樊夢珂 陳鵬梟 劉 燁 朱文學 蔣萌蒙 張玉榮 王曉彎 吳建章

小麥是中國主要糧食作物之一。但近幾年隨著環(huán)境日益惡化極端天氣頻發(fā),導(dǎo)致洪水和城市內(nèi)澇,小麥貯運環(huán)節(jié)遭受著前所未有的挑戰(zhàn)[1]。同時,中國湖北、江蘇、安徽等沿淮地區(qū)的小麥收獲正值梅雨季節(jié),由于受到雨水影響,收獲時小麥含水量高達35%左右,遠高于正常收獲的。為了防止貯藏時小麥發(fā)生霉變、蟲害等險情,必須及時對其進行干燥處理[2-3]。目前,關(guān)于小麥干燥工藝和干后品質(zhì)的研究大多只針對正常收獲的小麥,正常收獲小麥和高水分小麥之間的物性存在很大差別,現(xiàn)有小麥干燥技術(shù)不適用于高水分小麥的干燥。

小麥籽粒的品質(zhì)主要包括外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì),三者具有一定的關(guān)聯(lián)性[4-6]。外觀品質(zhì)主要指小麥籽粒的三軸尺寸、色澤等指標,是評判小麥質(zhì)量好壞的首要依據(jù)[7]。營養(yǎng)品質(zhì)是指小麥籽粒所含營養(yǎng)物質(zhì)的多少,包括小麥蛋白質(zhì)、淀粉、粗脂肪等含量[8]。加工品質(zhì)主要包括制粉品質(zhì)和食品制作品質(zhì)。Ugareiah等[9]選用4個品種的小麥在50～100 ℃下進行干燥,當小麥干燥溫度低于50 ℃時,其籽粒生物活性保留較為完好,干燥溫度繼續(xù)升高,面筋沉降值降低,當干燥溫度高于70 ℃時,面筋質(zhì)量損傷嚴重。郭翎菲等[10]以新收獲小麥為試驗材料,發(fā)現(xiàn)適當?shù)母稍锾幚砜梢愿纳菩←湹拿娼钯|(zhì)量,但過高的溫度會對小麥產(chǎn)品產(chǎn)生不良影響。干燥工藝的選擇決定了小麥干后品質(zhì)的優(yōu)劣[11-14]。

研究擬以熱風干燥處理后的小麥為原料,從外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、加工品質(zhì)3個方面探究干燥條件對高水分小麥品質(zhì)的影響。并在品質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,以干燥溫度、干燥風速、緩蘇時間為影響因素,對高水分小麥進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗,通過響應(yīng)面擬合和數(shù)據(jù)分析,得出最優(yōu)干燥工藝參數(shù),以期為高水分小麥干燥技術(shù)的開發(fā)提供依據(jù),為中國糧食儲備應(yīng)急管理體系現(xiàn)代化建設(shè)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

小麥籽粒:濟麥22,大小均勻,完整無損,色澤正常,小麥初始含水率為11.6%;

分析天平:FA2004型,精度0.001 g,上海上平儀器有限公司;

電熱鼓風干燥箱:HGZF-101-2型,上海躍進醫(yī)療器械有限公司;

洞道式熱風干燥設(shè)備:YC-GZ/DD型,湘潭市天科儀器有限公司;

錘式旋風磨:BLH-5600型,鞏義市金億機械設(shè)備有限公司;

面筋儀:MJ-IIIB型,杭州大吉光電儀器有限公司;

色差儀:CR-400型,柯尼卡美能達(中國)投資有限公司;

生物掃描電子顯微鏡:SU8100型,日本日立公司;

凱氏定氮儀:KDN-08型,上海新嘉電子有限公司;

破損淀粉儀:SDmatic型,特雷首邦(北京)貿(mào)易有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 小麥熱風干燥試驗 試驗前,根據(jù)GB/T 20571—2006對小麥進行霧化著水并攪拌,將其濕基含水率調(diào)節(jié)至設(shè)定值(35.0±0.5)%,保證物料加濕均勻;人工加濕后用密封袋密封,常溫下保存24 h備用。利用洞道式熱風干燥試驗裝置對高水分小麥進行薄層干燥試驗,用鐵絲網(wǎng)圍成一個干燥容器用于盛放。在不同干燥溫度(40,45,50,55,60 ℃)、干燥風速(0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m/s),以及緩蘇時間(15,30,45,60,75 min)下進行干燥試驗。試驗過程中,每10 min取出并稱量一次樣品質(zhì)量,按式(1)計算出各時刻含水率,直至小麥含水率達到安全水分[(12.0±0.5)%]時停止干燥。每組試驗重復(fù)3次,試驗結(jié)束后將小麥冷卻至室溫,取一部分用錘式旋風磨進行粉碎,制得全麥粉后,將其裝入密封袋中,于4 ℃冰箱貯藏備用。

