高温短时气流膨化薏米工艺优化.pdf

第 28 卷第 15 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.152582012 年8 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringAug.2012高温短时气流膨化薏米工艺优化刘晓娟1，龚丽2，毛新1，赵力超1，周爱梅1，刘欣1（1.华南农业大学食品学院，广州 510642；2.广东省农业机械研究所，广州 510642）摘要：为了对薏米高温短时气流膨化工艺进行优化，采用响应曲面法研究了预糊化时间、膨化温度、膨化时间和含水率 4 个因素对薏米膨化率和黄蓝值的影响，并对膨化前后薏米的淀粉和蛋白质体外消化性以及细胞结构进行了分析。结果表明，影响薏米膨化率因素的强弱顺序依次为膨化时间含水率膨化温度预糊化时间，高温短时气流膨化薏米的最优条件为预糊化时间 30 min、膨化温度 250、膨化时间 20.0 s 和含水率 6%。膨化后薏米淀粉和蛋白质体外消化率均比膨化前显著提高（P0.05）。膨化后薏米细胞内部呈蜂窝状结构，形成很多较大的空洞。该文提供了一种缩短薏米蒸煮时间和提高营养物质消化吸收率的技术，满足薏米工业化生产的需求。关键词：农产品，工艺，优化，高温短时气流膨化，薏米doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.15.041中图分类号：TS213文献标志码：A文章编号：10026819(2012)-15-0258-06刘晓娟，龚丽，毛新，等.高温短时气流膨化薏米工艺优化J.农业工程学报，2012，28(15)：258263.Liu Xiaojuan,Gong Li,Mao Xin,et al.Optimization of high temperature short time air puffing technology of adlayJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(15):258263.(inChinese with English abstract)0引言薏米属禾本科玉蜀黍族薏苡属，又名薏苡仁或薏仁米。薏米的营养价值很高，富含维持人体健康所必需的蛋白质、脂肪、碳水化合物、8 种氨基酸、亚油酸、B 族维生素和各种微量元素等，是一种营养平衡的谷物1。此外，薏米还含有多糖、薏醇、薏苡素、薏苡仁酯及特有的三萜类化合物等多种药用成分2-3。现代药理研究表明，薏米能够抑制癌细胞的增殖，增强肾上腺皮质功能，提升白细胞血小板，增强免疫力和抗炎作用，镇静镇痛及解热作用，降血钙，抑制骨骼肌收缩和降血糖抗肿瘤等，是一种很好的药食两用的功能性原料4-6。但是薏米颗粒结构致密、质地硬，并且淀粉很难糊化，在生产应用中较难煮熟，食用时必须经过长时间浸渍后进行煮沸，限制了薏米在食品方面的利用。膨化食品是一种休闲方便食品，通过膨化加工可以提高人体对食品营养物质的消化吸收率，同时使物料内部形成许多较大的空洞，利于在蒸煮过程中水分子充分进入到物料内部进行蒸煮，缩短膨化产品的蒸煮时间。目前，膨化食品加工以油炸膨化、挤压膨化、焙烤膨化和压差气流膨化方式为主7，高温短时气流膨化方式国内外研究较少，只有苋菜籽、板栗片、马铃薯块（片）、苦荞麦以及小麦休闲食品高温短时气流膨化的相关报道8-15，收稿日期：2011-12-07修订日期：2012-05-15基金项目：广州市科技计划项目（11BppZLhh1010038）广东省科技攻关项目（2007A020300003）作者简介：刘晓娟（1980），女，山东烟台人，讲师，博士，主要从事农产品精深加工研究与综合利用。广州 华南农业大学食品学院，510642。Email:但尚未有关该技术应用于薏米的研究报道。高温短时气流膨化是一种新型先进膨化技术，其最大的特点是可满足包括原颗粒物料和重组物料等多种形状大小的物料无油、连续膨化加工，物料受热时间短，营养保持好，是一种应用前景广阔的的多功能膨化技术16。本文所采用的高温短时气流膨化机由广东省农业机械研究所研制，该机通过省级科技成果鉴定，并已在企业成功用于板栗全粉膨化脆片和红薯脆片产品的加工。本文以薏米为原料，通过响应曲面法研究了预糊化时间、膨化温度、膨化时间和含水率对薏米膨化率和黄蓝值的影响，对薏米高温短时气流膨化工艺进行了优化，并对膨化前后薏米的淀粉和蛋白质体外消化性以及细胞结构进行了分析，以期提供一种缩短薏米蒸煮时间和提高营养物质消化吸收率的技术，满足薏米工业化生产的需求。1材料与方法1.1材料与仪器薏米：购于广州百佳超市。XPD-Q40 多功能气流膨化机（广东省农业机械研究所）；DC-P3 型全自动测色色差计（北京光学仪器厂）；TC10KB 电子天平（美国双杰电子天平有限公司）；RG-热泵功能扩展干燥试验装置（广东省农业机械研究所）；XL-30-ESEM 环境扫描电子显微镜（荷兰 Philips-FEI 公司）。