不同干燥工藝對掛面品質的影響

韓 銳,陳 潔,*,許 飛,宗向東,王彥波

(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001; 2.登封市啟明軒程控設備有限公司,河南鄭州 450001)

掛面是中國最為常見的主食之一,因為其便于儲存,食用方便等特點深受消費者喜愛[1]。掛面干燥直接關系到掛面產品的質量,是掛面生產的關鍵環節,也是掛面企業生產、加工能耗控制的基石[2]。隨著掛面加工業的不斷發展,掛面企業和研究學者不斷對掛面干燥工藝進行改良和創新。掛面干燥無論是通過節能減排降低企業生產成本,還是優化干燥工藝提高生產效益和產品質量方面都有著巨大潛力。

我國以干燥時間的長短和干燥溫度的高低對掛面干燥工藝進行分類。目前干燥工藝主要分為三大類,第一類是主區干燥溫度低于35 ℃,干燥周期為5～8 h的干燥工藝,該工藝優點在于對干燥設備性能要求低,便于在干燥過程中控制干燥的溫濕度,生產出的掛面品質穩定,但是該工藝生產效率低,設備占地面積大等問題無法有效解決[3]。第二類是目前我國大多數掛面企業都采用行業標準《掛面生產工藝技術規程》中推薦的主區干燥溫度低于45 ℃干燥周期約為3.5～5 h的干燥工藝,該工藝的優點在于在保證掛面品質穩定的基礎上,提高了生產效率[4]。第三類是主區干燥溫度大于45 ℃,干燥周期小于3 h的干燥工藝,該工藝的優點在于干燥周期短,生產效率高,但是該工藝主區干燥溫度高,烘房內濕度難以控制和調節,容易造成掛面品質的下降[5]。我國學者在以上三種干燥工藝的研究基礎上,進一步研究了更高的溫度對掛面干燥品質的影響,其中王春等[6]和高飛[5]指出主干燥階段溫度為70 ℃時,所得掛面各項理化指標較好。郭穎[7]指出提高干燥溫度,能夠顯著提高掛面的硬度并降低掛面粘度以及蒸煮損失率?；轂][8]指出80 ℃的高溫干燥可以通過影響面條中淀粉和蛋白質結構來影響面條的蒸煮品質。我國目前仍然采用主區干燥溫度為45 ℃的干燥工藝,溫度更高的干燥工藝在國內掛面生產中鮮有使用。且現有研究大多數都基于恒溫恒濕干燥進行的工藝品質比較,但工業化生產過程中,全部采用分階段變溫變濕的干燥工藝。雖然國內學者對高溫干燥工藝參數以及掛面品質的影響進行了不少的研究,但就模擬真實生產條件,采用變溫變濕干燥工藝參數對掛面品質影響的研究卻少見報道。

本文通過模擬工廠的實際生產,探究不同干燥工藝參數對掛面品質的影響。通過掃描電鏡拍攝掛面的表面圖像和截面圖像觀察不同干燥參數對掛面微觀結構的影響,再結合RVA以及色澤、干掛面力學特性、拉伸等質構特性指標,對不同干燥工藝參數對掛面品質的影響做出評價。本文通過模擬工業生產實際情況,以期為進一步研究掛面的干燥特性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金苑特一粉 河南鄭州金苑面粉廠;食用鹽 市售;蒸餾水 實驗室自備。

JMTD-168/140小型制面機組 北京威騰機械有限公司;掛面干燥機 鄭州鼎偉公司;CR-400色差儀 日本美能達公司;RVA-TM快速粘度儀 瑞典Perten公司;TA-XT.plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 制面以及干燥工藝 稱取500 g面粉,160 g水、10 g食用鹽,放入立式單軸和面機中低速和面1 min,高速和面11 min,將和好的面絮壓延4次得到5.5 mm厚的面帶,后將面帶放入醒發箱(25 ℃,70%濕度)中熟化15 min。將熟化好的面帶壓延5次,最終得到1.0 mm厚的面帶,將面帶切條,放入掛面機中干燥。待干燥結束后得到取出干燥好的掛面,截成20 cm長的掛面樣品,三種干燥工藝成品掛面的含水量分別為12.6%、12.1%、11.5%。本實驗將掛面的干燥分為4 個干燥階段,其劃分依據是LS/T 1206-1992《掛面生產工藝技術規程》中推薦劃分的干燥階段。具體的時間段劃分是通過預實驗,測定每階段水分散失速率,并結合最終掛面品質的測定數據,在保證最終掛面品質的基礎上,選擇最快的干燥速率,最終得到具體時間段劃分。具體參數見表1。

