郭雅卿,賈健輝,2,王緒昆,高 帥,竇博鑫,張 智,張 娜, ,劉 穎,
(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150028;2.牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 黑龍江牡丹江 157011;3.黑龍江省北大荒米業(yè)集團(tuán)有限公司, 黑龍江哈爾濱 150090)
蓮子是我國(guó)的特產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物,南北各省均有種植,既可食用又可入藥[1-2]。蓮子作為一種滋補(bǔ)食品,含有多酚、蛋白質(zhì)和多糖等多種功能性物質(zhì),還具有抗氧化、降血脂、降血糖等功效[3-4]。淀粉在蓮子組成中約占50%,其中直鏈淀粉含量約為42%,是高直鏈淀粉含量的淀粉[5-6]。目前市面上多為干蓮、蓮心、蓮蓉餡料等蓮子制品,但將蓮子淀粉應(yīng)用于生產(chǎn)重組米的相關(guān)研究還較少[7]。稻谷在經(jīng)過碾磨加工時(shí),由于干燥過度、過快等原因會(huì)使整米產(chǎn)生裂紋,產(chǎn)生破損后得到碎米[8]。與完整米粒相比,碎米與其含有相似的化學(xué)組成與營(yíng)養(yǎng)成分,但價(jià)格僅為普通大米的1/3~1/2,多用作飼料或制造酒、醋、糖醇、淀粉等的原料[9-10]。碎米的不完全利用造成了良好谷物資源的浪費(fèi),因此,提高碎米的綜合利用,對(duì)提高其利用率及附加值有著重要的作用。
重組米是一種與大米形狀相似,原料多為富含淀粉的材料,經(jīng)過擠壓、干燥后加工而成的顆粒狀產(chǎn)品[11]。原料中的部分成分會(huì)在高溫、高壓及高剪切力的條件下發(fā)生不同程度的變化,其結(jié)構(gòu)變化的情況與擠壓條件有關(guān),如機(jī)筒溫度、水分含量、進(jìn)料速度、螺桿轉(zhuǎn)速等[12-13]。目前關(guān)于重組米的生產(chǎn)工藝研究中,多是以大米和雜糧為原料,而少見以蓮子或蓮子淀粉為原料。何忠源等[14]以雜糧為原料,采用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化重組米的生產(chǎn)工藝,研究機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速及原料水分對(duì)感官品質(zhì)的影響。MORETTI等[15]以大米為原料,添加硫酸亞鐵及焦磷酸鹽,再利用擠壓膨化技術(shù)制備得到營(yíng)養(yǎng)重組米。將蓮子淀粉與碎米粉按一定比例進(jìn)行混合后,通過擠壓工藝制成重組米,不僅可以提高碎米的附加值,還增加了對(duì)蓮子產(chǎn)品的開發(fā)及利用[16]。
本試驗(yàn)將蓮子淀粉與碎米粉以不同配比進(jìn)行混合后再擠壓制備重組米,通過對(duì)混合粉的糊化特性和蓮子淀粉重組米的感官品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性及蒸煮損失率等的分析,確定了蓮子淀粉的最佳添加量;利用單因素實(shí)驗(yàn)探究物料含水量、模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)蓮子淀粉重組米品質(zhì)的影響,并在此結(jié)果下通過響應(yīng)面試驗(yàn)得到蓮子淀粉重組米的最佳擠壓條件。
蓮子 湖南梧柏塘生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司;碎米五常市寶鑫水稻種植專業(yè)合作社。
DSE-25雙螺桿擠壓膨化機(jī) 德國(guó)布拉本德公司;DHP-9162電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;FW100高速萬能粉碎機(jī) 蘇州江東精密儀器有限公司;TX3202L電子天平 日本島津制作所;TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀 上海瑞玢智能科技有限公司;TecMaster instrumen快速粘度分析儀 波通瑞華科學(xué)儀器(北京)有限公司;EZ26BS05蘇泊爾蒸鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司。
1.2.1 蓮子淀粉的提取 參考趙蓓蓓[3]的方法并進(jìn)行修改。將適量去芯蓮子浸泡6 h于3 倍體積的蒸餾水中。過濾后,放入食品級(jí)高速粉碎機(jī)后倒入3倍體積的蒸餾水進(jìn)行破碎,漿液過120 目尼龍濾布,將濾液靜置沉淀8 h。將沉淀用蒸餾水沖洗兩次,后用95%乙醇溶液清洗一次,進(jìn)一步洗除殘留物質(zhì)。最終將其平鋪在托盤中,45 ℃下烘干24 h,磨粉并過100 目篩。
1.2.2 混合粉的制備 將碎米粉過100目篩后與蓮子淀粉混合,按蓮子淀粉比例分別為20%、25%、30%、35%、40%的比例分別與碎米混合,得到不同蓮子淀粉含量的混合粉,備用。
1.2.3 重組米的制備 將蓮子淀粉與碎米粉混合均勻后,利用雙螺桿擠壓膨化機(jī)在固定擠壓模具、喂料速度下進(jìn)行擠壓重組,固定物料含水量30%、模頭溫度90 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min,所得到的重組米在45 ℃下烘干后備用。
