微波-过热蒸汽法速熟化处理杂粮的研究

徐志村，王俊仁，王莉，张聪男，陈正行，冯晓宇，蒋洁

（1.江苏省农垦农业发展股份有限公司现代农业研究院，江苏 南京 211800；2.江南大学粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心，江苏 无锡 214122；3.江南大学江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江苏 无锡 214122；4.江南大学江苏省生物活性制品加工工程技术研究中心，江苏 无锡 214122）

中国是农业大国，杂粮资源非常丰富[1]，主要包括除水稻、小麦、玉米等主粮作物以外的多种粮豆类作物，如黑米、红米、紫米、燕麦、薏米、红豆、绿豆等[2-3]。随着生活水平的提高，城乡居民饮食消费结构中精细粮占比越来越高，粗杂粮比重大幅下降[4]，导致糖尿病、高血脂等富贵病的发病率逐年升高[5]。根据相关研究，食物中全谷物的摄入量与死亡呈明显负相关，长期食用加工过于精细的粮食产品，会导致2型糖尿病与癌症发病率的增加[6-10]，而杂粮中含有丰富的维生素类、黄酮类、酚酸类、氨基酸类等生物活性成分以及膳食纤维和微量元素，可以有效预防慢性疾病的发生[11-15]。但由于杂粮通常硬度较高，难糊化，口感差，无法与大米同步煮熟，需要提前长时间浸泡等处理，难以适应快节奏生活，给消费者带来了很大不便，也阻碍了杂粮产品的推广[16]。目前杂粮速熟化工艺有很多种，包括蒸煮工艺、冷冻干燥工艺、高温流化工艺等[17-20]，但不同处理工艺得到的产品品质参差不齐。本研究以黑米、红米、糙米为研究对象，采用微波技术结合过热蒸汽速熟化处理杂粮，改善其蒸煮品质，为杂粮速熟化和品质改良提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

黑米、红米、糙米：无锡市朝阳农贸市场；苯酚、无水乙醇、氢氧化钾、酚酞、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二钠、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）：国药集团化学试剂有限公司，以上试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

万能粉碎机（CF-100KS）：广州晨雕机械设备有限公司；数显恒温水浴锅（HH-6）：常州金坛良友仪器有限公司；电子分析天平（FA2204B）：山东晨拓科学仪器有限公司；台式离心机（AXTD5A）：盐城市安信实验仪器有限公司；米饭食味计（STA/A）：日本佐竹公司；工业微波炉（COWB-2L）：江阴辰欧微波能系统设备有限公司；高温瞬时灭菌设备（WC-FMD）：江苏万创灭菌设备科技有限公司；恒温恒湿箱（BSC-250）：上海博迅实业有限公司。

1.2 方法

1.2.1 杂粮微波速熟化工艺流程

原料预处理→浸泡→微波速熟化→钝酶→冷却→成品。

1.2.2 单因素试验

称取预处理后的黑米、糙米、红米，分别选取泡时间（20、30、40、50、60 min）、微波设置温度（80、90、100、110、120 ℃）、微波处理时间（2、4、6、8、10 min），120 ℃过热蒸汽钝酶时间（3、5、10、15、20 s）为单因素，以最佳蒸煮时间、米饭硬度值、弹性值、黏度值为指标进行试验，选取适宜条件进行正交试验。

1.2.3 最佳蒸煮时间的测定

参考GB/T 15682—2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》进行测定[21]。

1.2.4 食味指标的测定

采用米饭食味计，自动测定米饭的硬度、黏度、弹性值。

1.2.5 储藏期试验指标的测定

脂肪酸值（fatty acid value，FV）的测定：采用 GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的测定》中的方法测定[22]。

丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的测定：采用GB 5009.181—2016《食品安全国家标准食品中丙二醛的测定》中的方法测定[23]。

1.3 数据分析

所有试验重复3次，试验结果取平均值。试验数据处理采用Origin8.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 杂粮浸泡时间的确定

