薏米白酸汤的工艺优化及其风味成分研究

林莉,董玮,吴加怡,袁玮,严红光,石敏,杨涛

1(凯里学院 大健康学院,贵州 凯里,556001)2(凯里学院 理学院,贵州 凯里,556001)

薏米(Coixseed),又叫苡米、薏苡仁、薏珠子等,是禾本科薏苡属草本植物[1],其药性微寒,味道甘甜,能促进人体水分的代谢,有消除水肿、去除湿气、清热解毒[2]等功效,被称为“世界禾本科植物之王”[3]。薏米含有丰富的营养成分,除富含碳水化合物、蛋白质、脂肪、粗纤维、磷、钙、铁等微量元素外,还含有多种人体所需的必需氨基酸,且不饱和脂肪酸含量较高。现今,薏米作为原料已应用于各类食品的加工生产中[4],如薏米曲奇饼干、山药薏米面包、酿造薏米酒以及研制薏米发酵酸奶等等。

酸汤是苗族在几千年的发展历程中创造的一种民族饮食,有白酸汤和红酸汤之分。白酸汤又叫米酸汤,是以水、糯米(米汤)为主要原料经自然发酵而成的,其气味平缓,回味甘甜,有补益气虚、滋阴的功效,同时还起到清热消暑的作用[5]。当前,关于白酸汤的研究主要集中在微生物多样性分析、发酵过程中风味品质的变化、发酵菌种筛选等方面。王琪琪等[6]对白酸汤微生物多样性及群落结构进行了解析,发现白酸汤中细菌有30个分类操作单元(operational taxonomic units,OTUs),真菌有89个OTUs。王思婷等[7]对米酸汤发酵过程中的挥发性风味物质进行分析得到22种主要挥发性物质。肖甜甜等[8]对白酸汤中优势微生物进行筛选共得到20株发酵性能较好的优势菌株。对于白酸汤原料选择的多样性,尤其是不同原料发酵白酸汤的工艺及风味研究方面尚未见相关报道。

本研究以薏米为原料,探究薏米白酸汤的加工工艺,对比分析薏米白酸汤和白酸汤的挥发性风味成分,旨在为白酸汤的原料选择多样性提供创新思路,为白酸汤市场多元化发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

薏米,购于贵州省黔东南州锦屏县;糯米,购于贵州省黔东南州黎平县六背山;老水,实验室自制;山泉水,取自黔东南州凯里市舟溪镇。

1.2 仪器与设备

Q-800B高速多功能粉碎机,上海冰都电器有限公司;CN-LQC5001电子天平,昆山优科维特电子科技有限公司;WK2102美的电磁炉,广东美的生活电器制造有限公司;HH-S8电热恒温水浴锅,北京科伟永兴仪器有限公司;PHSJ-4A pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司;HP6890/5975C GC/MS联用仪,美国安捷伦公司。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

薏米白酸汤的加工工艺流程如图1所示。

图1 薏米白酸汤工艺流程图Fig.1 Process flow chart of Coix rice-acid soup

1.3.2 操作要点

a)原料处理:分别将薏米和糯米打碎后过80目的筛子,备用。

b)加水煮沸:称取一定量原料按一定比例加入山泉水,加热煮沸,同时搅拌。

c)糊化:将加热煮沸好的米汤放在水浴锅中进行糊化,适时搅拌。

d)接种老水:待糊化好的米汤冷却至室温,按一定比例添加老水,装坛。

e)发酵:置于室温条件下自然发酵。

f)pH值的测定:跟踪测定薏米白酸汤pH值至3.2～3.5,即发酵完成。

1.4 响应面试验设计

1.4.1 料液比对酸汤品质影响试验

固定m(糯米)∶m(薏米)=50∶50,糊化温度60 ℃,糊化时间30 min,老水添加量15%(质量分数,下同),以不同的料液比(1∶50、2∶50、3∶50、4∶50,g∶mL)发酵7 d后测定pH值衡量酸汤的口感。

1.4.2 单因素试验

选取糯米和薏米质量比、糊化温度、糊化时间、老水添加量为4个因素,固定料液比(g∶mL)3∶50,参照1.3.1节工艺流程发酵。以感官评分为衡量指标,进行单因素试验设计。

1.4.3 响应面试验

结合单因素试验,设计4因素3水平的响应面试验对薏米白酸汤的工艺参数进行优化,因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 The factors and levels of response surface test