1.2.4 糊化特性的測(cè)定 使用快速黏度分析儀(RVA)對(duì)混合粉進(jìn)行糊化特性的測(cè)定,稱取蓮子淀粉-碎米混合粉3.00 g,調(diào)節(jié)水分含量至14%,倒入專用鋁筒內(nèi),添加25 mL蒸餾水,放置在儀器上測(cè)定。所有程序參考GB/T24852-2010標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)執(zhí)行[17]。
1.2.5 感官品質(zhì)評(píng)價(jià) 蓮子淀粉重組米的感官評(píng)價(jià)表根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]及GB/T 15682-2008 進(jìn)行制定,評(píng)價(jià)組由10 名食品專業(yè)的學(xué)生組成。將10 g重組米米粒放于瓷盤中,進(jìn)行米粒的感官評(píng)分;再將10 g米粒放于蒸飯鋁鍋內(nèi),倒入7 mL蒸餾水,在鍋中蒸30 min后,關(guān)火等待10 min后取出,進(jìn)行米飯的感官評(píng)分。
表1 、表2分別為重組米米粒和米飯的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。
表1 重組米米粒感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory scoring criteria for reconstituted rice grains
表2 重組米米飯感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory scoring criteria for reconstituted rice
1.2.6 質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定 將重組米蒸熟冷卻后,每組樣品每次取3 粒置于質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行測(cè)定,平行測(cè)定9次,分別將兩個(gè)最大值和最小值舍棄,最終的指標(biāo)值為剩余5 次測(cè)試數(shù)值的平均值[19]。具體參數(shù)設(shè)置如下:模式為TPA模式;探頭為P/36R;測(cè)試前、中、后速度均為2.00 mm/s;形變量:50%;兩次壓縮間隔時(shí)間:5.00 s;觸發(fā)力值:5.0 g。
1.2.7 蒸煮損失率的測(cè)定 在干燥燒杯中放置3.00 g(m0)蓮子淀粉重組米,倒入50 mL蒸餾水,在100 ℃水浴里蒸煮10 min,將全部米湯轉(zhuǎn)移至另一干燥燒杯(m1)內(nèi),置于105 ℃烘箱中至燒杯恒重(m2)[9]。計(jì)算公式如下:
1.2.8 重組米品質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立 蓮子淀粉重組米綜合評(píng)分由感官評(píng)價(jià)、質(zhì)構(gòu)特性及蒸煮損失3部分評(píng)分構(gòu)成(表3)[20]。具體方法如下:
表3 蒸煮損失評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard of cooking loss score
質(zhì)構(gòu)評(píng)分計(jì)算方法為:
彈性、黏聚性、咀嚼性與口感呈正相關(guān),與硬度呈負(fù)相關(guān),評(píng)分算法為:
式中:A為各指標(biāo)平均值與最小值之差;B為各指標(biāo)最大值與最小值之差。
其中,蒸煮損失評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下:
1.2.9 單因素實(shí)驗(yàn) 在蓮子淀粉添加量為30%的條件下,固定擠壓模具及喂料速度,以物料含水量為40%、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min、模頭溫度為90 ℃為基礎(chǔ),相應(yīng)改變各因素的水平:物料含水量設(shè)定為30%、35%、40%、45%、50%;螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為120、150、180、210、240 r/min;模頭溫度設(shè)定為70、80、90、100、110 ℃,進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。根據(jù)建立的重組米評(píng)價(jià)體系,分析各組重組米的得分情況,從而得到擠壓重組米較為適宜的物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速和模頭溫度。
