陳坤林,張文莉,吳少福,蔡志鵬,盧玉萍,袁蒙,曹瑜,沈勇根*
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330045;2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江西 九江 332007)
芡實(shí)為睡蓮科水生草本植物芡(EuryaleferoxSalisb.)的干燥成熟種仁,在植物學(xué)上被稱為歐洲黑麥草、狐貍堅(jiān)果,又名雞頭米、雞頭子等[1]。始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,列為上品,性味甘平,具有補(bǔ)脾、止瀉、除濕、益腎固精之功效,素有“水中桂圓”的稱號(hào)。
芡實(shí)的產(chǎn)后加工與保鮮方法有干制、罐頭加工、速凍保鮮以及其他以芡實(shí)為原料的食品加工[2]。目前,芡實(shí)資源的綜合利用率低,精深加工產(chǎn)品較少,產(chǎn)品附加值低。國(guó)內(nèi)芡實(shí)加工以干制品居多,罐藏和速凍保藏較少;初加工產(chǎn)品較多,深加工產(chǎn)品較少,產(chǎn)品附加值不高,芡實(shí)的大規(guī)模生產(chǎn)加工受到限制[3]。芡實(shí)原料本身的結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響芡實(shí)加工的最終產(chǎn)品性質(zhì),因此通過糊化方式改變芡實(shí)品質(zhì),從而提高芡實(shí)食品加工方式。淀粉的糊化方式有很多種,如常壓蒸煮、焙烤、擠壓膨化和酶解等,不同處理方式都會(huì)影響芡實(shí)的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。其中擠壓膨化技術(shù)因具有占地少、效率高、連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)得到迅速的發(fā)展與推廣,并廣泛運(yùn)用于雜糧加工行業(yè)[4]。擠壓膨化是一種新型的食品加工技術(shù),集高壓、高溫和高剪切力于一體。原料在擠壓機(jī)中處于高壓下,并在通過模頭排出時(shí)突然下降到正常壓力。由于壓力急劇下降,材料被膨化成多孔結(jié)構(gòu),有利于粉末快速吸收水分[5]。膨化擠壓方式通過對(duì)植物性全粉晶型區(qū)域進(jìn)行破壞,擴(kuò)大了淀粉的非晶體區(qū)域從而改進(jìn)淀粉的功能性,改善了粉體的沖調(diào)性能[6-7]。
膨化工藝日益成熟,膨化工藝作為現(xiàn)代化日趨完善的工藝加工方式,能夠促進(jìn)食物的改良變性[8]。對(duì)于芡實(shí)擠壓膨化的加工工藝與結(jié)構(gòu)表征方面鮮有報(bào)道。本文采用擠壓膨化技術(shù)處理芡實(shí)粉,研究擠壓處理對(duì)芡實(shí)粉的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)如糊化度、微觀結(jié)構(gòu)表征的影響,并對(duì)擠壓芡實(shí)的感官進(jìn)行評(píng)定,優(yōu)化芡實(shí)的膨化工藝條件,改善芡實(shí)粉的沖調(diào)性能,為擴(kuò)大芡實(shí)基礎(chǔ)原料發(fā)展奠定了基礎(chǔ),也為未來對(duì)芡實(shí)相關(guān)產(chǎn)品附加值能得到較好提升鋪平了道路。
芡實(shí):江西余干芡實(shí)產(chǎn)業(yè)園。
高速粉碎機(jī) 永康市鉑歐五金制品有限公司;電子天平 上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥機(jī) 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;DSE30實(shí)驗(yàn)型雙螺桿擠壓膨化機(jī) 山東力久特種電機(jī)股份有限公司;TA-XT Plus物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro System公司;FEI Quanta-250型掃描式電子顯微鏡(SEM) 美國(guó)FEI公司。
1.2.1 工藝流程
芡實(shí)→精選→清洗→干燥→粉碎→過篩→高溫?cái)D壓膨化→磨粉→包裝→成品。
1.2.2 注意事項(xiàng)
1.2.2.1 芡實(shí)的預(yù)處理
芡實(shí)應(yīng)經(jīng)過精選,精選過程中挑出壞粒;挑選過后放入超聲清洗器中用清水洗滌2次,洗去灰塵以及雜質(zhì);干燥過程中,將洗凈的芡實(shí)放入電熱鼓風(fēng)干燥機(jī),溫度為60 ℃,熱風(fēng)干燥2 h;干燥后的芡實(shí)經(jīng)磨粉過篩。
1.2.2.2 膨化擠壓參數(shù)的設(shè)定
