物理冷藏条件与浸泡时间对大豆常温吸水率的影响

林文硕，白 莹，陈巧玲，石梦静

(福建工程学院，福建 福州 350118)



物理冷藏条件与浸泡时间对大豆常温吸水率的影响

林文硕，白 莹，陈巧玲，石梦静

(福建工程学院，福建 福州 350118)

使用最常见的冰箱等实验器具，以冷藏温度、冷藏时间与浸泡时间为3个因素，开展 L9(33)正交实验，研究冷藏温度、冷藏时间与浸泡时间对常温下大豆吸水率的影响。实验表明：先浸泡、冷藏，再解冻、浸泡，充分发挥了冰晶对大豆内部的破坏作用，人为增大了大豆内部吸水空间，使大豆吸水率进一步提高。

物理冷藏；大豆吸水率；正交实验；大学物理实验

大学物理实验教学是实施“卓越工程师培养计划”、实现素质教育和创新人才培养目标、加强学生实践能力和创新能力培养的重要环节。综合性设计性实验是实验教学内容、方法和手段改革的重要内容之一。在学生做好大学物理基础实验，掌握一定的物理基本实验技能的基础上，我们开展了此次综合实验，使用最常见的生活器具，培养学生综合分析问题和解决实际问题的能力。

1 要解决的问题

家庭制作豆浆，使用饮用水，浸泡大豆6～8小时甚至更长时间，然而，浸润效果不佳。这很大程度影响了消费者使用豆浆机的积极性。且浸泡时间过长，不但，大豆中的水溶性营养成分会因浸泡而流失[1]，而且，水中微生物滋长，反而影响豆浆的质量。为缩短大豆浸泡时间，企业和学者做了很多研究。如，选用吸水性较好的大豆品种[2]或者提高浸泡水的温度等等。但均未从根本上改善大豆浸泡效率。

低温物理已成为物理学科的一个重要分支。温度降低，物质的物理性质将发生变化。用低温技术可较长时间保存生物的活组织，为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径[4,5,6]。组织学生，根据所学物理知识，利用常见的冰箱等实验器具，研究低温对大豆结构的改变，改善家庭制作豆浆时，常温下的大豆浸泡效率。学生自主查询相关文献，自行设计实验方案，经过教师审核后，自己动手准备实验材料，独立完成实验，进行数据处理并撰写报告[7-8]。

2 材料与方法

2.1 原料

黄豆1 500 g

2.2 主要仪器设备

电子秤、冰箱、电风扇、热风扇、温度计、烧杯、量筒、陶瓷碗、陶瓷盘

2.3 试验方法

2.3.1 大豆样品制备

挑选粒径均匀、饱满、无破皮、无机械损伤的大豆，去除杂质。

随机称取大豆样品30 g/份，20份不浸泡，置于冰箱保鲜层，设定温度2 ℃。

另，随机称取大豆样品30 g/份，30份，分别放入陶瓷碗中，加饮用水直至浸没大豆表面，置于冰箱保鲜层中，设定温度为2 ℃。浸泡8小时后，取出。沥干水分，各自在盘子中展开。使用电风扇，加速盘子上方空气流动，加速大豆样品表面的水分蒸发。待样品表面水分挥发后，分别放入冰箱冷藏。

按正交实验表，将大豆贮藏于不同温度(2 ℃、-10 ℃、-20 ℃)、贮藏不同时间(24、48、72 h)。使用时，将大豆从冷冻层中取出，置于电子天平上，使用热风扇，加热加速冷冻样品上方空气流动，并关注电子天平读数，直至每份样品质量为30 g±0.1 g，停止加热，自然冷却至室温。

3.3.2 吸水率测定

3 结果与讨论

3.1 正交实验表格设计

目前，家用冰箱具有保鲜冷藏双重功能，既能提高食品的储藏品质，又能延长食品的储藏时间，几乎家家具备。家用冰箱的可控温度范围，从2 ℃到-20 ℃。因此，选用2、-10 与-20 ℃饮用水浸泡。以冷藏温度、冷藏时间、浸泡时间，为3个因素，不考虑因素间的交互作用，采用L9(33)正交实验设计方案，因素水平见表1。