(1)

式中:

M——小麥干基含水率,%;

mt——t時刻小麥質(zhì)量,kg;

mg——小麥絕干物質(zhì)的質(zhì)量,kg。

1.2.2 色差測定 采用色差儀測定不同含水率下全麥粉的明亮度L*、紅綠值a*和黃藍值b*,每個樣品測3次,取平均值。

1.2.3 粗蛋白質(zhì)含量測定 參照GB 5009.5—2016,換算系數(shù)為5.7。

1.2.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察 取新鮮小麥及不同干燥處理后的小麥進行制樣,切開并獲得有粗糙面的小麥樣品,將其用4%戊二醛常溫下固定2 h以上,倒掉固定液,用pH 7.0、濃度0.1 mol/L的磷酸緩沖液對樣品進行漂洗,每次15 min,重復(fù)3次;用不同體積分數(shù)乙醇(30%,50%,70%,80%,90%)溶液進行脫水處理,每種濃度處理15 min;采用丙酮及乙酸異戊酯進行置換,每次30 min。對樣品進行臨界點干燥,鍍金屬膜,掃描電鏡觀察。

1.2.5 濕面筋含量測定 參照 GB/T 5506.2—2008。

1.2.6 小麥粉面團流變學特性測定 參照 GB/T 14614—2019。

1.2.7 響應(yīng)面試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果,以干燥溫度、干燥風速和緩蘇時間為影響因素,以平均干燥速率、色差L*值和濕面筋含量作為響應(yīng)值。每個因素選取3個水平,對高水分小麥進行三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗結(jié)果均為3次試驗的平均值,采用Excel軟件進行統(tǒng)計分析。響應(yīng)面試驗通過Design-Expert 10.0軟件進行試驗設(shè)計及方差分析。

響應(yīng)面優(yōu)化試驗各指標的綜合評價:對于取值越大越好的指標(干燥速率、色澤L*、濕面筋含量)的歸一值Si,采用Hassan方法[15]對數(shù)據(jù)進行歸一化處理ADDIN[式(2)]。設(shè)定綜合評分(P)為小麥色澤、濕面筋含量及干燥速率標準化處理后的值乘上權(quán)重后的和,根據(jù)干燥工藝對干燥速率、色澤及濕面筋含量的影響,其權(quán)重系數(shù)分別為0.4,0.4,0.2,在此基礎(chǔ)上進行綜合評價。

(2)

式中:

Si——經(jīng)歸一化處理后的數(shù)據(jù);

Y——試驗指標的測定值(干燥速率Y1、色澤Y2及濕面筋含量Y3);

Ymax、Ymin——各指標的最大、最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥工藝對小麥干燥特性的影響

由圖1可知,小麥干燥速率隨干燥溫度的升高而快速升高,當干燥溫度為60 ℃時干燥速率最快,40 ℃時的干燥速率最慢。小麥熱風干燥過程為降速干燥過程,干燥初期干燥速率較大,隨后逐漸降低。這可能是由于干燥初期高水分小麥的濕度梯度較大,水分的擴散和傳質(zhì)速度較快,因此干燥速率也較快。干燥后期,高水分小麥的含水率降低,濕度梯度變小。此外,干燥初期的小麥脫水較快,使表皮出現(xiàn)皺縮,傳質(zhì)阻力增大,故干燥速率降低,干燥時間增加[16]。小麥干燥速率隨干燥風速的增加而增大,是由于隨著風速的增加,空氣溫度升高,空氣流動速度加快,濕空氣能被迅速排出,從而加快了干燥進程[17]。由于高水分小麥在較快的風速條件下受到更強的熱空氣作用,高水分小麥表面濕度得到快速揮發(fā),干燥時間更短。緩蘇時間對干燥速率影響不顯著。經(jīng)過緩蘇后,小麥內(nèi)外濕度梯度降低,水分達到平衡,一定程度上可以提高干燥速率,進而減少烘干時間和成本,提高干燥品質(zhì)。但緩蘇所提高的干燥速率有限,過長的緩蘇時間反而會延長干燥時間,降低平均干燥速率,故對緩蘇時間的選擇需慎重。