1.2.10 響應(yīng)面試驗(yàn) 利用響應(yīng)曲面的中心組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理及單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,3個(gè)因子設(shè)為物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速及模頭溫度,并各取3個(gè)水平進(jìn)行17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)(表4)。由此探究3個(gè)因素對(duì)重組米評(píng)分的影響和各因素間的相關(guān)性。
表4 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 4 Factors and level of response surface test
采用SPSS19.0、EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析;采用ORINGIN 8.5軟件進(jìn)行制圖;采用Design Expert 軟件處理響應(yīng)面數(shù)據(jù)。
表5 為混合粉糊化特性結(jié)果,蓮子淀粉與碎米粉混合后的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值、回生值等均隨蓮子淀粉添加比例的增大而增大。峰值黏度的上升可能是因?yàn)樯徸拥矸壑兄辨湹矸酆枯^高,限制性膨脹且淀粉顆粒較小,更易發(fā)生吸水膨脹,使得混合粉的黏度值上升[21]。回生值反映的是淀粉老化的情況,是淀粉糊中的直鏈淀粉之間進(jìn)行重新聚合的過程[22]。崩解值代表在糊化過程中淀粉糊的熱穩(wěn)定性及淀粉顆粒的破損程度[23-24]。隨著混合粉中蓮子淀粉添加比例的增大,崩解值與回生值也逐漸增大,因?yàn)檩^高含量的直鏈淀粉會(huì)降低淀粉糊的穩(wěn)定性,使其糊化后易發(fā)生老化。因此,混合粉的糊化特性受到蓮子淀粉添加量的影響,較高或較低可能都會(huì)影響重組米的感官。
表5 蓮子淀粉添加量對(duì)混合粉糊化特性影響Table 5 Effect of lotus seed starch addition on the pasting characteristics of mixed flour
圖1 為蓮子淀粉重組米的感官評(píng)分,重組米的感官評(píng)分隨著蓮子淀粉添加量的增大而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最優(yōu)蓮子淀粉添加量為30%。重組米中添加蓮子淀粉可賦予重組米以蓮子的香氣和滋味。在重組米中添加適當(dāng)?shù)纳徸拥矸塾兄谔岣呙罪埖目诟泻兔琢5念伾庥^,同時(shí)也提高了蓮子淀粉重組米的感官評(píng)分。重組米中蓮子淀粉添加量的增大,導(dǎo)致蒸煮后米飯黏性增大,影響了口感,且不易被接受,因此添加量超過30%后,感官評(píng)分有所降低。
圖1 蓮子淀粉添加量對(duì)重組米感官品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of lotus seed starch addition on the sensory quality of reconstituted rice
蓮子淀粉重組米質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果如表6所示。隨著蓮子淀粉添加比例的增大,硬度逐漸增大,彈性、黏聚性、咀嚼性則先增大后減小,在蓮子淀粉添加量為30%時(shí)達(dá)到峰值。蓮子淀粉和碎米粉在成分含量及結(jié)構(gòu)上有所不同,混合后形成的粉質(zhì)體系不太穩(wěn)定,會(huì)影響重組米的質(zhì)構(gòu)[7]。隨著蓮子淀粉添加量的增大,經(jīng)過蒸煮的重組米顆粒性較差且互相粘連。硬度與重組米的口感存在著負(fù)相關(guān)性,與彈性、黏聚性、咀嚼性則為正相關(guān)性[25-26]。依據(jù)蓮子淀粉重組米的質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果,推斷在蓮子淀粉添加量為30%的條件下擠壓得到的重組米口感最好。
表6 蓮子淀粉添加量對(duì)擠壓重組米質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 6 Effect of lotus seed starch addition on the textural properties of extruded reconstituted rice
圖2 所示為重組米的蒸煮損失率隨蓮子淀粉添加量變化的結(jié)果。當(dāng)重組米中蓮子淀粉含量增加時(shí),其蒸煮損失率也在不斷增加。物料中的淀粉經(jīng)過擠壓后開始發(fā)生糊化,結(jié)構(gòu)展開,發(fā)生降解,使得重組米經(jīng)過高溫蒸煮后淀粉更易溶于水。此外,蓮子淀粉和碎米粉混合后的粉質(zhì)體系不穩(wěn)定,導(dǎo)致重組米的蒸煮損失率逐漸上升。
圖2 蓮子淀粉添加量對(duì)擠壓重組米蒸煮損失率的影響Fig.2 Effect of lotus seed starch addition on the cooking loss rate of extruded reconstituted rice
