基于成熟值理论的蒜薹油炒过程品质变化动力学

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(贵州大学酿酒与食品工程学院,贵州贵阳 550000)

蒜薹为大蒜(AlliumsativumL.)的花茎,富含维生素C等营养物质[1-2],烹饪后味道鲜美,深受消费者喜爱,是中式烹饪中常用的植物性原料[3]。据我国传统饮食习惯,多数蔬菜需经过烹饪后食用,而烹饪过程通常伴随着食品的品质变化。成黎等[4]提出，蔬菜的品质可分为营养品质和感官品质。其中,蔬菜营养品质主要是维生素C等热敏性维生素[5];颜色属于外部感官品质,其变化可以反映消费者对烹饪产品最直观的感受以及指示蔬菜中热敏性维生素保留率;而水分含量直接影响菜肴的口感和嫩度等内部感官品质,也是烹饪中应考虑的重要因素。同时,邓力[6]提出蔬菜烹饪过程的过热品质,即营养成分的过度损失、失去菜肴应有的良好色泽、口感上因水分的过度流失而变得松软等。

烹饪成熟值理论[6-9]认为，动力学是联系传递过程与烹饪品质的纽带,提出了表征烹饪有益品质和不良品质的动力学函数——成熟值和过热值。获得品质动力学参数是烹饪热处理的工艺分析、评价和优化所必须的基础条件。z值为引起食品品质的D值变化一个对数周期(90%)所需改变的温度(℃),D值为某一食品品质变化一个对数周期所需的时间(min)[10],邓力[11]表明,当成熟和过热品质的z值存在差异时,烹饪工艺存在优化空间。李文馨[12]对蒜薹进行了成熟品质因子的相关动力学研究,得到蒜薹成熟品质因子的z值为30 ℃,但相应过热品质因子的动力学参数尚未确定。

综上,为进一步推进中式烹饪工业化研究,有必要对蒜薹在油炒过程中品质变化展开动力学分析,本试验以蒜薹为对象,选择维生素C、红度值-a*及水分含量作为表征蒜薹品质的指标,测定其在油炒过程中的变化趋势,确定动力学模型并得到相应的参数,为中式烹饪过程优化和热处理提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蒜薹 贵阳市花溪区星力超市;食用棕榈油 天津龙威粮油工业有限公司;以上材料与文献[12]同源。

CY-20超级恒温油浴槽 上海博迅实业有限公司;标准温度计 武强县精创仪器仪表厂;AR224CN-电子天平 奥豪斯仪器有限公司;TGL20M台式高速冷冻离心机 长沙迈佳森设备有限公司;MB35卤素水分测定仪 奥豪斯国际贸易有限公司;Agilent1260高效液相色谱仪 美国Agilent公司;NH310高品质便携式电脑色差仪 深圳市三恩时科技有限公司 测量孔径4 mm。

1.2 实验方法

1.2.1 蒜薹的模拟油炒 选取直径为6 mm且颜色均一的蒜薹,切割成厚度为2 mm的小片,分别放入温度为70、100、130、160 ℃的恒温油浴锅中,开启油泵并加热以模拟油炒烹饪过程。

1.2.2 不同温度下蒜薹的维生素C变化 参考李文馨[12]对蒜薹成熟值的测定及前期预试验结果,用于测定维生素C的蒜薹热处理条件见表1。

表1 蒜薹油炒条件(维生素C)Table 1 Conditions for garlic sprout stir-fry(vitamin C)

1.2.3 不同温度下蒜薹的红度值及水分含量变化 据前期预试验结果,红度值及水分含量变化在相同条件下变化较维生素C更迅速,故用于测定红度值及水分含量的蒜薹热处理条件见表2。

表2 蒜薹油炒条件(红度值及水分含量)Table 2 Conditions for garlic sprout stir-fry (redness value and moisture content)

1.2.4 指标的测定

1.2.4.1 维生素C及其保持率的测定 蒜薹中维生素C的测定参照国标GB 5009.86-2016[13],蒜薹维生素C的保持率(AR)[14]计算公式如下:

式(1)

1.2.4.2 红度值的测定 颜色测量中常以红度值(-a*值)作为表示绿色的物理参数[15]。参照文献[16]中方法,利用CIEL*、a*、b*色差仪测定颜色变化,其中a*表示绿色和红色值,其值越大代表绿色损失越严重。每次于样品表面均匀选取3处不同位置测定并求其平均值。

1.2.4.3 水分含量的测定 采用卤素快速水分测定仪检测水分含量,精确称取5 g样品平铺于样品盘中,于105 ℃条件下干燥至恒重。每次测定3个样品并求取平均值。

1.3 数据处理

1.3.1 反应级数的确定 利用最小二乘法进行拟合,获得对应的决定系数R2,取R2较大的反应级数[17]。

其中零级反应动力学积分式如下:

CA=CA0-kt

式(2)

式中:CA为t时刻的反应物A浓度,单位视实际测定物质决定;CA0为初始时刻的反应物A浓度,单位视实际测定物质决定;k为反应速率常数,单位视实际情况而定;t为反应时间,s。

一级反应动力学积分式如下:

lnCA=lnCA0-kt

式(3)

1.3.2 动力学参数的计算 本文同时采用z值模型和Arruhenius模型[10]计算油炒过程蒜薹品质变化的D值、z值、反应速率k及反应活化能Ea值。

当食品品质变化属于一级反应动力学时,可通过式(2)求出反应速率k,进而可求出品质变化的D值,计算式为:

式(4)

式中:D为某一食品品质变化一个对数周期(90%)所需的时间,min。

根据D值及反应温度T,可求得品质变化的z值,计算式为:

式(5)

式中:T为温度,K;z为食品品质D值变化一个对数周期(90%)所需要的温度, ℃。

活化能的计算采用Arrhenius方程进行计算:

式(6)

式中:Ea为活化能,kJ/mol;R为理想气体常数,8.314472 J/(mol·K);k0为指数前置因子。

1.3.3 数据分析 采用origin 9软件分别对式(2)与(3)两种形式进行数据拟合,得到零级和一级动力学反应的决定系数R2,确定反应级数并得到相应的反应速率常数k。如果试验数据属于一级动力学反应,则通过式(4)求得相应的D值,并对lgD和反应温度T进行线性回归分析,由式(5)求出品质变化的z值。同时,以Arrhenius方程(6)进行线性拟合,求出反应的活化能Ea。

2 结果与分析

2.1 维生素C保持率的变化

由图1可知,随着油炒温度和烹饪时间的增加,蒜薹维生素C的保持率不断降低,温度越高,变化速率越大。

图1 不同烹饪油炒温度蒜薹维生素C保持率拟合直线ln(AR)-tFig.1 Fitting line ln(AR)-t of the retention rate of vitamin C in garlic sprout with different stir-frying temperature

随着烹饪加热温度的升高,维生素C的氧化和降解速度也逐渐增快[18],且其变化大多符合一级变化动力学模型[19]。由图1中拟合直线结合式(2～4)可求得各温度下蒜薹维生素C变化的动力学参数见表3。由表3可知,蒜薹中维生素C保持率变化以零级反应拟合的平均决定系数小于一级反应,故选择n=1。

表3 蒜薹维生素C反应级数R2及速率常数kTable 3 Reaction order R2 and rate constant k of vitamin C in garlic sprout

由图2可知,对蒜薹维生素C变化的lgD-T进行回归,由回归曲线的斜率,结合式(5)计算出蒜薹油炒过程维生素C的z值为76.92 ℃,R2为0.961。

图2 蒜薹维生素C变化的z值Fig.2 z value of vitamin C change in garlic sprout

由图3可知,对蒜薹的维生素C变化的lnk-T-1进行回归,由回归曲线结合式(6)求得蒜薹油炒过程维生素C的Ea值为35.5 kJ/mol,与Heldman等[20]研究所得规律相符。

