造粒芝麻工艺的优化

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(1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450002; 2.河南省农产品生物活性物质工程技术研究中心,河南郑州 450002; 3.河南农业大学食品科学技术学院,河南郑州 450002)

造粒芝麻工艺的优化

芦鑫1,2,余果3,高锦鸿1,2,张丽霞1,2,宋国辉1,2,孙强1,2，*

(1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450002; 2.河南省农产品生物活性物质工程技术研究中心,河南郑州 450002; 3.河南农业大学食品科学技术学院,河南郑州 450002)

为丰富芝麻食品品种,研发造粒芝麻制作工艺。以造粒芝麻成品率、均一率、稳定性为评价指标,从常见食用胶中筛选出适宜造粒芝麻的食用胶,随后通过单因素分析工艺参数对造粒芝麻的影响规律,最后利用正交实验优化工艺参数。结果表明:淀粉适宜用于造粒芝麻,淀粉质量浓度、淀粉溶液添加量、静置时间会显著影响造粒芝麻的形成与品质。通过逼近理想解排序法获得最佳的造粒芝麻生产工艺为:6%淀粉质量浓度,淀粉溶液添加量为26%,静置时间15 min。在此条件下,造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性分别为93.49%、91.34%、87.94%,这为造粒芝麻的后续应用奠定了物质基础。

淀粉,海藻酸钠,芝麻,综合评价

芝麻是深受中国人民喜爱的食物,市场上有芝麻盐、芝麻糊、芝麻酱等多种产品[1-2]。然而将芝麻加工粉状食物时,因芝麻油脂含量丰富,除易结块外,也增加油脂与空气接触,加速氧化酸败,缩短产品的货架期[3-5]。另外,由于芝麻与其他组分的比重不同,在放置过程中会发生物料迁移,产生物料不均现象,降低产品食用品质。

为改善现有粉状芝麻食品品质,有必要通过现代加工技术改变粉状芝麻的存在形式,即采用食用胶将炒熟的芝麻与其他配料粘结成微粒(造粒芝麻),待消费者食用时,自行捣碎食用,这可有效避免粉状芝麻产品在储藏期间的结块、分层、酸败等问题[6]。另外,造粒芝麻为因芝麻颗粒小,难以取食,限制作为食品主料的问题提供了解决途径。

开展芝麻造粒研究时,要综合考虑成品率、均一率与稳定性等指标,科学评价上述指标可以引入逼近理想解排序法(TOPSIS)。该方法是系统工程中常用的多指标综合评价方法[7-10],它通过计算评价对象到最优向量与最劣向量的距离,进而对评价对象进行排序,优化方案应该距理想解近,而距负理想解远[11-12]。

目前,造粒芝麻的研究刚起步,缺乏理论指导与数据参考,有必要开展研究。本文以造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性为评价指标,首先从常用的食用胶中筛选出适宜的造粒芝麻的食用胶,随后通过单因素实验研究食用胶浓度与添加量、静置时间对造粒芝麻品质的影响规律,最终利用方差分析与TOPSIS算法从正交实验结果中找出最佳的芝麻造粒工艺。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

白芝麻 河南省农业科学院;淀粉、海藻酸钠、明胶、阿拉伯树胶、黄原胶、瓜尔豆胶 郑州分子科贸有限公司。

XZS600型振动筛 新乡市宏达振动设备有限责任公司;HHS型电热恒温水浴锅 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;WNT2-5型无级调速不锈钢糖衣机 宝鸡建华机械厂;XMTD-8222电热恒温鼓风干燥箱 上海佳胜实验设备有限公司;JYL-Y92破壁料理机 广东东莞九阳有限公司;SDHCB8E34-210苏泊尔电磁炉 浙江金华苏泊尔有限公司;ACS电子天平 广州广衡电子衡量器有限公司;电加热炒锅 河南省亚临界生物技术有限公司;标准筛 上海市五四仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 工艺流程及操作要点 芝麻→除杂清洗→沥水干燥→烘炒→混合→静置→造粒→干燥→冷却→检验→成品

操作要点

沥水干燥:沥去水分后,80 ℃烘干水分至6%左右;

烘炒:炒锅底温为220 ℃,烘炒20 min,迅速将芝麻转移入型托盘冷却;

混合:将添加调料的粘合剂溶液中,缓慢边倒入芝麻中,边搅拌,使混合均匀;

