微波-過熱蒸汽法速熟化處理雜糧的研究

徐志村，王俊仁，王莉，張聰男，陳正行，馮曉宇，蔣潔

（1.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，江蘇 南京 211800；2.江南大學糧食發(fā)酵與食品生物制造國家工程研究中心，江蘇 無錫 214122；3.江南大學江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122；4.江南大學江蘇省生物活性制品加工工程技術研究中心，江蘇 無錫 214122）

中國是農(nóng)業(yè)大國，雜糧資源非常豐富[1]，主要包括除水稻、小麥、玉米等主糧作物以外的多種糧豆類作物，如黑米、紅米、紫米、燕麥、薏米、紅豆、綠豆等[2-3]。隨著生活水平的提高，城鄉(xiāng)居民飲食消費結構中精細糧占比越來越高，粗雜糧比重大幅下降[4]，導致糖尿病、高血脂等富貴病的發(fā)病率逐年升高[5]。根據(jù)相關研究，食物中全谷物的攝入量與死亡呈明顯負相關，長期食用加工過于精細的糧食產(chǎn)品，會導致2型糖尿病與癌癥發(fā)病率的增加[6-10]，而雜糧中含有豐富的維生素類、黃酮類、酚酸類、氨基酸類等生物活性成分以及膳食纖維和微量元素，可以有效預防慢性疾病的發(fā)生[11-15]。但由于雜糧通常硬度較高，難糊化，口感差，無法與大米同步煮熟，需要提前長時間浸泡等處理，難以適應快節(jié)奏生活，給消費者帶來了很大不便，也阻礙了雜糧產(chǎn)品的推廣[16]。目前雜糧速熟化工藝有很多種，包括蒸煮工藝、冷凍干燥工藝、高溫流化工藝等[17-20]，但不同處理工藝得到的產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊。本研究以黑米、紅米、糙米為研究對象，采用微波技術結合過熱蒸汽速熟化處理雜糧，改善其蒸煮品質(zhì)，為雜糧速熟化和品質(zhì)改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

黑米、紅米、糙米：無錫市朝陽農(nóng)貿(mào)市場；苯酚、無水乙醇、氫氧化鉀、酚酞、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）：國藥集團化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

萬能粉碎機（CF-100KS）：廣州晨雕機械設備有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-6）：常州金壇良友儀器有限公司；電子分析天平（FA2204B）：山東晨拓科學儀器有限公司；臺式離心機（AXTD5A）：鹽城市安信實驗儀器有限公司；米飯食味計（STA/A）：日本佐竹公司；工業(yè)微波爐（COWB-2L）：江陰辰歐微波能系統(tǒng)設備有限公司；高溫瞬時滅菌設備（WC-FMD）：江蘇萬創(chuàng)滅菌設備科技有限公司；恒溫恒濕箱（BSC-250）：上海博迅實業(yè)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 雜糧微波速熟化工藝流程

原料預處理→浸泡→微波速熟化→鈍酶→冷卻→成品。

1.2.2 單因素試驗

稱取預處理后的黑米、糙米、紅米，分別選取泡時間（20、30、40、50、60 min）、微波設置溫度（80、90、100、110、120 ℃）、微波處理時間（2、4、6、8、10 min），120 ℃過熱蒸汽鈍酶時間（3、5、10、15、20 s）為單因素，以最佳蒸煮時間、米飯硬度值、彈性值、黏度值為指標進行試驗，選取適宜條件進行正交試驗。

1.2.3 最佳蒸煮時間的測定

參考GB/T 15682—2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評價方法》進行測定[21]。

1.2.4 食味指標的測定

采用米飯食味計，自動測定米飯的硬度、黏度、彈性值。

1.2.5 儲藏期試驗指標的測定

脂肪酸值（fatty acid value，F(xiàn)V）的測定：采用 GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的測定》中的方法測定[22]。

丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的測定：采用GB 5009.181—2016《食品安全國家標準食品中丙二醛的測定》中的方法測定[23]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗重復3次，試驗結果取平均值。試驗數(shù)據(jù)處理采用Origin8.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 雜糧浸泡時間的確定

浸泡時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見圖1。

圖1 浸泡時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of soaking time on cooking quality of cereals