表1 L9(33)正交实验因素和水平

3.2 极差分析正交实验结果

实验结果如表2所示：

表2 物理冷冻大豆在25 ℃温水中吸水率

其中：

第一水平因素A所对应的试验指标之和的平均值是：

=68.8%

第一水平因素B所对应的试验指标之和的平均值是：

=89.0%

第一水平因素C所对应的试验指标之和的平均值是：

=56.1%

同理，可以求得：

第二水平各因素所对应的试验指标之和的平均值分别是：

第三水平各因素所对应的试验指标之和的平均值分别是：

同理，可以求得：RB=6.8%，RC=73.7%

从表4中可以看出，

(1) 浸泡1 h，2 ℃组合A1B1C1的吸水率为26.9%，-10 ℃组合A2B3C1的吸水率为75.2%，-20 ℃组合A3B2C1的吸水率为66.2%。

(2) 浸泡4 h，2 ℃组合A1B2C2的吸水率为69.6%，-10 ℃组合A2B1C2的吸水率为112.2%，-20 ℃组合A3B3C2的吸水率为101.0%。

(3) 浸泡8 h，2 ℃组合A1B3C3的吸水率为110.0%，-10 ℃组合A2B2C3的吸水率为151.5%，-20 ℃组合A3B1C3的吸水率为128.0%。

(4) 实验组合A2B2C3所测得的大豆吸水率最大，为151.5%。

(5) 运用极差分析法，RC(73.7%)>RA(44.9%)>RB(6.8%)

(6) 运用极差分析法，吸水率最大组合为：C3A2B2。

3.3 实验分析

3.3.1 温度与大豆吸水率的关系

由(1)可知，浸泡1 h，-10 ℃冷藏的大豆样品吸水率(75.2%)，是2 ℃贮藏的大豆样品吸水率(26.9%)的近3倍；-20 ℃冷藏的大豆样品吸水率(66.2%)，超过2 ℃贮藏的大豆样品吸水率(26.9%)的2倍。

由(1)、(2)可知：浸泡1 h，-10 ℃冷藏大豆样品吸水率(75.2%)，大于2 ℃贮藏的大豆样品浸泡4 h的吸水效果(69.6%)；-20 ℃冷藏大豆样品吸水率(66.2%)，与2 ℃贮藏的大豆样品浸泡4 h的吸水效果(69.6%)接近。

由(2)、(3)可知：浸泡4 h，-10 ℃、-20 ℃冷藏的大豆样品吸水率(112.2%、101.0%)，已经接近甚至超过2 ℃贮藏大豆样品浸泡8 h的吸水率(110.0%)

由(1)、(3)可知：浸泡8 h，冷藏温度2 ℃、-10 ℃、-20 ℃大豆样品吸水率(110.0%、151.5%、128.0%)，分别是浸泡1 h，2 ℃贮藏大豆吸水率(26.9%)的4倍、5.6倍、4.7倍。

可以推知：相同的浸泡时间，-10 ℃与-20 ℃冷藏的大豆样品的吸水率，均高于2 ℃贮藏的大豆样品。-10 ℃冷藏的大豆吸水率最高，其次是-20 ℃冷藏的样品，2 ℃贮藏的样品吸水率最低。冷藏后的大豆吸水效果，较保鲜贮藏大豆的吸水效果好。各种温度的大豆样品的吸水率，随着浸泡时间的增加而增长。即，在大豆水分未饱和情况下，浸泡时间越久，大豆样品所吸的水分越多。

3.3.2 极差分析最大吸水率组合

由(4)可知，对实验结果进行极差分析，各影响因子对大豆吸水率的影响大小为：C(浸泡时间)>A(冷藏温度)> B(冷藏时间)，即大豆浸泡时间对吸水率影响最大，冷藏温度次之，大豆冷藏时间的影响最小。这说明大豆样品冷藏时间不会对大豆吸水率造成显著影响。主要影响来自大豆浸泡时间和冷藏温度。

