真空微波干燥制備速食糙米粥的工藝優(yōu)化及干燥和復(fù)水動力學(xué)研究

薛 姍，梅江洋，鐘新桂，符 珍

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

糙米是一種典型全谷物，富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素B，且含有較多具有生理活性的功能因子，如谷胱甘肽、谷維素和肌醇等，對預(yù)防疾病、改善人體健康狀況有積極作用。因此，糙米的營養(yǎng)價值是精白米所不可比擬的[1]，增加糙米食品的攝入，可減少心臟病、Ⅱ型糖尿病、消化道癌癥等慢性疾病[2]。

速食糙米粥具有良好的營養(yǎng)性和可口性，易于消化吸收和耐儲存，且食用較簡單方便。速食粥生產(chǎn)的主要原理是借助物理、化學(xué)或生物等方法，或兩兩結(jié)合的方法，來改變糙米表層組織構(gòu)造，促進(jìn)糙米的吸水性，使其具有易糊化和較好食用品質(zhì)的特性[3]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)速食糙米粥比較常用的加工技術(shù)主要有擠壓膨化法、生化法和蒸煮高溫干燥法等，研究表明這些方法可在一定程度上提高糙米的蒸煮性和感官品質(zhì)，且能增加糙米的營養(yǎng)。

復(fù)水效果是衡量速食粥食用方便性的重要指標(biāo)。目前速食粥通常采用微波熱風(fēng)干燥[4]、真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥等干燥方法[5-6]。真空冷凍干燥的產(chǎn)品復(fù)水效果極佳，但成本高；熱風(fēng)干燥的樣品復(fù)水率低，復(fù)水后的感官評價效果差且耗時較長。為提高速食糙米粥的食用方便性，本試驗采用真空微波干燥技術(shù)對糙米粥進(jìn)行干燥，以復(fù)水率結(jié)合感官評價的方法，優(yōu)化速食糙米粥的最佳工藝參數(shù)；同時，采用不同的方程擬合糙米粥的干燥動力學(xué)和復(fù)水動力學(xué)曲線，得出糙米粥最佳的干燥復(fù)水動力學(xué)方程，為糙米粥的加工提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

糙米，市售；BHS-2立式壓力蒸汽滅菌氣筒，上海東亞壓力容器制造有限公司；WBZ-10智能化靜態(tài)微波真空干燥機(jī)，貴陽新奇微波工業(yè)有限責(zé)任公司；AL204電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；MOC-120H水分儀，日本島津公司。

1.2 速食糙米粥的工藝參數(shù)優(yōu)化

1.2.1糙米粥的生產(chǎn)工藝流程

糙米→淘洗→浸泡→高壓蒸煮→離散→微波真空干燥→包裝成品。

操作要點：選擇顆粒飽滿完整，無霉變無蟲蛀的糙米，進(jìn)行淘洗除去糙米表面的粉狀雜質(zhì)，然后浸泡以提高糙米的糊化速度，減少糊化的時間；浸泡后的糙米瀝干水分，在121℃高壓滅菌鍋內(nèi)蒸煮20 min以改善口感；將煮好的糙米用室溫的水離散后瀝干，防止米粒粘連；將離散后的糙米盡快平鋪一層在真空微波干燥機(jī)載樣片上，設(shè)定真空度為-0.08 mPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速8 r/min，溫度40℃，一定的干燥功率進(jìn)行微波干燥，然后包裝貯藏用于后續(xù)實驗。

1.2.2單因素試驗

從浸泡溫度、料液比、干燥功率這三個方面考察其對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響。選擇料液比為1∶8，干燥功率為1 500 W，考察不同浸泡溫度25、55、85℃對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響；選擇浸泡溫度為85℃，干燥功率為1 500 W，考察不同料液比1∶4、1∶8和1∶12對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響；選擇浸泡溫度為85℃，料液比為1∶8，考察不同干燥功率1 000、1 500、2 000W對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響。(為使速食糙米粥的水分在10%以下，經(jīng)過預(yù)實驗得出干燥功率為1 000 W時干燥時間為38 min，干燥功率為1 500 W時干燥時間為26 min，干燥功率為2 000 W時干燥時間為18 min。)

