基于变异系数法对气流膨化处理马铃薯方便粥 品质的评价

白 洁，蒋华彬，张小飞，李玉美，李经伟，袁 诺，张 赛，彭义交*

（北京食品科学研究院，北京 100068）

马铃薯具有丰富的营养价值，含有钙、磷、铁、钾等矿物元素以及丰富的VB1、VB2和胡萝卜素等人体所需的营养物质，马铃薯中的蛋白质属于完全蛋白，更易于人体吸收利用，且胆固醇含量极低，被称为“地下苹果”，也被称为“地球未来的粮食”[1-3]。2015年，我国提出马铃薯主食化战略目标，马铃薯主食化产品成为研究热点，马铃薯米粉、马铃薯馒头、马铃薯饼干等层出不穷，但马铃薯方便粥产品并不多见。目前方便粥加工技术多以挤压和冻干工艺为主，其中挤压法制备的方便粥多是采用一次挤出后直接干燥而得，但该工艺制备的方便粥无法直接冲泡，需沸水速煮才可食用；少数采用一次挤出后进行高温（烤炉或微波）二次α化，该方法制备的方便粥虽然可以沸水直接冲泡，但二次α化温度需200 ℃左右，极易造成营养物质严重损失，粥粒变形且表面易形成硬壳，导致产品复水性降低[4-8]。因此研究一种食用方便、复水性佳的马铃薯方便粥加工关键技术很有必要。

气流膨化技术因其在加工过程中对原料性状、体积规格无特殊要求，原料利用率高，营养损失少，且可实现物料的无油、连续膨化加工，近年来被广泛应用于食品加工领域[9]。但目前气流膨化技术的应用主要集中在果蔬脆片、马铃薯休闲食品的开发以及豆渣改性等方面。Nath等[10-11]研究了气流膨化处理对马铃薯-大豆即食食品品质的影响并对加工条件进行了探索；Yi Jianyong等[12]研究了膨化条件对苹果片品质和微观结构的影响；la Fuente等[13]研究了高温短时气流膨化对香蕉脆片干燥效果的影响；倪函[14]采用低温气流膨化技术研制出膨化马铃薯复合脆片，并对其品质、营养成分以及货架期进行了研究；刘晓娟等[15]采用气流膨化技术处理薏米从而改善了煮熟薏米的品质；许佳[16]利用瞬时气流膨化联合复合酶解技术对豆渣原料进行改性处理，从而提高残渣中水溶性膳食纤维含量。但采用气流膨化工艺开发方便粥的研究较少，本研究采用气流膨化技术对挤出法制备的马铃薯方便粥进行二次处理，研究不同气流膨化条件对马铃薯方便粥品质的影响，以期为气流膨化技术在马铃薯方便粥中的应用提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘大西洋’马铃薯全粉 内蒙古凌志马铃薯科技股份有限公司；大米（粳稻） 沈阳龙泰米业有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤压膨化设备 山东德固机械设备有限 公司；常压连续气流膨化设备自制；ColorMunki Photo校色仪 美国Χ-Rite爱色丽公司；Exponent Lite Express质构仪 英国Stable Micro Systems公司；QP2020型气相色谱-质谱仪 日本岛津公司；固相微萃取手动进样手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司；JSM-6390A扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM） 日本JEOL公司；Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪 珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 马铃薯方便粥制备

马铃薯方便粥加工工艺：大米→粉碎→过筛（60 目）→加入到马铃薯全粉中→加水混合→挤压→常压气流膨化处理→马铃薯方便粥

上述工艺中马铃薯全粉添加量为55%（质量分数，后同），大米粉添加量为45%，加水混合时调节水分质量分数为20%，挤压温度115 ℃，喂料电机频率12 Hz，螺杆电机频率24 Hz。

1.3.2 气流膨化处理条件

气流膨化处理条件为130 ℃处理30、40、50、60 s以及110、130、150、170 ℃处理30 s，分别标记为130/30、130/40、130/50、130/60、110/30、130/30、150/30、170/30，以未经气流膨化处理的样品作空白对照，标记为0/0。

1.3.3 营养成分的测定

水分质量分数测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》；淀粉含量测定参考GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》；蛋白质含量测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）和可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量的测定参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》。