造粒:静置后,将芝麻浆液加入到糖衣机进行造粒,采用35～45 r/min转速进行成团,待其半干时,缓慢取出,放置在托盘上;

干燥:将造粒半成品采用110 ℃干燥65 min,冷却装瓶。

1.2.2 粘合剂品种选择 为筛选出适宜粘合芝麻的食用胶,分别考察淀粉、海藻酸钠、明胶、阿拉伯树胶、黄原胶、瓜尔豆胶粘结芝麻的表现。分别称取250 g芝麻,采用1.2.1的条件进行操作,随后参考GB 1976-2008中上述食用胶的允许添加量与文献报道中使用量[13-14],采用质量浓度5.0%、1.0%、4.0%、3.0%、2.5%、2.0%的上述六种食用胶溶液100 g与芝麻混合,静置15 min,造粒、干燥后,称重,计算成品率、均一率、稳定性(公式1、2、3)[15-16]。

Y=(m1/m0)×100

式(1)

式(1)中,Y为成品率(%),m1为未通过12目标准筛(单粒芝麻会透过12目筛孔)的造粒芝麻质量(g),m0为烘烤后未造粒芝麻质量(g)。

E=(m2/m1)×100

式(2)

式(2)中,E为均一率(%),m2为通过6目标准筛未通过12目的造粒芝麻质量(g),m1同上。

S=(m3/m1)×100

式(3)

式(3)中,S为稳定性(%),m3为采用振动筛振动30 min后未通过12目的造粒芝麻质量(g)。

1.2.3 淀粉造粒芝麻的单因素实验 取一定质量的芝麻,按照1.2.1进行烘炒,冷却后,加入一定浓度的淀粉溶液,静置若干时间,进行造粒、干燥,得到产品,计算成品率、均一率与稳定性。由参考文献可知,食用胶浓度与添加量、静置时间是影响胶体形成重要因素[17-18]。因此,通过单因素实验考察淀粉添加量、淀粉溶液添加量与静置时间对造粒芝麻的影响。固定淀粉液添加量为芝麻质量40%、静置时间15 min,考察淀粉质量浓度(4%、5%、6%、7%、8%、9%)对芝麻造粒的影响;固定淀粉质量浓度为6%、静置时间15 min,考察淀粉溶液添加量(20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%)对芝麻造粒的影响;固定淀粉质量浓度为6%,淀粉溶液添加量为芝麻质量30%,考察静置时间(5、10、15、20、25、30 min)对芝麻造粒的影响。

1.2.4 淀粉造粒芝麻的正交实验设计 在此基础上,采用正交实验优化造粒工艺,具体实验安排如下:

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal experiment

1.3数据处理

所有实验重复测定3次。采用SAS9.2计算方差与TOPSIS[8]。p<0.05为显著；p<0.01为极显著。图中同一曲线上带有相同小写字母的样品间无显著差异。

2 结果与分析

2.1食用胶品种对芝麻造粒的影响

食用胶对造粒芝麻的形成与品质起决定作用,因此,有必要对食用胶的品种进行筛选。常见食用胶对芝麻造粒的影响见图1。

图1 常见食用胶造粒芝麻的表现Fig.1 The performance of granulated sesame adhered by common edible adhesives

观察食用胶品种对造粒芝麻成品率的影响时,发现淀粉作为粘结剂效果最好,其次是明胶、阿拉伯树胶、瓜尔豆胶、黄原胶与海藻酸钠,产生上述结果的原因可能与食用胶溶液的粘度有关[6,19]。淀粉溶液粘度较小,容易与芝麻混合均匀,并且不粘结在糖衣机内壁,因此造粒芝麻成品率较高。分析造粒芝麻均一率时,淀粉、明胶、阿拉伯树胶的效果均较好,海藻酸钠与黄原胶效果较差,这与上述两种食用胶形成的溶液粘度过高有关,粘度高造成芝麻混合不均,形成大小不一的颗粒,从而形成均匀性差的造粒芝麻。粘合剂的粘度对造粒芝麻的稳定性影响较为复杂,若食用胶溶液粘度高,可以形成强的粘合力来粘附芝麻,但是过高粘度阻碍食用胶溶液与芝麻的混合,不能在芝麻表面形成均匀的涂层,这样形成的造粒芝麻内部结构不稳固,降低稳定性,这也许是海藻酸钠造粒芝麻稳定性差的原因。当食用胶溶液粘度较低时,虽然有利于形成内部结构稳固紧密的造粒芝麻,但食用胶溶液粘性弱造成粘合力弱,从而削弱了造粒芝麻的稳定性,这是淀粉作为粘合剂稳定性次于明胶。综合造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性,淀粉适宜作为造粒芝麻的粘结剂。