1.2试验方法1.2.1薏米气流膨化工艺工艺流程：薏米除杂清洗浸泡预糊化干燥膨化除杂：除去薏米壳、碎粒及其他杂物；浸泡：在 28第 15 期刘晓娟等：高温短时气流膨化薏米工艺优化259左右冷水料液比（质量比）15 浸泡 30 min；预糊化：用电炉将水煮沸，在料液比（质量比）110 下 100沸水进行预糊化；干燥：40热泵干燥至不同的含水率。其中，预糊化时间和含水率是以下试验的变化因素。1.2.2试验因素和水平通过单因素预试验，预糊化时间超过 30 min 时，膨化率继续增大，但是黄蓝值增大显著，影响产品外观，因此在响应曲面设计时预糊化时间最高取值为 30 min；含水率越大，膨化率越低，黄蓝值变化不显著，且薏米含水率在 10%以内，膨化率差异不显著，薏米在干燥过程中，将含水率降低到更低时需要消耗更多的能量和时间，所以综合考虑，薏米最低含水率设置了 6%。在单因素预试验基础上，选取预糊化时间、膨化温度、膨化时间和含水率 4 个影响因素，以膨化率和黄蓝值 为 响 应 值，应 用 Design Expert(7.1.3)软 件 中Box-Benhnken 设计 4 因素 3 水平的响应曲面优化方案，如表 1 所示。表 1Box-Benhnken 设计试验因素水平及编码Table 1Level and code of variables forBox-Benhnken design自变量编码预糊化时间X1/min膨化温度X2/膨化时间X3/s含水率X4/%-110240106020260201013028030141.3测试指标1.3.1膨化率的测定膨化前后薏米密度由 S(膨化前或膨化后薏米 10 g)除以体积 C 计算，膨化率由膨化前后薏米的密度比算出17。薏米的体积 C 由下式计算C=(A-B)/A V式中，C 为薏米的体积，mL；A 为100 mL 量筒中海沙的质量，g；B 为100 mL 量筒中放入膨化前或膨化后10 g 薏米，剩余体积用海沙填充的质量，g；V 为量筒的体积100 mL。1.3.2黄蓝值的测定薏米颜色较白，高温膨化后，薏米受到过热效应，会发生焦糊，颜色变黄。所以选择黄蓝值为评价指标，筛选最佳膨化条件。采用 Zapotoczny 等报道的色差计测定薏米的黄蓝值9。1.3.3体外消化率的测定采用张习军等报道的方法进行淀粉体外消化率的测定18。采用许永亮等报道的方法进行蛋白质体外消化率的测定19。1.3.4细胞结构的测定据 Graziella 等报道，用刀片将样品进行纵切，镀金后，用 XL-30-ESEM 环境扫描电子显微镜进行观察20。2结果与分析2.1模型建立Box-Benhnken 试验设计和结果如表 2 所示。利用Design Expert 对表 2 试验数据进行二次多项回归拟合，分别获得膨化率 Y1和黄蓝值 Y2对预糊化时间 X1、膨化温度 X2、膨化时间 X3和含水率 X4的多元回归方程。Y1=1.81+0.10X1+0.14X2+0.17X3 0.16X4+0.020X1X2+0.025X1X3 0.089X1X40.014X2X3 0.033X2X40.067X3X4+0.061X12+0.042X22 0.083X32+9.967 10-3X42（1）Y2=15.79+0.65X1+3.17X2+4.75X3 0.88X4 0.095X1X20.095X1X3 0.093X1X4+3.68X2X3 1.98X2X4 1.63X3X40.27X12+1.45X22+1.49X32+0.96X42（2）表 2Box-Benhnken 设计表及试验结果Table 2Box-Benhnken design matrix and experimental results因素水平响应值序号X1X2X3X4膨化率 Y1黄蓝值 Y21-1-1001.72513.4921-1001.86515.083-11001.95621.36411002.17422.57500-1-11.60813.706001-12.11226.89700-111.52915.15800111.76421.849-100-11.81215.0010100-12.22615.8011-10011.59914.951210011.65815.38130-1-101.35814.401401-101.66811.69150-1101.78516.011601102.03728.0317-10-101.60311.231810-101.75513.2919-10101.83120.992010102.08322.67210-10-11.88414.5322010-12.24325.20230-1011.60815.252401011.83517.982500001.77216.902600001.77715.412700001.81515.392800001.81215.012900001.85616.24膨化率和黄蓝值二次回归方程方差分析结果见表 3和表 4 所示，对模型方程（1）和（2）方差分析结果表明，两方程具有极显著性（P0.0001）。