真空冷凍干燥制備即食小米粥工藝優(yōu)化

陳樹俊 郭 琪

(山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030006)

小米(millet)，學(xué)名粟，俗稱谷子。其作為我國最古老的谷物之一，具有十分重要的食用、藥用價(jià)值。史宏等[1]認(rèn)為小米有助于孕婦產(chǎn)后恢復(fù)，還可作為嬰幼兒初期輔食。中醫(yī)認(rèn)為小米有助于緩解腦力不足、失眠易怒癥狀，也可治療脾胃不和、積食腹痛等[2]。以小米為原料的產(chǎn)品種類繁多，如小米發(fā)酵食品[3]、小米營養(yǎng)粉[4]等。根據(jù)小米營養(yǎng)成分、理化性質(zhì)等可以判斷出小米適合的應(yīng)用方向[5]。即食小米粥產(chǎn)品因其方便、營養(yǎng)物質(zhì)保留較好等特點(diǎn)，在市場(chǎng)上廣受歡迎。沸水復(fù)原后的小米粥呈現(xiàn)米水均勻混合的黏稠形態(tài)；產(chǎn)品淀粉凝膠化程度、均勻性等會(huì)受到小米原料和加工方法的影響[6]。近年來，真空冷凍干燥技術(shù)在食品加工中應(yīng)用越來越多，可以使即食產(chǎn)品產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，讓其迅速復(fù)水[7]，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是最大程度減少即食產(chǎn)品的含水量并使得營養(yǎng)成分保留最多[8]。

目前已有對(duì)即食小米粥的研究，白云霏等[9]對(duì)即食小米粥的加工工藝中浸泡溫度、β-環(huán)狀糊精的添加量和混合烘干的時(shí)間比進(jìn)行了研究，得到了品質(zhì)相對(duì)較好的產(chǎn)品；單璐等[8]優(yōu)化了速食小米粥的加工過程；但其感官評(píng)價(jià)受主觀因素的影響較大且干燥工藝有待進(jìn)一步探究。本實(shí)驗(yàn)采用真空冷空干燥技術(shù)制備即食小米粥，響應(yīng)面法和正交法優(yōu)化工藝，以復(fù)水率和感官品質(zhì)為即食產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]，用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)將人體感官特性進(jìn)行數(shù)學(xué)化和定量化的描述和處理，降低了主觀因素的影響；以干燥速率為真空冷凍干燥工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)。選用營養(yǎng)物質(zhì)高，適合加工的原材料和最佳凍干條件，得到復(fù)水率、感官評(píng)價(jià)高的即食產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

晉谷21號(hào)一級(jí)小米、沁州黃一級(jí)小米、東方亮一級(jí)小米、張雜3號(hào)一級(jí)小米、實(shí)驗(yàn)試劑均為二級(jí)品分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

SH220N石墨消解儀，半自動(dòng)定氮儀，TFDS25真空冷凍干燥成套設(shè)備。

1.3 方法

1.3.1 小米品種篩選過程

原料預(yù)處理：小米粉碎，過40目篩。

1.3.1.1 小米基本成分測(cè)定

蛋白質(zhì)含量測(cè)定：根據(jù)GB 5009.5—2016凱氏定氮法。

淀粉含量測(cè)定：根據(jù)GB 5009.9—2016 酸水解法。

直鏈淀粉比例測(cè)定：根據(jù)NYT2639—2014 稻米直鏈淀粉的測(cè)定。

脂肪含量測(cè)定：根據(jù)GB 5009.6—2016 索氏抽提法。

1.3.1.2 小米理化指標(biāo)的測(cè)定

糊化度的測(cè)定：參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行測(cè)定。采用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算公式為：

式中：Va、Vb、Vc分別為滴定時(shí)a、b、c瓶消耗硫代硫酸鈉的體積。

水溶性指數(shù)(WSI)和吸水性指數(shù)(WAI)：參考文獻(xiàn)[11]進(jìn)行測(cè)定。準(zhǔn)取小米粉(W0)放入已知質(zhì)量(W1)的離心管中，加入18 mL蒸餾水?dāng)嚢柚瞥蓱腋∫海腋∫褐糜?5 ℃水浴振蕩30 min， 將其于4 500 r/min下離心15 min，將離心后的上清液倒入已知質(zhì)量(W3)的培養(yǎng)皿中烘干直至質(zhì)量恒定(W4)，同時(shí)記錄沉淀物的質(zhì)量(W5)，計(jì)算公式:

溶解度、膨脹度測(cè)定：參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行并略作調(diào)整，將十二烷基苯磺酸鈉改換使用十二烷基磺酸鈉，最后淀粉提取液置于4 ℃冰箱中12 h。分別稱取小米品種的淀粉樣品1 g，加蒸餾水配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的50 mL淀粉乳，95 ℃水浴中，加熱攪拌15 min，快速冷卻，4 000 r/min離心15 min，100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至質(zhì)量恒定，所稱得質(zhì)量為可溶性淀粉的質(zhì)量，下層為膨脹淀粉質(zhì)量，溶解度和膨脹度的計(jì)算公式為:

膨脹度(g/g)=

1.3.1.3 小米功能成分測(cè)定

總多酚含量測(cè)定：參照文獻(xiàn)[13]測(cè)定，得回歸標(biāo)方程為：y=1.249x+0.027 9，R2=0.995 1。

總黃酮含量測(cè)定：參考文獻(xiàn)[14]測(cè)定，得到回歸方程：y=15.82x-0.003，R2=0.999 3。

多糖含量的測(cè)定：參考文獻(xiàn)[15,16]測(cè)定，得到回歸曲線：y=0.0778 7x+0.0126 4，R2=0.999 2 。

1.3.1.4 不同品種小米粥的感官評(píng)價(jià)

小米粥的制備：將20 g的小米，經(jīng)過淘洗1次，常溫浸泡40 min，熬煮30 min，將制備好的小米粥置于白瓷碗中(每人1份)，評(píng)價(jià)小組由食品科學(xué)與工程專業(yè)10名碩士(男女各5名)組成，參照GB 19503—2008中感官評(píng)價(jià)方法，評(píng)分細(xì)則見表1，按分?jǐn)?shù)進(jìn)行打分。

1.3.2 即食小米粥加工方法

由1.3.1篩選出的小米品種，每份20 g，經(jīng)過淘洗，常溫浸泡一定時(shí)間，熬煮之后，將小米粥倒入備好的模具，每份模具和小米粥總質(zhì)量約為120 g。降到室溫后在-45 ℃冰箱中過夜預(yù)凍，脫模放入真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)，當(dāng)加熱板溫度與物料溫度趨于一致并保持3 h，干燥結(jié)束，總干燥時(shí)間為36 h，密封即為成品。

1.3.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以復(fù)水率和模糊感官評(píng)分為指標(biāo)，分別考察浸泡時(shí)間(0、30、60、80、100 min)，料液比(1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 g/mL)，熬煮時(shí)間(25、30、35、38、42 min)3個(gè)因素對(duì)即食小米粥制備工藝的影響，研究最佳制備工藝條件。

1.3.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察浸泡時(shí)間、料液比(實(shí)驗(yàn)中采用液料比值)、熬煮時(shí)間三因素對(duì)即食小米粥加工工藝的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析數(shù)據(jù)，得出最終工藝條件。

1.3.2.3 復(fù)水率的測(cè)定

吸水性指數(shù)(WSI)即復(fù)水率[8]。在產(chǎn)品評(píng)價(jià)過程中吸水性指數(shù)即用復(fù)水率代替，測(cè)定方法同1.3.3。

1.3.2.4 模糊感官評(píng)判

為保證感官評(píng)價(jià)方法客觀性和科學(xué)性，將模糊數(shù)學(xué)法應(yīng)用于復(fù)水之后的即食小米粥感官評(píng)價(jià)中，按照表1中等級(jí)A、B、C、D 開展感官評(píng)價(jià)。品嘗每個(gè)樣品前需漱口。

確定評(píng)價(jià)對(duì)象集：設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象集為X，X={x1，x2，x3…xi},其指待品評(píng)的全部樣品的集合。xi表示各組待測(cè)樣品。

確定評(píng)價(jià)因素集：設(shè)評(píng)價(jià)因素集為U，U={u1，u2，u3，u4}，分別代表小米粥色澤，香味，口感，米湯組織形態(tài)。

