马丽媛,李杨,张雅娜,张晟,郭丽
绥化学院食品与制药工程学院(绥化 152061)
中国食用谷物杂粮米的历史在5 000年以上,五谷主要指稻(俗称水稻、大米)、黍(俗称黄米)、稷(又称粟,俗称小米)、麦(俗称小麦)、菽(俗称大豆),在日常生活中占据着重要地位。其中,小米素以“罕见佳肴、上乘珍品”蜚声海内外,自古就是产妇、婴幼儿、老年人、病弱者的首选补品,具有较高营养价值[1]。小米中含有多种维生素、蛋白质、脂肪、糖类,以及钙、铁等人体所必需的营养物质,极易消化吸收,属于中等热量食物;小米中蛋白质过敏性极低,消化率及生物价高于小麦和大米;碳水化合物含量低于稻米、小麦和玉米,且主要成分是淀粉,含量为63%~70%,其中水溶性多糖主要以阿拉伯糖和木糖为主,葡萄糖含量较少是糖尿病人理想食物;粗脂肪含量介于玉米和水稻之间,为2.8%~8.0%,虽含量不高,但却都是优质脂肪酸,其不饱和脂肪酸占84%以上;矿物质含量相对少但含量丰富,黄小米中含有较多人体可利用的有机硒,且钙、磷、铁的含量明显高于小麦和玉米,钾含量更是高居五谷之首[2]。红豆富含蛋白质,碳水化合物,钙、磷,还含有较多的B族维生素、维生素A等成分,其中独有的成分使得红豆具有消热解毒、利水消肿、健脾止泻等功能,可治小腹胀满,小便不利,烦热口渴诸症。绿豆性甘凉,有清热解毒、消暑、利水等功效,《本草纲目》中记载绿豆还可明目[3]。黑豆中含有丰富的B族维生素和维生素E,对于女性来说具有美容养颜功效;黑豆皮中含有花青素,能清除体内自由基,尤其在胃的酸性环境下,抗氧化效果好,养颜美容,促进肠胃蠕动。燕麦是一种低糖、高营养、高能量食品,具有补脾益气、止虚汗的功效,长期使用具有减肥的效果;此外燕麦中含有丰富的维生素B1、B2,叶酸等,可以促进血液循环、缓解生活中的压力;富含钙、磷、锌等矿物质可以预防骨质疏松、促进伤口愈合等功效[4]。
中国是杂粮谷物的生产大国,同时也是消费大国,消费以食用为主,占杂粮消费量的76%,少量用于工业生产、饲料生产,其中工业生产占12%,饲料生产占8%。中国杂粮的深加工处于初级阶段,仅占21%,远低于发达国家[5],杂粮加工的产品结构单一,副产品综合利用水平较低,了解其加工生产现状,分析和预测未来技术需求及产业发展方向,利用杂粮谷物资源,研究优化多种加工技术和开发产品显得十分必要。
由于养生和食品营养受到日益关注,杂粮米粉因含有丰富的营养和较低的热量深受市场和消费者的欢迎,以谷物杂粮为主原料的营养冲调粉制品生产有着广阔的应用前景。谷物冲调粉营养全面丰富、粉剂均匀、口感好、水溶性好、食用方便快捷,冲调粉产业迅速发展,但是谷物杂粮粉的感官品质参差不齐,制作工艺和成品质量急需改善。谷物杂粮粉的加工主要集中在粉碎、糊化、干燥等工艺研究上,但这些生产工艺存在能耗大、设备复杂、营养破坏损失大、产品冲调性不好、长期食用容易上火等缺点,而自然温和的生物酶水解技术可以保留谷物杂粮的天然营养成分,促进营养成分的消化吸收,具有很好的冲调性和保健功能。
1.1.1 材料
小米、红小豆、绿豆、黑豆、燕麦,市售;糖化酶、α-淀粉酶,无锡雪梅酶制剂科技有限公司;淀粉葡萄糖苷酶,博立生物制品有限公司;中温淀粉酶,南宁东恒华道生物科技有限公司;氢氧化钠,广州市刺水科技有限公司;浓盐酸,河南圣斯德实业有限公司;酒石酸钾钠,郑州德旺化工产品实业有限公司;亚铁氰化钾,上海诺泰化工产品有限公司;乙酸锌,湖北帝鑫化工制造有限公司;葡萄糖,天津市基准化学试剂有限公司;斐林试剂,厦门海标科技有限公司。
1.1.2 设备与仪器
CF-100KS万能粉碎机(广州市旭朗机械设备有限公司);DH-6数显恒温水浴锅(上海岛析实业有限公司);FA124C电子天平(力辰科技有限公司);DZF-6250电热恒温干燥箱(北京中科博达有限公司);PHS-25 pH计(上海越平设备有限公司);WIGGENS数字式搅拌器(澳大利亚新港科学仪器公司)。
