林文碩，白 瑩，陳巧玲，石夢(mèng)靜

(福建工程學(xué)院，福建 福州 350118)

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物理冷藏條件與浸泡時(shí)間對(duì)大豆常溫吸水率的影響

林文碩，白 瑩，陳巧玲，石夢(mèng)靜

(福建工程學(xué)院，福建 福州 350118)

使用最常見的冰箱等實(shí)驗(yàn)器具，以冷藏溫度、冷藏時(shí)間與浸泡時(shí)間為3個(gè)因素，開展 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)，研究冷藏溫度、冷藏時(shí)間與浸泡時(shí)間對(duì)常溫下大豆吸水率的影響。實(shí)驗(yàn)表明：先浸泡、冷藏，再解凍、浸泡，充分發(fā)揮了冰晶對(duì)大豆內(nèi)部的破壞作用，人為增大了大豆內(nèi)部吸水空間，使大豆吸水率進(jìn)一步提高。

物理冷藏；大豆吸水率；正交實(shí)驗(yàn)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”、實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)、加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段改革的重要內(nèi)容之一。在學(xué)生做好大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握一定的物理基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，我們開展了此次綜合實(shí)驗(yàn)，使用最常見的生活器具，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 要解決的問(wèn)題

家庭制作豆?jié){，使用飲用水，浸泡大豆6～8小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，然而，浸潤(rùn)效果不佳。這很大程度影響了消費(fèi)者使用豆?jié){機(jī)的積極性。且浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不但，大豆中的水溶性營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)因浸泡而流失[1]，而且，水中微生物滋長(zhǎng)，反而影響豆?jié){的質(zhì)量。為縮短大豆浸泡時(shí)間，企業(yè)和學(xué)者做了很多研究。如，選用吸水性較好的大豆品種[2]或者提高浸泡水的溫度等等。但均未從根本上改善大豆浸泡效率。

低溫物理已成為物理學(xué)科的一個(gè)重要分支。溫度降低，物質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化。用低溫技術(shù)可較長(zhǎng)時(shí)間保存生物的活組織，為醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域的研究開辟了新的途徑[4,5,6]。組織學(xué)生，根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)，利用常見的冰箱等實(shí)驗(yàn)器具，研究低溫對(duì)大豆結(jié)構(gòu)的改變，改善家庭制作豆?jié){時(shí)，常溫下的大豆浸泡效率。學(xué)生自主查詢相關(guān)文獻(xiàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過(guò)教師審核后，自己動(dòng)手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并撰寫報(bào)告[7-8]。

2 材料與方法

2.1 原料

黃豆1 500 g

2.2 主要儀器設(shè)備

電子秤、冰箱、電風(fēng)扇、熱風(fēng)扇、溫度計(jì)、燒杯、量筒、陶瓷碗、陶瓷盤

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 大豆樣品制備

挑選粒徑均勻、飽滿、無(wú)破皮、無(wú)機(jī)械損傷的大豆，去除雜質(zhì)。

隨機(jī)稱取大豆樣品30 g/份，20份不浸泡，置于冰箱保鮮層，設(shè)定溫度2 ℃。

另，隨機(jī)稱取大豆樣品30 g/份，30份，分別放入陶瓷碗中，加飲用水直至浸沒(méi)大豆表面，置于冰箱保鮮層中，設(shè)定溫度為2 ℃。浸泡8小時(shí)后，取出。瀝干水分，各自在盤子中展開。使用電風(fēng)扇，加速盤子上方空氣流動(dòng)，加速大豆樣品表面的水分蒸發(fā)。待樣品表面水分揮發(fā)后，分別放入冰箱冷藏。

按正交實(shí)驗(yàn)表，將大豆貯藏于不同溫度(2 ℃、-10 ℃、-20 ℃)、貯藏不同時(shí)間(24、48、72 h)。使用時(shí)，將大豆從冷凍層中取出，置于電子天平上，使用熱風(fēng)扇，加熱加速冷凍樣品上方空氣流動(dòng)，并關(guān)注電子天平讀數(shù)，直至每份樣品質(zhì)量為30 g±0.1 g，停止加熱，自然冷卻至室溫。

3.3.2 吸水率測(cè)定

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實(shí)驗(yàn)表格設(shè)計(jì)