擠壓膨化是由物料吸收熱量后的蛋白質(zhì)變性和淀粉糊化完成,擠壓膨化的熱量來源于筒壁加熱,擠壓腔內(nèi)的加熱區(qū)域由Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)組成,經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)測(cè)定及參照李廷渲的試驗(yàn)方法,發(fā)現(xiàn)Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)對(duì)膨化芡實(shí)成型影響不大,由此設(shè)定膨化Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)溫度分別為 70,150 ℃,喂料速度為10 Hz,膜孔直徑為2.7 mm。
1.2.2.3 成型加工
成型后的芡實(shí)膨化顆粒經(jīng)過磨粉過篩。
1.2.2.4 成品塑封
將調(diào)配好的芡實(shí)膨化粉放入保鮮包裝袋中,用封口機(jī)密封保存。
1.3.1 膨化工藝單因素試驗(yàn)
以感官評(píng)分為指標(biāo),固定芡實(shí)目數(shù)100目、螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min、Ⅱ區(qū)擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%,考察物料濕度(4%、6%、8%、10%、12%)對(duì)芡實(shí)粉感官品質(zhì)的影響;以感官評(píng)分為指標(biāo),固定物料濕度8%、螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min、Ⅱ區(qū)擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%,考察芡實(shí)目數(shù)(40,60,80,100,120目)對(duì)芡實(shí)粉感官品質(zhì)的影響;以感官評(píng)分為指標(biāo),固定物料濕度8%、芡實(shí)目數(shù)100目、Ⅱ區(qū)擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%,考察螺桿轉(zhuǎn)速(135,140,145,150,155 r/min)對(duì)芡實(shí)粉感官品質(zhì)的影響;以感官評(píng)分為指標(biāo),固定物料濕度8%、芡實(shí)目數(shù)100目、螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min、水分添加量14%,考察Ⅱ區(qū)擠壓溫度(130,135,140,145,155 ℃)對(duì)芡實(shí)粉感官品質(zhì)的影響;以感官評(píng)分為指標(biāo),固定物料濕度8%、芡實(shí)目數(shù)100目、螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min、Ⅱ區(qū)擠壓溫度150 ℃,考察芡實(shí)水分含量(5%、8%、11%、14%、17%)對(duì)芡實(shí)粉感官品質(zhì)的影響。
1.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)
通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最佳芡實(shí)代餐粉感官評(píng)價(jià)組合。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇物料濕度(A)、螺桿轉(zhuǎn)速(B)、擠壓溫度(C)、芡實(shí)目數(shù)(D)4個(gè)因素,采用響應(yīng)面試驗(yàn)的方法優(yōu)化芡實(shí)膨化粉工藝,以感官評(píng)分為響應(yīng)值,Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。
表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)
1.4.1 感官試驗(yàn)
感官人員選擇:由10名食品專業(yè)學(xué)生組成感官評(píng)價(jià)小組,評(píng)價(jià)人員男女均占一半,各項(xiàng)感知能力均正常。感官評(píng)價(jià)因素:感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 10221-2012《感官分析 術(shù)語》[9],確定從色澤、香味、口感、膨化程度、外觀5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分, 每項(xiàng)權(quán)重各占0.2,整體認(rèn)可度為每項(xiàng)感官評(píng)分乘以權(quán)重后的加和,感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。
表2 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
1.4.2 糊化度
參照梁寶丹等[10]的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。