浸泡时间对杂粮蒸煮品质的影响见图1。

图1 浸泡时间对杂粮蒸煮品质的影响Fig.1 Effect of soaking time on cooking quality of cereals

由图1可知，在20 min～40 min内，随着浸泡时间延长，3种谷物的最佳蒸煮时间明显缩短，米饭的硬度值明显降低，黏度值和弹性值明显升高，原因可能是由于随着吸水量增加，微波处理过程中淀粉预糊化明显，导致杂粮内部淀粉结构发生变化，有利于熟化过程[16-18]；在40 min～60 min，随着浸泡时间延长，最佳蒸煮时间、米饭硬度值没有明显变化，而黏度值呈增加趋势，弹性值呈降低趋势，主要原因是随着杂粮含水量的增加，微波处理过程中杂粮爆腰率和爆花率明显升高[16，19]，导致米饭蒸煮过程中易软烂，黏度值上升、弹性值降低。综合多指标，选取30、40、50 min进行正交试验。

2.1.2 杂粮微波处理温度的确定

微波处理温度对杂粮蒸煮品质的影响见图2。

图2 微波处理温度对杂粮蒸煮品质的影响Fig.2 Effect of microwave treatment temperature on cooking quality of cereals

大量研究表明微波处理工艺可以显著改善杂粮适口性[16，19-20]，由图2可知，随着微波处理温度的上升，3种谷物的最佳蒸煮时间和米饭硬度值呈降低趋势，在80℃～100℃区间降低趋势明显，100℃～120℃区间降幅趋缓，主要原因是微波高温导致籽粒表面的水分迅速蒸发，籽粒内外形成了水分梯度，并且产生了表面应力[24]，表皮结构受损打开了吸水通道，所以微波处理后的黑米籽粒吸水能力更强，有利于煮饭过程中水分的渗入，加快熟化过程。而随着温度升高，米饭的黏度值呈升高趋势，弹性值呈现先升高后降低的趋势，在100℃达到最高值后降低，主要原因温度越高，杂粮爆腰率和爆花率越高，煮饭过程中水分可以更快地进入杂粮内部，导致米饭软烂，黏度值上升、弹性值降低。综合多指标，选取90、100、110℃进行正交试验。

2.1.3 杂粮微波处理时间的确定

微波处理时间对杂粮蒸煮品质的影响见图3。

图3 微波处理时间对杂粮蒸煮品质的影响Fig.3 Effect of microwave treatment time on cooking quality of cereals

由图3可知，在2 min～6 min，3种谷物的最佳蒸煮时间和米饭硬度值呈降低趋势，米饭黏度值和弹性值呈升高趋势，6 min～10 min时间段趋势相反，最佳蒸煮时间和米饭硬度值呈升高趋势，米饭黏度值和弹性值呈下降趋势，主要原因是随着微波处理时间延长，2 min～6 min时间段微波主要作用是实现谷物内部淀粉预糊化，实现杂粮蒸煮时间的缩短和食味品质的改善[16-18]；而6 min后，随着时间的延长，杂粮过度失水造成结构紧密坚硬，导致产品蒸煮时间延长，食味品质变差。综合多指标，选取4、6、8 min进行正交试验。

2.1.4 杂粮过热蒸汽钝酶时间的确定

过热蒸汽钝酶时间对杂粮蒸煮品质的影响见图4。

图4 过热蒸汽钝酶时间对杂粮蒸煮品质的影响Fig.4 Effect of superheated steam treatment time on cooking quality of cereals

由图4可知，随着过热蒸汽钝酶时间的延长，3种谷物的最佳蒸煮时间和米饭硬度值呈降低趋势，米饭黏度值呈上升趋势，主要原因是过热蒸汽会将杂粮籽粒在高温、高压条件下使高温过热蒸气快速渗透到植物细胞中，半纤维素部分水解，木质素软化易降解，并通过瞬间卸压产生的机械爆破效果，使植物组织结构破坏、细胞壁破坏[19]，蒸煮过程中有利于水分渗入谷物内部，从而缩短最佳蒸煮时间，改善产品食味品质[20]；3 s～10 s时间段米饭弹性值呈上升趋势，而10 s～20 s时间段呈下降趋势，同时米饭黏度值快速上升，主要原因是过热蒸汽长时间处理造成谷物严重膨化、爆花，蒸煮过程中水分可以更快地进入杂粮内部，导致米饭软烂，黏度值上升、弹性值降低。综合多指标，选取 5、10、15 s进行正交试验。

