真空微波干燥制備速食糙米粥的工藝優化及干燥和復水動力學研究

薛 姍，梅江洋，鐘新桂，符 珍

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

糙米是一種典型全谷物，富含蛋白質、礦物質和維生素B，且含有較多具有生理活性的功能因子，如谷胱甘肽、谷維素和肌醇等，對預防疾病、改善人體健康狀況有積極作用。因此，糙米的營養價值是精白米所不可比擬的[1]，增加糙米食品的攝入，可減少心臟病、Ⅱ型糖尿病、消化道癌癥等慢性疾病[2]。

速食糙米粥具有良好的營養性和可口性，易于消化吸收和耐儲存，且食用較簡單方便。速食粥生產的主要原理是借助物理、化學或生物等方法，或兩兩結合的方法，來改變糙米表層組織構造，促進糙米的吸水性，使其具有易糊化和較好食用品質的特性[3]。目前，國內生產速食糙米粥比較常用的加工技術主要有擠壓膨化法、生化法和蒸煮高溫干燥法等，研究表明這些方法可在一定程度上提高糙米的蒸煮性和感官品質，且能增加糙米的營養。

復水效果是衡量速食粥食用方便性的重要指標。目前速食粥通常采用微波熱風干燥[4]、真空冷凍干燥和熱風干燥等干燥方法[5-6]。真空冷凍干燥的產品復水效果極佳，但成本高；熱風干燥的樣品復水率低，復水后的感官評價效果差且耗時較長。為提高速食糙米粥的食用方便性，本試驗采用真空微波干燥技術對糙米粥進行干燥，以復水率結合感官評價的方法，優化速食糙米粥的最佳工藝參數；同時，采用不同的方程擬合糙米粥的干燥動力學和復水動力學曲線，得出糙米粥最佳的干燥復水動力學方程，為糙米粥的加工提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

糙米，市售；BHS-2立式壓力蒸汽滅菌氣筒，上海東亞壓力容器制造有限公司；WBZ-10智能化靜態微波真空干燥機，貴陽新奇微波工業有限責任公司；AL204電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；MOC-120H水分儀，日本島津公司。

1.2 速食糙米粥的工藝參數優化

1.2.1糙米粥的生產工藝流程

糙米→淘洗→浸泡→高壓蒸煮→離散→微波真空干燥→包裝成品。

操作要點：選擇顆粒飽滿完整，無霉變無蟲蛀的糙米，進行淘洗除去糙米表面的粉狀雜質，然后浸泡以提高糙米的糊化速度，減少糊化的時間；浸泡后的糙米瀝干水分，在121℃高壓滅菌鍋內蒸煮20 min以改善口感；將煮好的糙米用室溫的水離散后瀝干，防止米粒粘連；將離散后的糙米盡快平鋪一層在真空微波干燥機載樣片上，設定真空度為-0.08 mPa，轉盤轉速8 r/min，溫度40℃，一定的干燥功率進行微波干燥，然后包裝貯藏用于后續實驗。

1.2.2單因素試驗

從浸泡溫度、料液比、干燥功率這三個方面考察其對速食糙米粥復水率和感官評價的影響。選擇料液比為1∶8，干燥功率為1 500 W，考察不同浸泡溫度25、55、85℃對速食糙米粥復水率和感官評價的影響；選擇浸泡溫度為85℃，干燥功率為1 500 W，考察不同料液比1∶4、1∶8和1∶12對速食糙米粥復水率和感官評價的影響；選擇浸泡溫度為85℃，料液比為1∶8，考察不同干燥功率1 000、1 500、2 000W對速食糙米粥復水率和感官評價的影響。(為使速食糙米粥的水分在10%以下，經過預實驗得出干燥功率為1 000 W時干燥時間為38 min，干燥功率為1 500 W時干燥時間為26 min，干燥功率為2 000 W時干燥時間為18 min。)

1.2.3正交試驗

根據單因素試驗結果，將浸泡溫度、料液比、干燥功率作為變量因子，以速食糙米粥復水率和感官得分作為評價指標，設計L9(34)正交試驗，正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.3 樣品感官品質評定

樣品由8名食品專業的人員進行綜合評審，速食糙米粥的感官評價標準見表2。

表2 速食糙米粥的感官評分標準

1.4 速食糙米粥真空微波干燥動力學模型

1.4.1水分比及干燥速率

速食糙米粥干燥水分比的計算如下[8-9]：

(1)

式中，MR為速食糙米粥真空微波干燥的水分比；M0為初始糙米粥含水率，g/g；Mt為t時刻糙米粥含水率，g/g；Me為糙米粥的平衡干基含水率，g/g。

Me相對于M0、Mt可忽略不計，因此公式(1)可以簡化為：

MR=Mt/M0

(2)

速食糙米粥干燥過程的干燥速率用DR表示[10]：

(3)