表1 干燥溫濕度參數Table 1 Drying temperature and humidity parameters

1.2.2 掛面蒸煮特性的測定 依照LS/T 3212-2014測定掛面的最佳蒸煮時間。

1.2.3 掛面吸水指數的測定 每次取5根長度20 cm的掛面樣品,稱重(精確到0.001 g),放入1000 mL沸水中,煮至最佳蒸煮時間后撈出,用濾紙擦干面條表面的水分后稱重。

式(1)

其中,W為掛面吸水指數,m為煮后掛面質量,m0為原始掛面質量。

1.2.4 掛面TPA特性的測定 具體步驟:每次取3根掛面樣品,煮至最佳蒸煮時間后撈出,放入涼水中冷卻30 s,用濾紙擦干掛面表面水分后平行放置于測試臺上,測前速度為2.0 mm/s,測試速度為0.8 mm/s,壓縮率為70%,兩次壓縮時間間隔為1 s。

1.2.5 掛面剪切特性的測定 具體步驟:每次取3根掛面樣品擦干面條表面水分,平行放置于測試臺上,選用A/LKB-F型探頭進行剪切測試,測前速度為2.0 mm/s,測試速度為0.8 mm/s,壓縮率為70%。

1.2.6 干掛面力學特性的測定 參見劉書航[9]的做法,具體步驟如下:將待測掛面全部截成15 cm后,垂直放入A/SFR上下探頭之間,探頭開始勻速下降,直到掛面斷裂,實驗結束。測前速度為0.50 mm/s,測試速度為1.00 mm/s,觸發力為10 g。

1.2.7 掛面色澤的測定 將掛面樣品緊密平鋪在試驗臺上測試掛面的顏色,對每個樣品選擇不同的位置進行5次測定,求平均值得出L*、a*、b*。并計算白度值。其中,

式(2)

1.2.8 糊化特性測定 將掛面樣品磨粉,過100目篩后。按照GB/T 24853-2010測定掛面的糊化特性。

表2 不同干燥工藝下的掛面TPA特性Table 2 TPA of fine dried noodles under different drying process

表3 不同干燥參數下的掛面剪切特性Table 3 Wall shear characteristics under different drying processes

1.2.9 掛面微觀結構的測定 將不同溫度下干燥完成的掛面樣品的表面和截面使用雙面膠帶固定在鋁片上,并進行噴金操作,然后在10 kV的加速電壓下觀察。顯微照片以1000倍放大倍數拍攝。

1.3 數據分析

所得數據均為3次平行試驗的平均值,采用SPSS 20對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥參數對掛面蒸煮特性的影響

有學者指出,在掛面干燥的過程中淀粉和蛋白質會發生相互作用,從而影響面條的蒸煮損失和硬度等一系列品質指標[10]。圖1,隨著主干燥階段溫度的升高,最佳蒸煮時間呈現出增加的趨勢,且采用70 ℃干燥的掛面的最佳蒸煮時間顯著(P<0.05)上升,這可能因為70 ℃的干燥溫度過高導致掛面表面的蛋白質分子變性,致使掛面表面孔隙減少,阻礙了熱水進入掛面內部的速度所致。掛面的吸水指數從35 ℃的108%上升到50 ℃的114%再下降為70 ℃的108%,這可能是因為掛面中的蛋白質是一種親水膠體,但當干燥溫度超過50 ℃時,蛋白質發生熱變性作用而凝固,使其吸水能力減弱,故導致掛面的干物質吸水率降低[4]。

