凍結速率對冷凍五谷方便粥品質的影響

黃小雨，信思悅，曹楨，蔣和體

(西南大學 食品科學學院，重慶，400000)

谷類是人體最主要的能量來源物質，可提供機體所需多種營養(yǎng)?？嗍w在普通糙米含有的多種維生素及微量元素的基礎上還含有大量生物類黃酮、多酚，具有降血糖、抗氧化與清除自由基等作用[1]。粥以谷物為主要原料加水熬煮，清淡適口，老少皆宜，容易被人體消化吸收，是一種理想而方便的營養(yǎng)食品[2]。方便粥即將煮好的粥制成成品或半成品，食用前只需要稍加處理或不需處理即可食用。

方便米粥根據(jù)食用方式可分為2種：脫水干燥米粥和成品米粥。脫水干燥粥主要是膨化工藝制成的沖泡即食的方便粥，食用前需要加水浸泡，成品米粥是指可以直接食用或者使用前稍加處理的米粥，包括市面上常見的八寶粥等開罐即食的粥類。目前對方便米粥的研究主要集中在膨化方便粥的工藝優(yōu)化，吳練軍等[3]利用響應面優(yōu)化方便粥粉的配方，得到了雪粳稻、燕麥米和小米為主要原料的方便粥的最佳配比和浸泡時間、表面干熱處理溫度等工藝參數(shù)；劉晶等[4]優(yōu)化了黑米糙米速食粥的加工工藝，豐富了膨化粗糧粥的種類；吉義平等[5]優(yōu)化了速食苦蕎小米方便粥的原料配比。脫水干燥粥由于復水后米湯不夠黏稠的問題，目前廣為大眾接受的是成品米粥[6-7]，但成品米粥口味集中度非常高，如桂圓蓮子八寶粥占據(jù)了極大的市場份額，并且消費者普遍認為八寶粥中的食品添加劑有害健康?，F(xiàn)在生活節(jié)奏加快，雖然方便粥的前景巨大但是口味傳統(tǒng)、用料單一、創(chuàng)新力度不足，這些是限制方便米粥發(fā)展的重要因素[8]，應研發(fā)方便粥的種類以滿足人民更高需要。如果在粥中加入具有保健功能的糙米如苦蕎米、黑米、燕麥和糯小米等，不但可以增加方便粥的口感還可以增加居民粗糧攝入量，可以著重研發(fā)冷凍粥并采用冷鏈運輸增加方便粥的種類并豐富消費者的選擇性。

冷凍方便食品即食品制成品或半成品經(jīng)過包裝后，冷鏈運輸?shù)匠?，消費者購買后只需經(jīng)過微波爐加熱或其他簡單處理就可以食用的食品。冷凍方便粥的貯存溫度一般為-18 ℃，但方便粥冷凍過程中不同凍結溫度，對方便粥的品質具有不同的影響。本文通過對煮熟后米粥在不同溫度下進行冷凍處理后微波復熱，以鮮煮米粥作為對照，分析不同凍結溫度對方便米粥品質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全胚苦蕎米，四川環(huán)太生物科技股份有限公司；黑米、燕麥、糯小米，成都人民營養(yǎng)食品廠；大米，益海嘉里(哈爾濱)糧油食品工業(yè)有限公司；NaOH、HCl，重慶川東化工(集團)有限公司；酒石酸鉀鈉、3,5-二硝基水楊酸、苯酚、NaHSO3、濃H2SO4、乙醇、蘆丁標準品、NaNO2、Al(NO3)3、Na2CO3，成都市科龍化工試劑廠；D-無水葡萄糖，中國食品藥品檢定研究院；沒食子酸，上海源葉生物科技有限公司；福林酚試劑，北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器和設備