確定評(píng)價(jià)權(quán)重集：由5位食品專業(yè)導(dǎo)師組成權(quán)重評(píng)定小組，根據(jù)個(gè)人感受及經(jīng)驗(yàn)對(duì)4種指標(biāo)在感官評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行評(píng)定，設(shè)評(píng)價(jià)權(quán)重集為V，V={v1，v2，v3，v4}，v1+v2+v3+v4=1，Vi∈(0，1]。Vi是各評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的隸屬度。

建立模糊矩陣：處理得到模糊感官評(píng)價(jià)綜合評(píng)判集Y，Y=V·R。式中R為模糊矩陣關(guān)系集。

計(jì)算感官評(píng)分：依次將感官等級(jí)A、B、C、D賦值95、85、75、65，則感官等級(jí)評(píng)分W={95,85,75,65}。即可得感官評(píng)分Z=Y·W。

取1份即食小米粥，加入沸水使每份復(fù)水的小米粥恢復(fù)原來質(zhì)量(即模具與小米粥總質(zhì)量)約120 g(同1.3.2中第一步)，攪拌均勻后由10名品評(píng)員(男女各5名)分別對(duì)復(fù)水之后即食小米粥進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)分細(xì)則見表1所示，按等級(jí)評(píng)定。

表1 感官評(píng)價(jià)評(píng)分細(xì)則

1.3.3 真空冷凍干燥工藝

1.3.3.1 工藝優(yōu)化過程

預(yù)凍階段，設(shè)置預(yù)凍溫度為-48 ℃[17]，將小米粥降到室溫后進(jìn)行預(yù)凍，冷凍9 h。預(yù)凍好后的小米粥脫模放入真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)，關(guān)閉倉門，打開加熱水循環(huán)系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)，開啟真空泵，設(shè)定加熱溫度為25 ℃，倉內(nèi)真空度保持10 Pa，當(dāng)加熱板溫度與物料溫度趨于一致并保持3 h，干燥結(jié)束，總干燥時(shí)間為36 h，密封即為成品。

以干燥速率為指標(biāo)，考察物料填充高度(2、2.5、3、3.5、3.8 cm)，升華溫度(30、35、40、45、50 ℃)，解析溫度(45、50、55、60、65 ℃)，三因素對(duì)干燥效果的影響，研究最佳凍干工藝。設(shè)定初始條件物料填充高度3 cm，升華溫度為40 ℃，解析溫度為55 ℃，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。依據(jù)單因素結(jié)果來設(shè)計(jì)三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)表。

1.3.3.2 冷凍干燥速率計(jì)算

分別于干燥開始前和結(jié)束后稱量小米粥的質(zhì)量，并記錄凍干時(shí)間[18]。凍干速率計(jì)算公式為：

式中：m1為干燥前小米粥質(zhì)量/g；m2為干燥后小米粥質(zhì)量/g；t為凍干總時(shí)間/h；V為凍干速率/%/h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小米品種篩選結(jié)果

2.1.1 不同品種小米成分測(cè)定結(jié)果

由表2可知，小米蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～15%之間，其中張雜3號(hào)蛋白質(zhì)含量最高，其次是晉谷21，含量最低是東方亮；蛋白質(zhì)含量顯著影響著食品食用品質(zhì)，小米粥食味感官品質(zhì)與其脂肪、蛋白質(zhì)含量有關(guān)，蛋白質(zhì)分子與淀粉分子處于鑲嵌模型[19]，經(jīng)過加熱之后，蛋白質(zhì)分子更容易膨脹，使淀粉分子受到擠壓而不易釋放、不易糊化；米粒硬度高可能是因?yàn)檎糁髸r(shí)米粒吸水量和速度變少減慢[20]，淀粉糊化困難，。所以張雜3號(hào)與晉谷21適合做蛋白質(zhì)成分提取研究。淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%～67%，張雜3號(hào)淀粉含量最高，晉谷21淀粉含量最少。東方亮直鏈淀粉含量最低，適口性會(huì)較好，較長(zhǎng)的支鏈淀粉外鏈、聚合度高的直鏈淀粉都容易老化[21]，防止方便食品產(chǎn)生回生的方法之一是使用不易老化的原料[22,23]，穆秋霞等[24]發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量與感官評(píng)價(jià)呈負(fù)相關(guān)，直鏈淀粉含量越低，小米米湯外觀和適口性越好。東方亮的脂肪含量達(dá)到最高，食味感官品質(zhì)與脂肪含量呈顯著正相關(guān)[13]，脂肪含量增加，蒸煮時(shí)小米粥黏度降低，張卓敏等[20]發(fā)現(xiàn)小米黏聚性、柔軟性、滋味、適口性等指標(biāo)與脂肪含量呈正相關(guān)。總多酚、總黃酮、總多糖的含量晉谷21均高于其他品種。綜上所述，東方亮蛋白質(zhì)含量較低，米粒更容易吸收水分，小米淀粉顆粒水和作用大[25]、更易糊化；直鏈淀粉含量低，不易老化，且脂肪含量高，使得東方亮的適口性會(huì)更好，適合于即食小米粥制作與工藝研究。