方程（1）决定系数为 0.9857，方程（2）的决定系数为 0.9745，而且各因子系数具有意义，说明回归方程对实际试验拟合情况较好。膨化率和黄蓝值的失拟项均稍大于 0.05，可能实验误差会稍微大一些，但从统计学意义上来讲，属于失拟不显著。从而证明两模型是合适有效的，具有一定的实践指导意义。农业工程学报2012 年260表 3膨化率回归方程方差分析表Table 3Analysis of variance table for fitted quadraticpolynomial model of expansion rate变异来源平方和自由度均方差F 值P 值模型1.19140.08517.830.0001X10.1310.1326.760.0001X20.2410.2449.990.0001X30.3610.3676.700.0001X40.3010.3062.800.0001X1X21.5210-311.5210-30.320.5804X1X32.5010-312.5010-30.530.4801X1X40.03210.0326.630.0220X2X38.4110-418.4110-40.180.6803X2X44.3610-314.3610-30.920.3545X3X40.01810.0183.810.0713X120.02410.0245.100.0405X220.01210.0122.460.1389X320.04510.0459.440.0083X426.4410-416.4410-40.140.7182残差0.067144.7510-3失拟项0.0062106.1910-35.370.0598纯误差4.61310-341.1510-3总变异1.2528R2=0.9857表 4黄蓝值回归方程方差分析表Table 4Analysis of variance table for fitted quadraticpolynomial model of yellow-blue index变异来源平方和自由度均方差F 值P 值模型516.071436.8514.710.0001X15.0315.032.010.1784X2120.781120.7848.180.0001X3270.471270.47107.900.0001X49.3119.313.710.0745X1X20.03610.0360.0140.9062X1X30.03610.0360.0140.9062X1X40.03410.0340.0140.9680X2X354.24154.2421.640.0004X2X415.76115.766.290.0251X3X410.56110.564.210.0593X120.4810.480.190.6683X2213.65113.655.440.0351X3214.36114.365.730.0313X425.9815.982.390.1447残差35.09142.51失拟项32.75103.275.580.0560纯误差2.3540.59总变异555.1628R2=0.97452.2膨化率的响应曲面分析与优化由膨化率回归方程所作的响应曲面图如图 1 所示。由图 1a 可知，当膨化时间为 20 s，含水率为 10%的条件下，随着预糊化时间和膨化温度的升高，薏米的膨化率均增大。预糊化时间与膨化温度的交互作用对膨化率的影响，随着 2 种因素水平协同增加而呈上升趋势。由图1b 可知，当膨化温度为 260，含水率为 10%的条件下，随着预糊化时间和膨化时间的延长，薏米的膨化率均呈上升趋势。预糊化时间与膨化时间的交互作用对膨化率的影响，随着 2 种因素水平协同增加膨化率呈上升趋势。由图 1c 可知，当膨化温度为 260，膨化时间为 20 s 的条件下，薏米的膨化率，随着预糊化时间的延长而增大，随着含水率的增高而下降。预糊化时间与含水率的交互作用对膨化率的影响，随着 2 种因素水平协同增加而呈下降趋势。由图 1d 可知，当预糊化时间为 20 min，含水率为 10%的条件下，随着膨化温度和膨化时间的延长，薏米的膨化率均呈上升趋势。膨化温度与膨化时间的交互作用对膨化率的影响，随着 2 种因素水平协同增加而呈上升趋势。由图 1e 可知，当糊化时间和膨化时间分别为 20 min 和 10 s 的条件下，薏米的膨化率，随着膨化温度的升高呈上升趋势，随着含水率的增高而下降。膨化温度与含水率的交互作用对膨化率的影响，随着 2 种因素水平协同增加，膨化率呈下降趋势。由图 1f 可知，当预糊化时间和膨化温度分别为 20 min 和 260条件下，薏米的膨化率，随着膨化时间的延长呈上升趋势，随着含水率的增高而下降。