沙棘营养代餐粉的研制及其流变特性

刘 俭,蔡永国,王霞伟,张 兵,汪莉莉,杨海燕,3,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆慧华沙棘生物科技有限公司,新疆阿勒泰 836200;3.新疆沙棘工程技术研究中心,新疆乌鲁木齐 830000)

沙棘(HippopherhamnoidsL.),是一种药食两用的植物资源,果实富含维生素C、黄酮类化合物、多糖、氨基酸、不饱和脂肪酸和微量元素等[1],极具营养保健价值,是人类补充营养的首选水果之一[2]。我国是沙棘资源最为丰富的国家,总面积近3000万亩,占世界沙棘总面积的95%[3]。真空冷冻干燥的沙棘果粉最大限度地保留了沙棘的活性成分[4],利用沙棘果粉开发新的产品附加值高,发展前景十分广阔。

代餐粉是由一种或多种原辅料粉,按照一定的方法、比例混合调配而成的一类冲调粉剂产品[5]。由于它的营养均衡、食用方便等优点,成为现在最为流行的营养代餐产品之一。代餐粉产品种类丰富,有单一原料的代餐粉,如蒋勇等[6]开发的一款豆渣代餐粉,具有低能量、低钠盐、营养均衡的特点。也有多种复合原料的营养代餐粉,如冯彦君[5]以麦苗酵素粉、魔芋粉、鱼胶原蛋白等研制了一种麦苗酵素营养代餐粉,具有良好的抗氧化能力。张丽颖[7]以红豆粉、薏米粉、甜味剂等为原料,设计的杂粮代餐粉营养丰富,口感细腻,滋味甘甜。目前市面上代餐粉的产品以红豆薏米粉为主,关于添加果粉的代餐粉产品鲜有报道。

鉴于此,为了充分开发利用沙棘资源,本实验以沙棘果粉、红小豆粉、薏仁米粉为主要原料,添加甜菊糖苷、赤藓糖醇、菊粉和魔芋粉研制沙棘营养代餐粉,通过单因素实验、Plackett-Burman因素筛选试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验结合感官评分优化代餐粉的配方,并对其流变特性进行测定,以期为沙棘营养代餐粉的工业化生产提供配方和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

沙棘冻干果粉(纯度100%) 新疆慧华沙棘生物科技有限公司提供;红小豆、薏仁米 品牌金亮子,购于新疆乌鲁木齐友好超市;菊粉、魔芋粉、微粉硅胶、甜菊糖苷、赤藓糖醇等 均为市售食品级。

JY5002电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;AL204电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;CKWSZ-100嘉利电烤炉 广州嘉利电器有限公司;FW-100高速万能粉粹机 北京市永光明医疗仪器有限公司;HH-S4数显恒温水浴锅 金坛市医疗仪器厂;SNB-1数字粘度计 上海天美天平仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 操作要点 烘烤:将红小豆、薏仁米分别平铺于烤盘,放入烤箱,设置温度150 ℃,时间25 min,烤制终点以红小豆颜色暗红、薏仁米颜色黄白为宜。

沙棘果粉+微粉硅胶:微粉硅胶的添加量为1.5%(基于沙棘果粉的质量百分比)[8]。

粉碎、过100目筛:使用FW-100高速万能粉粹机将原料和辅料进行粉粹,粉粹两次,每次时间10 s,然后过100目筛。

1.2.3 代餐粉配方单因素实验 研究红小豆粉、薏仁米粉和沙棘果粉,以及甜菊糖苷、赤藓糖醇、菊粉和魔芋粉不同添加量对代餐粉感官品质的影响。固定其余的因素在中间水平上,然后逐一进行每个单因素实验。具体试验设计方案见表1。