表2 小米成分分析/%

2.1.2 不同品種小米理化指標(biāo)結(jié)果分析

由表3可知，東方亮糊化度最高，而晉谷21糊化度最小，與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān)，與穆秋霞等[24]認(rèn)為的低直鏈淀粉小米，糊化特性會(huì)較好的結(jié)果相吻合，糊化度越高，越有利于消化吸收。而吸水性指數(shù)大的食品會(huì)讓人體產(chǎn)生飽腹感[11]；在烹煮過程中食品的淀粉膨脹程度和糊湯情況與其溶解度和膨脹度呈正相關(guān)[12]，李星等[23]認(rèn)為小米淀粉膨脹性較好則會(huì)有更好的食用品質(zhì)，二者對(duì)食品加工影響較大；東方亮溶解度和膨脹度均達(dá)到最高，這與其淀粉粒形態(tài)、直鏈/支鏈比例及其他成分如脂類等有關(guān)[12]，適合作為即食小米粥工藝研究原料。

表3 小米理化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.1.3 小米粥感官品質(zhì)分析

由表4可知，經(jīng)過熬煮之后，沁州黃和東方亮小米粥的色澤、口感和米湯組織形態(tài)整體上感官評(píng)價(jià)較好，米湯是均勻混合的黏稠狀態(tài)，米粒口感有咀嚼性，而晉谷21小米粥的香味濃郁評(píng)分較高，張雜3號(hào)熬煮之后的小米粥整體米湯分離，色澤較差，米粒口感較硬，香味不濃郁，整體評(píng)分較低，這可能與張雜3號(hào)蛋白質(zhì)含量高相關(guān)[25]，根據(jù)綜合評(píng)分得出東方亮熬煮之后的小米粥得到較高的感官評(píng)價(jià)，適合用于即食小米粥的開發(fā)研究。

表4 小米粥感官評(píng)定結(jié)果

2.2 即食小米粥單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別以不同浸泡時(shí)間、不同料液比、不同熬煮時(shí)間為單因素考察樣品復(fù)水率和模糊感官評(píng)判測(cè)試結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)產(chǎn)品復(fù)水率和感官評(píng)分的影響

圖2 料液比對(duì)產(chǎn)品復(fù)水率和感官評(píng)分的影響

圖3 熬煮時(shí)間對(duì)產(chǎn)品復(fù)水率和感官評(píng)分的影響

產(chǎn)品復(fù)水率、感官評(píng)分隨浸泡時(shí)間、水量、熬煮時(shí)間增加先上升后下降，這是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間增加，小米中的淀粉分子被釋放，充分水化的淀粉分子可以增加小米粥的膠著性與黏性。浸泡時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，小米中的固形物大量受到損害，小米結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，口感與氣味嚴(yán)重破壞[26]。隨著水量增加，溶出物質(zhì)被稀釋，使得口感與香氣減弱。而熬煮時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)讓小米結(jié)構(gòu)破壞程度加大[9]，使復(fù)水困難，口感也會(huì)變得減弱。綜合考慮，選擇浸泡時(shí)間0、30、60 min，料液比1∶15、1∶20、1∶25，熬煮時(shí)間25、30、35 min 進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5。

表5 即食小米粥加工工藝響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)?zāi)：u(píng)判結(jié)果

2.3.1.1 權(quán)重系數(shù)表及感官評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊綜合評(píng)定小組對(duì)權(quán)重系數(shù)及響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)17組樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6和表7，其余省略。由表6可知即食小米粥評(píng)價(jià)權(quán)重集V={0.2，0.3，0.3，0.2}。

表6 權(quán)重系數(shù)打分表

表7 感官評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1.2 建立模糊數(shù)學(xué)矩陣