1.4.4 感官评价

1.4.4.1 评价人员选择

感官评价小组按照国家标准GB/T 16291.1—2012,招募有品鉴能力的评价人员,对评价员进行选拔、培训与管理。经过初筛、复筛,对通过选拔的品尝测试人员进行感官培训及20 h以上的强化训练,最终建立10人(5男,5女,20～30岁)的评价小组。

1.4.4.2 感官评价室

感官评价室设置在低噪音、恒温恒湿、空气流通、无异味的房间。室内光线适宜,光源为白炽灯,评价室墙壁背景为白色。

1.4.4.3 感官评价标准

参照贵州省黔东南州凯里酸汤产业发展协会团体标准T/KLST003—2021《凯里酸汤 白酸汤》,制定薏米白酸汤的感官评价标准如表2所示。根据感官评价指标从色泽、口感、质地、气味对薏米白酸汤进行感官评价。

表2 薏米白酸汤感官评价指标Table 2 Sensory score index of Coix rice-acid soup

1.5 挥发性风味物质的测定

1.5.1 测定方法

参考田亚等[9]的方法,略有改动,取2 mL混合均匀的液体样品,放入固相微萃取仪的10 mL采样瓶中,插入装有2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纤维头的手动进样器,于65 ℃加热板上进行顶空提取60 min,并用磁力搅拌使其升温,随后取出萃取头,然后将其立即插入气相色谱仪的进样口,于230 ℃下进行热解析进样。

1.5.2 色谱条件

色谱条件:HP-5MS弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),40 ℃柱温下保持2 min,然后以3 ℃/min升到160 ℃,再以10 ℃/min升温至220 ℃,保持10 min;载气:99.999%的高纯度He;柱压:7.06 psi;流量:1.0 mL/min;不分流;溶剂延迟时间:1 min。

质谱条件:电子轰击离子源为EI源,温度230 ℃;四极杆温度:150 ℃;电子能量70 eV;发射电流34.6 μA;倍增器电压2 341 V;接口温度240 ℃;质量范围29～500 amu。

1.5.3 定性与定量方法

定性方法:通过对总离子流图中的各峰进行检索,并与Nist 20和Wiley 275标准质谱图比对,同时结合RI值、相关文献标准质谱图进行定性。

定量方法:根据峰面积归一化法评估挥发性成分的相对含量。计算如公式(1)所示:

(1)

式中:wi,组分i含量;Ai,组分i的峰面积。

1.6 数据处理

通过SPSS 19.0和Excel进行数据统计及差异显著性分析,采用Origin 8.0软件绘图,利用Design expert 8.06软件进行响应面(Box-Behnken)试验设计及数据统计。

2 结果与分析

2.1 料液比对薏米酸汤品质影响试验结果

根据图2可知,当原料∶水=3∶50(料液比,g∶mL)时,其发酵效果最好,pH值为3.5,酸度适宜;当原料∶水=4∶50(料液比,g∶mL)时,则可能因米汤过于黏稠,营养物质过剩,微生物生长过快,发酵至后期会抑制其生长,从而影响其发酵活力及有机酸的产生[10]。传统米酸汤的料液比为1∶50(g∶mL)[11],但薏米白酸汤发酵时,以原料∶水=1∶50(料液比,g∶mL)及原料∶水=2∶50(料液比,g∶mL)时,因原料薏米中的淀粉含量较低,故导致发酵效果不佳。故取原料∶水=3∶50(料液比,g∶mL)作为薏米白酸汤加工的料液比。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 糯米薏米质量比对薏米白酸汤的影响

由图3可知,随着糯米含量的增加,薏米白酸汤的感官评分也随之升高,且在m(糯米)∶m(薏米)=65∶35时感官评分出现峰值90.63分,此时的薏米白酸汤在达到酸汤适口酸度的同时,还能很好地将薏米的风味引入白酸汤之中。当薏米含量继续增加时,薏米白酸汤的感官评分呈下降趋势。图中,m(糯米)∶m(薏米)为80∶20和65∶35时所对应的感官评分值中无显著差异(P>0.05),但从感官评分和原料选择多样性上综合考虑,选择65∶35为糯米薏米最佳质量比。