式中，M(t+△t)為(t+△t)時間的含水率，Mt為t時間的含水率，△t為干燥時間間隔。

1.4.2含水率測定

按GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定方法》進行測定[11]。

1.4.3干燥動力學數學模型

真空微波干燥動力學是研究在真空條件下，利用微波對物料進行干燥的過程中，物料的水分隨時間的變化規律。為了研究速食糙米粥真空微波干燥過程中，水分和時間的變化關系，采用了5種常見的薄層干燥數學模型來擬合速食糙米粥真空微波干燥過程[12-15]。

Lewi：

MR=exp(-kt)

(4)

Henderson and Pabis：

MR=aexp(-kt)

(5)

Page：

MR=exp(-ktn)

(6)

二次多項式方程：

MR=kt2+at+b

(7)

三次多項式方程 ：

MR=kt3+at2+bt+c

(8)

式中，MR為t時刻的水分；a、b、c為模型的特征常數；k為水分干燥速率。

1.5 速食糙米粥復水動力學模型

1.5.1復水率測定[16]

準確稱量前期制備經過真空微波干燥的速食糙米粥5 g(m1,干基)于燒杯中，加入5倍的沸水，攪拌混勻，立即加蓋，待復水5 min后撈出，瀝干水分，且用吸水紙充分吸干糙米表面的水分，稱量吸干后的糙米質量為m2，復水率R=m2/m1。

1.5.2數學模型

為了確定速食糙米粥以復水時間為變量的復水過程，采用3種動力學方程來描述速食糙米粥的復水過程[17]。

指數方程：

R=Re-(Re-1)exp(-kt)

(9)

Peleg方程：

R=(Re-1/k2)+t(k1+k2t)

(10)

Weibull方程：

R=Re+(1-Re)exp(-t/β)a

(11)

式中，R為t時刻的復水比；Re為平衡時刻復水比；t為復水時間；k1為動力學速率常數；k2為模型的特征常數；a為形狀參數，衡量在復水初始階段水分吸收速率；速食糙米粥吸收水分快時，a值低，反之則數值高。β為比例參數，β的倒數代表Weibull方程動力學常數，可以通過β數字大小來衡量復水的難易程度。

1.6 數據處理和統計分析

采用Excel 2010，originPro9.1和SPSS20對數據進行處理和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同浸泡溫度對速食糙米粥的影響

不同浸泡溫度對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果見圖1。

圖1 不同浸泡溫度對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果

由圖1可知，速食糙米粥的復水率和感官評價分數在數值上都是隨著溫度的升高呈先下降后上升的趨勢，在85℃條件下浸泡的速食糙米粥具有較好的復水率和感官評價。可能由于在55℃之前，浸泡溫度低，淀粉不容易糊化，導致復水率和口感下降；55℃之后隨著溫度升高糊化度升高，使得糙米的復水率和口感提高。

2.2 不同料液比對速食糙米粥的影響

不同料液比對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果見圖2。

圖2 不同料液比對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果

由圖2可知，速食糙米粥的復水率和感官評價隨著浸泡液比例的上升呈先上升后下降的趨勢，料液比為1∶8時，速食糙米粥的復水率和感官評價都較佳。這可能是由于在料液比1∶8之前隨著浸泡體系中水分的增加糙米吸水膨脹，糊化度增大，所以復水率和口感提高；料液比超過1∶8后，雖然浸泡體系中水分增加了，但是糙米吸水量達到飽和，糙米淀粉過度吸水糊化導致復水率和口感逐漸降低[18]。

2.3 不同干燥功率對速食糙米粥的影響

不同干燥功率對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果見圖3。

圖3 不同干燥功率對速食糙米粥復水率和感官評價的影響結果

由圖3可知，隨著干燥功率的增加，產品的復水率呈先增加后降低趨勢，干燥功率越高，產品最終含水率越低，糙米結構被破壞的程度不一，這主要是因為功率不同，微波加熱速率和電磁場的空間分布則不同，故產品最終的復水率和感官評定也會受影響。當微波功率為1 000 W時，微波干燥后的產品水分高于另外兩種功率條件制的產品，故其復水率會低于二者。但在85℃浸泡溫度條件下制作的產品經2 000 W功率微波干燥后，大部分米粒呈淡黃色，故進行復水處理時產品持水能力降低，復水率隨著下降。當微波功率為1 500 W時，產品完整，品質好，復水效果最佳。綜合而言，微波干燥功率1 500 W為最佳干燥功率。

2.4 正交試驗結果

速食糙米粥的正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

由表3可知，影響速食糙米粥的復水率和感官評價因素的主次順序為：浸泡溫度、干燥功率、料液比，浸泡溫度對速食糙米粥的復水率和感官評價影響較大，干燥功率和料液比影響相當，其最優組合為A2B3C3，即糙米的浸泡溫度為55℃，糙米與水的料液比為1∶12，真空微波干燥的功率為2 000 W，干燥時間為15 min。同時由正交試驗表得出：糙米的浸泡溫度為55℃，糙米與水的料液比為1∶8，真空微波干燥的功率為2 000 W，干燥時間為18 min，此時速食糙米粥的感官評價的分數最高，復水率也很好。所以需要對這兩組方案進行驗證實驗，見表4。