1.5.1 掃描電鏡測(cè)定
對(duì)象 選取北京協(xié)和醫(yī)院2016年6月至2018年5月符合以下標(biāo)準(zhǔn)的患者。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)經(jīng)臨床及病理確診為TIO的患者;(2)99mTc-HYNIC-TOC SPECT顯像結(jié)果陰性。排除標(biāo)準(zhǔn):具有低磷性骨軟化癥家族史;因原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)、腎小管酸中毒、長(zhǎng)期阿德福韋酯藥物使用史等其他可能原因致低磷骨軟化患者。共納入37例患者,其中男性22例、女性15例。平均年齡(44±13)歲(17~75歲)。本研究通過本院倫理委員會(huì)審查,所有患者檢查前均簽署知情同意書。
運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察芡實(shí)膨化粉的表面和顆粒與顆粒之間間距及微觀結(jié)構(gòu)。將樣品置于40 ℃干燥2 h,樣品干燥后取出并密封于封口袋中。將樣品用導(dǎo)電膠帶固定在載體上,并且用洗耳球吹勻樣品,為避免在電子束下充電,對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金(10 nm)處理[11],加速電壓15 kV,用掃描電鏡放大100,400,600倍條件下觀察樣品粉體表面分布及其顆粒之間的距離遠(yuǎn)近,顆粒大小均勻狀態(tài)。
1.5.2 質(zhì)構(gòu)分析測(cè)定
將芡實(shí)膨化的球體直接放在物性測(cè)定儀上。測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu),選取了P50柱形探頭對(duì)膨化芡實(shí)球體的彈力、硬度、黏性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,參數(shù)設(shè)置為測(cè)試前速度5 mm/s,測(cè)試速度1 mm/s,測(cè)試后速度5 mm/s,往復(fù)進(jìn)行2次測(cè)試,每個(gè)樣品測(cè)試8次,取得8次的平均值[12]。
使用Design Expert 11.0進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化,通過SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,Origin 2019進(jìn)行繪圖處理。
2.1.1 物料濕度對(duì)芡實(shí)膨化感官品質(zhì)的影響
由圖1可知,隨著物料濕度的增加,膨化后的芡實(shí)感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),而糊化度呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。物料濕度在6%~8%時(shí),糊化度處于快速上升階段,糊化度為67.2%~82.5%;感官評(píng)分為73.2~84.2分。物料濕度較低時(shí),芡實(shí)粉團(tuán)過于干燥導(dǎo)致進(jìn)入膨化管腔中,水分含量相對(duì)較低時(shí),在擠壓過程中產(chǎn)生的水蒸氣較少[13],粉體過于干燥進(jìn)而通過高溫度區(qū)域時(shí),擠壓無法成型,容易焦糊或炭化造成堵塞;水分添加量過多時(shí),大量水分進(jìn)入到膨化管腔中,水分汽化過多,腔體內(nèi)壓力不穩(wěn),造成物料經(jīng)過膨化后黏度過高,難以成型,故選取水添加量為8%。
圖1 物料濕度對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響
由圖2可知,隨著膨化芡實(shí)原料目數(shù)的增加,膨化后芡實(shí)的糊化度與感官評(píng)分迅速升高,芡實(shí)目數(shù)在80~100目時(shí),膨化芡實(shí)的感官評(píng)分與糊化度較高,分別為81.4~86.9分和92.7%~94.4%,當(dāng)達(dá)到100目時(shí),膨化芡實(shí)的糊化度與感官評(píng)分達(dá)到最大值,繼續(xù)提高目數(shù),糊化度與感官評(píng)分略有下降。由此可知,當(dāng)芡實(shí)目數(shù)過小時(shí),顆粒過大造成膨化時(shí)容易堵塞壁腔,使芡實(shí)膨化的成型性不好,甚至無法成型,糊化不徹底。芡實(shí)目數(shù)過大,芡實(shí)顆粒過細(xì)碎,小顆粒聚集造成進(jìn)入汽化室過多,則膨化的效果不佳。因此,當(dāng)目數(shù)達(dá)到100目時(shí),糊化充分,糊化度良好,黏度增加,膨化效果較好。
圖2 目數(shù)對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響
2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)芡實(shí)膨化感官品質(zhì)的影響