1.2.3正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，將浸泡溫度、料液比、干燥功率作為變量因子，以速食糙米粥復(fù)水率和感官得分作為評價指標(biāo)，設(shè)計L9(34)正交試驗，正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.3 樣品感官品質(zhì)評定

樣品由8名食品專業(yè)的人員進(jìn)行綜合評審，速食糙米粥的感官評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 速食糙米粥的感官評分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 速食糙米粥真空微波干燥動力學(xué)模型

1.4.1水分比及干燥速率

速食糙米粥干燥水分比的計算如下[8-9]：

(1)

式中，MR為速食糙米粥真空微波干燥的水分比；M0為初始糙米粥含水率，g/g；Mt為t時刻糙米粥含水率，g/g；Me為糙米粥的平衡干基含水率，g/g。

Me相對于M0、Mt可忽略不計，因此公式(1)可以簡化為：

MR=Mt/M0

(2)

速食糙米粥干燥過程的干燥速率用DR表示[10]：

(3)

式中，M(t+△t)為(t+△t)時間的含水率，Mt為t時間的含水率，△t為干燥時間間隔。

1.4.2含水率測定

按GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定方法》進(jìn)行測定[11]。

1.4.3干燥動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

真空微波干燥動力學(xué)是研究在真空條件下，利用微波對物料進(jìn)行干燥的過程中，物料的水分隨時間的變化規(guī)律。為了研究速食糙米粥真空微波干燥過程中，水分和時間的變化關(guān)系，采用了5種常見的薄層干燥數(shù)學(xué)模型來擬合速食糙米粥真空微波干燥過程[12-15]。

Lewi：

MR=exp(-kt)

(4)

Henderson and Pabis：

MR=aexp(-kt)

(5)

Page：

MR=exp(-ktn)

(6)

二次多項式方程：

MR=kt2+at+b

(7)

三次多項式方程 ：

MR=kt3+at2+bt+c

(8)

式中，MR為t時刻的水分；a、b、c為模型的特征常數(shù)；k為水分干燥速率。

1.5 速食糙米粥復(fù)水動力學(xué)模型

1.5.1復(fù)水率測定[16]

準(zhǔn)確稱量前期制備經(jīng)過真空微波干燥的速食糙米粥5 g(m1,干基)于燒杯中，加入5倍的沸水，攪拌混勻，立即加蓋，待復(fù)水5 min后撈出，瀝干水分，且用吸水紙充分吸干糙米表面的水分，稱量吸干后的糙米質(zhì)量為m2，復(fù)水率R=m2/m1。

1.5.2數(shù)學(xué)模型

為了確定速食糙米粥以復(fù)水時間為變量的復(fù)水過程，采用3種動力學(xué)方程來描述速食糙米粥的復(fù)水過程[17]。

指數(shù)方程：

R=Re-(Re-1)exp(-kt)

(9)

Peleg方程：

R=(Re-1/k2)+t(k1+k2t)

(10)

Weibull方程：

R=Re+(1-Re)exp(-t/β)a

(11)

式中，R為t時刻的復(fù)水比；Re為平衡時刻復(fù)水比；t為復(fù)水時間；k1為動力學(xué)速率常數(shù)；k2為模型的特征常數(shù)；a為形狀參數(shù)，衡量在復(fù)水初始階段水分吸收速率；速食糙米粥吸收水分快時，a值低，反之則數(shù)值高。β為比例參數(shù)，β的倒數(shù)代表Weibull方程動力學(xué)常數(shù)，可以通過β數(shù)字大小來衡量復(fù)水的難易程度。

1.6 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

采用Excel 2010，originPro9.1和SPSS20對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸泡溫度對速食糙米粥的影響

不同浸泡溫度對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果見圖1。

圖1 不同浸泡溫度對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果

由圖1可知，速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價分?jǐn)?shù)在數(shù)值上都是隨著溫度的升高呈先下降后上升的趨勢，在85℃條件下浸泡的速食糙米粥具有較好的復(fù)水率和感官評價?？赡苡捎谠?5℃之前，浸泡溫度低，淀粉不容易糊化，導(dǎo)致復(fù)水率和口感下降；55℃之后隨著溫度升高糊化度升高，使得糙米的復(fù)水率和口感提高。

