微波-過(guò)熱蒸汽法速熟化處理雜糧的研究

徐志村，王俊仁，王莉，張聰男，陳正行，馮曉宇，蔣潔

（1.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，江蘇 南京 211800；2.江南大學(xué)糧食發(fā)酵與食品生物制造國(guó)家工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122；3.江南大學(xué)江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無(wú)錫 214122；4.江南大學(xué)江蘇省生物活性制品加工工程技術(shù)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122）

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，雜糧資源非常豐富[1]，主要包括除水稻、小麥、玉米等主糧作物以外的多種糧豆類(lèi)作物，如黑米、紅米、紫米、燕麥、薏米、紅豆、綠豆等[2-3]。隨著生活水平的提高，城鄉(xiāng)居民飲食消費(fèi)結(jié)構(gòu)中精細(xì)糧占比越來(lái)越高，粗雜糧比重大幅下降[4]，導(dǎo)致糖尿病、高血脂等富貴病的發(fā)病率逐年升高[5]。根據(jù)相關(guān)研究，食物中全谷物的攝入量與死亡呈明顯負(fù)相關(guān)，長(zhǎng)期食用加工過(guò)于精細(xì)的糧食產(chǎn)品，會(huì)導(dǎo)致2型糖尿病與癌癥發(fā)病率的增加[6-10]，而雜糧中含有豐富的維生素類(lèi)、黃酮類(lèi)、酚酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)等生物活性成分以及膳食纖維和微量元素，可以有效預(yù)防慢性疾病的發(fā)生[11-15]。但由于雜糧通常硬度較高，難糊化，口感差，無(wú)法與大米同步煮熟，需要提前長(zhǎng)時(shí)間浸泡等處理，難以適應(yīng)快節(jié)奏生活，給消費(fèi)者帶來(lái)了很大不便，也阻礙了雜糧產(chǎn)品的推廣[16]。目前雜糧速熟化工藝有很多種，包括蒸煮工藝、冷凍干燥工藝、高溫流化工藝等[17-20]，但不同處理工藝得到的產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊。本研究以黑米、紅米、糙米為研究對(duì)象，采用微波技術(shù)結(jié)合過(guò)熱蒸汽速熟化處理雜糧，改善其蒸煮品質(zhì)，為雜糧速熟化和品質(zhì)改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

黑米、紅米、糙米：無(wú)錫市朝陽(yáng)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；苯酚、無(wú)水乙醇、氫氧化鉀、酚酞、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

萬(wàn)能粉碎機(jī)（CF-100KS）：廣州晨雕機(jī)械設(shè)備有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-6）：常州金壇良友儀器有限公司；電子分析天平（FA2204B）：山東晨拓科學(xué)儀器有限公司；臺(tái)式離心機(jī)（AXTD5A）：鹽城市安信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；米飯食味計(jì)（STA/A）：日本佐竹公司；工業(yè)微波爐（COWB-2L）：江陰辰歐微波能系統(tǒng)設(shè)備有限公司；高溫瞬時(shí)滅菌設(shè)備（WC-FMD）：江蘇萬(wàn)創(chuàng)滅菌設(shè)備科技有限公司；恒溫恒濕箱（BSC-250）：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 雜糧微波速熟化工藝流程

原料預(yù)處理→浸泡→微波速熟化→鈍酶→冷卻→成品。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

稱取預(yù)處理后的黑米、糙米、紅米，分別選取泡時(shí)間（20、30、40、50、60 min）、微波設(shè)置溫度（80、90、100、110、120 ℃）、微波處理時(shí)間（2、4、6、8、10 min），120 ℃過(guò)熱蒸汽鈍酶時(shí)間（3、5、10、15、20 s）為單因素，以最佳蒸煮時(shí)間、米飯硬度值、彈性值、黏度值為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，選取適宜條件進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1.2.3 最佳蒸煮時(shí)間的測(cè)定

參考GB/T 15682—2008《糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測(cè)定[21]。

1.2.4 食味指標(biāo)的測(cè)定

采用米飯食味計(jì)，自動(dòng)測(cè)定米飯的硬度、黏度、彈性值。

1.2.5 儲(chǔ)藏期試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

脂肪酸值（fatty acid value，F(xiàn)V）的測(cè)定：采用 GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的測(cè)定》中的方法測(cè)定[22]。

丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的測(cè)定：采用GB 5009.181—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中丙二醛的測(cè)定》中的方法測(cè)定[23]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Origin8.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 雜糧浸泡時(shí)間的確定

浸泡時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見(jiàn)圖1。

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of soaking time on cooking quality of cereals