表1 单因素实验因素与水平Table 1 Factors and levels of one-factor-at-a-time experiments

1.2.4 代餐粉配方Plackett-Burman因素筛选试验 根据单因素实验结果,考察红小豆粉、薏仁米粉、沙棘果粉、甜菊糖苷、赤藓糖醇、菊粉和魔芋粉的添加量,一共7个因素对代餐粉感官品质的影响显著性。利用Design-Expert 10.0.3软件进行Plackett-Burman试验设计及数据处理,根据试验结果,确定影响显著的因素,进行后续试验[9]。试验因素与水平设计见表2。

表2 Plackett-Burman试验因素与水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiments

1.2.5 显著因素最陡爬坡试验 为了使得通过Plackett-Burman试验确定的显著因素取值逼近最佳的区域,进行最陡爬坡试验,从而建立响应面拟合方程。按照一次拟合方程,设计显著因素的爬坡方向和步长,完成最陡爬坡试验。根据试验结果选取感官评分最高的试验处理组,该处理组对应的各因素值,作为进行Box-Behnken优化试验时的“0水平”[10]。

1.2.6 代餐粉配方优化试验 根据Plackett-Burman试验确定的显著因素和最陡爬坡试验确定的各个显著因素的“0水平”,按照步长计算得到“-1”和“1”水平。采用Box-Behnken试验设计原理设计响应面试验,以感官评分为响应值,进一步优化代餐粉配方。响应面优化试验因素与水平见表3。

表3 响应面试验的因素与水平Table 3 Factors and levels of response surface experiments

1.2.7 感官评定 挑选食品专业爱好代餐粉的学生10人(男女比例1∶1)组成感官评定小组,根据代餐粉属于冲调糊状食品,制定具体评价标准见表4[11]。称取20 g搅拌均匀的代餐粉倒入透明玻璃杯中,用70 ℃的纯净水80 mL冲调,搅拌30 s即可进行评定。10个小组成员逐一对样品进行感官评价,评完一个样品后用纯净水漱口,5 min后再评定下个样品。

表4 沙棘营养代餐粉感官评分标准Table 4 Sensory evaluation criteria of nutritional seabuckthorn meal replacement powder

1.2.8 代餐粉粘度的测定 将40 g的代餐粉倒入250 mL杯中,用70 ℃左右的纯净水160 mL冲调,形成质量分数20%的糊状液[12]。采用SNB-1数字粘度计测定其粘度,测定条件:SP:3转子,6 r/min,恒温25、50和70 ℃测定。

1.2.9 代餐粉营养成分的测定 水分的测定:GB 5009.3-2016直接干燥法[13];粗蛋白的测定:GB 5009.5-2016凯氏定氮法[14];粗脂肪的测定:GB 5009.6-2016索氏抽提法[15];抗环血酸的测定:GB 5009.86-2016 2,6-二氯靛酚滴定法[16];黄酮的测定:参照DB13/T385-1998《食品中总黄酮(芦丁)的测定》[17]和史雯[18]的方法进行测定。

1.3 数据分析

数据处理和统计分析使用Excel和SPSS 21.0软件,作图采用Origin 8.5软件,使用Design-Expert 10.0.3软件进行Plackett-Burman试验设计和响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

红小豆营养丰富,含有蛋白质、膳食纤维、皂苷、多酚和单宁等[19],具有利尿通便、降低胆固醇等功效[20],以红小豆为原料加工的食品深受大众欢迎。由图1可知,代餐粉的感官评分随着红小豆粉添加量的增加呈现先增加后减少的趋势,当红小豆粉添加量为12 g时,代餐粉感官评分达到最高。这是因为红小豆粉的淀粉含量较高,增加红小豆粉可使代餐粉冲调后稳定不分层,但过多后也会使代餐粉易结块;且其富有宜人的红豆香气,一定程度可以调和沙棘的刺鼻气味。

图1 红小豆粉添加量对代餐粉感官评分的影响

薏仁米又名薏苡仁,富含薏苡仁酯、薏仁多糖、薏醇、薏苡素及特有的三萜类化合物等多种药用成分[21],因此具有消炎抗敏、降血压降血脂、瘦身美白等功效[22]。由图2可知,随着薏仁米粉添加量的增多,代餐粉的感官评分先增加后减少,添加量为6 g时,感官评分达到最高。这是因为少量薏仁米粉颗粒可以增加代餐粉的口感,过多会让代餐粉变得口感粗糙,有砂粒感。