目前，家用冰箱具有保鮮冷藏雙重功能，既能提高食品的儲(chǔ)藏品質(zhì)，又能延長(zhǎng)食品的儲(chǔ)藏時(shí)間，幾乎家家具備。家用冰箱的可控溫度范圍，從2 ℃到-20 ℃。因此，選用2、-10 與-20 ℃飲用水浸泡。以冷藏溫度、冷藏時(shí)間、浸泡時(shí)間，為3個(gè)因素，不考慮因素間的交互作用，采用L9(33)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，因素水平見表1。

表1 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)因素和水平

3.2 極差分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 物理冷凍大豆在25 ℃溫水中吸水率

其中：

第一水平因素A所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值是：

=68.8%

第一水平因素B所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值是：

=89.0%

第一水平因素C所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值是：

=56.1%

同理，可以求得：

第二水平各因素所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值分別是：

第三水平各因素所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值分別是：

同理，可以求得：RB=6.8%，RC=73.7%

從表4中可以看出，

(1) 浸泡1 h，2 ℃組合A1B1C1的吸水率為26.9%，-10 ℃組合A2B3C1的吸水率為75.2%，-20 ℃組合A3B2C1的吸水率為66.2%。

(2) 浸泡4 h，2 ℃組合A1B2C2的吸水率為69.6%，-10 ℃組合A2B1C2的吸水率為112.2%，-20 ℃組合A3B3C2的吸水率為101.0%。

(3) 浸泡8 h，2 ℃組合A1B3C3的吸水率為110.0%，-10 ℃組合A2B2C3的吸水率為151.5%，-20 ℃組合A3B1C3的吸水率為128.0%。

(4) 實(shí)驗(yàn)組合A2B2C3所測(cè)得的大豆吸水率最大，為151.5%。

(5) 運(yùn)用極差分析法，RC(73.7%)>RA(44.9%)>RB(6.8%)

(6) 運(yùn)用極差分析法，吸水率最大組合為：C3A2B2。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

3.3.1 溫度與大豆吸水率的關(guān)系

由(1)可知，浸泡1 h，-10 ℃冷藏的大豆樣品吸水率(75.2%)，是2 ℃貯藏的大豆樣品吸水率(26.9%)的近3倍；-20 ℃冷藏的大豆樣品吸水率(66.2%)，超過(guò)2 ℃貯藏的大豆樣品吸水率(26.9%)的2倍。

由(1)、(2)可知：浸泡1 h，-10 ℃冷藏大豆樣品吸水率(75.2%)，大于2 ℃貯藏的大豆樣品浸泡4 h的吸水效果(69.6%)；-20 ℃冷藏大豆樣品吸水率(66.2%)，與2 ℃貯藏的大豆樣品浸泡4 h的吸水效果(69.6%)接近。

由(2)、(3)可知：浸泡4 h，-10 ℃、-20 ℃冷藏的大豆樣品吸水率(112.2%、101.0%)，已經(jīng)接近甚至超過(guò)2 ℃貯藏大豆樣品浸泡8 h的吸水率(110.0%)

由(1)、(3)可知：浸泡8 h，冷藏溫度2 ℃、-10 ℃、-20 ℃大豆樣品吸水率(110.0%、151.5%、128.0%)，分別是浸泡1 h，2 ℃貯藏大豆吸水率(26.9%)的4倍、5.6倍、4.7倍。

可以推知：相同的浸泡時(shí)間，-10 ℃與-20 ℃冷藏的大豆樣品的吸水率，均高于2 ℃貯藏的大豆樣品。-10 ℃冷藏的大豆吸水率最高，其次是-20 ℃冷藏的樣品，2 ℃貯藏的樣品吸水率最低。冷藏后的大豆吸水效果，較保鮮貯藏大豆的吸水效果好。各種溫度的大豆樣品的吸水率，隨著浸泡時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。即，在大豆水分未飽和情況下，浸泡時(shí)間越久，大豆樣品所吸的水分越多。

3.3.2 極差分析最大吸水率組合

由(4)可知，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，各影響因子對(duì)大豆吸水率的影響大小為：C(浸泡時(shí)間)>A(冷藏溫度)> B(冷藏時(shí)間)，即大豆浸泡時(shí)間對(duì)吸水率影響最大，冷藏溫度次之，大豆冷藏時(shí)間的影響最小。這說(shuō)明大豆樣品冷藏時(shí)間不會(huì)對(duì)大豆吸水率造成顯著影響。主要影響來(lái)自大豆浸泡時(shí)間和冷藏溫度。

由(4)、(6)可知，極差分析法選出的最大吸水率組合，與正交試驗(yàn)法得出的結(jié)果一致，均為C3A2B2。即，同等實(shí)驗(yàn)條件下，大豆浸泡，再-10 ℃冷藏48 h，再解凍后，在25 ℃水中浸泡8h的吸水效果最好。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)勢(shì)分析

