酶法制备谷物杂粮粉冲调性的工艺优化

狄冰倩,马丽媛,尚尔坤,仁青拉姆,贺馨颖,逯本涵

(1.绥化学院食品与制药工程学院,黑龙江 绥化 152061;2.绥化市检验检测中心,黑龙江 绥化 152000)

杂粮是指除稻谷、小麦、玉米、大豆以外的原粮的统称,因在饮食防控各类慢性疾病中有显著优势,其开发利用成为近年来的研究热点[1-2]。杂粮冲调粉是谷物通过制粉技术处理制成粉状,再与适当的原辅料进行调配混合制成的速溶即食食品。随着人们对健康养生食品的日益重视,谷物杂粮粉因其较高的营养价值和携带、食用方便的特点逐渐受到大多数人群的青睐。

本研究以玉米、小米、红豆、高粱、燕麦为原料制备杂粮粉,其中玉米含有丰富的粗纤维,可以降低胆固醇水平,预防高血压、冠心病等疾病[3];小米含有多种维生素、矿物质和高水平的蛋白质,且小米中的一些多酚具有辅助治疗糖尿病、癌症和心血管疾病的作用[4-5];红豆有助于胃肠蠕动、健脾养胃、促进疲劳消除、还可以美容养颜、提高免疫力、抗肿瘤等[6];高粱中含有人体所需的多种营养成分,氨基酸种类齐全,必需氨基酸的含量较高[7];燕麦中蛋白质含量较高,且具有延缓衰老、降血脂、调节血糖和血压、提高免疫力等[8-10]功能效用。

目前,国内已有对不同种类的谷物粉的冲调特性进行的研究[11-15],但研究方法多是采用直接干燥粉碎或挤压膨化后混合等技术进行加工,生产的杂粮粉冲调时易结块,且食用后不易消化,导致其中的营养成分不能有效利用。本研究利用生物酶水解技术,将杂粮中的大分子淀粉、蛋白质、纤维素等水解成小分子物质,既有利于消化吸收,同时冲调性得到了改善,为速溶杂粮粉的开发提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米、小米、红豆、高粱、燕麦:市售;α-淀粉酶(酶活性≥5×104U/g)、β-淀粉酶(酶活性≥4×104U/g),无锡市雪梅酶制剂科技有限公司;氢氧化钠,广州市刺水科技有限公司;盐酸,河南圣斯德实业有限公司;硫酸铜、亚甲蓝、酒石酸钾钠、氢氧化钠、乙酸锌、冰乙酸、亚铁氰化钾,山东萍聚生物科技有限公司,均为分析纯;蔗糖、黄原胶、微晶纤维素、麦芽糊精,河南万邦实业有限公司,均为食品级。

1.2 设备

CF-100KS万能粉碎机,广州晨雕机械设备有限公司;不锈钢网筛(380、250、180、150、120 μm),广东五研检测技术有限公司;HH-6数显恒温水浴锅,江苏省金坛市莱华仪器制造有限公司;鼓风干燥箱,河南信诺仪器设备有限公司;UV1902PC紫外可见分光光度计,上海奥析科学仪器有限公司;80-2B离心机,湖南星科技科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1谷物杂粮粉加工工艺流程

