基于成熟值理論的蒜薹油炒過(guò)程品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)

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(貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550000)

蒜薹為大蒜(AlliumsativumL.)的花莖,富含維生素C等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1-2],烹飪后味道鮮美,深受消費(fèi)者喜愛(ài),是中式烹飪中常用的植物性原料[3]。據(jù)我國(guó)傳統(tǒng)飲食習(xí)慣,多數(shù)蔬菜需經(jīng)過(guò)烹飪后食用,而烹飪過(guò)程通常伴隨著食品的品質(zhì)變化。成黎等[4]提出，蔬菜的品質(zhì)可分為營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和感官品質(zhì)。其中,蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要是維生素C等熱敏性維生素[5];顏色屬于外部感官品質(zhì),其變化可以反映消費(fèi)者對(duì)烹飪產(chǎn)品最直觀的感受以及指示蔬菜中熱敏性維生素保留率;而水分含量直接影響菜肴的口感和嫩度等內(nèi)部感官品質(zhì),也是烹飪中應(yīng)考慮的重要因素。同時(shí),鄧力[6]提出蔬菜烹飪過(guò)程的過(guò)熱品質(zhì),即營(yíng)養(yǎng)成分的過(guò)度損失、失去菜肴應(yīng)有的良好色澤、口感上因水分的過(guò)度流失而變得松軟等。

烹飪成熟值理論[6-9]認(rèn)為，動(dòng)力學(xué)是聯(lián)系傳遞過(guò)程與烹飪品質(zhì)的紐帶,提出了表征烹飪有益品質(zhì)和不良品質(zhì)的動(dòng)力學(xué)函數(shù)——成熟值和過(guò)熱值。獲得品質(zhì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是烹飪熱處理的工藝分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化所必須的基礎(chǔ)條件。z值為引起食品品質(zhì)的D值變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期(90%)所需改變的溫度(℃),D值為某一食品品質(zhì)變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期所需的時(shí)間(min)[10],鄧力[11]表明,當(dāng)成熟和過(guò)熱品質(zhì)的z值存在差異時(shí),烹飪工藝存在優(yōu)化空間。李文馨[12]對(duì)蒜薹進(jìn)行了成熟品質(zhì)因子的相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究,得到蒜薹成熟品質(zhì)因子的z值為30 ℃,但相應(yīng)過(guò)熱品質(zhì)因子的動(dòng)力學(xué)參數(shù)尚未確定。

綜上,為進(jìn)一步推進(jìn)中式烹飪工業(yè)化研究,有必要對(duì)蒜薹在油炒過(guò)程中品質(zhì)變化展開(kāi)動(dòng)力學(xué)分析,本試驗(yàn)以蒜薹為對(duì)象,選擇維生素C、紅度值-a*及水分含量作為表征蒜薹品質(zhì)的指標(biāo),測(cè)定其在油炒過(guò)程中的變化趨勢(shì),確定動(dòng)力學(xué)模型并得到相應(yīng)的參數(shù),為中式烹飪過(guò)程優(yōu)化和熱處理提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蒜薹 貴陽(yáng)市花溪區(qū)星力超市;食用棕櫚油 天津龍威糧油工業(yè)有限公司;以上材料與文獻(xiàn)[12]同源。

CY-20超級(jí)恒溫油浴槽 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì) 武強(qiáng)縣精創(chuàng)儀器儀表廠;AR224CN-電子天平 奧豪斯儀器有限公司;TGL20M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 長(zhǎng)沙邁佳森設(shè)備有限公司;MB35鹵素水分測(cè)定儀 奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司;Agilent1260高效液相色譜儀 美國(guó)Agilent公司;NH310高品質(zhì)便攜式電腦色差儀 深圳市三恩時(shí)科技有限公司 測(cè)量孔徑4 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蒜薹的模擬油炒 選取直徑為6 mm且顏色均一的蒜薹,切割成厚度為2 mm的小片,分別放入溫度為70、100、130、160 ℃的恒溫油浴鍋中,開(kāi)啟油泵并加熱以模擬油炒烹飪過(guò)程。