本次正交實(shí)驗(yàn)中，將大豆先浸泡再低溫冷藏，人為加大了冷藏后冰晶的破壞效果。充分運(yùn)用了冷藏時(shí)冰晶對(duì)大豆內(nèi)部的破壞作用，人為增大了大豆內(nèi)部吸水空間，大豆吸水率進(jìn)一步提高。

根據(jù)低溫物理學(xué)理論，冰晶的大小取決于冷凍的速率。一般情況下，冷凍速率越慢，形成的冰晶尺寸越大[9-10]。食品細(xì)胞在冷凍降溫時(shí)會(huì)有變化，當(dāng)食品溫度降至-1～-5 ℃時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的水會(huì)結(jié)冰成冰晶，這個(gè)溫帶稱為“最大冰晶生成帶”?，F(xiàn)有研究表明，在-3～-10 ℃被凍結(jié)，食材組織結(jié)構(gòu)損傷的程度最大[11]。若采用慢速凍結(jié)，則使食品細(xì)胞間形成柱狀或塊粒狀大冰晶，由于水形成冰時(shí)體積要增大9%～10%，細(xì)胞會(huì)受到機(jī)械損傷；而快速凍結(jié)則使食品以最短的時(shí)間通過(guò)最大冰晶生成帶，食品內(nèi)的水分形成無(wú)數(shù)針狀小冰晶均勻分布于食品的細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞間隙中，因而大大降低了物理變化的影響。

結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)的吸水率表現(xiàn)，我們推論：冰晶對(duì)-10、-20 ℃大豆樣品的內(nèi)部造成損傷，使得-10、-20 ℃大豆樣品的質(zhì)構(gòu)特性發(fā)生改變，與2 ℃的大豆內(nèi)部質(zhì)構(gòu)有較大不同。-10 ℃冷凍速度小于-20 ℃冷凍。-10 ℃冷藏通過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間，較-20 ℃冷凍長(zhǎng)，形成的冰晶較大，更容易損傷大豆細(xì)胞。因而，冰晶對(duì)-10 ℃大豆樣品的改變，要大于-20 ℃大豆樣品的變化。

本次實(shí)驗(yàn)中，大豆樣品浸泡后-10 ℃冷藏，水分子因低溫形成的冰晶尺寸最大，對(duì)大豆樣品內(nèi)部組織的破壞最為嚴(yán)重。這些損傷，在冰晶融化后依舊存留，為后續(xù)浸泡時(shí)大豆再次吸收水分，預(yù)留了空間，增加其吸水性。本實(shí)驗(yàn)人為降低大豆溫度，相較于常溫，進(jìn)一步改變大豆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得大豆吸水率提高。

現(xiàn)有研究表明，帶有種皮的豆類吸水率較低，主要是由于種皮中的半纖維素和果膠等成分的存在阻礙了水分的滲透[12]。浸泡導(dǎo)致大豆的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被軟化、膠體的分散性、懸浮狀態(tài)提高，使大豆蛋白體膜呈松脆狀態(tài)。大豆種子的微觀結(jié)構(gòu)從致密逐漸變得松散，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，吸收的水分進(jìn)一步增加，組織結(jié)構(gòu)進(jìn)一步舒展，細(xì)胞膨脹[13]。因而，浸泡時(shí)，大豆吸水率越高，越有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶入豆?jié){，越有利于后期研磨。

大豆樣品先浸泡、冷藏，再解凍、浸泡。相較與常溫浸泡，本實(shí)驗(yàn)人為降低大豆溫度，充分運(yùn)用了冰晶對(duì)大豆內(nèi)部的破壞作用，使得大豆內(nèi)部組織更加軟化膨脹松散，吸水空間增大，大豆吸水率進(jìn)一步提高。同時(shí)，大豆中被冰晶破壞的細(xì)胞，浸泡時(shí)其組織液親水物質(zhì)可融入水中，提高了豆?jié){的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。因而，先浸泡、冷藏，再解凍、浸泡，較常溫浸泡，能迅速提高大豆吸水率，不但有益于研磨，而且最大限度的保留了大豆的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有較大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