杂粮原料→去杂→粉碎过筛→调浆→灭酶→加酶酶解→干燥→调配→测定。

1.3.2操作要点

(1)谷物除杂:分别去除5种谷物杂粮中的杂质(石头、草等),防止污染产品或产生误差。

(2)粉碎:采用万能粉碎机分别对5种谷物杂粮进行粉碎,过筛分离出颗粒。采用间歇粉碎的方法,避免杂粮粉过热,磨粉30 s,间隔1 min。

(3)过筛:5种谷物杂粮粉分别过60目筛,备用。

(4)调浆:5种杂粮粉按1∶1∶1∶1∶1的比例混合,底物浓度为5%,加水后不断搅拌,充分混匀。

(5)灭酶:90℃下水浴加热10 min左右,冷却至酶解温度,备用。

(6)加酶酶解:α-淀粉酶与β-淀粉酶按照1∶1的比例添加,总添加量为0.2%,搅拌,使其充分混匀,在55℃恒温水浴锅中酶解110 min。

(7)灭酶:酶解后在90℃水浴锅中水浴10 min。

(8)干燥:将酶解液加热蒸发至黏稠状,转移到蒸发皿上,于100℃鼓风干燥机中干燥至恒重。

(9)调配:按照配方分别添加黄原胶、微晶纤维素、蔗糖、麦芽糊精,进行调配,注意搅拌均匀。

(10)测定:以结块率和冲调稳定性为指标测定。

1.3.3DE值的测定方法

DE值通常用酶解后所得到的还原糖与干物质的百分比表示,酶解后的浆液中还原糖的含量越高,则它的DE值越高,也就表示淀粉水解得越彻底。本实验采用直接滴定法[16]测量。计算公式如下:

式中:X为试样中还原糖的含量,g/100 g;m1为碱性酒石酸铜溶液(甲、乙液各半)相当于某种还原糖的质量,mg;M为试样质量,g;F为系数,数值为1;V为测定时平均消耗试样溶液体积,mL; 250为定容体积,mL;1 000为换算系数。

1.3.4结块率的测定方法

准确称取5.000 0 g冲调粉,记作m2,于250 mL烧杯中,加入开水100 mL,以10 r/min搅拌30 s,将粉糊用20目的筛网过滤,用清水冲洗一次,然后沥干水分,放入105℃干燥箱中,将结块物烘干至恒重[17],记作m1。

结块率按下式计算:

式中:m1为结块物的质量,g;m2为样品干重,g。

1.3.5冲调稳定性的测定方法

按照配方在酶解后的杂粮粉中分别添加黄原胶、微晶纤维素、蔗糖、麦芽糊精,将其进行调配,均匀搅拌后加水冲调作为样品备用,在540 nm的波长下先测定样品的吸光值,记作A1,然后将样品在3 000 r/min离心机中离心20 min,离心后将上清液取出稀释100倍,继续测定样品的吸光值,记作A2,R值作为稳定系数,R值越大表明杂粮粉的冲调稳定性越高[18]。

式中:A1为样品的吸光值;A2为离心稀释后样品的吸光值。

1.3.6单因素试验

分别选取不同冲调温度(60、70、80、90、100℃)、蔗糖添加量(16%、18%、20%、22%、24%)、杂粮粉粒径(380、250、180、150、120 μm)、麦芽糊精添加量(18%、20%、22%、24%、26%)、黄原胶与微晶纤维素的配比(3∶7、4∶6、1∶1、6∶4、7∶3)为单因素,以结块率和冲调稳定性为指标进行试验,从中选取适宜的条件,进行下一步正交试验。

1.3.7正交试验

根据单因素试验结果,选取对试验指标影响较大的冲调温度、蔗糖添加量、麦芽糊精添加量、黄原胶与微晶纤维素的配比为主要考察因素,以结块率和冲调稳定性为指标,进行L9(34)正交试验,确定最佳配比方案。正交因素水平见表1。

表1 正交因素水平表

1.3.8数据分析方法

正交试验采用正交设计助手ⅡⅤ3.1进行数据分析,数据的显著性检验采用SPSS Statistics 25。

2 结果与分析

2.1 酶解结果

未经酶解的原料经直接滴定法测定的DE值为14.6%。经酶解后杂粮粉的DE值为40.1%。可知经酶解后大分子淀粉分解为小分子物质,更容易被人体消化吸收。且在酶解后,杂粮粉感官性状良好,呈均匀细腻粉末状,色泽较好,呈浅棕色,具有天然浓郁的杂粮粉的复合香味,没有其他异味。