图2 薏仁米粉添加量对代餐粉感官评分的影响

沙棘果实的有机酸含量丰富,高达215.83 mg/L[23],沙棘果粉味酸且其特征气味较不宜人。由图3可知,当沙棘果粉添加量为3～4 g时,感官评分不断增加,在添加量为4 g时达到最高。当沙棘果粉添加量大于4 g时,代餐粉的感官评分开始急剧下降,这是因为过多的沙棘果粉会使代餐粉的整体风味变差。

图3 沙棘果粉添加量对代餐粉感官评分的影响

由图4可知,随着甜菊糖苷添加量的不断增加,代餐粉的感官评分先增加后减少,在添加量为0.05 g时达到最高。这是因为甜菊糖苷是甜菊糖苷的甜度是蔗糖的300～450倍,略带苦涩后味[24]。适量的甜菊糖苷可以增加代餐粉的甜味,使得代餐粉酸甜可口;但是过量的甜菊糖苷不仅会使代餐粉口味过甜,而且会使代餐粉变得苦涩。

图4 甜菊糖苷添加量对代餐粉感官评分的影响

由图5可知,随着赤藓糖醇添加量的不断增加,代餐粉的感官评分先增加后减少,在添加量为0.9 g时达到最高。这是因为赤藓糖醇也是天然、低糖甜味剂,它的甜度低于蔗糖,但其甜味纯正清爽能够掩盖苦味,因而成为甜菊糖苷的完美搭档[25],但是过量的赤藓糖醇会使代餐粉过甜。

图5 赤藓糖醇添加量对代餐粉感官评分的影响

菊粉又名菊糖,是一种天然的可溶性膳食纤维,具有降脂降压的功效,被广泛应用于谷物杂粮食品中[26]。由图6可知,当菊粉添加量为1～3 g时,代餐粉的感官评分不断提高,这是因为菊粉增加了代餐粉的溶解性;继续增加菊粉的添加量,感官评分基本不变,这与菊粉的甜度极低不会影响代餐粉的甜酸口味有关。

图6 菊粉添加量对代餐粉感官评分的影响

由图7可知,随着魔芋粉添加量的增加,代餐粉的感官评分呈现先增加后下降的趋势。这是因为魔芋粉含有魔芋葡甘聚糖(KGM),具有良好的乳化性、增稠性等,且其还是一种膳食纤维[27]。魔芋粉用作代餐粉的配料,可以提高代餐粉的稳定性、乳化性,并使代餐分稠度适宜,口感细腻。

图7 魔芋粉添加量对代餐粉感官评分的影响

2.2 代餐粉配方Plackett-Burman因素筛选试验结果

表5为代餐粉配方Plackett-Burman因素筛选试验设计与结果,7个因素一共12组试验,以感官评分为指标进行考察。Plackett-Burman试验中各因素显著性排序的柏拉图如图8所示,显著性最前的3位因素是魔芋粉添加量、红小豆粉添加量、赤藓糖醇添加量。固定薏仁米粉添加量6 g、沙棘果粉添加量3 g、甜菊糖苷添加量0.05 g、菊粉添加量3 g,设计显著因素的爬坡方向和步长,完成最陡爬坡试验。魔芋粉添加量对代餐粉感官品质的影响极显著(p<0.01),红小豆粉添加量、赤藓糖醇添加量对代餐粉感官品质的影响显著(p<0.05),并且魔芋粉添加量、红小豆粉添加量表现出负相关性,赤藓糖醇添加量表现出正相关性。

表5 Plackett-Burman试验设计与结果Table 5 Plackett-Burman design with experimental results