膨化时间与含水率的交互作用对膨化率的影响，随着2 种因素水平协同增加，膨化率呈下降趋势。由回归方程、各试验因素对薏米膨化率的响应曲面图及其等高线图以及方差分析可知，预糊化时间、膨化温度、膨化时间、含水率对薏米膨化率的线性效应以及预糊化时间、膨化时间对薏米膨化率的曲面效应皆显著（P含水率膨化温度预糊化时间；预糊化时间和含水率的交互作用显著（P0.05）。2.3最适膨化工艺参数的确定及验证根据膨化薏米的生产，希望得到膨化率较高黄蓝值较小的产品。结合感官评价得出，当薏米黄蓝值2.100 和黄蓝值17.00，从而得出高温短时气流膨化薏米的最优条件为预糊化时间 30 min、膨化温度 250、膨化时间 20.0 s 和含水率 6%。表 2 中试验序号为 10 的试验结果，尽管膨化率（2.226）高于最优膨化条件下的膨化率（2.170），但是黄蓝值（15.80）也高于最优膨化条件下的黄蓝值（14.95），外观不如最优条件下的膨化薏米好，为了将产品外观更能吸引消费者，结合感官评价，最终确定薏米的最优膨化条件。根据最优条件，重复做了 3 次验证试验，预测值与验证试验值结果见表 5。经过验证试验得出，验证试验结果与预测值的误差率：膨化率为 3.36%、黄蓝值为 2.07%。误差率在合理的范围之内，说明采用响应曲面优化得到最佳结果的工艺参数可靠，具有实用价值。第 15 期刘晓娟等：高温短时气流膨化薏米工艺优化261图 1各因素交互作用对薏米膨化率的影响Fig.1Interacting influences of several factors to expansion rate of adlay表 5预测值及验证试验结果Table 5Results of predictive value and actual value膨化率黄蓝值预测值2.17014.95实际值2.09714.64误差率/%3.362.072.4薏米膨化前后体外消化性的变化分析淀粉和蛋白质体外消化性与吸光值呈正比，膨化前后薏米的体外消化性如图 2 所示。从图 2 可以看出，膨化后薏米淀粉和蛋白质体外消化率均比膨化前显著提高（P0.05），且膨化前后薏米淀粉和蛋白质体外消化率均随着消化时间的延长而升高。高温短时气流膨化过程中，淀粉发生一定程度的糊化，糊化度越高，淀粉的消化性越高；同时蛋白质在高温下发生变性作用，伸展的蛋白质分子更易被蛋白酶消化，并且蛋白酶抑制剂被钝化所致，从而提高了淀粉和蛋白质的消化率18,21。图 2薏米膨化前后的体外消化性Fig.2In vitro digestion ofstarchand protein of adlay before and after puffing2.5薏米膨化前后细胞结构变化分析图 3 是薏米膨化前后放大 150 倍的细胞结构扫描电镜图片。从图 3 可以看出，薏米细胞膨化前后发生了明显变化。膨化前薏米细胞结构致密，膨化后薏米细胞内部呈蜂窝状结构，形成很多较大的空洞，变得疏松。由于在高温短时气流膨化过程中，膨化温度高、热量充足，农业工程学报2012 年262水分吸热后迅速蒸发，使膨化后物料呈蜂窝状。薏米颗粒形成的较大空洞为人体内酶的作用提供了更大的作用空间，空间位阻也减小，同时，蛋白质和淀粉结合力减小，更有利于酶对蛋白质和淀粉的水解。因此膨化薏米比原料薏米淀粉、蛋白质消化率更高。a.膨化前b.膨化后图 3薏米膨化前后的细胞结构Fig.3Cell structure of adlay before and after puffing3结论1）以预糊化时间、膨化温度、膨化时间和含水率为自变量，通过 Box-Benhnken 设计法试验，建立了膨化率和黄蓝值回归方程，通过方差分析和显著性检验，证明回归方程对实际实验拟合情况较好，具有一定的实践指导意义。2）根据回归方程以及各试验因素对薏米膨化率影响的响应曲面图及等高线图分析可知，预糊化时间、膨化温度、膨化时间、含水率对薏米膨化率的线性效应以及预糊化时间、膨化时间对薏米膨化率的曲面效应皆显著（P含水率膨化温度预糊化时间；预糊化时间和含水率的交互作用显著（P0.05）。3）应用 Design Expert 软件确定了高温短时气流膨化薏米的最优条件：预糊化时间 30 min、膨化温度 250、膨化时间 20.0 s 和含水率 6%。验证试验结果与预测值的误差率在合理的范围之内，采用响应曲面优化得到最佳工艺参数可靠，具有实用价值。4）膨化后薏米淀粉和蛋白质体外消化率均比膨化前显著提高（P0.05），且膨化前后薏米淀粉和蛋白质体外消化率均随着消化时间的延长而升高。5）薏米细胞膨化前后发生了明显变化。膨化前薏米细胞结构致密，膨化后薏米细胞内部呈蜂窝状结构，形成很多较大的空洞，变得疏松。参考文献1回瑞华，侯冬岩，郭华，等.薏米中营养成分的分析J.