由圖1可知，在20 min～40 min內(nèi)，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，3種谷物的最佳蒸煮時(shí)間明顯縮短，米飯的硬度值明顯降低，黏度值和彈性值明顯升高，原因可能是由于隨著吸水量增加，微波處理過(guò)程中淀粉預(yù)糊化明顯，導(dǎo)致雜糧內(nèi)部淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有利于熟化過(guò)程[16-18]；在40 min～60 min，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，最佳蒸煮時(shí)間、米飯硬度值沒(méi)有明顯變化，而黏度值呈增加趨勢(shì)，彈性值呈降低趨勢(shì)，主要原因是隨著雜糧含水量的增加，微波處理過(guò)程中雜糧爆腰率和爆花率明顯升高[16，19]，導(dǎo)致米飯蒸煮過(guò)程中易軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標(biāo)，選取30、40、50 min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.2 雜糧微波處理溫度的確定

微波處理溫度對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見(jiàn)圖2。

圖2 微波處理溫度對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of microwave treatment temperature on cooking quality of cereals

大量研究表明微波處理工藝可以顯著改善雜糧適口性[16，19-20]，由圖2可知，隨著微波處理溫度的上升，3種谷物的最佳蒸煮時(shí)間和米飯硬度值呈降低趨勢(shì)，在80℃～100℃區(qū)間降低趨勢(shì)明顯，100℃～120℃區(qū)間降幅趨緩，主要原因是微波高溫導(dǎo)致籽粒表面的水分迅速蒸發(fā)，籽粒內(nèi)外形成了水分梯度，并且產(chǎn)生了表面應(yīng)力[24]，表皮結(jié)構(gòu)受損打開(kāi)了吸水通道，所以微波處理后的黑米籽粒吸水能力更強(qiáng)，有利于煮飯過(guò)程中水分的滲入，加快熟化過(guò)程。而隨著溫度升高，米飯的黏度值呈升高趨勢(shì)，彈性值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在100℃達(dá)到最高值后降低，主要原因溫度越高，雜糧爆腰率和爆花率越高，煮飯過(guò)程中水分可以更快地進(jìn)入雜糧內(nèi)部，導(dǎo)致米飯軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標(biāo)，選取90、100、110℃進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.3 雜糧微波處理時(shí)間的確定

微波處理時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見(jiàn)圖3。

圖3 微波處理時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of microwave treatment time on cooking quality of cereals

由圖3可知，在2 min～6 min，3種谷物的最佳蒸煮時(shí)間和米飯硬度值呈降低趨勢(shì)，米飯黏度值和彈性值呈升高趨勢(shì)，6 min～10 min時(shí)間段趨勢(shì)相反，最佳蒸煮時(shí)間和米飯硬度值呈升高趨勢(shì)，米飯黏度值和彈性值呈下降趨勢(shì)，主要原因是隨著微波處理時(shí)間延長(zhǎng)，2 min～6 min時(shí)間段微波主要作用是實(shí)現(xiàn)谷物內(nèi)部淀粉預(yù)糊化，實(shí)現(xiàn)雜糧蒸煮時(shí)間的縮短和食味品質(zhì)的改善[16-18]；而6 min后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，雜糧過(guò)度失水造成結(jié)構(gòu)緊密堅(jiān)硬，導(dǎo)致產(chǎn)品蒸煮時(shí)間延長(zhǎng)，食味品質(zhì)變差。綜合多指標(biāo)，選取4、6、8 min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.4 雜糧過(guò)熱蒸汽鈍酶時(shí)間的確定

過(guò)熱蒸汽鈍酶時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見(jiàn)圖4。

圖4 過(guò)熱蒸汽鈍酶時(shí)間對(duì)雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of superheated steam treatment time on cooking quality of cereals

由圖4可知，隨著過(guò)熱蒸汽鈍酶時(shí)間的延長(zhǎng)，3種谷物的最佳蒸煮時(shí)間和米飯硬度值呈降低趨勢(shì)，米飯黏度值呈上升趨勢(shì)，主要原因是過(guò)熱蒸汽會(huì)將雜糧籽粒在高溫、高壓條件下使高溫過(guò)熱蒸氣快速滲透到植物細(xì)胞中，半纖維素部分水解，木質(zhì)素軟化易降解，并通過(guò)瞬間卸壓產(chǎn)生的機(jī)械爆破效果，使植物組織結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)胞壁破壞[19]，蒸煮過(guò)程中有利于水分滲入谷物內(nèi)部，從而縮短最佳蒸煮時(shí)間，改善產(chǎn)品食味品質(zhì)[20]；3 s～10 s時(shí)間段米飯彈性值呈上升趨勢(shì)，而10 s～20 s時(shí)間段呈下降趨勢(shì)，同時(shí)米飯黏度值快速上升，主要原因是過(guò)熱蒸汽長(zhǎng)時(shí)間處理造成谷物嚴(yán)重膨化、爆花，蒸煮過(guò)程中水分可以更快地進(jìn)入雜糧內(nèi)部，導(dǎo)致米飯軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標(biāo)，選取 5、10、15 s進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以成品最佳蒸煮時(shí)間和硬度值為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平L9（34）正交試驗(yàn)，確定雜糧速熟化的最佳工藝，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)Table 1 Factor level table of the orthogonal test