1.2.1 单因素试验
分别选取不同水解酶、酶解温度、复配酶比例、酶解时间、小米与杂粮配比为单因素,以还原糖含量(DE值)和感官品质为指标,进行试验,从中选取适宜的条件,进行后续正交试验。
1.2.2 正交试验
根据单因素试验结果,选取酶解温度、复配酶比例、酶解时间、小米与杂粮配比4个因素的适宜水平进行四因素三水平L9(34)正交试验,确定杂粮小米粉的最佳工艺。正交试验设计的因素水平表如表1所示。
表1 正交试验因素水平表
1.2.3 感官品质评定
根据杂粮小米粉的外观色泽、溶解度、口感、气味、滋味等方面,对其进行感官分析,并邀请10名有经验的感官分析员进行感官评定(总分为100分),杂粮小米粉的感官评分标准见表2。
表2 杂粮小米粉感官品质评分标准
杂粮米除杂→超微粉碎机粉碎→80目筛网过筛→小米粉与杂粮粉混合→调浆→灭酶→冷却→调节pH→添加酶→酶解→灭酶→冷却→测定DE值
1.4.1 原料的选择
选择颗粒饱满,无虫蛀,无霉点的新鲜杂粮,挑除其中的沙粒,泥土,清理干净污物。
1.4.2 粉碎
对物料进行粉碎,过80目筛网备用,用密封袋保存,避免受潮。
1.4.3 磨粉和过筛
沥水后的米和红豆用粉碎机粉碎,通过100目筛,备用。
1.4.4 混合调浆
将小米粉与杂粮粉按照一定比例混合,按底物浓度5%调浆。
1.4.5 灭酶
放入恒温水浴95 ℃灭酶10 min,冷却至一定温度,调节pH。
1.4.6 酶解
按照工艺要求,添加一定量的水解酶,搅拌均匀,使浆料与酶充分接触。置于恒温水浴锅中,并控制温度、时间等条件进行水解。水解结束后95 ℃灭酶10 min。
1.4.7 测定DE值
采用直接滴定法测定水解液的DE值[6]。
1.5.1 杂粮米粉溶解性能的测定
利用正交试验得出最佳加工工艺,获得的杂粮米粉配置成5%的杂粮米粉乳浊液50 mL,在95 ℃水浴条件下边加热边搅拌30 min,在3 000 r/min条件下离心25 min,取上清液蒸干,将干物质于105 ℃烘干称质量得到被溶解淀粉的质量M(g),计算出样品的溶解度[7]。计算如式(1)。
式中:A为样品质量,g;M为烘干恒质量,g。
1.5.2 杂粮米粉结块率的测定
通过测定杂粮米粉的结块率,反映出杂粮米粉的分散性。结块率越小,表明杂粮米粉的分散性能越好。参照吴阳[5]方法进行检测。将10 g优化工艺后制得的杂粮米粉加入250 mL烧杯中,再加入100 mL沸水。手动搅拌30 s后过筛,将筛网中结块干燥至恒质量,质量计为M(g),计算公式如式(2)。
式中:W为杂粮米粉水分,%;M为烘干恒质量,g。
2.1.1 不同种类的酶对DE值影响
选取糖化酶(A)、α-淀粉酶(B)、淀粉葡萄糖苷酶(C)、中温淀粉酶(D),在酶解温度50℃、酶解时间90 min、小米与杂粮配比5∶1,其中黑豆、绿豆、红豆和燕麦比例1∶1∶1∶1条件下,研究不同酶对杂粮米粉DE值的影响。筛选出最适的2种酶进行1∶1复配(E),并对产品进行感官评价,结果如图1所示。
结果表明,α-淀粉酶对杂粮米粉DE值的影响与其他3种酶相比较高,其次是糖化酶,且二者水解后的米粉感官评分也较高。因此,这2种酶进行1∶1复配,研究其对杂粮米粉DE值的影响。结果表明,两者进行1∶1复配后,DE显著提高。结合感官评价,得出复合酶酶解时比单一酶酶解效果发生明显提高,复配后的DE值为42.24%,试验结果比季慧等[8]将α-淀粉酶和β-淀粉酶进行1∶1复配后的DE值41.29%稍高。因此,将糖化酶和α-淀粉酶进行复配后杂粮米粉水解程度有所提高,后续试验可研究二者复配比例的变化对DE值的影响。
2.1.2 复配酶比例对DE值影响