圖1 不同干燥條件下小麥干燥速率的變化

2.2 干燥工藝對小麥外觀品質(zhì)的影響

由圖2可知,干燥溫度對小麥L*值有顯著影響(P<0.05),隨著干燥溫度的升高,高水分小麥L*值逐漸減小,a*值、b*值變化無明顯規(guī)律。當干燥溫度為60 ℃時,L*值最小,僅為56.906 7。隨著干燥溫度的升高,小麥粉在干燥過程中發(fā)生美拉德反應(yīng),使得L*值降低,與江瀟瀟等[18-19]的研究結(jié)果一致。隨著風速的增大,L*、a*、b*值均呈先減小后增大趨勢,當干燥風速為1 m/s時,色澤最低,L*、a*、b*分別為57.045 1,-0.23,7.44。這可能是因為干燥風速增大,小麥表面發(fā)生皺縮,麩皮色澤變黃,所以色澤數(shù)值降低。當風速繼續(xù)增大時,大大減少了干燥時間,避免了干燥時間過長對小麥色澤的負面影響。隨著緩蘇時間的增加,小麥L*值呈先增大后減小趨勢,a*值、b*值無顯著變化,是由于緩蘇段使高水分小麥籽粒內(nèi)外水分梯度達到平衡,一定程度上保證了干后品質(zhì);隨著緩蘇時間的延長,小麥整個干燥時長也增加,受干燥溫度影響干燥時間也延長,增加了干燥過程的褐變,因此L*值降低,與Pham等[20]的研究結(jié)論一致。

字母不同表示組間差異顯著(P<0.05)

2.3 干燥工藝對小麥營養(yǎng)品質(zhì)的影響

2.3.1 小麥粗蛋白含量 由圖3可知,小麥蛋白質(zhì)含量在不同干燥條件下基本穩(wěn)定在11%～12%。相比其他兩個因素,干燥溫度對小麥粗蛋白含量有較顯著影響,隨著干燥溫度由40 ℃升高至60 ℃,粗蛋白含量由11.20%減少到11.03%,這是因為干燥過程中溫度的升高和水分散失會使小麥中蛋白質(zhì)發(fā)生變化,即較高熱風溫度和有氧條件使小麥發(fā)生非酶促褐變反應(yīng),從而導(dǎo)致氨基酸降解[21-22]。隨著干燥風速的增大,粗蛋白含量呈下降趨勢,當干燥風速為0.6 m/s時,粗蛋白含量為11.3%,當干燥風速為1.4 m/s時,粗蛋白含量為10.99%,其他風速之間粗蛋白含量無顯著性差異。隨著緩蘇時間的增加,粗蛋白含量有所減少,可能是因為隨著緩蘇時間的延長,整個小麥干燥時間過長,蛋白質(zhì)發(fā)生了劣變。李克強等[23]研究發(fā)現(xiàn),稻谷在相同的干燥、緩蘇溫度下,其巰基含量隨緩蘇時間的延長而降低,認為通過調(diào)節(jié)緩蘇時間能夠延緩稻谷的品質(zhì)下降。

字母不同表示組間差異顯著(P<0.05)

2.3.2 小麥微觀品質(zhì) 由圖4可知,未經(jīng)處理的小麥表皮呈現(xiàn)多個中心凸起的矩形小區(qū)域;40 ℃熱風干燥下小麥表皮結(jié)構(gòu)矩形輪廓更加清晰,且更具有條理性,呈向內(nèi)凹陷狀;60 ℃熱風干燥下小麥表皮結(jié)構(gòu)輪廓模糊,不具有清晰可見的小矩形狀結(jié)構(gòu),呈小坑狀。這是因為干燥溫度升高,小麥表皮發(fā)生皺縮,從而向內(nèi)凹陷,隨著干燥溫度的升高,破壞了小麥表皮結(jié)構(gòu),因此輪廓變得模糊難以辨認[24]。

圖4 不同干燥條件下小麥微觀結(jié)構(gòu)的變化

未經(jīng)處理的小麥內(nèi)部蛋白質(zhì)呈復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),淀粉顆粒被包裹于蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,部分淀粉顆粒游離于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之外,且淀粉顆粒表面較光滑;40 ℃熱風干燥處理后的小麥內(nèi)部游離淀粉顆粒增多,且淀粉顆粒變小,表面不再光滑,有些許粗糙;60 ℃熱風處理后的小麥內(nèi)部結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)黏結(jié)的淀粉顆粒變少,淀粉顆粒不再呈規(guī)則圓形或橢圓形,呈現(xiàn)一種不規(guī)則狀,且表面粗糙。這歸因于高溫使淀粉顆粒穩(wěn)定性發(fā)生變形塌陷現(xiàn)象[25-26]。