圖1 掛面的蒸煮特性Fig.1 Cooking characteristics of fine dried noodles

2.2 不同干燥參數對掛面TPA特性的影響

掛面在蒸煮的過程中,掛面中蛋白質對淀粉的包裹能力減弱,且蛋白質產生變性,從而導致掛面硬度的下降[11-12]。但表2數據顯示,隨著三種干燥工藝參數中主干燥階段溫度的升高,掛面蒸煮后的硬度呈現出上升趨勢,并在70 ℃干燥的條件下,硬度達到最大值,這可能是因為掛面在不同干燥工藝中隨著掛面主干燥區溫度的升高,掛面表面的蛋白質提前產生不同程度的變性,致使蛋白質對淀粉包裹能力增強,從而影響掛面煮后的硬度。陸啟玉實驗結果也表明,面條蒸煮后的硬度也會隨著干燥溫度的升高而增大[4]。內聚性表現為兩次壓縮所做正功之比,不同干燥參數對掛面的內聚性并無顯著影響。咀嚼性呈現出升高趨勢,35和70 ℃干燥出掛面的咀嚼性有顯著性變化。而掛面的粘性則呈現出一個明顯上升趨(其中負號表示受力方向),數據分析表明干燥溫度對掛面的粘性有顯著的影響,這可能是因為淀粉在干燥中隨著主干燥階段溫度的升高,淀粉的糊化程度增大,從而導致掛面的粘性增大。李夢琴的研究結果也表明,加熱會破壞淀粉間的氫鍵,使得淀粉顆粒膨脹,導致粘性上升[13]。

2.3 不同干燥參數對掛面剪切特性的影響

由表3可知,掛面堅實度和韌性隨著干燥溫度的升高呈現出先升高后降低的趨勢,在50 ℃干燥的條件下達到最大值。彈性呈現出先下降后升高的趨勢,在50 ℃干燥的條件下達到最小值8.33。斷裂強度則呈現出先升高后降低的趨勢,35和70 ℃干燥的條件對掛面的斷裂強度并無顯著性影響。實驗結果表明,干燥參數對掛面的剪切特性無顯著性影響。結合表2中硬度的數據可知,70 ℃干燥出的掛面在硬度提高的情況下,彈性還能保持較好水平。咀嚼性和韌性的數據則反映出,在50 ℃的干燥條件下生產出的掛面在煮后更為筋道。

2.4 不同干燥參數對干掛面力學特性的影響

由圖2可知,三種干燥工藝對掛面的斷裂力這一指標并無顯著影響。斷裂距離隨著干燥工藝中溫度的升高呈現出先降低后上升的趨勢。斷裂力和斷裂距離作為反應掛面抗彎曲能力大小的力學特性指標,是掛面品質評價的主要力學參數,能夠直觀的表征掛面加工工藝和掛面品質的優略[14]。采用50 ℃干燥出的掛面的斷裂距離值最小為37.96 mm,與35和70 ℃有顯著差異,雖然50 ℃干燥出的掛面斷裂距離短,但使掛面斷裂的力并未減小,這說明50 ℃干燥出的干掛面的韌性小于35和70 ℃干燥的掛面,這可能是掛面在50 ℃的干燥溫度下,掛面內部的水分在熱應力和濕應力的作用下向外部擴散,造成掛面表面形成微小的裂縫,從而影響了掛面的力學特性[8,15]。而在70 ℃的干燥溫度下干燥,造成了蛋白質變性以及二硫鍵的形成,導致該溫度下掛面的蛋白質網絡強度大于其他條件下的蛋白質網絡強度,從而增強了掛面的力學特性。

表4 不同干燥參數下掛面色澤的變化Table 4 Color change of fine dried noodles under different drying parament

表5 掛面的糊化特性測定Table 5 Determination of gelatinization characteristics of fine dried noodles

圖2 不同干燥參數下的干掛面力學特性Fig.2 Mechanical properties of dried noodles under different drying parameters