由图2可知,糖化酶和α-淀粉酶进行不同比例复配后,DE值有所变化,且差异较大。比例在5∶1~1∶1时,随着α-淀粉酶增加,DE值呈现缓慢上升趋势,这可能是由于α-淀粉酶比例过高时,糖化酶活性受到抑制,会影响酶解效率,从而导致DE值较低。比例在1∶1~1∶3时,DE值上升明显,比例在1∶3条件下达到最大,且感官评分也较高。试验结果与吴阳[5]研究中老年米粉冲调性的加工工艺中α-淀粉酶与β-淀粉酶比例1∶3相同。
图2 复合酶配比对杂粮米粉DE值的影响
2.1.3 酶解温度对DE值影响
由图3可以看出,随着酶解温度升高,DE值呈现先增加后趋于平缓下降趋势,酶解温度55 ℃时,DE值最大。这是由于糖化酶和α-淀粉酶都属于中温性的酶类,酶解温度55 ℃时,酶表现出较强活力。因此,在该酶解温度下,复合酶水解杂粮米粉反应速率最大,此时水解程度适中,感官评分也较高。酶解温度过高或过低,均会影响复合酶的结构及活性,进而影响淀粉的水解程度。因此温度控制在50~60 ℃之间能更好发挥酶的活力。
图3 酶解温度对杂粮米粉DE值的影响
2.1.4 酶解时间对DE值的影响
根据图4可知,随着酶解时间增长,DE值呈现先上升后下降趋势,在酶解时间90~105 min,DE值表现出明显上升,但酶解时间超过105 min时,DE值开始逐渐下降,这是因为酶解时间较长使得复合酶与淀粉分子之间发生充分作用,使得复合酶的活力开始降低,从而导致DE值开始下降。因此,选择酶解时间105 min较为适宜,此时水解程度较高,感官评分高。季慧等[8]研究α-淀粉酶和β-淀粉酶复配时得到最佳酶解时间为150 min,这是由于α-淀粉酶和β-淀粉酶的活力可以持续150 min,超过150 min,酶的活力才开始下降。相比较下利用糖化酶与α-淀粉酶进行复配可以在相对较短时间内得到较好的水解效果,可以缩短加工时间。
图4 酶解时间对杂粮米粉DE值的影响
2.1.5 小米与杂粮配比对DE值影响
由图5可知,随着小米添加量增加,DE值表现出持续下降趋势。小米与杂粮配比3∶1~4∶1时,DE值下降趋势平缓,配比4∶1~7∶1时,DE值下降趋势更加显著。这是由于小米添加量的增加导致浆料中淀粉含量增多,从而导致浆料黏度增大,分子与分子之间作用不够充分,影响杂粮米粉中淀粉的水解效率。此时,水解不够充分,使得米粉口感粗糙,感官评分低。吉雪[9]在对婴幼儿米粉酶解工艺参数的优化中研究提出,米浆处于低浓度时,分散效果好,因此杂粮米粉要在营养均衡的条件下控制小米添加量。试验数据表明,小米与杂粮配比3∶1时,DE值最大值达到60.13%,水解程度最大,综合感官评分,此时杂粮米粉口感最佳。考虑到降低生产成本,故选择小米与杂粮复配比例3∶1。
图5 小米与杂粮配比对杂粮米粉DE值的影响
以酶解温度、复合酶配比、酶解时间、小米与杂粮配比为单因素进行四因素三水平正交试验,正交优化试验结果见表3。
由正交试验结果可知,极差R值的大小为D>A>C>B,由此可以得出对杂粮小米粉DE值影响大小顺序为:小米与杂粮的配比>酶解温度>酶解时间>糖化酶和α-淀粉酶复配比例。其中最佳组合是A2B3C3D1,即酶解温度55 ℃,复配酶复配比例1∶5,酶解时间105 min,小米与杂粮复配比例3∶1。但与最大DE值试验组A2B2C3D1不符,因此要进行验证试验。正交试验验证结果见表4。
由于组合A2B3C3D1优于A2B2C3D1,故酶解温度55℃、复合酶比例1∶5、酶解时间105 min、小米与杂粮配比3∶1为杂粮小米粉最佳酶解工艺,此时得出杂粮小米粉感官品质最佳。在此最佳工艺条件下对杂粮小米粉进行冲调性检验,结果表明,杂粮小米粉的溶解度为69%,结块率为0.3%,说明其具有良好的冲调性。
表3 正交试验结果表
表4 验证试验结果
对复合酶水解杂粮小米粉加工工艺进行研究,结果表明,当复合酶(糖化酶和α-淀粉酶)配比1∶5、小米与杂粮配比3∶1、酶解温度55 ℃、酶解时间105 min时,水解液DE值为61.78%。此时水解程度高,冲调性好,杂粮米粉口感细滑,含有丰富营养,利于人体吸收,符合当代人们的饮食需求,具有广阔的市场前景。