由圖1可知，在20 min～40 min內(nèi)，隨著浸泡時間延長，3種谷物的最佳蒸煮時間明顯縮短，米飯的硬度值明顯降低，黏度值和彈性值明顯升高，原因可能是由于隨著吸水量增加，微波處理過程中淀粉預糊化明顯，導致雜糧內(nèi)部淀粉結構發(fā)生變化，有利于熟化過程[16-18]；在40 min～60 min，隨著浸泡時間延長，最佳蒸煮時間、米飯硬度值沒有明顯變化，而黏度值呈增加趨勢，彈性值呈降低趨勢，主要原因是隨著雜糧含水量的增加，微波處理過程中雜糧爆腰率和爆花率明顯升高[16，19]，導致米飯蒸煮過程中易軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標，選取30、40、50 min進行正交試驗。

2.1.2 雜糧微波處理溫度的確定

微波處理溫度對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見圖2。

圖2 微波處理溫度對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of microwave treatment temperature on cooking quality of cereals

大量研究表明微波處理工藝可以顯著改善雜糧適口性[16，19-20]，由圖2可知，隨著微波處理溫度的上升，3種谷物的最佳蒸煮時間和米飯硬度值呈降低趨勢，在80℃～100℃區(qū)間降低趨勢明顯，100℃～120℃區(qū)間降幅趨緩，主要原因是微波高溫導致籽粒表面的水分迅速蒸發(fā)，籽粒內(nèi)外形成了水分梯度，并且產(chǎn)生了表面應力[24]，表皮結構受損打開了吸水通道，所以微波處理后的黑米籽粒吸水能力更強，有利于煮飯過程中水分的滲入，加快熟化過程。而隨著溫度升高，米飯的黏度值呈升高趨勢，彈性值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在100℃達到最高值后降低，主要原因溫度越高，雜糧爆腰率和爆花率越高，煮飯過程中水分可以更快地進入雜糧內(nèi)部，導致米飯軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標，選取90、100、110℃進行正交試驗。

2.1.3 雜糧微波處理時間的確定

微波處理時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見圖3。

圖3 微波處理時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of microwave treatment time on cooking quality of cereals

由圖3可知，在2 min～6 min，3種谷物的最佳蒸煮時間和米飯硬度值呈降低趨勢，米飯黏度值和彈性值呈升高趨勢，6 min～10 min時間段趨勢相反，最佳蒸煮時間和米飯硬度值呈升高趨勢，米飯黏度值和彈性值呈下降趨勢，主要原因是隨著微波處理時間延長，2 min～6 min時間段微波主要作用是實現(xiàn)谷物內(nèi)部淀粉預糊化，實現(xiàn)雜糧蒸煮時間的縮短和食味品質(zhì)的改善[16-18]；而6 min后，隨著時間的延長，雜糧過度失水造成結構緊密堅硬，導致產(chǎn)品蒸煮時間延長，食味品質(zhì)變差。綜合多指標，選取4、6、8 min進行正交試驗。

2.1.4 雜糧過熱蒸汽鈍酶時間的確定

過熱蒸汽鈍酶時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響見圖4。

圖4 過熱蒸汽鈍酶時間對雜糧蒸煮品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of superheated steam treatment time on cooking quality of cereals

由圖4可知，隨著過熱蒸汽鈍酶時間的延長，3種谷物的最佳蒸煮時間和米飯硬度值呈降低趨勢，米飯黏度值呈上升趨勢，主要原因是過熱蒸汽會將雜糧籽粒在高溫、高壓條件下使高溫過熱蒸氣快速滲透到植物細胞中，半纖維素部分水解，木質(zhì)素軟化易降解，并通過瞬間卸壓產(chǎn)生的機械爆破效果，使植物組織結構破壞、細胞壁破壞[19]，蒸煮過程中有利于水分滲入谷物內(nèi)部，從而縮短最佳蒸煮時間，改善產(chǎn)品食味品質(zhì)[20]；3 s～10 s時間段米飯彈性值呈上升趨勢，而10 s～20 s時間段呈下降趨勢，同時米飯黏度值快速上升，主要原因是過熱蒸汽長時間處理造成谷物嚴重膨化、爆花，蒸煮過程中水分可以更快地進入雜糧內(nèi)部，導致米飯軟爛，黏度值上升、彈性值降低。綜合多指標，選取 5、10、15 s進行正交試驗。