由圖3可知,隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加,膨化后的芡實(shí)膨化度與感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),螺桿轉(zhuǎn)速在140~145 r/min時(shí),膨化芡實(shí)的感官評(píng)分與糊化度較高,分別在80.1~84分和90.8%~92.4%。在螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到145 r/min時(shí),膨化度與感官評(píng)價(jià)都達(dá)到最佳水平。原因可能是螺桿轉(zhuǎn)速過低,物料所承受的剪切力作用低,并且膨化受熱時(shí)間較長(zhǎng),容易造成口感不佳。螺桿轉(zhuǎn)速過高,物料與膨化管壁之間的摩檫力和剪切力增加,受熱時(shí)間短,導(dǎo)致芡實(shí)膨化期間熟化不均勻[14]。所以,螺桿轉(zhuǎn)速為145 r/min時(shí)膨化效果好。
圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響
2.1.4 Ⅱ區(qū)溫度對(duì)芡實(shí)膨化感官品質(zhì)的影響
由圖4可知,芡實(shí)膨化的糊化度與感官評(píng)分隨著Ⅱ區(qū)溫度的升高先上升后下降,Ⅱ區(qū)溫度在135~145 ℃時(shí),膨化芡實(shí)的感官評(píng)分與糊化度較高,分別為79.2~84.4分和91.5%~94.4%。Ⅱ區(qū)溫度在140 ℃時(shí)糊化度與感官評(píng)分最佳。由于淀粉糊化和蛋白變性需要適宜的溫度,吸收足夠的能量,才能完成淀粉糊化和蛋白質(zhì)變性[15]。芡實(shí)Ⅱ區(qū)膨化溫度過低,導(dǎo)致膨化過程中芡實(shí)粉受熱不足,膨化程度過低,蓬松感不足。Ⅱ區(qū)溫度過高,導(dǎo)致淀粉的分解程度大于淀粉的糊化程度,出現(xiàn)燒焦色度,顏色過黑,口感差[16]。因此,Ⅱ區(qū)溫度選用140 ℃時(shí)芡實(shí)膨化效果極佳。
圖4 Ⅱ區(qū)溫度對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響
2.1.5 芡實(shí)顆粒內(nèi)部水分含量對(duì)芡實(shí)膨化感官品質(zhì)的影響
由圖5可知,芡實(shí)膨化的感官評(píng)分隨著芡實(shí)中水分含量的升高先持續(xù)升高后下降,而糊化度一直處于上升趨勢(shì),芡實(shí)中的含水量在11%~17%時(shí),膨化芡實(shí)的感官評(píng)分與糊化度較高,分別為81.2~82.4分和83.4%~90.8%。芡實(shí)中水分含量在14%時(shí),感官評(píng)分最高。芡實(shí)中的水分含量過低,過于干燥,在進(jìn)行調(diào)整物料濕度時(shí),水分不好控制,導(dǎo)致膨化效果不理想。水分能調(diào)控筒壁間的摩檫力,起到潤(rùn)滑的功效,芡實(shí)中的水分含量過高,膨化過程中物料濕度調(diào)整會(huì)過高,導(dǎo)致膨化出的芡實(shí)黏度過高,氣孔過多,亦難成型[17]。因此,在芡實(shí)中的水分含量為14%時(shí),芡實(shí)膨化的感官評(píng)分較佳。
圖5 水分含量對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,以芡實(shí)膨化后的感官評(píng)分作為響應(yīng)值[18],考察物料濕度(A)、螺桿轉(zhuǎn)速(B)、擠壓溫度(C)、芡實(shí)目數(shù)(D)這4個(gè)因素對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分(Y)的影響,得出最優(yōu)的試驗(yàn)方法。Box-Behnken試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3,方差分析結(jié)果見表4。
表3 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果
續(xù) 表
表4 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析結(jié)果
由表3可知,運(yùn)用響應(yīng)面試驗(yàn)分析試驗(yàn)結(jié)果,得到膨化芡實(shí)的感官評(píng)分(Y)的回歸方程為:Y=89.67+0.2542A+0.875B+0.3617C-0.9075D+0.405AB-0.2325AC+0.425AD-0.3325BC-0.5475BD-2.04CD-2.61A2-1.9B2-4.82C2-1.83D2。