WFJ7200可見分光光度計，尤尼柯(上海)儀器有限公司；PHS-3C酸度計，上海儀電科學儀器股份有限公司；HWS-26電熱恒溫水浴鍋，上海齊欣科學儀器有限公司；HDL-4臺式離心機，常州市鴻科儀器廠；FA2004電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；HWT-10C恒溫水浴搖床，天津市恒澳科技發(fā)展有限公司；SYQ-DSX-280B高壓滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；D16AM冰箱，創(chuàng)維集團有限公司；M1-L213B微波爐、Wsf4057電飯鍋，美的集團有限公司。

1.3 工藝流程

五谷方便粥制作工藝流程如下：

浸泡：將苦蕎、黑米、燕麥、糯小米洗凈后提前浸泡2 h，大米洗凈后浸泡20 min，所有浸泡后蒸煮谷物和水的質量比為1∶6，即浸泡后所有谷物質量為100 g，加水600 g；

蒸煮：按照質量比為苦蕎37%、黑米25%、燕麥10%、大米15%、糯小米13%的比例，將浸泡后的谷物和水放到電飯鍋中，選擇蒸煮模式蒸煮60 min，米粥蒸煮完成時米汁黏稠，谷物中間無硬芯；

冷凍：方便粥蒸煮后冷卻至室溫裝到耐低溫食品級保鮮盒中，蓋好蓋子置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷凍20 h后放入-18 ℃貯存48 h后試驗；

微波復熱：打開盛放五谷方便粥的保鮮蓋，將保鮮盒置于微波爐中高功率加熱8 min。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品冷凍處理[9]

將煮好的米粥冷卻至室溫后裝入耐低溫可微波加熱的密封冷藏盒中，置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷凍。在冷凍前將溫度傳感器置于米粥內(nèi)，注意不可觸碰到密封冷藏盒內(nèi)壁。凍結速率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：V，凍結速率，cm/h；D，食品表面與溫度傳感器直線距離，cm；T，通過最大冰晶生成帶時間，h。

1.4.2 不同冷凍溫度凍結試驗樣品制備

將冷卻至室溫的五谷方便粥裝入密封冷藏盒置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷凍，凍結時間分別為t1、t2、t3，取出后置于-18 ℃冰箱冷凍48 h，試驗時將其放入微波爐中加熱8 min后冷卻至(50±2) ℃后立刻測量。

1.4.3 試驗溫度的確定

不同溫度測量下實驗結果會有偏差，由20位食品專業(yè)研究生組成感官評價小組判斷不同溫度米粥入口口感，最終確定最適入口溫度即試驗溫度為50 ℃。試驗時控制五谷方便粥溫度為(50±2) ℃，以保證試驗數(shù)據(jù)可以真實準確反映消費者入口時五谷方便粥品質。按(50±2) ℃對復熱后米粥和鮮煮米粥進行試驗。

1.5 分析測定方法

1.5.1 理化性質的測定

1.5.1.1 質構的測定[10-11]

五谷方便粥煮熟、冷卻至50 ℃，準確稱取70 g放入100 mL燒杯中。選用P36R探頭，將探頭移至65 mm處，質構儀運行模式為：測試速度1.50 mm/s，測前速度1.00 mm/s，測后速度10 mm/s，目標模式Distance，Distance 15 mm。

1.5.1.2 色度的測定

用色差儀測量樣品的L*、a*、b*值，L*表示樣品的亮度，a*正值表示樣品偏紅，負值表示樣品偏綠；b*正值表示樣品偏黃，負值表示樣品偏藍。

1.5.1.3 固形物含量的測定[12]

參考國標GB/T 10786—2006，稱取質量為m1的鮮煮米粥和冷凍后復熱粥，立刻將內(nèi)容物傾倒在重m2的直徑1 mm，孔眼2.8 mm×2.8 mm圓篩上，不攪拌。瀝干5 min后稱量粥和圓篩質量m3，固形物質量分數(shù)計算如公式(2)所示：

(2)

1.5.1.4 水分的測定[13]

參考國標GB 5009.3—2016。

1.5.1.5 流變特性的測定[14]

采用平板-平板測量系統(tǒng)，選擇直徑60 mm平行版，設置間隙1 mm。采用 Power-law模型對所得數(shù)據(jù)點進行擬合,如公式(3)所示：

