陳培棟,萬忠民,王勝錄,馬倩婷

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023)

微波作為一種非電力輻射能,具有加熱均勻,升溫快,穿透性強和能耗低等特點,被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域各個單元[14]。就糙米微波改性來看,微波處理的作用機制可簡要歸結(jié)于微波自身的電加熱效應(yīng)和電磁極化效應(yīng)。一方面,微波場下糙米籽粒內(nèi)部極性大分子大量摩擦放熱,使籽粒溫度升高,造成內(nèi)部物化特性發(fā)生改變。另一方面,微波輻射影響籽粒內(nèi)部聚合物或基團的電子云排布,導(dǎo)致分子構(gòu)象發(fā)生變化。通常,微波處理時間與功率是影響整個工藝最為直觀的因素,研究表明微波功率和處理時間與籽粒的平均失水速率、脂肪酸值、發(fā)芽率及RVA特性有著極其顯著的關(guān)聯(lián)[1517]。同時,初始水分也是影響微波處理對物料升溫的重要因素之一,它的相對含量直接影響籽粒內(nèi)部成分對微波磁場的響應(yīng),表現(xiàn)出不同速率的升溫現(xiàn)象,進而影響籽粒內(nèi)部成分尤其是淀粉分子的特性變化?，F(xiàn)階段食品加工中微波主要用于加熱、殺菌滅酶和營養(yǎng)物質(zhì)提取等,而微波處理對糙米蒸煮品質(zhì)的影響及其工藝探索還未見報道。因此,深入研究微波改性糙米蒸煮品質(zhì)指標的變化,有利于糙米食用的推廣及綜合利用。

本研究以糙米為原料,開展微波處理對糙米蒸煮品質(zhì)影響的研究,以糙米蒸煮后的硬度、吸水率和米湯碘藍值為目標參數(shù),結(jié)合單因素實驗和響應(yīng)曲面分析,建立二次回歸數(shù)學(xué)模型。并引入期望函數(shù)優(yōu)化方法進行多指標函數(shù)的優(yōu)化[1819],確定微波處理糙米的最佳工藝參數(shù)組合,為實際生產(chǎn)活動提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

2016年產(chǎn)粳稻淮五糙米 南京稻盛和豐農(nóng)業(yè)有限公司;碘、碘化鉀等 均為分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

XOGZ7KW連續(xù)隧道式微波裝置(0～8000 W) 南京先歐儀器制造有限公司;JCS3000電子天平(±0.01 g) 凱豐集團有限公司;TP214分析天平(±0.0001 g) 丹佛儀器(北京)有限公司;YJ308H美的電飯煲(500 W) 佛山市美的電器制造有限公司;TA.TX.Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國SMS公司;UV1200紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;HH4數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;H1850R臺式高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗 準確稱取(500±1) g糙米,置于聚乙烯塑封袋中(15 cm×25 cm),擠出袋內(nèi)空氣后封裝。綜合微波裝置參數(shù)及預(yù)實驗結(jié)果,采用間歇式加熱的方法[14],微波工作10 s后間歇20 s,總微波時間以累計工作時間為準,冷卻至室溫后備用。在微波處理糙米的過程中,微波功率、微波時間和糙米初始水分含量對糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響較大。本文以微波功率2000 W、微波時間60 s和初始水分15%為固定水平,分別考察微波時間(30、60、90、120、150 s)、微波功率(500、1000、1500、2000、2500、3000 W)和初始水分含量(13.0%、14.0%、15.0%、16.0%、17.0%)對糙米吸水率、碘藍值、可溶性固形物含量和糙米飯硬度的影響。

1.2.2 微波條件的響應(yīng)面優(yōu)化 以微波功率、微波時間、糙米初始水分含量為三因素,根據(jù)BoxBenhnken中心組合實驗,采用響應(yīng)面法對微波處理糙米條件進行三因素三水平優(yōu)化,因素和水平見表1。以微波處理后糙米飯的硬度、吸水率、碘藍值為響應(yīng)值,每個指標重復(fù)檢測三次,取平均值。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface design

1.2.3 糙米飯質(zhì)構(gòu)特性的測定 在蒸煮鋁盒中稱取微波處理后的糙米樣品10.00 g,加12 mL蒸餾水,于電飯煲里蒸煮30 min,保溫10 min,用質(zhì)構(gòu)儀測定糙米飯硬度。選用P/36R探頭,測前速度5 mm/s,測中速度1 mm/s,壓縮比為70%。選取3粒完整的米粒平行放置在測試臺上,重復(fù)三次。

