平緩。采用各種調味料進行浸泡的主要目的是為了使青麥仁原料更加入味,但時間過長則導致青麥仁吸水過多,后續制作的捻轉含水量較高,口感易發粘,成條性較差[21]。綜上可得,浸泡時間在40～80 min范圍內較為適宜。

圖4 浸泡時間對捻轉感官品質的影響

2.1.5 焙烤時間對捻轉感官評分的影響 由圖5可知,隨著焙烤時間的增加,捻轉的感官評分在65 min時達到最大值,繼續增加焙烤時間則呈現下降趨勢。焙烤是青麥仁原料脫水與熟化的過程,焙烤時間過短則青麥仁熟化度不足,碾磨時不成形,易粘連,焙烤時間過長,則青麥仁水分散失較多,導致碾磨時捻轉質地粗糙,口感發硬,成條性較差。綜上所述,焙烤時間在60～70 min之間較為適宜。

圖5 焙烤時間對捻轉感官品質的影響

2.1.6 均勻設計試驗結果 以感官評分為目標,采用二次多項式逐步回歸,建立回歸方程,如下:

式(2)

表3 均勻設計試驗結果

經F檢驗可得,P值為0.0004<0.01,同時R2=0.9950,F=79.4062,方程擬合度較好,模型極顯著。感官評分取最大值時,根據模型預測得到最佳工藝參數為:以每公斤青麥仁計,食鹽添加量為21.5 g,花椒與辣椒添加量為25.0%(兩者質量分別為102.4 g、147.9 g),菠菜粉添加量為6.5 g,浸泡時間為79 min,焙烤時間為63 min,感官評分為97.68。選用該參數進行驗證試驗,三次平行試驗得到捻轉產品的感官評分為96.29,與理論預測值較為接近,同時高于其它試驗組得分,說明該模型得到的數據結論準確。

2.2 最佳滅菌工藝參數的優化

即食捻轉于4 ℃貯藏的過程中,感官評分、色澤、質構、菌落總數隨著時間的變化趨勢如表4所示,隨著貯藏時間的延長,捻轉的感官評分、L值、b值、內聚性和粘附性呈現降低的趨勢,a值、ΔE值和硬度則呈現出升高的趨勢,同時經過滅菌處理后的捻轉在0～3 d貯藏時間內菌落總數均為零,超過5 d后才略有菌落生長。因此,通過主成分分析以感官評分、色澤、質構為考察指標建立總分評價模型,從而得到最佳的滅菌參數。

表4 不同滅菌組合對捻轉貯藏期間品質的影響

經SPSS分析得到,KMO檢驗系數為0.732,且巴特利特球形檢驗(Bartlett)統計值的sig值為0.000,說明原始變量可以進行主成分分析[21],由表5主成分分析結果表明,前2個主成分的貢獻率分別為73.263%、16.740%,累計貢獻率達到90.003%,即提取2個主成分可以解釋全部指標的大部分信息,較全面地反映捻轉的品質信息。因此選取前2個主成分作為捻轉貯藏品質的重要主成分,根據主成分分析的特征向量(表6)和載荷圖(圖6)可知,第一主成分反映感官評分、L、b、ΔE值、硬度、內聚性6個成分指標的信息;第2主成分反映a值和粘附性2個成分指標的信息。由得分系數矩陣表6可知,以第1、2主成分得分系數為權重,計算 2個主成分得分的公式如下:

Y1=0.155X1+0.160X2-0.140X3+0.153X4-0.152X5-0.159X6+0.164X7+0.056X8

式(3)

Y2=0.198X1-0.179X2+0.373X3-0.170X4-0.236X5+0.028X6+0.045X7+0.670X8

式(4)

根據貢獻率(表5),計算不同滅菌處理組對捻轉貯藏期間品質保持的綜合得分,公式如下:

Z=0.73263Y1+0.16740Y2

式(5)

表5 滅菌工藝對捻轉品質影響的特征值和貢獻率

表6 2個主成分的特征向量

表7 滅菌工藝對捻轉品質影響的成分得分系數矩陣

由圖7可知,經過不同滅菌時間處理的捻轉,隨著儲存時間的延長,綜合評分均呈下降趨勢。蒸煮6 min-紫外殺菌10 min的滅菌處理方式得到的捻轉產品在貯藏期間綜合得分均高于其他兩組,說明蒸煮6 min-紫外殺菌10 min滅菌處理方式對捻轉的保鮮效果最佳,其次是蒸煮4 min-紫外殺菌20 min,最后蒸煮5 min-紫外殺菌15 min的保鮮效果綜合得分均低于其他兩組。

圖6 滅菌工藝對捻轉品質影響的主成分載荷圖

圖7 滅菌工藝對捻轉品質影響的綜合得分

3 結論

本研究通過單因素實驗、均勻設計實驗優化得到捻轉的最佳配方工藝為:以每公斤青麥仁計,食鹽添加量為21.5 g,花椒與辣椒添加量為25.0%(兩者質量分別為102.4 g、147.9 g),菠菜粉添加量為6.5 g,浸泡時間為79 min,焙烤時間為63 min,此條件下制作即食捻轉的感官評分為96.29。以此配方制作捻轉經過滅菌處理后,通過主成分分析及綜合評分模型建立,得到100 ℃蒸煮6 min-紫外殺菌10 min的殺菌條件下,即食捻轉的品質保持效果最佳。

本研究豐富了小麥傳統制品捻轉的種類,使捻轉產品的口味更加多樣,同時通過滅菌技術延長了捻轉的貨架期,便于捻轉產品的推廣,突破了其銷售的季節性與地域局限性。但滅菌后的捻轉產品與新鮮捻轉相比,色澤與口感均略有下降,如何最大程度地保留新鮮捻轉的翠綠色澤與有嚼勁的口感是后續研究的重點。