建立各評(píng)價(jià)對(duì)象感官評(píng)分結(jié)果的模糊數(shù)學(xué)矩陣。以評(píng)價(jià)對(duì)象x1為例，得到R1，其余評(píng)價(jià)對(duì)象參照x1，得到模糊數(shù)學(xué)矩陣。

歸一化處理后得到感官指標(biāo)綜合評(píng)判集Y=V·R，V={0.2, 0.3, 0.3，0.2}，以評(píng)價(jià)對(duì)象x1為例，則：

利用矩陣點(diǎn)乘計(jì)算方法可得，Y1=[0.29 0.59 0.12 0]，同理，可得其余評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)判集。

感官評(píng)價(jià)Z=Y·W，感官等級(jí)評(píng)分W={95,85,75,65}。其余各感官綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，表6。

2.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒓帮@著性分析

分析數(shù)據(jù)可得各因素對(duì)樣品復(fù)水率、感官評(píng)分(Y1、Y2)的響應(yīng)面回歸模擬方程為：

Y1=14.82+0.036A+0.38B-0.03C-2.75A2-3.12B2-3.59C2

Y2=90.62+0.26A-0.19B+0.15C-0.44AB+0.57AC+0.27BC-2.10A2-1.35B2-1.64C2

表8 回歸方程方差分析

2.3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在保證復(fù)水率較好的前提下，模糊感官評(píng)分越高越好。利用Design-Expert 8.0軟件分析，得到即食小米粥的最佳工藝條件為：浸泡時(shí)間43.54 min，料液比1∶19.92，熬煮時(shí)間30.26 min，此條件下即食小米粥復(fù)水率為14.259 1，感官評(píng)分為90.729 1。考慮實(shí)際工廠化生產(chǎn)操作，將最優(yōu)條件調(diào)整為：浸泡時(shí)間40 min，料液比1∶20，熬煮時(shí)間30 min。在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后計(jì)算可得復(fù)水率為(14.74±0.17)，模糊感官評(píng)分為(90.5±2.3)，與理論值相近，說明此回歸模型擬合度高。

2.4 真空冷凍干燥單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 物料填充厚度對(duì)凍干效果的影響

由圖4可知，隨著物料填充高度的增加，干燥速率明顯下降，這是因?yàn)檎婵绽鋬龈稍锷A過程是從物料表面向內(nèi)部遞進(jìn)過程，物料高度越大，水分向外傳遞也更加困難，導(dǎo)致干燥速率降低[27]，但物料高度太小會(huì)造成生產(chǎn)力下降，產(chǎn)生不必要的資源浪費(fèi)。隨升華溫度、解析溫度升高，干燥速率也逐漸增高，當(dāng)升華溫度超過40 ℃時(shí)，干燥速率逐漸趨于平緩，

圖4 各因素對(duì)干燥速率的影響

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表9。由表10、表11可知，影響即食小米粥的干燥速率因素依次為：解析溫度>升華溫度>填充高度，填充高度和升華溫度對(duì)干燥速率具有顯著影響，而解析溫度對(duì)干燥速率有極顯著影響。最佳工藝條件為填充高度3.0 cm，升華溫度為40 ℃，解析溫度為65 ℃。在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到即食小米粥干燥速率(3.92±0.11)%，這時(shí)即食小米粥色香味俱全，感官評(píng)分較高。

表9 制備小米粥實(shí)驗(yàn)因素與水平

表10 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表11 干燥速率正交實(shí)驗(yàn)方差分析表

3 結(jié)論

適合的小米原料可以提高即食小米粥感官品質(zhì)，采用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化工藝得到最佳加工條件：浸泡時(shí)間40 min，料液比1∶20(g/mL)，熬煮時(shí)間30 min，此時(shí)產(chǎn)品復(fù)水率為14.74，感官評(píng)分為90.5分。在感官評(píng)價(jià)中采用較為科學(xué)準(zhǔn)確的模糊數(shù)學(xué)法，降低了評(píng)價(jià)員主觀因素影響；并且使用正交法對(duì)真空冷凍干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳加工條件：物料填充厚度3 cm，升華溫度40 ℃，解析溫度60 ℃，此時(shí)小米粥干燥速率為3.92%，采用真空冷凍干燥技術(shù)會(huì)最大限度保留小米營養(yǎng)成分及降低即食小米粥的含水量，且產(chǎn)品復(fù)水性好。