我們知道大部分預(yù)制構(gòu)件都是在生產(chǎn)工廠的車間利用運輸工具輸送到預(yù)制裝配式項目的施工現(xiàn)場，這個環(huán)節(jié)經(jīng)歷了裝貨、運輸、卸貨、堆放整個過程。考慮到構(gòu)件的尺寸和質(zhì)量都較大的問題，難免在上述環(huán)節(jié)中出現(xiàn)磕碰的現(xiàn)象，所以我們提前設(shè)置運輸方案以及注意的細節(jié)。首先，我們在堆放這些構(gòu)件時，在底部要提前加上軟木墊，然后務(wù)必將所有構(gòu)件整齊排列，最好準備專門堆放這些構(gòu)件的置物架；另外，運輸過程中也要對構(gòu)件之間添加棉墊，安排專車來運輸；吊裝過程也要嚴格按照操作程序進行[3]。

1.2.4 糙米的蒸煮品質(zhì)

1.2.4.1 蒸煮方法 稱取10.00 g微波處理后的糙米,蒸餾水淘洗兩次,每次10 s,吸干表層水分,加入200 mL蒸餾水后沸水浴30 min,立即撈出米飯于濾紙上吸干表層多余水分待測,同時取出剩余米湯備用,重復(fù)三次[20]。

1.2.4.2 米飯吸水率測定 米飯靜置10 min后,用吸水紙吸去表面殘余水分,并分別稱量米飯的質(zhì)量。吸水率按公式(1)計算

式(1)

1.2.4.3 米湯中可溶性固形物含量測定 取1.2.4.1中米湯上層清液20 mL,置于已知質(zhì)量的鋁盒中,于105 ℃條件下干燥至恒重,得到的固體物質(zhì)量乘以10,即為100 g糙米的固體溶出物質(zhì)量。

可溶性固形物含量(g/100 g)=干物質(zhì)質(zhì)量×10

式(2)

1.2.4.4 米湯的碘藍值 取1.2.4.1中米湯上層清液20 mL,1500 r/min離心5 min,取上清液1.0 mL加入1.0 mL碘液(2 g/L)定容至100 mL,于OD600 nm處測定其吸光度[21]。

1.2.5 期望函數(shù) 期望函數(shù)優(yōu)化通過指定單個響應(yīng)值的重要度w來計算最大期望函數(shù)值。將所有的響應(yīng)值根據(jù)如下方程轉(zhuǎn)化為期望函數(shù)di:當獨立響應(yīng)值目標為最小值時采用公式(3)計算,當獨立響應(yīng)值目標為最大值時采用公式(4)計算。總體期望函數(shù)D按照公式(5)求最大期望函數(shù)值,再根據(jù)最大期望函數(shù)值在響應(yīng)面圖中尋找所對應(yīng)的條件即為微波處理的最佳工藝條件[22]。

式(3)

式(4)

式(5)

式中:Li、Hi分別代表最小和最大響應(yīng)值,d1,d2…dn為各響應(yīng)值的期望值,n為響應(yīng)值數(shù)目,w為重要度1～5。d1為硬度期望函數(shù)值,d2為吸水率期望函數(shù)值,d3為碘藍值期望函數(shù)值。w1、w2、w3分別為3項指標的重要度,在實際評價過程中,其大小要視指標的性質(zhì)和側(cè)重程度而定。糙米的硬度指示糙米蒸煮后的食用口感,重要度設(shè)為4;吸水率指示糙米蒸煮后的糙米飯的含水量,重要度設(shè)為3;米湯碘藍值指示糙米蒸煮過程中溶出的可溶性淀粉,重要度設(shè)為3。因此,w1=4,w2=3,w3=3。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)通過SPSS 22進行分析,ANOVA程序用于方差分析,鄧肯氏多重比較法(Duncan’s multiple range test)進行數(shù)據(jù)多重比較分析。通過Design Expert 8.0.6設(shè)計響應(yīng)面實驗和期望函數(shù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波處理對糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響

2.1.1 微波時間的影響 由圖1a、1b可知,吸水率、碘藍值和可溶性固形物隨微波時間的延長而增大,增幅分別為17.0%,32.4%和22.1%。在微波處理初始60 s內(nèi)糙米飯的硬度大幅降低,降幅可達14.1%,隨后硬度降低趨勢逐漸平緩,降幅僅為0.4%(圖1b)。Yu等[13]研究表明,吸水率、可溶性固形物含量和碘藍值高的糙米食味品質(zhì)較好。微波處理后,由于糙米皮層的自身結(jié)構(gòu)形態(tài)與內(nèi)部大米的差異,表層的能量吸收速率高于內(nèi)部[14],這種能量差會導(dǎo)致糙米皮層的破壞,進而影響籽粒的吸水率和米湯可溶性固形物,同時也會造成硬度降低,此外微波處理后,淀粉分子之間持續(xù)摩擦和碰撞,引起籽粒溫度上升的同時,淀粉結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)松散狀態(tài)[23],直鏈淀粉溶出導(dǎo)致碘藍值增加。微波時間超過60 s后,糙米飯硬度、吸水率、米湯碘藍值和可溶性固形物含量趨于平緩,而150 s后糙米破損,營養(yǎng)物質(zhì)大量流失。結(jié)合此次糙米蒸煮食用品質(zhì)特性以及能耗背景,初步設(shè)定微波處理適宜時間為60 s。