綜合混合粉的糊化特性及重組米的感官品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)品質(zhì)、蒸煮損失率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,當(dāng)蓮子淀粉添加比例為30%時(shí),加工出的重組米品質(zhì)較好。
2.5.1 物料含水量對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響 圖3所示為蓮子淀粉重組米的品質(zhì)在不同物料含水量下的結(jié)果。蓮子淀粉重組米的綜合評(píng)分隨著物料含水量的增加而先增大后減小,在物料含水量為40%的條件下,綜合評(píng)分達(dá)到最高。重組米的擠出品質(zhì)受物料含水量的影響,當(dāng)含水量過低時(shí),使得物料間的摩擦增大,擠出時(shí)較為困難且易堵塞???,淀粉糊化不完全,產(chǎn)品表面粗糙,形態(tài)不佳;含水量過高時(shí),物料的流動(dòng)性增強(qiáng),在機(jī)筒內(nèi)滯留時(shí)間較短,擠出時(shí)阻力降低且樣品不易成型,干燥時(shí)間變長(zhǎng),影響品質(zhì)。若要得到品質(zhì)最佳的重組米,物料中需含有適宜的含水量,且降低了物料與筒壁之間的摩擦系數(shù),達(dá)到一定溫度后即可完成糊化。
圖3 物料含水量對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of material moisture on the quality of extruded reconstituted rice
2.5.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響 圖4所示為螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)重組米品質(zhì)的影響結(jié)果。當(dāng)增大螺桿轉(zhuǎn)速時(shí),蓮子淀粉重組米的綜合評(píng)分先增大后減小,綜合評(píng)分在螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)最高。物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間和受剪切力與螺桿轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)[27],當(dāng)降低螺桿轉(zhuǎn)速時(shí),物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間延長(zhǎng),且作用在物料上的剪切力變小,降低了淀粉的糊化度,影響品質(zhì)。螺桿轉(zhuǎn)速在一定區(qū)間范圍內(nèi)增大時(shí),物料受到的剪切力就越大,模頭處的壓力也越大,提高了淀粉的糊化能力,使得重組米的品質(zhì)接近最佳狀態(tài)。但螺桿轉(zhuǎn)速過高時(shí),縮短了物料在機(jī)筒中的滯留時(shí)間,不能在筒壁上吸收充足的熱量,淀粉內(nèi)部的水合作用不完全,導(dǎo)致了淀粉的不完全糊化[28]。若繼續(xù)增加螺桿轉(zhuǎn)速,會(huì)因?yàn)閿D出前后存在較大的壓力差使產(chǎn)品發(fā)生膨化,產(chǎn)生氣泡,進(jìn)而影響重組米的品質(zhì)[29]。
圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of screw speed on the quality of extruded reconstituted rice
2.5.3 模頭溫度對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響 圖5所示為模頭溫度對(duì)蓮子淀粉重組米品質(zhì)的影響。蓮子淀粉重組米的綜合評(píng)分隨著模頭溫度的升高先增大后減小,綜合評(píng)分在模頭溫度為90 ℃時(shí)最高。擠壓重組米品質(zhì)對(duì)模頭溫度的變化較為敏感。較低的模頭溫度會(huì)降低淀粉的糊化度,導(dǎo)致擠出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疏松,品質(zhì)及咀嚼性較差,粘性低,蒸煮損失增大[30-31]。高溫條件可以提高淀粉的糊化程度,但在過高溫度下擠壓出的重組米蒸煮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的溶出物,發(fā)生粘黏,這是因?yàn)楦邷啬苁勾蠓肿游镔|(zhì)降解出可溶性物質(zhì)[32]。同時(shí)較高溫度還會(huì)使擠出的產(chǎn)品外觀變差,發(fā)生膨化并有氣泡產(chǎn)生,產(chǎn)品表面粗糙。
圖5 模頭溫度對(duì)擠壓重組米品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of die head temperature on the quality of extruded reconstituted rice
2.5.4 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以物料含水量(A)、螺桿轉(zhuǎn)速(B)和模頭溫度(C)為影響因素,擠壓重組米的綜合評(píng)分為響應(yīng)指標(biāo),采用響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子淀粉重組米擠壓參數(shù),其設(shè)計(jì)與結(jié)果見表7。