1.3.4 色差的测定

将产品置于直径50 mm的培养皿内压平，使用ColorMunki Photo校色仪同时测定样品的L*值、a*值和b*值[17]。由L*值、a*值和b*值可以计算出样品色调与标准色调（白板测定值）之间的差，即色差△E，每个样品重复5 次，取其平均值作为测定结果。其中白板测定值为L*＝91.46、a*＝0.1、b*＝-3.06，按照公式（1）计算ΔE。

式中：△L*、△a*、△b*分别表示测定值与白板色泽指标之差。

1.3.5 质构特性的测定

取10 g马铃薯方便粥样品，加入80 g沸水冲泡6 min，然后将米汤滤去，随机选取1 粒米粒放置在测试台上进行质构测定，重复测定10 次，取平均值[17]。TPA测定参数设置如下：测试探头P/36R型；测前、测中、测后速率均为1 mm/s；触发力5.0 g；压缩程度70%。根据TPA质构曲线计算硬度、弹性、内聚性、咀嚼性及回复性。

1.3.6 复水率及复水时间的测定

准确称取10 g（m1/g）样品，加入80 g沸水，加盖密封，每30 s搅拦1 次，复水5 min后倾倒米汤，并迅速用吸水纸吸干米粒表面的水分，测定米粒质量为m/g，复水率按公式（2）计算。

准确称取10 g样品，加入80 g沸水，加盖密封，每30 s搅拦一次，待米粒中心完全软化所需时间即为复水时间。

1.3.7 固形物含量的测定

取10 g（m1/g）样品，加入80 g沸水，加盖密封，每30 s搅拦1 次，复水5 min后倾倒米汤，放入培养皿内105 ℃下干燥至质量不变，称量培养皿内固体质量（m/g）， 固形物含量按公式（3）计算。

1.3.8 径向膨化率测定

膨化度用径向膨化率表示，用数显电子游标卡尺测定粥粒样品直径，每个样品随机测定10 次，求其平均值作为方便粥粥粒的平均直径（d/mm），平均直径与挤出模头的模口直径（测定3 次，平均值为1.0 mm）的比值为径向膨化率。

1.3.9 挥发性香气成分测定

参考文献[18]测定不同样品的挥发性香气成分。

1.3.10 基于变异系数法的综合评价

采用变异系数法[19]确定色差、硬度、弹性、内聚性、咀嚼性、回复性、复水时间、水分质量分数、TDF含量、SDF含量、杂环化合物质量浓度、醛类质量浓度、烃类质量浓度、复水率、淀粉含量、蛋白质含量、径向膨化率、固形物含量18 个指标的影响因子权重，按公式（4）、（5）计算。

式中：Vi表示第i个指标的变异系数；σi表示第i个指标的标准差；表示第i个指标的平均值。

式中：Wi表示权重。

采用Z-score标准化法将各项指标的数据按公式（6）进行标准化处理。测量值

式；中σ：i表Z示ij表第示i个标指准标化的后标各准指差标；值；表Xi示j表第示i各个指指标标实的际平均值。数值越小方便粥品质越好的指标，对应的Zij前加负号得到各指标的标准化值，然后将不同气流膨化条件下各

指标标准化值与权重相乘，得到综合评分。

1.3.11 SEM观察微观结构

随机挑选粥粒，将粥粒横向切断，粘贴于双面胶上，横截面向上，喷金后将样品放入SEM样品室，在加速电压为15 kV、250 倍下进行观察。

1.3.12 傅里叶变换红外光谱分析

称取马铃薯方便粥样品2 mg置于玛瑙研钵中，同时加入200 mg溴化钾，充分混合、研磨、压片后置于傅里叶变换红外光谱仪上测试[20]。以溴化钾为背景，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数32 次。

1.4 数据处理和分析

采用SPSS 20.0软件对数据进行处理，单因素方差分析采用Duncan多重比较进行事后检验，P＜0.05表示差异显著。数据采用Excel 2010软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 气流膨化条件对马铃薯方便粥营养成分的影响