表4 驗證試驗結果表

由表4可知，在浸泡溫度為55℃，料液比為1∶8，干燥功率為2 000 W的條件下，速食糙米粥的復水率和感官評價是最好的。

2.5 速食糙米水分隨著干燥時間的變化

在最優加工工藝參數條件下(料液比1∶8，55℃浸泡溫度，2 000 W微波干燥功率)，連續微波真空干燥不同的時間，以產品的水分為指標，對不同干燥時間產品的含水率進行測定。其結果見表5。

表5 干燥過程水分的變化

由表5可知，隨著干燥時間增加，糙米水分呈下降趨勢。微波干燥糙米的過程主要分為升溫、等速、降速三個階段。初始階段溫度不高，水分發生擴散和蒸發都不強烈，糙米的溫度上升，該階段稱為升溫階段；隨著溫度增加，水蒸氣的蒸發和水分擴散速度加快，達到加熱提供的熱量和汽化熱穩定糙米干燥溫度，該階段稱為等速干燥，此階段干燥速率最大，水分含量降低加快；最后階段，含水率逐漸下降，水分擴散速度小于蒸汽蒸發速度，水分蒸發的汽化熱小于熱介質提供的熱量，進入降速干燥階段，干燥速度較平衡階段(等速階段)小，對應水分含量降低得慢。李遠志等[19]和李棟等[20]也給出相似結果。

2.6 速食糙米粥復水率隨著復水時間的變化

對不同復水時間段的含水率進行測定，結果見表6。

表6 水分與復水時間關系

由表6可知，隨著復水時間增加，速食糙米粥的含水率逐漸升高，但上升的速率先增大后減小。在0～0.5 min復水時間段，產品水分猛增，后階段水分增加速率減小，到最后完成復水整個過程，產品最終水分保持在66.76%。造成該現象的主要原因是因為經過真空微波干燥后，速食糙米粥整個體系含水率極低，當進行復水處理時，每粒糙米都充分吸水來填充孔隙結構，隨著吸水量增加，體系多數孔隙被水分填補，只有部分遺留的縫隙需要吸水，相對于前期而言，水分增加速率會減小。

2.7 速食糙米粥真空微波干燥動力學模型

在上述最優條件下對干燥動力學與復水動力學進行研究，通過擬合得出速食糙米粥最佳的真空微波干燥動力學的模型和模型參數，見表7。

表7 薄層干燥模型擬合結果

由表7可知，Page方程的回歸系數最小，R2=0.846 3，表明模型模擬不是最佳；二次和三次多項式回歸方程相對于另外三種模型，能更貼近速食糙米粥干燥過程水分變化的真實情況，但三次多項式回歸方程的回歸系數最大，R2=0.987 7，說明模型的模擬程度良好，試驗誤差相對小很多，可得回歸方程：MR=0.000 2t3+0.005 8t2+0.012 58t+0.785 5，該方程可以很好的模擬糙米粥干燥過程所滿足的干燥動力學，能更貼近的描述干燥過程速食糙米粥水分的變化規律。

2.8 速食糙米粥的復水動力學

通過對速食糙米粥干燥過程數據擬合，得出速食糙米粥最佳的復水動力學的模型和模型參數。其結果詳情見表8。

表8 復水動力學模型擬合結果

表8列出的三種復水動力學模型的具體參數，peleg方程的回歸系數最小，表明模擬程度不太理想，指數方程的回歸系數R2=0.959 2，在三種模型中最大，所以R=0.7-0.3exp(-1.761t)指數回歸方程對描述速食炒米粥復水過程更接近真實。

3 結論

由正交試驗優化出影響速食糙米粥復水率和感官評價的主要因素，得出各個因素對速食糙米粥復水率和感官評價影響的主次順序為：浸泡溫度、干燥功率、料液比，其中浸泡溫度是主要影響因素。速食糙米粥的最佳生產工藝條件為：浸泡溫度為55℃，料液比為1∶8，干燥功率為2 000 W，干燥時間為18 min，速食糙米粥的復水率和感官評定達到最佳，分別為2.970，41分。MR=0.000 2t3+0.005 8t2+0.012 58t+0.785 5為速食糙米粥的干燥過程模擬的最佳干燥動力學曲線，符合三次多項式方程模型。經過對速食糙米粥復水處理過程的復水率測定，表明指數方程模型更能準確模擬復水的整個動態過程，其動力學方程的表達式：R=0.7-0.3exp(-1.761t)能更好描述復水過程中水分變化規律。