1.2.2 不同溫度下蒜薹的維生素C變化 參考李文馨[12]對(duì)蒜薹成熟值的測(cè)定及前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,用于測(cè)定維生素C的蒜薹熱處理?xiàng)l件見(jiàn)表1。

表1 蒜薹油炒條件(維生素C)Table 1 Conditions for garlic sprout stir-fry(vitamin C)

1.2.3 不同溫度下蒜薹的紅度值及水分含量變化 據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,紅度值及水分含量變化在相同條件下變化較維生素C更迅速,故用于測(cè)定紅度值及水分含量的蒜薹熱處理?xiàng)l件見(jiàn)表2。

表2 蒜薹油炒條件(紅度值及水分含量)Table 2 Conditions for garlic sprout stir-fry (redness value and moisture content)

1.2.4 指標(biāo)的測(cè)定

1.2.4.1 維生素C及其保持率的測(cè)定 蒜薹中維生素C的測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB 5009.86-2016[13],蒜薹維生素C的保持率(AR)[14]計(jì)算公式如下:

式(1)

1.2.4.2 紅度值的測(cè)定 顏色測(cè)量中常以紅度值(-a*值)作為表示綠色的物理參數(shù)[15]。參照文獻(xiàn)[16]中方法,利用CIEL*、a*、b*色差儀測(cè)定顏色變化,其中a*表示綠色和紅色值,其值越大代表綠色損失越嚴(yán)重。每次于樣品表面均勻選取3處不同位置測(cè)定并求其平均值。

1.2.4.3 水分含量的測(cè)定 采用鹵素快速水分測(cè)定儀檢測(cè)水分含量,精確稱取5 g樣品平鋪于樣品盤(pán)中,于105 ℃條件下干燥至恒重。每次測(cè)定3個(gè)樣品并求取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定 利用最小二乘法進(jìn)行擬合,獲得對(duì)應(yīng)的決定系數(shù)R2,取R2較大的反應(yīng)級(jí)數(shù)[17]。

其中零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)積分式如下:

CA=CA0-kt

式(2)

式中:CA為t時(shí)刻的反應(yīng)物A濃度,單位視實(shí)際測(cè)定物質(zhì)決定;CA0為初始時(shí)刻的反應(yīng)物A濃度,單位視實(shí)際測(cè)定物質(zhì)決定;k為反應(yīng)速率常數(shù),單位視實(shí)際情況而定;t為反應(yīng)時(shí)間,s。

一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)積分式如下:

lnCA=lnCA0-kt

式(3)

1.3.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算 本文同時(shí)采用z值模型和Arruhenius模型[10]計(jì)算油炒過(guò)程蒜薹品質(zhì)變化的D值、z值、反應(yīng)速率k及反應(yīng)活化能Ea值。

當(dāng)食品品質(zhì)變化屬于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí),可通過(guò)式(2)求出反應(yīng)速率k,進(jìn)而可求出品質(zhì)變化的D值,計(jì)算式為:

式(4)

式中:D為某一食品品質(zhì)變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期(90%)所需的時(shí)間,min。

根據(jù)D值及反應(yīng)溫度T,可求得品質(zhì)變化的z值,計(jì)算式為:

式(5)

式中:T為溫度,K;z為食品品質(zhì)D值變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期(90%)所需要的溫度, ℃。

活化能的計(jì)算采用Arrhenius方程進(jìn)行計(jì)算:

式(6)

式中:Ea為活化能,kJ/mol;R為理想氣體常數(shù),8.314472 J/(mol·K);k0為指數(shù)前置因子。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 采用origin 9軟件分別對(duì)式(2)與(3)兩種形式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的決定系數(shù)R2,確定反應(yīng)級(jí)數(shù)并得到相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k。如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)屬于一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng),則通過(guò)式(4)求得相應(yīng)的D值,并對(duì)lgD和反應(yīng)溫度T進(jìn)行線性回歸分析,由式(5)求出品質(zhì)變化的z值。同時(shí),以Arrhenius方程(6)進(jìn)行線性擬合,求出反應(yīng)的活化能Ea。