2.2 正交试验结果分析

根据单因素试验结果，以成品最佳蒸煮时间和硬度值为指标，进行四因素三水平L9（34）正交试验，确定杂粮速熟化的最佳工艺，正交试验设计的因素水平如表1所示。

表1 正交试验因素和水平设计Table 1 Factor level table of the orthogonal test

正交试验结果如表2所示，最佳蒸煮时间与硬度值均为速熟化杂粮品质的主要指标，两者无主次顺序，设定两者权重系数均为1。试验中分别测出速熟化杂粮最佳蒸煮时间和硬度值，然后根据下式计算综合得分[25]，3种杂粮综合得分取平均值即为该工艺的最终综合评分。

表2 正交试验结果Table 2 The results of the orthogonal test

式中：X'为标准化处理后的值，即综合得分；X为指标的测量值为不同试验号中该指标测量值的平均值；S为不同试验号中该指标测量值的标准偏差。

由表2中极差值 R 可知，RB＞RD＞RA＞RC，因此影响杂粮速熟化效果和食味品质的因素主次关系依次：微波温度＞钝酶时间＞浸泡时间＞微波时间，试验结果的最佳组合是A3B3C1D2，即浸泡时间为50 min、微波温度为110℃、微波时间为4 min、钝酶时间为10 s。对最佳工艺组合进行验证试验，结果如表3所示。

表3 验证试验结果Table 3 The results of the verification test

由表3验证试验结果可知，经A3B3C1D2工艺组合处理后的3种谷物，蒸煮时间和食味品质得到明显改善，且蒸煮时间和食味品质指标与大米接近，达到了与大米同煮同熟的效果，因此选择该工艺组合为最佳工艺组合。

2.3 储藏期试验结果分析

将A3B3C1D2工艺处理过的产品分别按照200 g/袋规格进行真空包装，在50℃，相对湿度60%的恒温恒湿培养箱中贮藏12周，定期检测产品的FV和MDA含量，结果如图5所示。

图5 速熟化处理杂粮储藏期间脂肪酸值和丙二醛含量变化Fig.5 Changes of FV and MDA content in cereals treated by microwave-superheated steam

大量研究表明，过热蒸汽处理可以有效延长杂粮货架期[26-28]，由图5可知，在加速试验储藏过程中，速熟化处理后的3种谷物的FV和MDA含量始终维持低位，FV≤30 mg KOH/100 g，MDA 含量≤25 μg/100 g，而未经处理的3种谷物的FV和MDA含量随储藏时间快速上升，储藏第12周，未处理黑米、红米和糙米的FV 分别为 352.51 、371.37 、422.64 mg KOH/100 g，MDA含量分别为 65.33、75.12 μg/100 g和 92.47 μg/100 g。由此可见，该工艺对杂粮的稳定化效果较好，可以有效抑制杂粮的氧化哈败。

3 结论

试验研究得出杂粮速熟化的最佳工艺条件：浸泡时间为50 min、微波温度为110℃、微波时间为4 min、钝酶时间为10 s。在此条件下得到的速熟化黑米、红米和糙米的最佳蒸煮时间分别为30.5、29.4、29.6 min，米饭硬度值分别为4.5、4.1和4.0，显著改善了杂粮的蒸煮品质，达到了与大米同煮同熟的效果，该工艺对杂粮的稳定化效果较好，可以有效抑制杂粮的氧化哈败。全谷物饮食可以改善人体的营养状况，对健康益处良多，是一种健康的选择，且此速熟化杂粮原材料丰富，生产方式简便易行，批量生产的可行性极高，具有广阔的市场前景。