图3 蒜薹维生素C的Arrhenius图Fig.3 Arrhenius plots for vitamin C in garlic sprout

2.2 红度值的变化

由图4可知,不同加热温度下,蒜薹红度值-a*值随油炒温度和烹饪时间的增加而降低,温度越高,降低速率越快。

由图4中拟合直线结合式(2～4)可求得各温度下蒜薹红度值-a*变化的动力学参数见表4。由表4可知,蒜薹中红度值-a*的变化对零级反应的平均决定系数小于一级反应,因此选择n=1。

图4 不同烹饪油炒温度蒜薹红度值-a*拟合直线ln(-a*)-tFig.4 Fitting line ln(-a*)-t of redness value -a*in garlic sprout with different stir-frying temperature

表4 蒜薹红度值-a*值反应级数的R2及速率常数kTable 4 Reaction order R2 and rate constant k of redness value -a* value in garlic sprout

由图5可知,对蒜薹红度值-a*变化的lgD-T进行回归,由回归曲线结合式(5)求得蒜薹油炒过程红度值-a*的z值为83.33 ℃,回归曲线R2为0.989。

图5 蒜薹红度值-a*变化的z值Fig.5 z value of redness value -a*value change in garlic sprout

由图6可知,对蒜薹红度值-a*变化的lnk-T-1进行回归,由回归曲线结合式(6)求得蒜薹油炒过程维生素C的Ea值为36.97 kJ/mol,回归曲线R2为0.987。

图6 蒜薹红度值-a*的Arrhenius图Fig.6 Arrhenius plots for redness value -a* in garlic sprout

李文馨[12]测定了111～151 ℃温度范围内菠菜油炒烹饪红度值的变化,得到其Ea和z值分别为71.7 kJ/mol和43.7 ℃,与本文试验得到的Ea和z值有一定差别,这可能是由于研究对象不一致导致的。

2.3 水分含量的变化

由图7可知,随着油炒温度和烹饪时间的增加,蒜薹中水分含量不断降低,且温度越高,下降速度越快。

图7 不同烹饪油炒温度蒜薹水分含量(MC)拟合曲线ln(MC)-tFig.7 Fitting line ln(MC)-t of moisture content(MC) in garlic sprout with different stir-frying temperature

由图7中拟合直线结合式(2～4)可求得各温度下蒜薹水分含量变化的动力学参数见表5。由表5可知,油炒蒜薹水分变化更符合零级动力学,但与一级反应拟合的R2接近,且均大于0.9。

表5 蒜薹水分含量反应级数的R2及速率常数kTable 5 Reaction order R2 and rate constant k of moisture content in garlic sprout

由图8,对蒜薹水分含量变化的lgD-T进行回归,由回归曲线结合式(5)求得蒜薹油炒过程水分含量的z值为62.50 ℃,回归曲线R2为0.943。

图8 蒜薹水分含量变化的z值Fig.8 z value of moisture content change in garlic sprout

由图9,对蒜薹水分含量变化的lnk-T-1进行回归,由回归曲线结合式(6)求得蒜薹油炒过程水分含量的Ea值为46.7 kJ/mol,回归曲线R2为0.965。

图9 蒜薹水分含量的Arrhenius图Fig.9 Arrhenius plots for moisture content in garlic sprout

本文试验数据显示,蒜薹油炒烹饪过程的水分含量变化以零级动力学和一级动力学拟合都有较高的决定系数,这与文献[12]对菠菜含水率变化的研究一致。若采用一级动力学分析本研究中水分含量,则70 ℃时水分变化的D值为116.31 min,而100 ℃时D值到达16.61 min,两者变化速度出现巨大差别,这是由于当油温达到100 ℃时,蒜薹表面出现水分蒸发,加速了水分损失。