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1冲调温度的确定

对冲调温度进行单因素试验,结果见图1。

图1 冲调温度对杂粮粉冲调性的影响

由图1可知,当冲调温度不断增加,结块率会逐渐下降,但当温度升高到一定程度后,杂粮冲调粉的香气会更强烈,结块率也会升高,原因是淀粉颗粒与更高温度的热水接触时,表面会迅速形成非常黏的糊状物,使得溶液更加黏稠,结块率便会增加。同时,冲调粉的冲调稳定性会逐渐增加,可能是因为随着温度的升高,淀粉分子会迅速吸收水分并膨胀,此时的分子体积会不断增加。最后淀粉外面的分子爆发,淀粉里面的直链淀粉分子释放出来,使溶液变稠,于是冲调粉变得更稳定[19]。图1显示了该试验的最佳冲调温度为80℃。同样王秀兰等[20]对夏秋绿茶复合玉米冲调粉的研究结果表明,最佳冲调水温同样也为80℃,与本试验结果一致。

2.2.2蔗糖添加量的确定

对蔗糖添加量进行单因素试验,结果见图2。

图2 蔗糖添加量对杂粮粉冲调性的影响

蔗糖作为一种调味品,可以改善杂粮粉的味道,还可以提高杂粮粉的冲调稳定性、溶解度,也可以降低黏度。从图2可以看出,当蔗糖的添加量较低时,颗粒的黏度较高,结块率较高。当增加蔗糖含量时,结块率变低。这是因为蔗糖可以减少颗粒与颗粒之间的接触,减少结块的发生。然而,当蔗糖的添加量超过20%时,过多的甜度会掩盖其他谷物的味道,使颗粒的质地变得单一化,也会导致一定的结块。因此,随着蔗糖的增加,杂粮粉的结块率呈现先下降后上升的趋势,同时,冲调稳定性则先上升后下降,这是因为蔗糖在遇水溶解后会有一定的黏性,使得杂粮粉更黏稠,冲调稳定性增加,但蔗糖晶体更多时,也会影响杂粮粉冲调稳定性。由图2可知选择20%的蔗糖为合适的用量,此时杂粮粉的结块率较低,冲调稳定性较高。许亮等[21]等通过比较水稻淀粉糊化温差,确定杂粮粉的最佳配比为20%的白砂糖,与本实验结果一致。

2.2.3杂粮谷物粒径的确定

对杂粮谷物粒径进行单因素试验,结果见图3。由图3可知,随着杂粮粉粒径的减少,结块率先下降后上升,这可能是由于随着粒径的减小,粉体与水的接触面积增大,结块率降低。当粒径大于180 μm时,粉体的空隙变小,粉体与水接触时,外面已润湿的粉体粘连,阻碍水分进一步的渗透,导致粉体结块率增加。同时杂粮粉的冲调稳定性先上升后下降,这是因为当粉体粒径较大时,溶于水后,膳食纤维和大颗粒中的淀粉处于较稳定的结合状态,淀粉分子被束缚,导致成糊能力较差,冲调稳定性较差,所以选择粒径为180 μm为宜。王秀兰等[20]在夏秋绿茶复合玉米冲调粉的研制中的研究结果表明,最佳的冲调工艺的粉体粒径为80目,即180 μm,与本实验结果一致。

图3 杂粮谷物粒径对杂粮粉冲调性的影响

2.2.4麦芽糊精添加量的确定

对麦芽糊精添加量进行单因素试验,结果见图4。麦芽糊精是一种可以促进分散的介质,可以降低块状物形成,使得杂粮粉结块率降低,同时分散介质自身有一定的黏度,可以增加冲调物料的黏度,黏度越高,冲调稳定性越好。但当分散介质的含量达到一定程度,会促进淀粉的沉淀,结块率增加,冲调稳定性减少。