图2 料液比对薏米酸汤品质影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on quality of Coix rice-acid soup

a-糯米薏米质量比对薏米白酸汤影响的感官雷达图; b-糯米薏米质量比对薏米白酸汤感官评分影响折线图图3 糯米薏米质量比对薏米白酸汤的影响Fig.3 Effect of the mass ratio of glutinous rice to Coix seed on Coix rice-acid soup注:图中不同字母代表差异显著(P<0.05)(下同)。

2.2.2 糊化温度对薏米白酸汤的影响

由图4可知,感官评分随糊化温度呈上升后下降的趋势。当糊化温度70 ℃时,薏米白酸汤的感官评分达到最高91.30分,当温度继续升高,其感官评分开始逐渐下降,且与70 ℃时相比差异显著(P<0.05)。这说明在温度升高至70 ℃时,淀粉已全部糊化[12],致使白酸汤的感官评分值达到最高。从节约资源的方面考虑,故取70 ℃为薏米白酸汤的最佳糊化温度。

a-糊化温度对薏米白酸汤影响的感官雷达图; b-糊化温度对薏米白酸汤感官评分影响折线图图4 糊化温度对薏米白酸汤的影响Fig.4 Effect of gelatinization temperature on Coix rice-acid soup

2.2.3 糊化时间对薏米白酸汤的影响

由图5可知,感官评分随糊化时间延长呈先升高后下降的趋势。当糊化时间在40 min时,感官评分出现峰值92.67分,随着糊化时间继续延长,感官评分显著下降(P<0.05)。糊化时间的选择影响淀粉颗粒内部物质结构与水分的接触时间的长短以及风味的好坏。糊化时间过短可能导致淀粉颗粒的糊化效果和吸水能力不佳,对微生物的消化吸收产生一定影响,糊化时间过长,虽会使淀粉颗粒的内部结构被裂解破坏[13],但糊化时间过长会对糯米和薏米的风味物质造成不良影响。综上,以糊化时间40 min为薏米白酸汤的最佳糊化时间。

2.2.4 老水添加量对薏米白酸汤的影响

由图6可知,感官评分随老水添加量呈先升高后降低的趋势,在添加量15%处出现峰值89.27分。老水添加量5%时,体系内的菌种数量过少,其发酵能力较弱,在发酵结束时难以达到适口的酸度;老水添加量为25%～45%时感官评分逐渐下降,可能是由于老水中的菌种数量过多,米汤中的营养物质也被过多的菌种消耗完,导致菌种的生长受到抑制,从而影响了菌种的发酵能力。因此取老水添加量15%为薏米白酸汤的最佳老水添加量。

a-糊化时间对薏米白酸汤影响的感官雷达图; b-糊化时间对薏米白酸汤感官评分影响折线图图5 糊化时间对薏米白酸汤的影响Fig.5 Effect of gelatinization time on Coix rice-acid soup

a-老水添加量对薏米白酸汤影响的感官雷达图; b-老水添加量对薏米白酸汤感官评分影响折线图图6 老水添加量对薏米白酸汤的影响Fig.6 Effect of adding amount of old water on Coix rice-acid soup

2.3 响应面试验

2.3.1 响应面试验结果

根据单因素的试验结果,结合Box-Behnken中心组合实验设计模型,进行4因素3水平的响应面试验,试验设计方案及结果见表3。通过对试验结果进行处理和分析,得到二次多项回归方程:

Y=+93.20-2.67A-0.67B-1.50C-0.17D+2.75AB-3.50AC-1.25AD-0.25BC+1.00BD+1.75CD-5.93A2-5.43B2-2.93C2-5.93D2

表3 响应面试验设计及结果Table 3 The response surface experimental design and results

2.3.2 方差分析

表4 回归模型的方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression model

2.3.3 验证试验

根据回归方程得到薏米白酸汤预测的最佳工艺参数为m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化温度为68.87 ℃,糊化时间为38.69 min,老水添加量为14.80%,为方便试验操作,将试验条件调整为m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化温度为69 ℃,糊化时间为39 min,老水添加量为15%。进行3次验证试验;得到的薏米白酸汤的感官评分值为90.20分,RSD值为1.06%,与预测值93.62分较接近,故运用响应面优化薏米白酸汤工艺的回归模型可行。