2.2淀粉质量浓度对芝麻造粒的影响

淀粉质量浓度会影响淀粉溶液粘度,从而影响芝麻造粒的效果,由此需要对淀粉质量浓度的影响进行分析。由图2a可知,当淀粉质量浓度从4%增加到6%时,造粒芝麻成品率显著上升,同时均一性也有所上升,当淀粉质量浓度在 6%～9%范围内,造粒芝麻成品率与均一性均有所下降。产生以上现象的原因是:淀粉溶液的粘度随着淀粉质量浓度的增加而增加,当淀粉质量浓度较低时,淀粉溶液粘度低,不能紧密粘附芝麻,造成成品率下降;当淀粉质量浓度过高时,淀粉溶液粘度过高,造成芝麻与淀粉溶液混合不匀,并且粘附在糖衣机内壁,降低成品率。

图2 淀粉质量浓度对造粒芝麻的影响Fig.2 The effect of starchmass concentration on granulated sesame

由图2b可知,随着淀粉质量浓度从4%增加到8%时,造粒芝麻稳定性上升;但淀粉浓度持续增加,稳定性无显著增加。虽然高浓度淀粉溶液能产生强的粘附作用,但也降低物料混合的均匀性,使造粒芝麻内部结构粗糙,降低稳定性,这就产生在高淀粉质量浓度环境时,持续增加淀粉质量浓度,而稳定性并未显著增加的现象。综合考虑造粒芝麻产率与品质,6%的淀粉质量浓度适宜粘附芝麻。

2.3淀粉溶液添加量对芝麻造粒的影响

淀粉溶液添加量也会影响芝麻造粒的效果。当淀粉溶液添加量较低时,淀粉溶液与芝麻混合不均匀,从而降低产品的成品率;当淀粉溶液添加量过高时,淀粉溶液与芝麻形成的糊状物流动性强,难于形成颗粒,导致成品率下降(图3a)。同时,淀粉溶液添加量增加,造粒芝麻中水分含量增加,相同的干燥强度下,造粒芝麻表面水分除去形成膜固定造粒芝麻,但内部水分未能全部脱除,不能有效固定芝麻,从而降低造粒芝麻的稳定性(图3b)。结合成品率、均一性与稳定性,淀粉溶液添加量以30%为宜。

图3 淀粉溶液添加量对造粒芝麻的影响Fig.3 The effect of starch solution addition on granulated sesame

2.4静置时间对芝麻造粒的影响

静置过程中,芝麻会从淀粉溶液中吸取水分,以降低体系的流动性,提高粘结性;同时,芝麻与淀粉溶液形成胶体结构,为芝麻造粒奠定基础。芝麻吸水与胶体形成都需要时间,因此,静置时间也是影响芝麻造粒的重要因素。静置时间对芝麻造粒的影响如图4所示,静置时间从5 min延长到15 min时,造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性有明显改善;而继续延长时间,由于芝麻与淀粉溶液形成的体系是非稳定体系,芝麻会逐渐沉淀于溶液底部,导致芝麻与淀粉溶液分层,影响胶体结构形成,减少造粒芝麻的成品率与均一性。结合成品率、均一性与稳定性,静置时间以15 min为宜。

图4 静置时间对造粒芝麻的影响Fig.4 The effect of holding time on granulated sesame

2.5最佳芝麻造粒工艺确定

采用SAS对正交实验结果进行方差分析发现(见表3),正交模型显著,可以客观真实的反映淀粉质量浓度、淀粉溶液添加量、静置时间对造粒芝麻成品率、均一率、稳定性的影响规律。分析因素对成品率影响时,淀粉质量浓度是第一显著因素,其次是淀粉溶液添加量,而静置时间在取值区间内为非显著因素;因素对均一率的影响中,淀粉质量浓度是显著因素,而淀粉溶液添加量和静置时间为非显著影响因素;因素对稳定性的影响中,淀粉质量浓度是极显著因素,淀粉溶液添加量影响强于静置时间。