图4 麦芽糊精添加量对杂粮粉冲调性的影响

由图4可知,当麦芽糊精含量增加时,结块率呈现先减少后增加的趋势,冲调稳定性却先增加后减少。李冀新等[22]对膨化玉米早餐粉的混合特性进行了研究,结果表明麦芽糊精添加量为20%的冲调效果最好。但本实验对麦芽糊精的添加量进行了更多水平测定,结果显示当麦芽糊精的添加量为22%时,冲调效果达到最好。

2.2.5黄原胶与微晶纤维素配比的确定

对黄原胶与微晶纤维素的配比进行单因素试验,结果见图5。

图5 黄原胶与微晶纤维素的配比对杂粮粉冲调性的影响

如图5所示,随着黄原胶和微晶纤维素混合物中黄原胶比例的增加,结块率先呈现出下降趋势,但当比例达到4∶6后,结块率呈现出逐渐上升的趋势,而相反,杂粮粉的冲调稳定性呈现出先上升后下降的趋势;因此当黄原胶与微晶纤维素的配比为4∶6时,杂粮粉的冲调性达到最佳状态。徐晨冉等[18]在研究复合谷物超微粉的营养品质和稳定性时,确定添加的微晶纤维素为0.25%,黄原胶为0.40%,与本实验结果不同,原因可能是所采用的原材料不同导致的。

2.3 正交试验结果分析

谷物杂粮粉的正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

如表2所示,R1值的大小为A>B>C>D,可知影响其结块率的因素主次关系依次是:冲调温度>蔗糖添加量>麦芽糊精添加量>黄原胶与微晶纤维素的配比,得到的最佳冲调组合为A2B1C3D3,由正交表得到的最佳冲调组合为A2B1C2D3。极差R2值的大小为A>C>D>B,可知影响杂粮粉冲调稳定性的因素主次关系依次是:冲调温度>麦芽糊精添加量>黄原胶与微晶纤维素的配比>蔗糖添加量,得到的最佳冲调配方为A2B1C3D3,根据正交试验表的最佳冲调组合为A2B1C2D3,以上组合不一致,进行验证试验,结果如表3所示。

表3 验证试验结果

由表3可知,组合A2B1C3D3与组合A2B1C2D3的结块率和冲调稳定性结果均差异极显著,在此情况下,选择A2B1C2D3为最佳组合,即冲调温度80℃、蔗糖添加量18%、麦芽糊精添加量22%、黄原胶与微晶纤维素的配比1∶1,谷物粒径为180 μm,此时结块率为3.61%,冲调稳定性为16.93%。

经调配后制得的成品呈浅棕色的粉末状,成品冲调时状态较好,具有浓郁的杂粮香味,无其他异味,结块率大大降低,并且分层现象不明显,无沉淀,质地较均匀稳定,细细品尝有稍甜风味,口感柔滑且醇厚。经检测,产品感官指标和理化指标符合LS/T 3302—2014《方便杂粮粉》[23]中的规定,微生物指标符合GB/T 18738—2006《速溶豆粉和豆奶粉》[24]中的规定。

3 结论

研究以酶解后的杂粮粉为原料,对其结块率、冲调稳定性进行研究,经单因素和正交试验确定最佳工艺组合。结果表明,各因素对杂粮粉结块率的影响顺序为冲调温度>蔗糖添加量>麦芽糊精添加量>黄原胶与微晶纤维素的配比,各因素对杂粮粉冲调稳定性的影响顺序为冲调温度>麦芽糊精添加量>黄原胶与微晶纤维素的配比>蔗糖添加量,试验最终得到最佳工艺组合为A2B1C2D3,即冲调温度80℃、蔗糖添加量18%、麦芽糊精添加量为22%、黄原胶与微晶纤维素的配比为1∶1,谷物粒径为180 μm,此时结块率为3.61%,冲调稳定性为16.93%。相比传统的直接调配型杂粮粉,经酶解处理后显著提高了杂粮粉的DE值,更容易被人体消化吸收,结块率低,冲调稳定性较好,食用方便,营养丰富,口感也较好,并且酶解过程温和、高效,实现了改良的效果。