表7 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 7 Response surface test design and results
根據(jù)軟件分析得出相關(guān)回歸系數(shù)的二次回歸方程:
對(duì)該模型進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如下表8。
由表8中數(shù)據(jù)可知,回歸模型P<0.0001(極顯著),失擬項(xiàng)P=0.1092>0.05(不顯著),說明方案設(shè)計(jì)可行,可有效預(yù)測(cè)回歸方程中相應(yīng)的回歸值。模型回歸系數(shù)R2=0.9912,說明擬合程度較為良好。通過分析得到C(模頭溫度)、AC、A2和C2為極顯著(P<0.0001),A(物料含水量)為顯著(P<0.05)。
表8 回歸模型及方差分析Table 8 Regression model and analysis of variance
為進(jìn)一步了解兩個(gè)因素的協(xié)同作用對(duì)重組米品質(zhì)的影響,依據(jù)響應(yīng)面曲面分析法,繪制兩個(gè)因素間交互影響的響應(yīng)面圖與等高線圖。由圖6可知,當(dāng)物料含水量及螺桿轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí),蓮子淀粉重組米的品質(zhì)先上升后下降,兩個(gè)因素之間存在著一定的交互作用,重組米的品質(zhì)變化受物料含水量的影響較明顯。由圖7可知,在螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著物料含水量的增大及模頭溫度的升高蓮子淀粉重組米的品質(zhì)而增加,到達(dá)最高點(diǎn)后下降,且兩個(gè)因素存在顯著的交互作用,模頭溫度對(duì)重組米品質(zhì)的影響比物料含水量大。由圖8可知,蓮子淀粉重組米的品質(zhì)隨物料含水量的增大及模頭溫度的升高而先上升后下降,且兩個(gè)因素雖存在一定的交互作用,但作用并不顯著,模頭溫度對(duì)重組米影響較大。
圖6 物料含水量與螺桿轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)擠壓重組米品質(zhì)影響的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface and contours of the effect of interaction between material moisture content and screw speed on the quality of extruded reconstituted rice
圖7 物料含水量與模頭溫度交互作用對(duì)擠壓重組米品質(zhì)影響的響應(yīng)面和等高線Fig.7 Response surface and contours of the interaction between material moisture content and die head temperature on the quality of extruded reconstituted rice
圖8 螺桿轉(zhuǎn)速與模頭溫度交互作用對(duì)擠壓重組米品質(zhì)影響的響應(yīng)面和等高線Fig.8 Response surface and contours of the interaction between screw speed and die head temperature on the quality of extruded reconstituted rice
響應(yīng)面優(yōu)化出的結(jié)果為:物料含水量39.8%、螺桿轉(zhuǎn)速209.7 r/min、模頭溫度94.4 ℃,所得到的最佳重組米產(chǎn)品綜合評(píng)分為69.49分??紤]到實(shí)際生產(chǎn)需求,將條件修正為物料含水量40%、螺桿轉(zhuǎn)速210 r/min、模頭溫度95 ℃,該條件下生產(chǎn)的重組米評(píng)分為69.13分,與理論值誤差為0.52%,證明該優(yōu)化方案較為合理可行。
隨著蓮子淀粉添加量的增加,混合粉糊化特性中的各參數(shù)值均顯著增加(P<0.05),蒸煮損失率也隨蓮子淀粉添加量的增加而增加。當(dāng)蓮子淀粉添加量在30%時(shí),重組米的總感官評(píng)分較高,且質(zhì)構(gòu)中的彈性、黏聚性、咀嚼性也達(dá)到峰值。綜合考慮,重組米中蓮子淀粉的添加量應(yīng)為30%。以蓮子淀粉重組米的綜合評(píng)分為指標(biāo),根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際得到的最佳工藝條件為:物料含水量40%、螺桿轉(zhuǎn)速210 r/min、模頭溫度95 ℃,在該條件下生產(chǎn)的重組米的綜合評(píng)分為69.13 分,與理論值誤差為0.52%,說明該優(yōu)化方案較為合理。