圖1 微波工作時間對糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響Fig.1 Effects of microwave treatment time on cooking and taste quality of brown rice注:相同字母表示差異不顯著(p>0.05), 不同字母表示差異顯著(p<0.05),圖2、圖3同。

2.1.2 微波功率的影響 由圖2可知,糙米吸水率、碘藍值和可溶性固形物均隨著微波功率升高而增加,增幅分別為12.7%、35.1%和32.4%。相同時間內(nèi),高功率微波輻照劑量更大,導(dǎo)致處理后糙米吸水率、米湯可溶性固形物和碘藍值增加,這與張習軍在研究微波處理對稻谷食味品質(zhì)影響結(jié)果類似[24]。Zhao[25]研究發(fā)現(xiàn),微波處理后的大米水溶性直鏈淀粉含量增加,進而引起碘藍值的升高,有助于改善蒸煮后的食用口感;另一方面,微波處理后會增加大米的可溶性蛋白含量,有利于蒸煮后的吸水膨脹和糊化,增加蒸煮米飯的黏性,但隨著微波功率進一步提升后,水溶性蛋白含量逐漸降低。這是因為高功率微波具很強的穿透力,酶等蛋白質(zhì)類物質(zhì)極易變性,同時高功率微波也會導(dǎo)致淀粉顆粒被破壞,米飯口感變差[14]。糙米飯硬度隨微波功率增加而減少,而微波功率超過2000 W后硬度先增加后減少(圖2b),同時糙米籽粒嚴重破壞。因此,結(jié)合此次單因素實驗分析,選擇微波處理適宜功率為2000 W。

圖2 微波功率對糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響Fig.2 Effects of microwave power on cooking and taste quality of brown rice

2.1.3 初始水分含量的影響 圖3為不同初始水分的糙米在2000 W微波功率下分別作用60 s后糙米蒸煮品質(zhì)變化。水分子為極性分子,在微波場中糙米的水分對微波的吸收作用比淀粉等其他物質(zhì)更強,因此樣品中水分含量不同,微波處理后產(chǎn)生的效應(yīng)不同[24]。由圖3可知,糙米吸水率、碘藍值和可溶性固形物均隨著糙米初始水分含量升高而增加,增幅分別為3.4%、50.0%和15.6%。糙米飯硬度隨初始水分增加而降低,最大降幅為22.6%(圖3b)。由圖可知,可溶性固形物、碘藍值和吸水率在初始水分高于14%時趨于平緩,而初始水分高于15%時糙米籽粒破損吸水率增加迅速。綜合分析糙米初始水分適宜為14%。

圖3 初始水分對糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響Fig.3 Effects of moisture content on cooking and taste quality of brown rice

2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果 實驗方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面分析實驗方案及結(jié)果Table 2 Program and experimental results of response surface design

2.2.2 方差分析與回歸方程 回歸得到各指標與各因素間的多元二次回歸模型(表3),對微波改性糙米吸水率、碘藍值和糙米飯硬度進行方差分析(表4)。硬度與三因素的回歸方程p<0.05,R2為0.9231,變異系數(shù)(C.V.%)為3.16,說明硬度與三因素之間的多元回歸關(guān)系顯著且誤差較小,回歸方程失擬項無顯著性差異(p>0.05),回歸方程與實驗的擬合度高,說明該方程可用以代替實際實驗對結(jié)果進行分析,并對工藝參數(shù)范圍內(nèi)不同條件下硬度進行預(yù)測。硬度、吸水率、碘藍值與三因素的回歸關(guān)系顯著(p<0.05),表明方程的擬合度高,可作科學(xué)預(yù)測?；貧w方程表明各因素對響應(yīng)值的影響并非簡單的線性關(guān)系,還受因素之間交互作用的影響,其中二次項X1X2對吸水率的影響顯著(p<0.05);二次項X2X3對吸水率的影響極顯著(p<0.01)。

表3 各響應(yīng)值回歸方程Table 3 Regression equations of responses

表4 多元線性回歸方差分析Table 4 Variance analysis of multiple linear regression relationship

2.2.3 響應(yīng)面分析

2.2.3.1 糙米飯硬度 圖4反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對糙米飯硬度的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,米飯的硬度降低幅度越高。這是因為糙米在吸收微波輻照產(chǎn)生的熱效應(yīng)破壞糙米皮層,蒸煮米飯時水分更容易進入糙米,米飯硬度降低更易煮熟[26]。微波處理可改變支鏈淀粉的微晶結(jié)構(gòu),增加淀粉顆粒的溶脹程度和持水力[24],蒸煮時能吸收更多水分減小硬度,提高米飯的食味品質(zhì)。當籽粒內(nèi)外層水分梯度較小時,糙米中因水分吸收微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)對硬度的影響差異有限,因此米飯硬度變化不明顯(圖4b、4c)。