如表1所示，与空白样0/0相比，马铃薯方便粥经110～170 ℃处理30 s后，水分质量分数、淀粉含量、蛋白质含量均显著降低（P＜0.05），TDF及SDF含量随温度升高呈先增加后降低的趋势，但除170 ℃处理30 s外，其余组别TDF及SDF含量差异均不显著（P＞0.05）。 与空白样0/0相比，马铃薯方便粥经130 ℃处理30～60 s后， 水分质量分数、淀粉含量、蛋白质含量均显著降低 （P＜0.05），TDF及SDF含量均变化不显著（P＞0.05）。膨化温度较高时，TDF及SDF含量降低可能是由于温度升高会加剧美拉德反应和碳化反应，一些可溶性多糖结构遭到破坏，从而使膳食纤维含量降低[21]。许佳[16]、郭怡琳[22]等研究表明气流膨化可以使物料中的不溶性膳食纤维向SDF转化，从而提高SDF含量，本研究与上述结论不同，一方面可能是因为本研究所用的常压气流膨化设备与传统加压气流膨化设备不同，压力的机械作用力对物料的冲击力较大，使物料内部分子间作用力增强，从而使膳食纤维中的糖苷键发生断裂，不溶性成分部分转变为可溶性成分；另一方面可能是因为马铃薯方便粥水分质量分数较低所致，Guo Yiting等[23]研究表明当物料含水量较低时，物料受到的摩擦力较大，可能会造成部分SDF分解为更小的单体，造成SDF含量降低。

表1 气流膨化对马铃薯方便粥营养成分含量的影响Table 1 Effects of different air puffing conditions on nutritional composition of potato congee

2.2 气流膨化条件对马铃薯方便粥色泽的影响

L*值越大表示色泽越明亮，a*值为红绿度指数，b*值为黄蓝度指数。如表2所示，与空白样0/0相比，马铃薯方便粥随膨化温度升高与膨化时间的延长，L*值、a*值、b*值均发生明显改变，亮度先增强后减弱，红色、黄色增强，这是马铃薯方便粥经气流膨化处理后发生焦糖化与美拉德反应所致。当处理温度较低或处理时间较短时，L*值较高，a*值和b*值相对较低，说明该条件下美拉德反应进行程度比较低，使得马铃薯方便粥呈现出鲜亮的颜色。当处理温度超过150 ℃或处理时间为60 s时，L*值急剧下降，a*值增大，从而导致马铃薯方便粥色泽逐渐偏褐色且越来越暗，说明此条件下，美拉德反应速度加快，类黑色素的生成量增加。与空白样0/0相比，较低的处理温度和较短的处理时间（110/30、130/30）下ΔE值变化不显著（P＞0.05），说明其最大限度地保留了马铃薯方便粥的色泽。

表2 气流膨化对马铃薯方便粥色泽的影响Table 2 Effects of different air puffing conditions on color of potato congee

2.3 气流膨化条件对马铃薯方便粥复水时间及复水率的影响

如图1、2所示，与空白样0/0相比，马铃薯方便粥经不同膨化温度与不同膨化时间处理后，复水时间显著 缩短（P＜0.05），复水率显著增加（P＜0.05），说明气流膨化处理可以提高马铃薯方便粥的复水效率，这是因为气流膨化处理对马铃薯方便粥内部水分质量分数及结构影响较大，随着膨化温度的升高或膨化时间的延长，马铃薯方便粥径向膨化率增高，内部空洞结构增多，产品更易复水。

图1 膨化温度对马铃薯方便粥复水时间及复水率的影响Fig.1 Effects of puffing temperature on rehydration time and rehydration rate of potato congee

图2 膨化时间对马铃薯方便粥复水时间及复水率的影响Fig.2 Effects of puffing time on rehydration time and rehydration rate of potato congee

2.4 气流膨化条件对马铃薯方便粥质构特性的影响

如表3所示，与空白样0/0相比，气流膨化处理对马铃薯方便粥质构有明显的影响，其中硬度、咀嚼性两个指标变化最大，而这两个指标恰是方便粥重要的质构特性，能够直观反映加工条件对粥品质的影响。随着气流膨化温度的升高和时间的延长，方便粥硬度和咀嚼性 均显著降低（P＜0.05），这是因为膨化温度的升高或膨化时间的延长加剧了原料体系内部水分子运动，使物料产生膨化，形成多孔性结构，这与Nath等[11]研究马铃薯膨化零食结论一致，即在一定范围内随着温度升高和时间的长，膨胀率增大。

表3 气流膨化对马铃薯方便粥质构特性的影响Table 3 Effects of different air puffing conditions on textural properties of potato congee

2.5 气流膨化条件对马铃薯方便粥径向膨化率及固形物含量的影响

如图3、4所示，与空白样0/0相比，马铃薯方便粥经150 ℃以上处理30 s时，径向膨化率与固形物含量均显著增加（P＜0.05）；不同膨化时间处理后，固形物含量显著增加（P＜0.05），但径向膨化率变化不显著 （P＞0.05）。这说明膨化处理可以使马铃薯方便粥的内部结构更疏松，同时可以提高马铃薯方便粥的水溶性。