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，最佳蒸煮時(shí)間與硬度值均為速熟化雜糧品質(zhì)的主要指標(biāo)，兩者無(wú)主次順序，設(shè)定兩者權(quán)重系數(shù)均為1。試驗(yàn)中分別測(cè)出速熟化雜糧最佳蒸煮時(shí)間和硬度值，然后根據(jù)下式計(jì)算綜合得分[25]，3種雜糧綜合得分取平均值即為該工藝的最終綜合評(píng)分。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of the orthogonal test

式中：X'為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值，即綜合得分；X為指標(biāo)的測(cè)量值為不同試驗(yàn)號(hào)中該指標(biāo)測(cè)量值的平均值；S為不同試驗(yàn)號(hào)中該指標(biāo)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

由表2中極差值 R 可知，RB＞RD＞RA＞RC，因此影響雜糧速熟化效果和食味品質(zhì)的因素主次關(guān)系依次：微波溫度＞鈍酶時(shí)間＞浸泡時(shí)間＞微波時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果的最佳組合是A3B3C1D2，即浸泡時(shí)間為50 min、微波溫度為110℃、微波時(shí)間為4 min、鈍酶時(shí)間為10 s。對(duì)最佳工藝組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of the verification test

由表3驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)A3B3C1D2工藝組合處理后的3種谷物，蒸煮時(shí)間和食味品質(zhì)得到明顯改善，且蒸煮時(shí)間和食味品質(zhì)指標(biāo)與大米接近，達(dá)到了與大米同煮同熟的效果，因此選擇該工藝組合為最佳工藝組合。

2.3 儲(chǔ)藏期試驗(yàn)結(jié)果分析

將A3B3C1D2工藝處理過(guò)的產(chǎn)品分別按照200 g/袋規(guī)格進(jìn)行真空包裝，在50℃，相對(duì)濕度60%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中貯藏12周，定期檢測(cè)產(chǎn)品的FV和MDA含量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 速熟化處理雜糧儲(chǔ)藏期間脂肪酸值和丙二醛含量變化Fig.5 Changes of FV and MDA content in cereals treated by microwave-superheated steam

大量研究表明，過(guò)熱蒸汽處理可以有效延長(zhǎng)雜糧貨架期[26-28]，由圖5可知，在加速試驗(yàn)儲(chǔ)藏過(guò)程中，速熟化處理后的3種谷物的FV和MDA含量始終維持低位，F(xiàn)V≤30 mg KOH/100 g，MDA 含量≤25 μg/100 g，而未經(jīng)處理的3種谷物的FV和MDA含量隨儲(chǔ)藏時(shí)間快速上升，儲(chǔ)藏第12周，未處理黑米、紅米和糙米的FV 分別為 352.51 、371.37 、422.64 mg KOH/100 g，MDA含量分別為 65.33、75.12 μg/100 g和 92.47 μg/100 g。由此可見(jiàn)，該工藝對(duì)雜糧的穩(wěn)定化效果較好，可以有效抑制雜糧的氧化哈敗。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究得出雜糧速熟化的最佳工藝條件：浸泡時(shí)間為50 min、微波溫度為110℃、微波時(shí)間為4 min、鈍酶時(shí)間為10 s。在此條件下得到的速熟化黑米、紅米和糙米的最佳蒸煮時(shí)間分別為30.5、29.4、29.6 min，米飯硬度值分別為4.5、4.1和4.0，顯著改善了雜糧的蒸煮品質(zhì)，達(dá)到了與大米同煮同熟的效果，該工藝對(duì)雜糧的穩(wěn)定化效果較好，可以有效抑制雜糧的氧化哈敗。全谷物飲食可以改善人體的營(yíng)養(yǎng)狀況，對(duì)健康益處良多，是一種健康的選擇，且此速熟化雜糧原材料豐富，生產(chǎn)方式簡(jiǎn)便易行，批量生產(chǎn)的可行性極高，具有廣闊的市場(chǎng)前景。