使用最常見的冰箱等實(shí)驗(yàn)器具，以冷藏溫度(2、-10、-20 ℃)，冷藏時(shí)間(24、48、72 h)與浸泡時(shí)間(1、4、8 h)為3個(gè)因素，開展 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)，研究冷藏溫度、冷藏時(shí)間與浸泡時(shí)間對(duì)大豆吸水率的影響。運(yùn)用極差分析法，選擇大豆吸水率最大組合，提出改善家庭日常制作豆?jié){時(shí)的大豆的浸泡效率的方法。

實(shí)驗(yàn)中，將大豆先浸泡再低溫冷藏，人為加大了冷藏后冰晶的破壞效果。充分運(yùn)用了冷藏時(shí)冰晶對(duì)大豆內(nèi)部的破壞作用，人為增大了大豆內(nèi)部吸水空間，大豆吸水率進(jìn)一步提高。推廣到現(xiàn)實(shí)家庭制漿準(zhǔn)備過(guò)程中，可以依據(jù)現(xiàn)有條件，酌情將大豆浸泡、冷凍，再加熱解凍、浸泡。如此，在使用家用豆?jié){機(jī)制作豆?jié){時(shí)，大豆的組織更加易于碾磨，有效提高蛋白質(zhì)、油脂等營(yíng)養(yǎng)成分的提取效率。

[1] Siah S，Wood J A，Agboola S,et al.Effects of soaking,boiling and autoclaving on the phenolic contents and antioxidant activities of faba beans (Vicia faba L.)differing in seed coat colours[J].Food Chemistry,2014,142:461-468.

[2] 王德亮，蔣紅鑫，王繼亮，等.豆?jié){用大豆品種的篩選[J].大豆科技，2013(3):25-30.

[3] Hua Tsechao,Liu Baolin,Zhang Hua.Freeze-drying of pharmaceu-tical and food products[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

[4] 王麗萍，胥義，鐘彥騫，等.冷凍干燥免泡大豆的開發(fā)[J].食品科學(xué),2010(22):521-524.

[5] 程超，薛峰，汪興平，等.反復(fù)凍融增強(qiáng)葛仙米藻膽蛋白抗氧化特性研究[J].食品科學(xué)，2011,32(23):121-124.

[6] 高藝超，王麗麗，李再貴.冷凍處理對(duì)黑豆吸水率和蒸煮時(shí)硬度變化的影響[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2011(12):22-24.

[7] 肖立娟.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與教學(xué)改革的探究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015(6)：114-116.

[8] 范婷，劉云虎，等.探究型教學(xué)模式下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的改革與實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016(1)：142-145.

[9] Ramirez C,Troncoso E，Munoz J,et al.Microstructure analysis on pre-treated apple slices and its effect on water release during air drying[J].Journal of Food Engineering,2011,106(3):253-261.

[10] Rhim J,Koh S,Kim J.Effect of freezing temperature on rehydration and water vapor adsorption characteristics of freeze-dried rice porridge[J].Journal of Food Engineering,2011,104(4):484-491.

[11] Khan A,Vincent J.Mechanical damage induced by controlled freezing in apple and potato[J].Journal of Texture Studies,2007,27(2):143-157.

[12] Vasudeva S,Vishwanathan K H.Hydration behaviour of food grains and modeling their moisture pick up as per Peleg’ s equation：Part II.Legumes[J].Journal of Food Science and Technology,2010,27:42-46.

[13] 石彥國(guó),李剛,胡春林,等.大豆浸泡過(guò)程質(zhì)構(gòu)變化及其對(duì)豆腐質(zhì)量的影響[J].食品科學(xué),2006,27(12):167-169.

Analysis of the Effect of Refrigerated Storage and Soaking Time on Soybean Water Absorption Rate at 25 ℃

LIN Wen-shuo，BAI Ying，CHEN Qiao-ling，SHI Meng-jing

(Fujian University of Technology,Fujian Fuzhou 350118)

The orthogonal experiments method L9(33)is adopted to study the effect of refrigerated storage and soaking time on soybean water absorption rate at 25 ℃.Home refrigerator and some commodities are used to experiment the effect of soybean refrigerated storage temperature,refrigerated storage time and soaking time.Experiments show that：it can be used to improve the efficiency,soaking and cold storage first,and then thawing and soaking again,which damaged the soybean tissues most,causing the place of keeping water increasing,when making soybean milk at home.

refrigerated storage；soybean water absorption；the orthogonal experiment；physics experiment

2016-04-25

福建省教育廳項(xiàng)目(JB14071，JB14075)；福建工程學(xué)院大學(xué)物理課程改革項(xiàng)目(E3600083)；福建工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(SJ2013024)

1007-2934(2016)05-0010-05

O 59；TS 214.2

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.003