2 結(jié)果與分析

2.1 維生素C保持率的變化

由圖1可知,隨著油炒溫度和烹飪時(shí)間的增加,蒜薹維生素C的保持率不斷降低,溫度越高,變化速率越大。

圖1 不同烹飪油炒溫度蒜薹維生素C保持率擬合直線ln(AR)-tFig.1 Fitting line ln(AR)-t of the retention rate of vitamin C in garlic sprout with different stir-frying temperature

隨著烹飪加熱溫度的升高,維生素C的氧化和降解速度也逐漸增快[18],且其變化大多符合一級(jí)變化動(dòng)力學(xué)模型[19]。由圖1中擬合直線結(jié)合式(2～4)可求得各溫度下蒜薹維生素C變化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知,蒜薹中維生素C保持率變化以零級(jí)反應(yīng)擬合的平均決定系數(shù)小于一級(jí)反應(yīng),故選擇n=1。

表3 蒜薹維生素C反應(yīng)級(jí)數(shù)R2及速率常數(shù)kTable 3 Reaction order R2 and rate constant k of vitamin C in garlic sprout

由圖2可知,對(duì)蒜薹維生素C變化的lgD-T進(jìn)行回歸,由回歸曲線的斜率,結(jié)合式(5)計(jì)算出蒜薹油炒過(guò)程維生素C的z值為76.92 ℃,R2為0.961。

圖2 蒜薹維生素C變化的z值Fig.2 z value of vitamin C change in garlic sprout

由圖3可知,對(duì)蒜薹的維生素C變化的lnk-T-1進(jìn)行回歸,由回歸曲線結(jié)合式(6)求得蒜薹油炒過(guò)程維生素C的Ea值為35.5 kJ/mol,與Heldman等[20]研究所得規(guī)律相符。

圖3 蒜薹維生素C的Arrhenius圖Fig.3 Arrhenius plots for vitamin C in garlic sprout

2.2 紅度值的變化

由圖4可知,不同加熱溫度下,蒜薹紅度值-a*值隨油炒溫度和烹飪時(shí)間的增加而降低,溫度越高,降低速率越快。

由圖4中擬合直線結(jié)合式(2～4)可求得各溫度下蒜薹紅度值-a*變化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。由表4可知,蒜薹中紅度值-a*的變化對(duì)零級(jí)反應(yīng)的平均決定系數(shù)小于一級(jí)反應(yīng),因此選擇n=1。

圖4 不同烹飪油炒溫度蒜薹紅度值-a*擬合直線ln(-a*)-tFig.4 Fitting line ln(-a*)-t of redness value -a*in garlic sprout with different stir-frying temperature

表4 蒜薹紅度值-a*值反應(yīng)級(jí)數(shù)的R2及速率常數(shù)kTable 4 Reaction order R2 and rate constant k of redness value -a* value in garlic sprout

由圖5可知,對(duì)蒜薹紅度值-a*變化的lgD-T進(jìn)行回歸,由回歸曲線結(jié)合式(5)求得蒜薹油炒過(guò)程紅度值-a*的z值為83.33 ℃,回歸曲線R2為0.989。

圖5 蒜薹紅度值-a*變化的z值Fig.5 z value of redness value -a*value change in garlic sprout

由圖6可知,對(duì)蒜薹紅度值-a*變化的lnk-T-1進(jìn)行回歸,由回歸曲線結(jié)合式(6)求得蒜薹油炒過(guò)程維生素C的Ea值為36.97 kJ/mol,回歸曲線R2為0.987。

圖6 蒜薹紅度值-a*的Arrhenius圖Fig.6 Arrhenius plots for redness value -a* in garlic sprout