表2 淀粉造粒芝麻正交结果表Table 2 The orthogonal result of granulated sesame adhered by starch and results

结合极差分析,获得最佳成品率的条件为:淀粉质量浓度7%,淀粉溶液添加量为30%,静置时间为18 min,在此条件下(实验序号10),验证实验造粒芝麻的成品率为95.68%,均一性为86.78%,稳定性为90.27%。获得最佳均一性的条件为:淀粉质量浓度6%,淀粉溶液添加量为34%,静置时间为15 min,在此条件下(实验序号11),验证造粒芝麻的均一性为93.48%,而成品率与稳定性分别为92.15%和85.36%。获得最佳稳定性的条件为:淀粉质量浓度为7%,淀粉溶液添加量为26%,静置时间15 min,在此条件下(实验序号12),验证造粒芝麻的稳定性为91.64%,而成品率与均一性分别为94.28%和86.34%。由上所述,影响因素对成品率、均一率与稳定性三指标的作用存在明显差异,增加淀粉质量浓度可以增加造粒芝麻的成品率与稳定性,但会削弱均一率;增加淀粉溶液添加量会降低造粒芝麻成品率与稳定性;延长静置时间有利于获得稳定性高的造粒芝麻。通过简单评价不能有效兼顾三个指标,需要对三个指标进行综合评价。

表3 正交实验方差分析表Table 3 The variance analysis of orthogonal experiment

将上述3次验证实验的结果与正交实验结果合并,采用TOPSIS算法对上述三指标(三者权重均为1)进行综合评价,排序结果见表4。当淀粉质量浓度为6%,淀粉溶液添加量为26%,静置时间15 min时,造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性分别为93.49%、91.34%、87.94%,这为造粒芝麻的后续应用奠定了物质基础。

表4 正交实验结果的TOPSIS法排序Table 4 The order of orthogonal result calculated by TOPSIS

3 结论

本实验表明,淀粉较其他食用胶适宜作为生产造粒芝麻的食用胶。通过单因素实验发现淀粉质量浓度、淀粉溶液添加量与静置时间会显著影响造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性。为兼顾上述三个指标,利用TOPSIS分析正交实验结果,获得最佳的造粒工艺是:淀粉质量浓度为6%,淀粉溶液添加量为26%,静置时间15 min。在此条件下,造粒芝麻的成品率、均一率与稳定性分别为93.49%、91.34%、87.94%。

目前,虽然采用正交实验优化了芝麻造粒工艺,但造粒芝麻的稳定性仍有提高空间。针对该问题,未来尝试采用复配食用胶来进行造粒加以解决[20-21]。

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Optimizationofpreparationprocessofgranulatedsesame

LUXin1,2,YUGuo3,GAOJin-hong1,2,ZHANGLi-xia1,2,SONGGuo-hui1,2,SUNQiang1,2，*

(1.Research Center of Agricultural and Sideline Products Processing of Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Henan Engineering Research Centre of Bioactive Substances in Agricultural Products,Zhengzhou 450002,China; 3.College of Food Science and Technology,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

To enrich the variety of sesame food,the process of granulated sesame was researched. An edible adhesive which was suitable to adhere sesame was selected from common edible adhesives through comprehensively considering rates of final product and uniformity,stability,then effects of technological parameters on granulated sesame were studied by single-factor test,finally these process parameters were optimized by orthogonal experiment. Results showed that starch was the proper adhesive for producing granulated sesame,the starch mass concentration,the addition of starch solution and the holding time could influence the formation and properties of granulated sesame. According to the technique for order preference by similarity to ideal solution,the optimal process of granulated sesame was established as follows:starch mass concentration of 6%,addition of starch solution of 26% and holding time of 15 min. Under these conditions,the rate of final product,uniformity rate and stability were 93.49%,91.34%,87.94%,respectively,which created material base for the follow-up application of granulated sesame.

starch;sodium alginate;sesame;comprehensive evaluation

2017-03-03

芦鑫(1981-)，男，博士，助理研究员，研究方向：油脂加工，E-mail：xinlu1981@foxmail.com。

*

孙强(1973-)，男，硕士，副研究员，研究方向：农产品加工，E-mail：qiangsunxy@126.com。

2016年河南省科技攻关项目(162102110058)。

TS229

B

1002-0306(2017)21-0192-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.038