σ=kyn

(3)

式中：σ，剪切應力，Pa；k，稠度系數(shù)，Pa·sn；n，流體指數(shù)。

1.5.2 功能性成分的測定

1.5.2.1 膳食纖維的測定[15]

參考國標GB 5009.88—2014。

1.5.2.2 黃酮的測定[16]

吸取0～1.2 mL，0.1 mg/mL蘆丁標準溶液7組于10 mL比色管中，用30%(體積分數(shù))的乙醇補至2 mL。先加入1.0 mL 50 g/L的NaNO2溶液，放置6 min；再加入100 g/L Al(NO3)3溶液1.0 mL，放置6 min；最后加入100 g/L的NaOH溶液3 mL，并用30%的乙醇溶液定容，搖勻后放置15 min。以0管為參比，于510 nm處測定吸光度。以蘆丁含量(μg/mL)為橫坐標，吸光度(A)為縱坐標，制作標準曲線方程y=1.097 5x+0.002 9，R2=0.997 4。

樣品的制備：將5 g粥樣加入50 mL體積分數(shù)為75%的乙醇，70 ℃超聲提取30 min，冷卻到室溫過濾后待測，下均同。

黃酮含量測定：取2 mL濾液于10 mL比色管中，按上述方法進行試驗，將測量結果帶入標準曲線，單位為mg RAE/g。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理及計算，利用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用Origin 8.1進行作圖，利用Design Expert進行響應面試驗設計及分析。取3次平行實驗的平均值作為實驗結果，以x±s表示。

2 結果與分析

2.1 冷凍曲線

食品的凍結過程主要包括冷卻、水分結晶和進一步降溫3個階段，而不同的凍結條件會影響冰晶的形成[17]。冰晶的大小和晶核數(shù)目的多少都與凍結速率有關，凍結速率越快，冰晶形成的時間越短，晶核越多，冰晶體積越小，對食品細胞的損傷和分子空間結構的破壞越小[18]。五谷方便粥中水分含量較高，在低溫凍結下水會由液態(tài)凝固為固態(tài)的冰，水在結晶固化中內(nèi)部結構收縮程度的不同，會導致五谷方便粥品質特性不同程度的變化[19]。食品在不同冷卻階段，溫度下降的速度不同。剛冷卻時，食品中的水分在溫度降至凍結點后凍結形成冰晶，食品的溫度下降較快。繼續(xù)冷卻時，食品內(nèi)部溫度在較長時間內(nèi)保持恒定，即最大冰晶生成帶，生成最大冰晶帶的主要是因為冷凍帶來的冷量主要用來奪取食品中大部分水分凍結成冰時所放出的潛熱[20]。此后，食品溫度快速下降。LEYGONIE等[21]研究表明凍結時較快的通過最大冰晶生成帶形成冰晶體積小數(shù)量多分布較均勻, 對組織結構破壞較小。由圖1可知方便粥在凍結過程中溫度變化符合食品凍結溫度變化規(guī)律，這與胡新等[22]研究低溫對豬肉品質影響中不同凍結溫度的凍結曲線相似。不同凍結溫度下五谷方便粥凍結點不同，凍結點范圍為-0.2～-0.6 ℃，凍結溫度越低，通過最大冰晶生成區(qū)的時間越短，-20 ℃凍結狀態(tài)下需要224 min通過最大冰晶生成區(qū)，而-80 ℃冷凍狀態(tài)下僅需要64 min。由表1可知，-20 ℃凍結組凍結速率低于0.5 cm/h屬于慢速凍結，-40、-80 ℃凍結組屬于快速凍結。

圖1 不同凍結溫度的凍結曲線Fig.1 Freezing curves at different freezing temperatures

表1 不同凍結溫度下的凍結特性Table 1 Freezing characteristics at different freezing temperatures