图8 Plackett-Burman试验的因素显著性排序

2.3 显著因素最陡爬坡试验结果

由表6可知,第2组试验代餐粉的感官评分最高,得分为90.5分。因此响应面优化试验因素的“0水平”选择第2组试验处理即红小豆粉添加量10 g、赤藓糖醇添加量1.0 g、魔芋粉添加量0.5 g,在此基础选择涵盖次优水平即第3组试验处理的步长,从零水平数值计算“-1”和“1”水平。构成Box-Behnken优化试验设计水平[28]。

表6 最陡爬坡试验设计与结果Table 6 Steepest ascent path design with experimental results

2.4 代餐粉配方优化试验结果

运用Design-Expert 10.0.3软件对表7试验结果进行多元回归拟合,拟合所得代餐粉感官评分(Y)的多元二次回归方程如下:

表7 Box-Behnken试验设计及结果Table 7 Experimental design and results of Box-Behnken

对该回归模型及其系数进行显著性检验,结果见表8。

表8 Box-Behnken试验结果二次回归方差分析Table 8 Analysis of variance(ANOVA)for the results of Box-Behnken design quadratic model

通过软件的优化程序模块对感官品质进行优化,结果如下红小豆粉添加量8.886 g、赤藓糖醇添加量1.0135 g、魔芋粉添加量0.4945 g,模型预测感官评分可达91.2分。考虑实际生产操作的可行性,将原辅料粉的添加量修正为:红小豆粉添加量8.89 g、赤藓糖醇添加量1.01 g、魔芋粉添加量0.49 g。采用上述优化的添加量进行3次重复试验,代餐粉实际感官评分为91.0±0.6分,与预测值基本一致。

2.5 代餐粉的粘度

图9是代餐粉在6 r/min、不同温度下的粘度曲线。从图9中可以看出,代餐粉的粘度在0～15 min内急速增大,在15～30 min内趋于平缓。一方面淀粉颗粒吸水溶胀,淀粉糊化程度开始上升,淀粉糊化到一定程度,则会趋于平缓[30];另一方面魔芋粉在溶胀时吸收掉了大量的水使得黏度增加,当水分不够后凝胶强度不再增加粘度也就不再变化[31]。对比图9中三条曲线可知,代餐粉的粘度随着温度的升高而降低,这与于文滔等[32]关于膨化粉的粘度研究结果一致。

图9 不同温度下代餐粉的粘度曲线

2.6 代餐粉的营养成分

由表9可知,与市面上“纤磨坊”的一款红豆薏米粉相比,本沙棘营养代餐粉含有较多的粗蛋白、维生素C和黄酮等营养成分,粗脂肪的含量较低,表明该代餐粉营养价值极高,老少皆宜食用。

表9 代餐粉的主要成分Table 9 Major components of meal replacement powder

3 结论

试验利用沙棘果粉、红小豆粉、薏仁米粉、甜味剂和魔芋粉研制沙棘营养代餐粉。通过单因素实验和Plackett-Burman因素筛选试验结合柏拉图确定显著性最前的3位因素是魔芋粉、红小豆粉、赤藓糖醇。由最陡爬坡试验和Box-Behnken优化试验得,显著因素优化结果为红小豆粉添加量8.89 g、赤藓糖醇添加量1.01 g、魔芋粉添加量0.49 g。最终确定沙棘营养代餐粉的配方为红小豆粉添加量8.89 g、薏仁米粉添加量6 g、沙棘果粉添加量3 g、甜菊糖苷添加量0.05 g、赤藓糖醇添加量1.01 g、菊粉添加量3 g、魔芋粉添加量0.49 g,该工艺下代餐粉的感官评分为(91.0±0.6)分。

代餐粉的流变特性研究结果表明,在恒定的剪切速率下,20%的代餐粉冲调后的粘度先增大后趋于平缓,随着温度的升高而降低。产品经热水冲调后呈橘黄色,香气浓郁宜人,口感柔和细腻,具有沙棘营养代餐粉特有的风味和良好的溶解性,富含蛋白质、维生素C和黄酮等营养成分,老少皆宜,且其加工工艺简单,贮藏和运输方便,易于工业化生产。