2.2 不同料液比對速食糙米粥的影響

不同料液比對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果見圖2。

圖2 不同料液比對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果

由圖2可知，速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價隨著浸泡液比例的上升呈先上升后下降的趨勢，料液比為1∶8時，速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價都較佳。這可能是由于在料液比1∶8之前隨著浸泡體系中水分的增加糙米吸水膨脹，糊化度增大，所以復(fù)水率和口感提高；料液比超過1∶8后，雖然浸泡體系中水分增加了，但是糙米吸水量達(dá)到飽和，糙米淀粉過度吸水糊化導(dǎo)致復(fù)水率和口感逐漸降低[18]。

2.3 不同干燥功率對速食糙米粥的影響

不同干燥功率對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果見圖3。

圖3 不同干燥功率對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的影響結(jié)果

由圖3可知，隨著干燥功率的增加，產(chǎn)品的復(fù)水率呈先增加后降低趨勢，干燥功率越高，產(chǎn)品最終含水率越低，糙米結(jié)構(gòu)被破壞的程度不一，這主要是因為功率不同，微波加熱速率和電磁場的空間分布則不同，故產(chǎn)品最終的復(fù)水率和感官評定也會受影響。當(dāng)微波功率為1 000 W時，微波干燥后的產(chǎn)品水分高于另外兩種功率條件制的產(chǎn)品，故其復(fù)水率會低于二者。但在85℃浸泡溫度條件下制作的產(chǎn)品經(jīng)2 000 W功率微波干燥后，大部分米粒呈淡黃色，故進(jìn)行復(fù)水處理時產(chǎn)品持水能力降低，復(fù)水率隨著下降。當(dāng)微波功率為1 500 W時，產(chǎn)品完整，品質(zhì)好，復(fù)水效果最佳。綜合而言，微波干燥功率1 500 W為最佳干燥功率。

2.4 正交試驗結(jié)果

速食糙米粥的正交試驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗結(jié)果

由表3可知，影響速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價因素的主次順序為：浸泡溫度、干燥功率、料液比，浸泡溫度對速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價影響較大，干燥功率和料液比影響相當(dāng)，其最優(yōu)組合為A2B3C3，即糙米的浸泡溫度為55℃，糙米與水的料液比為1∶12，真空微波干燥的功率為2 000 W，干燥時間為15 min。同時由正交試驗表得出：糙米的浸泡溫度為55℃，糙米與水的料液比為1∶8，真空微波干燥的功率為2 000 W，干燥時間為18 min，此時速食糙米粥的感官評價的分?jǐn)?shù)最高，復(fù)水率也很好。所以需要對這兩組方案進(jìn)行驗證實驗，見表4。

表4 驗證試驗結(jié)果表

由表4可知，在浸泡溫度為55℃，料液比為1∶8，干燥功率為2 000 W的條件下，速食糙米粥的復(fù)水率和感官評價是最好的。

2.5 速食糙米水分隨著干燥時間的變化

在最優(yōu)加工工藝參數(shù)條件下(料液比1∶8，55℃浸泡溫度，2 000 W微波干燥功率)，連續(xù)微波真空干燥不同的時間，以產(chǎn)品的水分為指標(biāo)，對不同干燥時間產(chǎn)品的含水率進(jìn)行測定。其結(jié)果見表5。

表5 干燥過程水分的變化

由表5可知，隨著干燥時間增加，糙米水分呈下降趨勢。微波干燥糙米的過程主要分為升溫、等速、降速三個階段。初始階段溫度不高，水分發(fā)生擴(kuò)散和蒸發(fā)都不強(qiáng)烈，糙米的溫度上升，該階段稱為升溫階段；隨著溫度增加，水蒸氣的蒸發(fā)和水分?jǐn)U散速度加快，達(dá)到加熱提供的熱量和汽化熱穩(wěn)定糙米干燥溫度，該階段稱為等速干燥，此階段干燥速率最大，水分含量降低加快；最后階段，含水率逐漸下降，水分?jǐn)U散速度小于蒸汽蒸發(fā)速度，水分蒸發(fā)的汽化熱小于熱介質(zhì)提供的熱量，進(jìn)入降速干燥階段，干燥速度較平衡階段(等速階段)小，對應(yīng)水分含量降低得慢。李遠(yuǎn)志等[19]和李棟等[20]也給出相似結(jié)果。