由表4可知,該模型差異極顯著(P<0.01),決定系數(shù)R2為0.9053,說明模型擬合程度優(yōu)良,能較為直觀地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果。失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),說明模型誤差較小,校正決定系數(shù) RAdj2為 0.8106,說明模型的相關(guān)性和解釋度都很好,可以用此模型進(jìn)行理論分析和預(yù)測(cè)。二次項(xiàng)A2、C2對(duì)芡實(shí)粉感官評(píng)分的影響極顯著(P<0.01),交互項(xiàng)CD和二次項(xiàng) B2、D2影響顯著(P<0.05)。4 個(gè)影響因素中,對(duì)芡實(shí)膨化粉感官評(píng)分影響最大的為芡實(shí)目數(shù),其次為螺桿轉(zhuǎn)速,而后為膨化溫度,影響最小的為物料濕度。
由Design-Expert 12.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面圖的繪制,通過3D響應(yīng)面圖能較為直觀地反映出各因素之間的交互作用對(duì)膨化芡實(shí)感官評(píng)分的影響,響應(yīng)面分析結(jié)果見圖6。
a.物料濕度與螺桿轉(zhuǎn)速
通過該響應(yīng)面3D圖的形象直觀表達(dá)[19],由圖6可知,BC、BD的曲面較為陡峭,芡實(shí)目數(shù)與螺桿轉(zhuǎn)速的變化曲線比膨化溫度的變化曲線更陡峭,表明芡實(shí)目數(shù)和螺桿轉(zhuǎn)速比膨化溫度的影響更為顯著一些。AD、CD、AC的曲面陡峭,根據(jù)曲面陡峭程度可知芡實(shí)目數(shù)和物料濕度對(duì)芡實(shí)膨化感官評(píng)分的影響最大,其次為芡實(shí)目數(shù)與膨化溫度,最后為膨化溫度與添水量。AB的曲面較為平緩,其對(duì)芡實(shí)膨化的影響較小。由此可知,對(duì)芡實(shí)代餐粉感官評(píng)分影響最大的為芡實(shí)目數(shù),其次為螺桿轉(zhuǎn)速,而后為膨化溫度,影響最小的為水添加量。
Design-Expert 12.0軟件對(duì)試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果為89.97分,該條件下的感官評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值為芡實(shí)目數(shù)92.3目、螺桿轉(zhuǎn)速151.3 r/min、膨化溫度140.5 ℃、水添加量8.07%。采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),為方便操作,條件參數(shù)設(shè)為芡實(shí)目數(shù)90目、螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min、膨化溫度140 ℃、水添加量8%,該條件下重復(fù)試驗(yàn)3次,測(cè)得芡實(shí)膨化感官評(píng)分平均值為89.23分,與模型預(yù)測(cè)值無明顯差異,說明該模型優(yōu)化得到的芡實(shí)膨化工藝參數(shù)可靠。
掃描電鏡作為分析工具是研究代餐粉顆粒系統(tǒng)的手段,傳統(tǒng)的顯微鏡(SEM)定位技術(shù)在食品結(jié)構(gòu)研究中得到了樣品結(jié)構(gòu)的定性描述[20]。
由圖7可知,芡實(shí)膨化粉在100倍下,顆粒均勻且緊密分布,流動(dòng)性較好。其中,在400倍及600倍下,觀察的顆粒分布性好,間隙緊密,流動(dòng)性與整體性能相對(duì)增強(qiáng)[21]。通過圖片可直觀形象展示出工藝優(yōu)化結(jié)構(gòu),通過膨化工藝的優(yōu)化,芡實(shí)粉的各項(xiàng)物理性能有所提高。
a.芡實(shí)膨化粉100×
由表5可知,經(jīng)過擠壓膨化后的芡實(shí)球體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔,組織化程度高,纖維結(jié)構(gòu)良好;通過擠壓膨化的芡實(shí),膨化度良好,形狀規(guī)則立體,彈性適度,磨粉后粉體流動(dòng)性較好,并且口感提升不少。
表5 膨化芡實(shí)球體顆粒的質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果
芡實(shí)通過膨化擠壓技術(shù),在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析,從而獲得最優(yōu)工藝條件:當(dāng)芡實(shí)目數(shù)為90目、螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min、膨化溫度為140 ℃、物料濕度為8%、芡實(shí)水分含量為14%時(shí),膨化后芡實(shí)淀粉糊化徹底,糊化度良好,顆粒呈棕褐色,表面光滑,內(nèi)部疏松多孔且具有芡實(shí)特有的香味。研磨成粉體后,沖調(diào)性得到較好改善,且無結(jié)塊產(chǎn)生,口感順滑,通過此工藝優(yōu)化后,提升了芡實(shí)相關(guān)產(chǎn)品的特性及功能。