图3 膨化温度对马铃薯方便粥径向膨化率及固形物含量的影响Fig.3 Effects of puffing temperature on radial expansion and solid content of potato congee

图4 膨化时间对马铃薯方便粥径向膨化率及固形物含量的影响Fig.4 Effects of puffing time on radial expansion and solid content of potato congee

2.6 气流膨化条件对马铃薯方便粥挥发性香气成分的影响

图5为气流膨化处理马铃薯方便粥香气成分总离子流图，根据图5分析各类挥发性香气化合物的种类数量与质量浓度，结果分别如图6、7所示。由图6可知，不同条件气流膨化处理后，马铃薯方便粥最多检测出59 种挥发性物质，与空白样0/0对比，气流膨化处理后，马铃薯方便粥醛类、杂环化合物种类增加，其他组分种类无变化。空白样0/0样品主要香气成分包括烃类（388.88 μg/L， 占总挥发性香气成分的49.40%）、醛类（114.53 μg/L， 占总挥发性香气成分的14.55%）、杂环化合物（82.87 μg/L， 占总挥发性香气成分的10.53%），其他组分（包括醇类、酮类、酯类、酸类以及其他类，占总挥发性香气成分的4.3%～6.3%）含量相对较低。由图7可知， 气流膨化处理后，马铃薯方便粥香气成分从以烃类为主转化为以醛类与杂环化合物为主，醛类物质主要源于加热过程中不饱和脂肪酸的自氧化和酶解氧化，如正己醛是亚油酸自氧化的产物，壬醛是油酸在脂氧合酶作用下的降解产物等[24-25]；此外，美拉德反应过程中也会形成醛类物质，如苯甲醛为苯丙氨酸降解产物[26]，这些醛类物质可赋予马铃薯方便粥坚果似烤香、果香及烤马铃薯香。气流膨化处理后，杂环化合物含量急剧增加，其中150/30样品杂环化合物质量浓度为980.53 μg/L，占总挥发性香气成分的55.05%，170/30样品杂环化合物质量浓度为2 188.85 μg/L，占总挥发性香气成分的71.66%。马铃薯方便粥中的杂环化合物主要以吡嗪类物质为主，由美拉德反应、焦糖化反应生成，随着气流膨化处理温度升高，相关化学反应更彻底，产生的杂环化合物含量也会随之增多，这些物质赋予马铃薯方便粥独特的焦香、焙烤香气。烃类物质多具有汽油等不良气味，气流膨化处理后，马铃薯方便粥中烃类物质含量降低，这是因为烃类物质受热易发生氧化反应[27]。

图5 气流膨化处理马铃薯方便粥香气成分总离子流图Fig.5 Total ion current chromatogram of aromatic components in potato congee treated by air puffing

图6 气流膨化处理马铃薯方便粥中各类挥发性香气化合物的种类数Fig.6 Types of aromatic components identified in potato congee treated by air puffing

图7 气流膨化处理马铃薯方便粥中3 类主要香气化合物的质量浓度Fig.7 Effects of different air puffing conditions on concentrations of three main classes of aromatic components in potato congee

2.7 气流膨化条件对马铃薯方便粥品质影响的综合评价

鉴于挥发性香气成分中酮类、酸类、酯类、醇类以及其他类的含量相对醛类、杂环化合物及烃类物质较低，所以只选取醛类、杂环化合物以及烃类质量浓度3 个指标作为综合评价指标进行分析，马铃薯方便粥产品品质18 项指标的平均值、标准差和变异系数以及权重，结果如表4所示，水分质量分数、香气成分（杂环化合物、醛类、烃类）质量浓度、咀嚼性、硬度、复水时间这几个指标所占权重较大，表明不同气流膨化处理对这7 个指标影响较大。

表4 气流膨化马铃薯方便粥的各项指标权重Table 4 Weights of various indicators for comprehensive evaluation of potato congee by air puffing