2.2 正交試驗結果分析

根據(jù)單因素試驗結果，以成品最佳蒸煮時間和硬度值為指標，進行四因素三水平L9（34）正交試驗，確定雜糧速熟化的最佳工藝，正交試驗設計的因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素和水平設計Table 1 Factor level table of the orthogonal test

正交試驗結果如表2所示，最佳蒸煮時間與硬度值均為速熟化雜糧品質(zhì)的主要指標，兩者無主次順序，設定兩者權重系數(shù)均為1。試驗中分別測出速熟化雜糧最佳蒸煮時間和硬度值，然后根據(jù)下式計算綜合得分[25]，3種雜糧綜合得分取平均值即為該工藝的最終綜合評分。

表2 正交試驗結果Table 2 The results of the orthogonal test

式中：X'為標準化處理后的值，即綜合得分；X為指標的測量值為不同試驗號中該指標測量值的平均值；S為不同試驗號中該指標測量值的標準偏差。

由表2中極差值 R 可知，RB＞RD＞RA＞RC，因此影響雜糧速熟化效果和食味品質(zhì)的因素主次關系依次：微波溫度＞鈍酶時間＞浸泡時間＞微波時間，試驗結果的最佳組合是A3B3C1D2，即浸泡時間為50 min、微波溫度為110℃、微波時間為4 min、鈍酶時間為10 s。對最佳工藝組合進行驗證試驗，結果如表3所示。

表3 驗證試驗結果Table 3 The results of the verification test

由表3驗證試驗結果可知，經(jīng)A3B3C1D2工藝組合處理后的3種谷物，蒸煮時間和食味品質(zhì)得到明顯改善，且蒸煮時間和食味品質(zhì)指標與大米接近，達到了與大米同煮同熟的效果，因此選擇該工藝組合為最佳工藝組合。

2.3 儲藏期試驗結果分析

將A3B3C1D2工藝處理過的產(chǎn)品分別按照200 g/袋規(guī)格進行真空包裝，在50℃，相對濕度60%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中貯藏12周，定期檢測產(chǎn)品的FV和MDA含量，結果如圖5所示。

圖5 速熟化處理雜糧儲藏期間脂肪酸值和丙二醛含量變化Fig.5 Changes of FV and MDA content in cereals treated by microwave-superheated steam

大量研究表明，過熱蒸汽處理可以有效延長雜糧貨架期[26-28]，由圖5可知，在加速試驗儲藏過程中，速熟化處理后的3種谷物的FV和MDA含量始終維持低位，F(xiàn)V≤30 mg KOH/100 g，MDA 含量≤25 μg/100 g，而未經(jīng)處理的3種谷物的FV和MDA含量隨儲藏時間快速上升，儲藏第12周，未處理黑米、紅米和糙米的FV 分別為 352.51 、371.37 、422.64 mg KOH/100 g，MDA含量分別為 65.33、75.12 μg/100 g和 92.47 μg/100 g。由此可見，該工藝對雜糧的穩(wěn)定化效果較好，可以有效抑制雜糧的氧化哈敗。

3 結論

試驗研究得出雜糧速熟化的最佳工藝條件：浸泡時間為50 min、微波溫度為110℃、微波時間為4 min、鈍酶時間為10 s。在此條件下得到的速熟化黑米、紅米和糙米的最佳蒸煮時間分別為30.5、29.4、29.6 min，米飯硬度值分別為4.5、4.1和4.0，顯著改善了雜糧的蒸煮品質(zhì)，達到了與大米同煮同熟的效果，該工藝對雜糧的穩(wěn)定化效果較好，可以有效抑制雜糧的氧化哈敗。全谷物飲食可以改善人體的營養(yǎng)狀況，對健康益處良多，是一種健康的選擇，且此速熟化雜糧原材料豐富，生產(chǎn)方式簡便易行，批量生產(chǎn)的可行性極高，具有廣闊的市場前景。