2.4 挥发性风味成分测定

由图7和表5可知,薏米白酸汤的挥发性风味成分为21种,白酸汤为18种,其中两者共有的挥发性物质有乙酸、丙酸、乙酸丙酯、乙酸异戊酯、2-羟基丙酸丙酯、2-甲基-丙酸、丙酸丙酯、苯乙醇、乙酸乙酯和丙酸乙酯10种。白酸汤和薏米白酸汤的挥发性风味成分种类相对含量较多的是酯类、醇类和酸类。白酸汤中酯类化合物含量较高,相对含量为49.231%,薏米白酸汤中则是酸类化合物含量较高,相对含量为40.615%。

图7 白酸汤和薏米白酸汤挥发性风味化合物种类数Fig.7 Number of volatile flavor components in rice-acid soup and Coix rice-acid soup

2.4.1 酯类物质

酯类物质来自于醇类的酯化反应,通常具有水果般香气,且具有挥发性高和阈值低的特点,是发酵食品中最重要的一类挥发性成分之一[14]。2种白酸汤中检出共有的酯类成分有6种,分别为乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸丙酯、乙酸异戊酯、2-羟基丙酸丙酯,其中具有柔和水果香味的乙酸丙酯含量分别为13.289%和15.690%,薏米白酸汤比白酸汤高2.401%。白酸汤中未检出具有奶油香气的十六烷酸乙酯,而薏米白酸汤的含量为2.148%。

表5 白酸汤和薏米白酸汤挥发性风味成分种类及相对含量Table 5 Types and relative contents of volatile flavor components in rice-acid soup and Coix rice-acid soup

2.4.2 酸类物质

酸类物质是发酵食品中的一大类风味成分,其除了本身可以呈味外,还能与醇类反应生成酯类,构成白酸汤独特的风味[15]。薏米白酸汤的酸类挥发性物质比白酸汤的更为丰富,薏米白酸汤的酸类物质相对含量为40.615%,白酸汤为34.963%,薏米白酸汤比白酸汤高5.652%。

2.4.3 醇类物质

醇类物质主要来自于淀粉糖化后的酒精发酵阶段,通过微生物的生长繁殖,产生大量醇类物质,共同作用形成香气并为有机酸提供前体物质[16]。白酸汤和薏米白酸汤中均检出6种醇类挥发性风味成分。其中共有的醇类物质为苯乙醇,呈现甜香、玫瑰花香和蜂蜜香味[17],在2种酸汤中的含量接近,含量分别为1.228%、1.232%。薏米白酸汤中含有1.713%的正丙醇,是在酒精发酵过程中形成的一种高级醇,具有水果、清洁和新鲜草木的风味[18]。此外,薏米白酸汤中还检出了庚醇,含量为2.033%。庚醇是一种具有特有芳香气味的小分子风味物质,常被用作调配草莓、香蕉、蘑菇等食用香料[19]。

2.4.4 其他类物质

醛类具有阈值低、赋香能力强等特点,在白酸汤中检出少量的乙醛和丙醛,两者都具有刺激性气味,常与其他易挥发性物质相互作用,对不良气味有协同增效作用[20]。而薏米白酸汤中则有着类似梨香气的庚酮[21]和具有椰子香味的二氢-5-戊基-2(3H)-呋喃酮[22],相对含量分别为0.340%和1.167%。酮类物质可能通过脂肪氧化和美拉德反应产生,具有独特的水果香、花香等令人愉悦的气味[23],且还有对腥味减弱的作用[24]。

3 结论与讨论

本研究以感官评价为衡量指标,通过响应面优化得出薏米白酸汤的最佳工艺参数为m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化温度为69 ℃,糊化时间为39 min,老水添加量为15%,加工所得薏米白酸汤感官评分为90.20分。采用GC-MS技术分析得到薏米白酸汤的挥发性风味物质较白酸汤更丰富,薏米白酸汤中具有水果香味的乙酸丙酯含量较白酸汤高2.401%,且含有具有奶油香气的十六烷酸乙酯;2种白酸汤同时检出具有甜香味和玫瑰花香味的苯乙醇,但薏米白酸汤还检出了具有芳香气味的庚醇和水果香味的正丙醇;此外,薏米白酸汤中检出具有类似梨香气的庚酮和椰子香味的二氢-5-戊基-2(3H)-呋喃酮。目前,对白酸汤原料多样性的研究较少,尤其是对不同原料加工所得的白酸汤产品营养功效成分分析和风味差异探究方面的空间很大。因此,有必要对不同原料加工的白酸汤产品的工艺、营养功效成分、风味等方面进行深入研究,为白酸汤的原料选择多样性上提供理论参考,为白酸汤市场多元化发展提供创新思路。