对8 种不同气流膨化处理马铃薯方便粥的18 个指标标准化处理（表5），将标准化值与各指标的权重相乘得到综合评分（表6）。因为复水时间、水分质量分数、色差、吡嗪类以及烃类物质质量浓度的数值越小马铃薯方便粥品质越好，因此这5 个指标标准化后在数值前加负号，得到综合评分作为最终评价参照依据。由表6可知，不同处理组样品综合评分由高到低依次是：130/50＞130/40＞130/30＞130/60＞110/30＞150/30＞ 0/0＞170/30。上述分析表明适宜的气流膨化处理对马铃薯方便粥的品质具有一定积极的影响，且在处理温度较低时，膨化时间的影响较小。综合品质各项指标考量，马铃薯方便粥气流膨化最佳处理工艺为130 ℃处理50 s，在此条件下进一步分析气流膨化处理对马铃薯方便粥微观结构、分子结构的影响。

表5 气流膨化马铃薯方便粥各项指标的标准化值Table 5 Standardized values of various quality indicators of potato congee treated by air puffing

表6 气流膨化马铃薯方便粥各项指标的综合评分Table 6 Comprehensive evaluation scores of potato congee treated by air puffing

2.8 气流膨化条件对马铃薯方便粥微观结构的影响

由图8可知，空白样品0/0表面相对较为平整，有些许褶皱，纹路清晰，微观结构比较致密均匀；130/50处理后的 样品出现多孔网状结构，内部结构变得膨胀疏松，这可能是因为气流膨化处理过程中，马铃薯方便粥内部水分蒸发使其发生膨化，形成较多空洞，这种结构更利于水分子进入，从而使马铃薯方便粥复水时间缩短，质构特性发生改变。

图8 气流膨化处理马铃薯方便粥SEM图Fig.8 SEM morphology of potato congee treated by air puffing

2.9 气流膨化条件对马铃薯方便粥红外光谱影响的分析

气流膨化处理前后马铃薯方便粥样品傅里叶变换红外光谱图见图9，其中空白样品0/0在2 929 cm-1处（C-H伸缩振动），1 421、1 370 cm-1处（C-H弯曲振动），930 cm-1处（C-O伸缩振动），1 080、1 021 cm-1处（C-O-C伸缩振动），853、761、574 cm-1处 （-CH2摇摆振动）出现了特征吸收峰，这些峰属于淀粉的特征吸收峰。此外，空白样品0/0在3 301、1 239 cm-1处（N-H伸缩振动），1 663 cm-1处（C＝O酰胺I带），523 cm-1处（S-S伸缩振动）也有强峰，这些峰是蛋白质的特征吸收峰[20,28]。

图9 气流膨化处理马铃薯方便粥傅里叶变换红外光谱图Fig.9 Fourier transform infrared spectra of potato congee treated by air puffing

气流膨化处理后，马铃薯方便粥样品在3 301、1 663、2 929、1 421 cm-1处峰位发生了偏移，峰值强度也发生了变化，说明气流膨化处理影响了蛋白质、淀粉分子的构型[28]。1 158 cm-1处峰（脂肪中C-O键的伸缩振动）[29]强度变化可能是气流膨化处理过程中形成了淀粉-脂质复合物所致，这种复合物被认为可能对产品质构特性有影响[30]。此外，1 047 cm-1处的吸收峰通常代表淀粉体系的结晶区域，对应淀粉分子中的有序结构，气流膨化处理前后马铃薯方便粥样品在1 047 cm-1处均未检出特征吸收峰，说明淀粉的结晶区被破坏，这主要是空白样0/0在挤压过程中淀粉已发生糊化所致。

3 结 论

不同气流膨化处理会影响马铃薯方便粥营养成分、色差、质构特性、复水时间以及挥发性香气组成，适宜的气流膨化处理可降低马铃薯方便粥水分质量分数，较好地保留马铃薯方便粥的色泽、TDF以及SDF含量，缩短复水时间，并赋予马铃薯方便粥坚果似烤香、焦香及特有的薯类香气。基于变异系数法得出水分质量分数、挥发性香气成分（杂环化合物、醛类、烃类）质量浓度、咀嚼性、硬度、复水时间这7 个指标所占权重较大，表明不同气流膨化处理对这7 个指标影响较大，综合评分结果表明130 ℃处理50 s马铃薯方便粥品质最好。SEM结果表明经气流膨化处理后马铃薯方便粥出现多孔网状结构，内部变得膨胀疏松。傅里叶变换红外光谱图表明气流膨化处理后，马铃薯方便粥样品部分峰位发生了偏移，且峰强度也发生了变化，说明气流膨化处理影响了样品中蛋白质、淀粉、脂肪等分子的构型。