2.6 速食糙米粥復(fù)水率隨著復(fù)水時間的變化

對不同復(fù)水時間段的含水率進(jìn)行測定，結(jié)果見表6。

表6 水分與復(fù)水時間關(guān)系

由表6可知，隨著復(fù)水時間增加，速食糙米粥的含水率逐漸升高，但上升的速率先增大后減小。在0～0.5 min復(fù)水時間段，產(chǎn)品水分猛增，后階段水分增加速率減小，到最后完成復(fù)水整個過程，產(chǎn)品最終水分保持在66.76%。造成該現(xiàn)象的主要原因是因為經(jīng)過真空微波干燥后，速食糙米粥整個體系含水率極低，當(dāng)進(jìn)行復(fù)水處理時，每粒糙米都充分吸水來填充孔隙結(jié)構(gòu)，隨著吸水量增加，體系多數(shù)孔隙被水分填補，只有部分遺留的縫隙需要吸水，相對于前期而言，水分增加速率會減小。

2.7 速食糙米粥真空微波干燥動力學(xué)模型

在上述最優(yōu)條件下對干燥動力學(xué)與復(fù)水動力學(xué)進(jìn)行研究，通過擬合得出速食糙米粥最佳的真空微波干燥動力學(xué)的模型和模型參數(shù)，見表7。

表7 薄層干燥模型擬合結(jié)果

由表7可知，Page方程的回歸系數(shù)最小，R2=0.846 3，表明模型模擬不是最佳；二次和三次多項式回歸方程相對于另外三種模型，能更貼近速食糙米粥干燥過程水分變化的真實情況，但三次多項式回歸方程的回歸系數(shù)最大，R2=0.987 7，說明模型的模擬程度良好，試驗誤差相對小很多，可得回歸方程：MR=0.000 2t3+0.005 8t2+0.012 58t+0.785 5，該方程可以很好的模擬糙米粥干燥過程所滿足的干燥動力學(xué)，能更貼近的描述干燥過程速食糙米粥水分的變化規(guī)律。

2.8 速食糙米粥的復(fù)水動力學(xué)

通過對速食糙米粥干燥過程數(shù)據(jù)擬合，得出速食糙米粥最佳的復(fù)水動力學(xué)的模型和模型參數(shù)。其結(jié)果詳情見表8。

表8 復(fù)水動力學(xué)模型擬合結(jié)果

表8列出的三種復(fù)水動力學(xué)模型的具體參數(shù)，peleg方程的回歸系數(shù)最小，表明模擬程度不太理想，指數(shù)方程的回歸系數(shù)R2=0.959 2，在三種模型中最大，所以R=0.7-0.3exp(-1.761t)指數(shù)回歸方程對描述速食炒米粥復(fù)水過程更接近真實。

3 結(jié)論

由正交試驗優(yōu)化出影響速食糙米粥復(fù)水率和感官評價的主要因素，得出各個因素對速食糙米粥復(fù)水率和感官評價影響的主次順序為：浸泡溫度、干燥功率、料液比，其中浸泡溫度是主要影響因素。速食糙米粥的最佳生產(chǎn)工藝條件為：浸泡溫度為55℃，料液比為1∶8，干燥功率為2 000 W，干燥時間為18 min，速食糙米粥的復(fù)水率和感官評定達(dá)到最佳，分別為2.970，41分。MR=0.000 2t3+0.005 8t2+0.012 58t+0.785 5為速食糙米粥的干燥過程模擬的最佳干燥動力學(xué)曲線，符合三次多項式方程模型。經(jīng)過對速食糙米粥復(fù)水處理過程的復(fù)水率測定，表明指數(shù)方程模型更能準(zhǔn)確模擬復(fù)水的整個動態(tài)過程，其動力學(xué)方程的表達(dá)式：R=0.7-0.3exp(-1.761t)能更好描述復(fù)水過程中水分變化規(guī)律。