2.4 干燥工藝對小麥加工品質(zhì)的影響

2.4.1 小麥濕面筋含量 由圖5可知,不同干燥處理下小麥濕面筋含量存在顯著性差異(P<0.05)。40～50 ℃時,小麥濕面筋含量無顯著性變化,且有研究[27]表明適度的干熱處理可使小麥蛋白筋力增強;當干燥溫度>55 ℃時,濕面筋含量下降顯著(P<0.05),可能是因為干燥溫度高導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,對小麥面筋有弱化作用,所以只能形成少量的面筋或不能形成面筋,與文獻[11,28]的研究結(jié)果基本一致。干燥風速對小麥濕面筋含量有一定影響,當干燥風速從0.8 m/s升高至1.0 m/s時,濕面筋含量顯著下降;隨著干燥風速的繼續(xù)增大,濕面筋含量無顯著性變化。有研究[29]表明,高水分小麥通風干燥過程中,濕面筋含量有下降趨勢,但趨勢不顯著,與試驗結(jié)果相似。不同緩蘇時間下小麥濕面筋含量存在顯著性差異(P<0.05),隨著緩蘇時間的增大,小麥濕面筋含量呈上升趨勢。

字母不同表示組間差異顯著(P<0.05)

2.4.2 小麥面團流變學特性 由表1可知,隨著干燥溫度的升高,小麥吸水率逐漸增大,由64.5%增至68.3%;形成時間由1.46 min增大至2.14 min;穩(wěn)定時間由1.30 min增大至2.08 min;弱化度下降,由136降至111,粉質(zhì)指數(shù)增加,由28上升至33。這是因為隨著干燥溫度的升高,破損淀粉含量增加,故吸水率上升,而適當?shù)母蔁崽幚砜梢栽鰪娒娼罱盍?故形成時間和穩(wěn)定時間也呈上升趨勢;弱化度大指面團過度攪拌后,筋力降低,面團變黏,但有研究[10,30]表明高溫處理過的面筋具有彈性,故溫度升高時,其弱化度降低,粉質(zhì)指數(shù)增大。隨著干燥風速的增大,小麥吸水率整體呈上升趨勢,由66%上升至69%;形成時間上升,由1.48 min增大至2.37 min;穩(wěn)定時間由1.37 min增大至2.00 min;弱化度降低,粉質(zhì)指數(shù)上升,與干燥溫度對其影響趨勢基本一致。不同緩蘇時間下小麥粉粉質(zhì)特性參數(shù)基本與50 ℃時的相差不大,故緩蘇時間對小麥粉質(zhì)特性參數(shù)影響不顯著。

表1 不同干燥工藝下小麥面團的粉質(zhì)特性參數(shù)

2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

2.5.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果 根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選擇的響應(yīng)面試驗因素水平見表2,試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。通過Design-Expert 10.0軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析,得回歸方程:

(3)

表2 響應(yīng)面試驗因素及水平

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

表4 高水分小麥熱風干燥綜合評價回歸方程模型方差分析表?

2.5.3 綜合評分的參數(shù)優(yōu)化 在保證小麥具有一定干燥速率的同時,使其干后品質(zhì)能達到最佳水平?；陧憫?yīng)面法的參數(shù)優(yōu)化,設(shè)置優(yōu)化目標綜合評分達到最大值,所得最優(yōu)組合為干燥溫度45 ℃,干燥風速0.94 m/s,緩蘇時間30.4 min,此時色澤L*值為58.811、濕面筋含量為27.292%,干燥速率為8.146×10-2%/min,綜合評分為0.613。試驗值與理論值之間的最大誤差<3.51%,表明模型擬合效果較好,優(yōu)化所得最佳工藝參數(shù)可用于實際應(yīng)用。

3 結(jié)論

以高水分小麥為研究對象,考察了熱風干燥條件對高水分小麥品質(zhì)的影響。結(jié)果表明:干燥溫度對小麥外觀品質(zhì)亮度有顯著影響(P<0.05),L*值隨干燥溫度的升高逐漸減小。營養(yǎng)品質(zhì)方面,過高的干燥溫度、干燥風速及長時間的緩蘇會導(dǎo)致小麥粗蛋白含量降低,且高溫會對小麥內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。此外,適當提高干燥溫度、干燥風速有利于加工品質(zhì)的提高,而緩蘇時間增加有利于濕面筋含量的穩(wěn)定。高水分小麥熱風干燥最佳工藝條件為干燥溫度45 ℃,干燥風速0.94 m/s,緩蘇時間30.4 min,該條件下的平均干燥速率為8.146×10-2%/min,L*值為58.811,濕面筋含量為27.292%,綜合評分為0.613。干燥溫度仍是影響小麥干后品質(zhì)最重要的因素,后續(xù)可針對不同且多段干燥溫度對高水分小麥干后品質(zhì)的影響進行研究。