李文馨[12]測(cè)定了111～151 ℃溫度范圍內(nèi)菠菜油炒烹飪紅度值的變化,得到其Ea和z值分別為71.7 kJ/mol和43.7 ℃,與本文試驗(yàn)得到的Ea和z值有一定差別,這可能是由于研究對(duì)象不一致導(dǎo)致的。

2.3 水分含量的變化

由圖7可知,隨著油炒溫度和烹飪時(shí)間的增加,蒜薹中水分含量不斷降低,且溫度越高,下降速度越快。

圖7 不同烹飪油炒溫度蒜薹水分含量(MC)擬合曲線ln(MC)-tFig.7 Fitting line ln(MC)-t of moisture content(MC) in garlic sprout with different stir-frying temperature

由圖7中擬合直線結(jié)合式(2～4)可求得各溫度下蒜薹水分含量變化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。由表5可知,油炒蒜薹水分變化更符合零級(jí)動(dòng)力學(xué),但與一級(jí)反應(yīng)擬合的R2接近,且均大于0.9。

表5 蒜薹水分含量反應(yīng)級(jí)數(shù)的R2及速率常數(shù)kTable 5 Reaction order R2 and rate constant k of moisture content in garlic sprout

由圖8,對(duì)蒜薹水分含量變化的lgD-T進(jìn)行回歸,由回歸曲線結(jié)合式(5)求得蒜薹油炒過(guò)程水分含量的z值為62.50 ℃,回歸曲線R2為0.943。

圖8 蒜薹水分含量變化的z值Fig.8 z value of moisture content change in garlic sprout

由圖9,對(duì)蒜薹水分含量變化的lnk-T-1進(jìn)行回歸,由回歸曲線結(jié)合式(6)求得蒜薹油炒過(guò)程水分含量的Ea值為46.7 kJ/mol,回歸曲線R2為0.965。

圖9 蒜薹水分含量的Arrhenius圖Fig.9 Arrhenius plots for moisture content in garlic sprout

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,蒜薹油炒烹飪過(guò)程的水分含量變化以零級(jí)動(dòng)力學(xué)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合都有較高的決定系數(shù),這與文獻(xiàn)[12]對(duì)菠菜含水率變化的研究一致。若采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)分析本研究中水分含量,則70 ℃時(shí)水分變化的D值為116.31 min,而100 ℃時(shí)D值到達(dá)16.61 min,兩者變化速度出現(xiàn)巨大差別,這是由于當(dāng)油溫達(dá)到100 ℃時(shí),蒜薹表面出現(xiàn)水分蒸發(fā),加速了水分損失。

3 討論

3.1 蒜臺(tái)油炒烹飪過(guò)程中維生素C含量的變化

油炒過(guò)程中蔬菜的維生素含量受pH、酶、溫度等的影響[21]。目前,一般認(rèn)為烹飪中維生素的損失有流失和熱破壞兩種方式:流失是傳質(zhì)過(guò)程,即維生素通過(guò)擴(kuò)散或滲透等方式從烹飪?cè)现薪龀鰜?lái),當(dāng)烹飪溫度較高時(shí),顆粒表面蒸發(fā)劇烈,易導(dǎo)致維生素的蒸發(fā)損失[22],尤其是水溶性維生素,當(dāng)顆粒表面與內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度后,由于水分向表面遷移,加劇了維生素的損失;熱破壞是一個(gè)復(fù)雜的理化因素交織變化、相互影響的過(guò)程,在充足的熱量和氧氣中,維生素易發(fā)生氧化、熱降解和光分解等反應(yīng),從而導(dǎo)致維生素的破壞。

由表6可知,在以油為傳熱介質(zhì)的維生素C動(dòng)力學(xué)研究中,本文研究獲得的z值與文獻(xiàn)值相差較小。但對(duì)于D值,即使在相同的參考溫度下也相差較大,可能是由于本試驗(yàn)采用2 mm的蒜薹薄片所致。已有研究表明，動(dòng)力學(xué)參數(shù)受到材料尺寸的影響較大[25],較小的尺寸會(huì)造成更多的維生素?fù)p失,此外,表面水分蒸發(fā)也會(huì)使維生素C損失更加劇烈。