2.2 凍結速率對五谷方便粥理化性質的影響

2.2.1 凍結速率對五谷方便粥質構的影響

質構參數(shù)即用數(shù)據(jù)的形式將抽象的感官品質具象化以評價感官品質，能客觀地反映產(chǎn)品的感官品質[23]。由表2可知，冷凍后米粥的硬度、彈性、內(nèi)聚性、膠著性和咀嚼性較鮮煮米粥顯著降低(P<0.05)。速凍處理的米粥質構品質普遍高于慢凍處理的米粥，-40 ℃處理組的彈性、內(nèi)聚性和咀嚼性和鮮煮米粥差異顯著(P<0.05)，-80 ℃處理組和鮮煮米粥相比僅內(nèi)聚性和咀嚼性差異顯著(P<0.05)，淀粉分子在緩慢冷卻過程中有時間重新排列，會加重老化程度，迅速冷卻可以在一定程度上降低老化程度，但是不論冷卻速度快慢，淀粉老化均不可逆[24]。-80 ℃處理組的質構特性與鮮煮米粥最為相近，-40 ℃處理組次之。這與張強等[25]研究結果相似，張強等研究了不同貯藏溫度下凡納濱對蝦質構的變化，發(fā)現(xiàn)貯藏溫度越低，蝦肉的硬度、咀嚼性和彈性相較更好，質構性能保持更好。

表2 冷凍溫度對五谷方便粥質構特性的影響Table 2 Effect of freezing temperature on the texture characteristics of convenient porridge

2.2.2 凍結速率對五谷方便粥色度的影響

色澤可以直觀地反映出產(chǎn)品的新鮮度、成熟度和清潔程度，是消費者決定是否購買商品時考慮的重要因素，良好的色澤可以在有一定程度內(nèi)提升消費者的購買欲[26]。如表3所示，鮮煮米粥L*、a*、b*均高于冷凍處理組，凍結處理后米粥L*值、a*和b*有不同程度的降低。-20 ℃處理組的L*值和-40 ℃處理組的b*值顯著低于鮮煮米粥的對應值(P<0.05)。鮮煮米粥的色澤最好，-80 ℃冷凍組次之。這與何政宇等[27]研究結果相似，何政宇等研究了速凍方式對凍結杏鮑菇色澤的影響，發(fā)現(xiàn)-60 ℃較-40 ℃凍結樣品色澤改變程度小，認為-60 ℃凍結最有利于杏鮑菇色澤品質的保持。這可能是因為在冷凍貯藏過程中，冰晶的長大與融化使五谷方便粥的水分含量有所增加，而水分的存在會影響反射光的反射，從而對亮度值產(chǎn)生影響。

表3 冷凍溫度對五谷方便粥色度的影響Table 3 Effect of freezing temperature on color of convenient porridge

2.2.3 凍結速率對五谷方便粥固形物和水分含量的影響

由圖2可知，鮮煮米粥的水分含量最高，固形物含量最低。-20 ℃冷凍的米粥水分含量顯著低于鮮煮米粥和速凍組米粥(P<0.05)，固形物含量顯著高于鮮煮米粥和速凍組米粥(P<0.05)。-40、-80 ℃冷凍組和鮮煮米粥的水分含量、-40 ℃和-80 ℃冷凍組的固形物含量、-80 ℃冷凍組和鮮煮米粥的固形物含量差異均不顯著(P>0.05)，但-40 ℃冷凍組和鮮煮米粥的固形物含量差異顯著(P<0.05)。這與劉艷春等[28]研究結果相似，劉艷春等研究了凍結速率對凍木瓜塊干耗率、汁液損失率的影響，結果表明，隨著凍結速率的增加干耗率逐漸減小，而干耗會造成速凍產(chǎn)品的水分損失，因此快速凍結更利于水分的保持。整體來說，冷凍時間越長、失水率越高、五谷方便粥水分含量越低、固形物含量越高。這主要是因為冷凍處理使蛋白質氫鍵、離子鍵等鍵合力被破壞、立體結構改變，因而對水的束縛能力減弱，水分在空間結構做不定向運動, 造成冷凍過程水分的降低[29]。