食品科学，2005，26(8)：375377.Hui Ruihua,Hou Dongyan,Guo Hua,et al.Analysis of thenutritional oil components in jobs tears seedJ.Food Science,2005,26(8):37577.(in Chinese with English abstract)2Wu T T,Charles A L,Huang T C.Determination of thecontents of the main biochemical compounds of Adlay(Coxilachrymal-jobi)J.Food Chemistry,2007,104(4):15091515.3肖小年，曾海龙，易醒，等.薏苡仁多糖的提取及分离纯化J.食品科学，2010，31(2)：14.Xiao Xiaonian,Zeng Hailong,Yi Xing,et al.Isolation andpurification of polysaccharides from Coix lachryma-jobi L.var.ma-yuen StapfJ.Food Science,2010,31(2):14.(inChinese with English abstract)4Lee M Y,Lin H Y,Cheng F,et al.Isolation andcharacterization of new lactam compounds that inhibit lungand colon cancer cells from adlay(Coix 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Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Guangdong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510642,China)Abstract:In order to optimize the high temperature short time air puffing technology of adlay,the experiments wereconducted by responsesurfacemethodologytoinvestigatetheeffectsoffourinfluencingparametersofpre-gelatinization time,puffing temperature,puffing time and water content on expansion rate and yellow-blue index.Invitro digestion of starch and protein,and cell structure of adlay before and after puffing were also analyzed.The resultsshowed that the importance of affecting factors were in the order of the puffing time,water content,puffing temperatureand pre-gelatinization time.The optimum conditions were that pre-gelatinization time of 29.9 min,puffing temperatureof 251,puffing time of 20.0 s and water content of 6%.After puffing,the external digestion of starch and protein ofadlay increased significantly(P0.05).Cell structure of adlay showed honeycomb structure,and there were many bigcavities.The research can provide a method for shortening cooking time and improving nutrient digestion and absorptionrate of adlay,which can meet the requirements of industrial production.Key words:agricultural products,technology,optimization,high temperature short time air puffing,adlay