2.5 掛面色澤的變化

面條的色澤是產品對消費者的最直觀的沖擊,故采用白度值來衡量掛面色澤上的差異。其中L*是從黑色(0)到白色(100)亮度的量度,a*是綠色到紅色差異的函數,b*是藍色到黃色差異的函數[16]。實驗數據表明70 ℃掛面的b*值最大。其L*值也是隨著溫度的升高而變大,這可能是因為淀粉在高溫下部分溶脹擠出。這與Lin等[17]觀察到的情況相似。從整體上分析,雖然在L*值和a*值上有所區別,但是三種干燥工藝對掛面產品的白度上并無顯著影響。

2.6 掛面糊化特性的變化

RVA的一些參數與面條的質量有著密切的聯系[18]。由于在淀粉是小麥粉中含量最高的物質,而且淀粉相較于蛋白質,淀粉在100 ℃下對熱處理的敏感性大于蛋白質。所以淀粉可能在干燥的過程中受到熱處理的影響從而產生變化程度更大。由表5可以看出相較于其他兩種干燥溫度,70 ℃干燥具有更高的峰值粘度、崩解值、最終粘度、回復值,且峰值粘度、崩解值、最終粘度、回復值都隨干燥溫度的升高而呈現出增大趨勢。這與Bruneel等[19-21]觀察到的現象一致?；貜椭怠⒆罱K粘度值反映了淀粉中直鏈淀粉的回生趨勢。隨著干燥溫度的升高,直鏈淀粉回生的趨勢越來越強。70 ℃干燥掛面的峰值粘度最大而35 ℃干燥掛面的峰值粘度最小,可能是因為一些淀粉酶在干燥中沒有完全失活,并持續作用于受到機械損傷的淀粉,特別是在干燥的初始階段[22-24]。因此,干燥溫度越低掛面的峰值粘度越低。Zhang等[22]也指出淀粉損傷可能導致顆粒膨脹和水化降低,從而降低糊化粘度。Da等的[25]實驗結果也證明了淀粉糊化后其粘度的變化和淀粉顆粒的膨脹和破裂有關。

2.7 干燥參數與質構特性的多元回歸分析

掛面質構特性的變化是在干燥過程溫度、濕度、時間三者共同作用的結果,故采用多元回歸分析的方法來探究干燥參數對質構特性的影響。類比力學中功的定義,把溫度在一定時間段內對質構特性影響定義為溫度對質構特性產生的溫度-時間指數因子S1,同理,把濕度在一定時間段內對質構特性影響定義為濕度-時間指數因子S2。因溫度和濕度在掛面質構特性變化中產生影響大于時間因素產生的影響,為了降低時間因素所占的權重對回歸方程的影響,故引入Sigmoid函數。

式(3)

式(4)

其中：W是干燥參數中的溫度值,D是干燥參數中的濕度值,t為干燥時間,i為干燥階段。

選取S1、S2為自變量,分別選取硬度、咀嚼性、內聚性以及粘性作為因變量進行多元回歸分析。

表6 掛面質構特性的多元回歸分析Table 6 Multiple regression analysis of TPA of fine dried noodles characteristics

如表6中回歸方程所示,溫度-時間指數因子S1變化一個單位時,對因變量(粘性)的影響大于濕度-時間指數因子S2對因變量的影響,故溫度-時間指數因子是影響掛面質構特性中粘性的主要因素。濕度-時間指數因子S2變化一個單位時,對因變量(咀嚼性和硬度)的影響大于溫度-時間指數因子S1,故濕度-時間指數因子是影響掛面質構特性中咀嚼性和硬度的主要因素。內聚性的回歸方程中,濕度-時間指數因子和溫度-時間指數因子前系數均為零,說明掛面內聚性的變化與溫度和濕度無關。R2代表回歸方程的擬合程度,表中的三個擬合方程的R2都大于0.8,其中粘性的R2都大于0.9,說明回歸方程的擬合精密程度較高。F值以及其對應的Sig值作為方差分析的結果,反映了整體回歸方程的可信性程度,若Sig值小于0.05則可以認為回歸方程是可信的。表6中三條回歸方程的Sig均小于0.05,說明其具有較高的使用價值,但內聚性的回歸方程表中回歸方程的德賓-沃森檢驗值均接近或等于2,說明其均不存在一階自相關性,說明本文采用溫度-時間指數因子和濕度-時間指數因子作為自變量是合理的。