圖2 不同凍結溫度對五谷方便粥水分含量和固形物 含量的影響Fig.2 Effect of different freezing temperature on water content and solids content of convenient porridge

2.2.4 凍結速率對五谷方便粥流變特性的影響

黏彈性的測量如表觀黏度的測量是認識食品的流變學特性的一種方法，可以在一定程度上反映樣品內(nèi)部組織結構的特性，同時也有助于消費者對食品進行初步評價[30]。如圖3所示，在開始剪切速率增加的很小范圍內(nèi)，粥的黏度迅速下降，之后隨著剪切速率增加，黏度緩慢下降逐漸趨于恒定，整體表現(xiàn)出剪切稀化的假塑性流體特征。這與芮闖等[31]對花生蛋白流變特性研究結論一致。4種粥樣黏度大小依次為：鮮煮米粥<-80 ℃冷凍組<-40 ℃冷凍組<-20 ℃冷凍組。鮮煮米粥和不同冷凍速率凍結復熱米粥黏度隨剪切速率的增大均表出剪切稀化的性質，這主要是因為剪切力隨剪切速率的增加而增加，流動阻力因為纏繞或聚集在一起的固形物會發(fā)生解體或變形而降低，表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象。對于混合體系，黏度越大，分子間的阻力越大，對絮凝和分層有更強的抵抗力，體系的穩(wěn)定性越好，但是對于粥類產(chǎn)品，黏度過大會失去其原有口感，所以經(jīng)過速凍處理的五谷方便粥的流變特性優(yōu)于緩凍組，-80 ℃下冷凍的五谷方便粥的黏度特性同鮮煮米粥更接近。

圖3 不同冷凍溫度下黏度、剪切應力隨剪切速率 的變化曲線Fig.3 Variation curves of viscosity and shear stress with shear rate at different freezing temperatures

由表4可知，擬合方程的決定系數(shù)R2>0.96，表明方程擬合良好，流體指數(shù)n<1，表明米粥為假塑性流體。稠度系數(shù)K值越大則體系越黏稠，-20 ℃冷凍粥的K值最大，為245.29 Pa·sn，鮮煮米粥的K值最小，僅為66.139 Pa·sn。

表4 Power-law 模型的擬合結果Table 4 Power-law model fitting results

2.2.5 模糊感官評價結果[32]

統(tǒng)計20位感官評定人員對4組樣品的色澤、香氣、滋味、組織狀態(tài)按評價標準在各等級(V1、V2、V3)中投出的票數(shù)，得出感官評定結果如表5所示。

表5 感官評價結果Table 5 Results of sensory evaluation

將表5中樣品3個等級所得票數(shù)比率，得到模糊矩陣R。以1號樣品為例計算方便米粥的模糊感官評價，得分為：

=(0.55 0.31 0.14)

則1號樣品的模糊感官評價得分為0.55×90+ 0.31×80+ 0.14×70=84.10。剩余3個樣品的模糊感官評價得分計算方法同理，最終得分情況見表5。從感官評價來說，3個處理組，-80 ℃評分最高，-40 ℃次之，但二者僅相差1.15分，-20 ℃評分較低，僅為78.8分。因為-80 ℃冷凍與-40 ℃冷凍只相差1.15分，從經(jīng)濟角度考慮，應選擇-40 ℃冷凍。