圖4 各因素交互作用對硬度影響的響應(yīng)面Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on hardness

2.2.3.2 糙米吸水率 圖5反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對糙米吸水率的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,糙米吸水率增加。原因是微波處理后破壞糙米表面的麩皮和蠟質(zhì)層,同時微波處理可改變糙米淀粉的微晶結(jié)構(gòu),增加糙米內(nèi)部淀粉顆粒的溶脹程度和持水力[25,27],糙米在蒸煮過程中能吸收更多水分,吸水率增加。圖5b、5c表明初始水分與微波時間交互時,微波時間越長吸水率增加;初始水分與微波功率交互作用時微波功率相對越大,吸水率增幅較小。

圖5 各因素交互作用對吸水率影響的響應(yīng)面Fig.5 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on water absorption

2.2.3.3 米湯碘藍值 圖6反映出當初始水分、微波時間和功率三因素之一取零水平時,其他二因素對米湯碘藍值的影響。當微波功率越大,微波時間越長時,糙米米湯碘藍值增加。這是因為微波處理后破壞糙米表面的麩皮和蠟質(zhì)層,而淀粉大分子鏈極性基團在微波交變電磁場的作用下產(chǎn)生高頻擺動[27],這種高頻率的擺動容易造成大分子顆粒間的相會碰撞和摩擦,進而產(chǎn)生熱量并使淀粉分子結(jié)構(gòu)松散,直鏈淀粉易溶出,導(dǎo)致碘藍值上升[24]。水溶性直鏈淀粉含量高的大米蒸煮成米飯后,黏性增加,有助于糊化,具有良好的食用口感。圖6b、6c表明初始水分與微波功率交互作用時微波功率越大,米湯碘藍值增加;初始水分與微波時間交互時,時間相對越長碘藍值增加。

圖6 各因素交互作用對米湯碘藍值影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on iodine blue value

2.3 結(jié)果優(yōu)化與驗證

2.3.1 期望函數(shù) 在微波處理糙米的實驗中,目標期望設(shè)為糙米蒸煮食用品質(zhì)最佳。在本研究中各品質(zhì)指標期望函數(shù)重要度的選取按1.2.5節(jié)被定義為:最大化吸水率和碘藍值,重要度均設(shè)為3;最小化糙米飯硬度,重要度為4。期望函數(shù)最大值為1,最小值為0,響應(yīng)面分析將各指標期望函數(shù)最大化或最小化,得到最大期望[17,19]。最終優(yōu)化后得出工藝參數(shù)為:微波功率2399.95 W、微波時間74.56 s、初始水分14.50%,此時糙米飯硬度為2866.5 g,吸水率為56.95%,碘藍值為0.57,期望函數(shù)值最大,為0.74。

2.3.2 驗證實驗結(jié)果 為了考察預(yù)測結(jié)果的可靠性,在優(yōu)化的工藝參數(shù)下進行驗證實驗,考慮到實際操作條件,將最佳工藝參數(shù)修正為:微波功率2400 W、微波時間75 s、初始水分14.5%,所得此時糙米飯硬度為2865.85 g,吸水率為56.96%,碘藍值為0.57,期望函數(shù)值最大為0.76,與理論預(yù)測值0.74差異不顯著(p>0.05),模型可靠。與原始糙米相比,硬度降低21.54%,吸水率增加26.94%,碘藍值增加56.76%。

3 結(jié)論

本文主要探討不同微波處理工藝對糙米蒸煮特性的影響,通過分析糙米飯硬度,糙米吸水率,米湯碘藍值和米湯可溶性固形物等食用品質(zhì)指標,衡量微波處理對糙米蒸煮食用品質(zhì)的提升效果。同時結(jié)合期望函數(shù)串聯(lián)響應(yīng)面法進行微波改性工藝優(yōu)化,獲得對糙米蒸煮品質(zhì)提升效果最好的微波工藝參數(shù),結(jié)論如下:

微波處理對糙米蒸煮品質(zhì)的提升效果顯著,通過響應(yīng)面分析得出微波處理的最佳工藝參數(shù)為:微波功率2400 W、微波時間75 s、初始水分14.5%,所得此時糙米飯硬度為2865.85 g,吸水率為56.96%,碘藍值為0.57,期望函數(shù)值最大為0.76,所得品質(zhì)指標與理論值相對誤差均小于5%,微波處理過的糙米蒸煮品質(zhì)提升效果明顯,說明優(yōu)化工藝可靠有效。

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