2.8 掛面微觀結構的變化

掃描電子顯微鏡(SEM)是表征面食微觀結構的技術之一,可以直觀看出面食樣品的內部結構和表面特征[26]。進行掃描電子顯微鏡分析可以直觀的觀察到干燥溫度對掛面微觀結構的影響。圖像顯示掛面的微觀結構由嵌入蛋白質網絡中的淀粉組成。從圖3能夠看出在35 ℃干燥的情況下,掛面表面結構致密,裂紋較少淀粉顆粒也都大多被被包裹在蛋白質網路內部。在50 ℃干燥的情況下,掛面表面的裂紋開始增多,淀粉顆粒暴露在蛋白質網絡外部的數量開始變多,這可能是因為掛面為濕熱的不良導體,在掛面干燥過程中,掛面內部與外部能夠形成溫度差以及濕度差,從而導致掛面中水分散失,并且造成掛面收縮。由于溫濕度差的存在,掛面內外收縮程度不一致,導致了不同干燥溫度所產生裂紋數量的不同。但是在70 ℃的干燥情況下,蛋白質網絡更加密集,基本上沒有裂紋的產生,這是因為高溫引起蛋白質變性并促進兩種面筋蛋白谷蛋白和麥醇溶蛋白的交聯[27],在70 ℃干燥的條件下也會形成更緊密均一的網絡[28]。這也可能是70 ℃干燥掛面最佳蒸煮時間顯著增加的原因,致密的蛋白質網絡減緩了熱水進入掛面內部的速度。有學者認為在超高溫干燥下,淀粉顆粒消失的原因很可能是因為干燥的高溫導致淀粉顆粒輕微膨脹,從而破壞表面蛋白質層。在70 ℃干燥的掛面中淀粉顆粒的輕微膨脹被分散的淀粉顆粒的形態所證實,與35 ℃干燥的掛面中的圓形顆粒相比,70 ℃干燥中分散的淀粉顆粒結構更加細長[27]。

圖3 掛面微觀結構變化(1000×)Fig.3 Microstructure change of fine dried noodles(1000×)注:a、b、c分別對應為35、50、70 ℃的表面掃描圖。 d、e、f分別對應為35、50、70 ℃的截面掃描圖。

3 結論

根據模擬實際生產的3種不同干燥工藝制備掛面樣品,對掛面的蒸煮特性,色澤,糊化特性以及表面特征進行了分析。掛面理化性質的試驗結果表明,主干燥階段溫度為35 ℃時,掛面的斷裂力達到最大值,主干燥階段溫度為50 ℃干燥時,掛面的干物質吸水率以及堅實度達到最大值,主干燥階段溫度為70 ℃干燥時的最佳蒸煮時間最長,硬度最大。隨著主干燥階段溫度的升高,掛面的糊化特性有明顯的變化,直鏈淀粉的回生減慢。掃描電鏡的圖像也證明了,主干燥溫度的升高會導致掛面表面的蛋白質產生部分變性,RVA的數據表明了淀粉顆粒隨著干燥溫度的升高也發生了部分溶脹現象。另外,高的干燥溫度對掛面的白度并無顯著影響(P<0.05)。通過相關性分析表明,掛面的濕度-時間指數因子與b*,最佳蒸煮時間以及WI值有極強的相關性(P<0.01)。并且通過干燥參數與掛面質構特性的多元回歸分析,得到了干燥參數與質構特性之間的線性回歸方程,得出了溫度-時間指數因子是影響掛面粘性的主要因素。但就TPA特性、剪切特性以及色澤指標而言,其與品質的好壞并非是簡單的線性關系,應該多角度觀察指標數據背后的意義,數據值大小的高低并不能完全反應消費者對產品的接受度。關于消費者對不同干燥工藝生產的掛面品質的評價,以及消費者喜愛度將會進一步研究,以期為實際生產中進一步改進干燥工藝提供數據支撐。