2.3 凍結速率對五谷方便粥黃酮和膳食纖維含量的影響

黃酮類化合物具有如抗氧化、減少心血管疾病等多種生物活性功能，對由氧化應激引起的慢性衰退性疾病具有預防和輔助治療的作用[33]。全胚苦蕎米和黑米富含黃酮類化合物具有一定的保健功效。由圖4可知，-20 ℃冷凍處理組的五谷方便粥黃酮含量最低，顯著低于凍結組(P<0.05)，但-40 ℃和-80 ℃冷凍組的黃酮含量同鮮煮米粥無顯著性差異(P>0.05)，整體來說對五谷方便粥中黃酮含量的影響較小。這與牛紅霞[34]研究結果相似，牛紅霞利用-20、-40、-80、-196 ℃這4種不同溫度對沙棘果實進行凍藏，研究發(fā)現(xiàn)-196 ℃速凍對沙棘果實黃酮含量影響最小，-80 ℃凍結處理對沙棘果實品質的破壞程度要略低于-196 ℃的果實，-40 ℃和-80 ℃凍結處理對沙棘果實品質的破壞程度差異較小，而-20 ℃凍結處理對沙棘果實營養(yǎng)成分的破壞程度最大。

膳食纖維具有降低血清膽固醇、改善腸道健康、預防高血壓和動脈粥樣硬化、清除外源有毒物質等一系列獨特功能特性，因此被廣泛應用于食品行業(yè)，改善食品風味質構和營養(yǎng)價值[35]。如圖4所示，五谷方便米粥的膳食纖維含量較高，且不同凍結溫度處理下的米粥膳食纖維含量無顯著性差異(P>0.05)，說明凍結處理對粥樣的膳食纖維含量影響較小。這與楊帆[36]研究結果一致，楊帆研究了速凍溫度對青麥仁營養(yǎng)成分的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著速凍溫度的降低，膳食纖維含量基本不隨著速凍溫度的改變而改變。

圖4 不同凍結溫度對五谷方便粥黃酮和膳食纖維含量的影響Fig.4 Effect of different freezing temperature on the content of flavonoids and dietary fiber of convenient porridge

3 結論

五谷方便粥在-20、-40、-80 ℃凍結條件下的凍結曲線符合一般食品凍結曲線的特征，-20 ℃凍結狀態(tài)下冷凍五谷方便粥的凍結速率低于0.5 cm/h屬于慢速凍結，-40、-80 ℃凍結狀態(tài)下冷凍五谷方便粥的凍結速率高于0.5 cm/h屬于快速凍結。由所測理化性質可知，冷凍處理對五谷方便粥的品質影響顯著(P<0.05)，并且不同冷凍速率對冷凍五谷方便粥品質的影響不同，凍結溫度越低、凍結速率越快對五谷方便粥品質的影響越小，復熱后品質越好。冷凍后米粥的質構特性鮮煮低于鮮煮米粥(P<0.05)，速凍處理組復熱后質構特性顯著優(yōu)于慢凍組(P<0.05)，-40 ℃冷凍組僅內(nèi)聚性優(yōu)于-80 ℃處理組，其余質構特性均劣于-80 ℃冷凍組。-20 ℃冷凍組復熱后的L*值和-40 ℃冷凍組復熱組b*鮮煮低于顯著米粥(P<0.05)，-80 ℃冷凍組色度值與鮮煮米粥無顯著性差異(P>0.05)。五谷方便粥的凍結溫度越低、凍結速率越快、凍結時間越短，凍結失水率也就越低，五谷方便粥復熱后水分含量越高，固形物含量越低。冷凍五谷方便粥屬于假塑性流體，黏度隨剪切速率的增大，均表出剪切稀化的性質，4種粥樣黏度大小依次為：鮮煮米粥<-80 ℃冷凍組<-40 ℃冷凍組<-20 ℃冷凍組。冷凍處理對五谷方便粥的營養(yǎng)品質影響不顯著(P>0.05)，3組不同溫度冷凍組膳食纖維含量和速凍組的黃酮含量均與鮮煮米粥無顯著性差異(P>0.05)。冷凍處理后五谷方便粥的食用品質有所下降，但快速冷凍組顯著優(yōu)于慢凍組，-80 ℃冷凍組復熱后口感和鮮煮米粥最接近，-80 ℃冷凍組的模糊感官評價得分最高，-40 ℃次之，但二者僅相差1.15分，-20 ℃評分較低，僅為78.8分。整體來說，冷凍五谷方便粥的更適合快速凍結，即冷凍溫度在-40 ℃以下，而-80 ℃條件下效果最佳。