3 讨论

3.1 蒜臺油炒烹饪过程中维生素C含量的变化

油炒过程中蔬菜的维生素含量受pH、酶、温度等的影响[21]。目前,一般认为烹饪中维生素的损失有流失和热破坏两种方式:流失是传质过程,即维生素通过扩散或渗透等方式从烹饪原料中浸析出来,当烹饪温度较高时,颗粒表面蒸发剧烈,易导致维生素的蒸发损失[22],尤其是水溶性维生素,当颗粒表面与内部出现水分梯度后,由于水分向表面迁移,加剧了维生素的损失;热破坏是一个复杂的理化因素交织变化、相互影响的过程,在充足的热量和氧气中,维生素易发生氧化、热降解和光分解等反应,从而导致维生素的破坏。

由表6可知,在以油为传热介质的维生素C动力学研究中,本文研究获得的z值与文献值相差较小。但对于D值,即使在相同的参考温度下也相差较大,可能是由于本试验采用2 mm的蒜薹薄片所致。已有研究表明，动力学参数受到材料尺寸的影响较大[25],较小的尺寸会造成更多的维生素损失,此外,表面水分蒸发也会使维生素C损失更加剧烈。

表6 维生素C动力学参数的相关研究Table 6 Related studies on the kinetic parameters of vitamin C

3.2 蒜臺油炒烹饪过程中红度值的变化

红度值常作为颜色测量中表示绿色的物理参数[26]。李文馨[12]测定了111～151 ℃范围内菠菜油炒烹饪红度值变化,得到Ea和z值分别为71.7 kJ/mol和43.7 ℃,与本文试验得到的Ea和z值有一定差别,可能是由于温度范围及研究对象不一致。

3.3 蒜臺油炒烹饪过程中水分含量的变化

本文试验数据显示,蒜薹油炒烹饪过程中的水分含量变化以零级和一级动力学拟合都有较高的决定系数,与Boekel[27]、李文馨[12]的研究规律一致。若采用一级动力学分析本研究中水分含量,根据反应速率可求得70 ℃时水分含量变化的D值为116.31 min,而100 ℃时D值达到16.61 min,差异较大,这是由于当油温达到100 ℃时,蒜薹表面出现水分蒸发,加速了水分的损失。

3.4 蒜臺油炒烹饪过程优化的过热品质

蒜薹在油炒烹饪过程中的成熟z值为30 ℃[12],本文测得维生素C、红度值及水分含量变化的z值分别为76.92、83.83和62.50 ℃,均大于蒜薹成熟z值,满足成熟值理论的要求,可作为烹饪优化研究的过热品质因子。

同时,各项过热品质因子的z值有明显差异,且三者在动力学中的品质计算结果不同。其实质是,工艺优化中,即使针对同一操作参数,不同品质获得的最优值有所差异,需进行综合判断和取舍。如水分含量变化的z值最小,相比维生素C和红度值-a*,水分对温度更为敏感,且大量研究表明，水分含量变化对食品中水溶性营养成分及色泽具有显著影响[28-31],因此,水分含量是烹饪工艺优化中的重要指标。

4 结论

本试验研究了蒜薹在模拟油炒过程中的烹饪品质变化。结果表明，随着加热的进行,蒜薹中维生素C、红度值-a*及水分含量都逐渐降低,且温度越高,品质变化越快。同时,对各品质进行动力学研究与分析,结果表明,维生素C和红度值-a*变化均遵循一级动力学,水分含量变化遵循零级动力学。

作为表征过热品质因子,试验测得蒜薹在油炒过程中维生素C、红度值-a*的Ea值分别为35.5、36.97 kJ/mol,z值为76.92、83.33 ℃,若采用一级动力学分析水分含量,其Ea值为46.7 kJ/mol,z值为62.50 ℃,均大于油炒蒜薹成熟的z值,满足烹饪优化前提;同时,三种品质指标差异导致工艺优化结果不同,分析发现,水分是烹饪优化中的重要指标。试验在为烹饪中品质优化过程提供参数的同时,证实了烹饪操作具有一定的优化空间,为中式烹饪的进一步研究提供参考。