表6 維生素C動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)研究Table 6 Related studies on the kinetic parameters of vitamin C

3.2 蒜臺(tái)油炒烹飪過(guò)程中紅度值的變化

紅度值常作為顏色測(cè)量中表示綠色的物理參數(shù)[26]。李文馨[12]測(cè)定了111～151 ℃范圍內(nèi)菠菜油炒烹飪紅度值變化,得到Ea和z值分別為71.7 kJ/mol和43.7 ℃,與本文試驗(yàn)得到的Ea和z值有一定差別,可能是由于溫度范圍及研究對(duì)象不一致。

3.3 蒜臺(tái)油炒烹飪過(guò)程中水分含量的變化

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,蒜薹油炒烹飪過(guò)程中的水分含量變化以零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合都有較高的決定系數(shù),與Boekel[27]、李文馨[12]的研究規(guī)律一致。若采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)分析本研究中水分含量,根據(jù)反應(yīng)速率可求得70 ℃時(shí)水分含量變化的D值為116.31 min,而100 ℃時(shí)D值達(dá)到16.61 min,差異較大,這是由于當(dāng)油溫達(dá)到100 ℃時(shí),蒜薹表面出現(xiàn)水分蒸發(fā),加速了水分的損失。

3.4 蒜臺(tái)油炒烹飪過(guò)程優(yōu)化的過(guò)熱品質(zhì)

蒜薹在油炒烹飪過(guò)程中的成熟z值為30 ℃[12],本文測(cè)得維生素C、紅度值及水分含量變化的z值分別為76.92、83.83和62.50 ℃,均大于蒜薹成熟z值,滿足成熟值理論的要求,可作為烹飪優(yōu)化研究的過(guò)熱品質(zhì)因子。

同時(shí),各項(xiàng)過(guò)熱品質(zhì)因子的z值有明顯差異,且三者在動(dòng)力學(xué)中的品質(zhì)計(jì)算結(jié)果不同。其實(shí)質(zhì)是,工藝優(yōu)化中,即使針對(duì)同一操作參數(shù),不同品質(zhì)獲得的最優(yōu)值有所差異,需進(jìn)行綜合判斷和取舍。如水分含量變化的z值最小,相比維生素C和紅度值-a*,水分對(duì)溫度更為敏感,且大量研究表明，水分含量變化對(duì)食品中水溶性營(yíng)養(yǎng)成分及色澤具有顯著影響[28-31],因此,水分含量是烹飪工藝優(yōu)化中的重要指標(biāo)。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了蒜薹在模擬油炒過(guò)程中的烹飪品質(zhì)變化。結(jié)果表明，隨著加熱的進(jìn)行,蒜薹中維生素C、紅度值-a*及水分含量都逐漸降低,且溫度越高,品質(zhì)變化越快。同時(shí),對(duì)各品質(zhì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究與分析,結(jié)果表明,維生素C和紅度值-a*變化均遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué),水分含量變化遵循零級(jí)動(dòng)力學(xué)。

作為表征過(guò)熱品質(zhì)因子,試驗(yàn)測(cè)得蒜薹在油炒過(guò)程中維生素C、紅度值-a*的Ea值分別為35.5、36.97 kJ/mol,z值為76.92、83.33 ℃,若采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)分析水分含量,其Ea值為46.7 kJ/mol,z值為62.50 ℃,均大于油炒蒜薹成熟的z值,滿足烹飪優(yōu)化前提;同時(shí),三種品質(zhì)指標(biāo)差異導(dǎo)致工藝優(yōu)化結(jié)果不同,分析發(fā)現(xiàn),水分是烹飪優(yōu)化中的重要指標(biāo)。試驗(yàn)在為烹飪中品質(zhì)優(yōu)化過(guò)程提供參數(shù)的同時(shí),證實(shí)了烹飪操作具有一定的優(yōu)化空間,為中式烹飪的進(jìn)一步研究提供參考。