由(4)、(6)可知，极差分析法选出的最大吸水率组合，与正交试验法得出的结果一致，均为C3A2B2。即，同等实验条件下，大豆浸泡，再-10 ℃冷藏48 h，再解冻后，在25 ℃水中浸泡8h的吸水效果最好。

3.3.3 实验方案优势分析

本次正交实验中，将大豆先浸泡再低温冷藏，人为加大了冷藏后冰晶的破坏效果。充分运用了冷藏时冰晶对大豆内部的破坏作用，人为增大了大豆内部吸水空间，大豆吸水率进一步提高。

根据低温物理学理论，冰晶的大小取决于冷冻的速率。一般情况下，冷冻速率越慢，形成的冰晶尺寸越大[9-10]。食品细胞在冷冻降温时会有变化，当食品温度降至-1～-5 ℃时，细胞内的水会结冰成冰晶，这个温带称为“最大冰晶生成带”。现有研究表明，在-3～-10 ℃被冻结，食材组织结构损伤的程度最大[11]。若采用慢速冻结，则使食品细胞间形成柱状或块粒状大冰晶，由于水形成冰时体积要增大9%～10%，细胞会受到机械损伤；而快速冻结则使食品以最短的时间通过最大冰晶生成带，食品内的水分形成无数针状小冰晶均匀分布于食品的细胞内与细胞间隙中，因而大大降低了物理变化的影响。

结合本次实验的吸水率表现，我们推论：冰晶对-10、-20 ℃大豆样品的内部造成损伤，使得-10、-20 ℃大豆样品的质构特性发生改变，与2 ℃的大豆内部质构有较大不同。-10 ℃冷冻速度小于-20 ℃冷冻。-10 ℃冷藏通过最大冰晶生成带的时间，较-20 ℃冷冻长，形成的冰晶较大，更容易损伤大豆细胞。因而，冰晶对-10 ℃大豆样品的改变，要大于-20 ℃大豆样品的变化。

本次实验中，大豆样品浸泡后-10 ℃冷藏，水分子因低温形成的冰晶尺寸最大，对大豆样品内部组织的破坏最为严重。这些损伤，在冰晶融化后依旧存留，为后续浸泡时大豆再次吸收水分，预留了空间，增加其吸水性。本实验人为降低大豆温度，相较于常温，进一步改变大豆内部结构，使得大豆吸水率提高。

现有研究表明，带有种皮的豆类吸水率较低，主要是由于种皮中的半纤维素和果胶等成分的存在阻碍了水分的渗透[12]。浸泡导致大豆的细胞结构被软化、胶体的分散性、悬浮状态提高，使大豆蛋白体膜呈松脆状态。大豆种子的微观结构从致密逐渐变得松散，随着浸泡时间的延长，吸收的水分进一步增加，组织结构进一步舒展，细胞膨胀[13]。因而，浸泡时，大豆吸水率越高，越有助于营养物质溶入豆浆，越有利于后期研磨。

大豆样品先浸泡、冷藏，再解冻、浸泡。相较与常温浸泡，本实验人为降低大豆温度，充分运用了冰晶对大豆内部的破坏作用，使得大豆内部组织更加软化膨胀松散，吸水空间增大，大豆吸水率进一步提高。同时，大豆中被冰晶破坏的细胞，浸泡时其组织液亲水物质可融入水中，提高了豆浆的营养价值。因而，先浸泡、冷藏，再解冻、浸泡，较常温浸泡，能迅速提高大豆吸水率，不但有益于研磨，而且最大限度的保留了大豆的营养物质，有较大的优势。

4 结 论

使用最常见的冰箱等实验器具，以冷藏温度(2、-10、-20 ℃)，冷藏时间(24、48、72 h)与浸泡时间(1、4、8 h)为3个因素，开展 L9(33)正交实验，研究冷藏温度、冷藏时间与浸泡时间对大豆吸水率的影响。运用极差分析法，选择大豆吸水率最大组合，提出改善家庭日常制作豆浆时的大豆的浸泡效率的方法。

实验中，将大豆先浸泡再低温冷藏，人为加大了冷藏后冰晶的破坏效果。充分运用了冷藏时冰晶对大豆内部的破坏作用，人为增大了大豆内部吸水空间，大豆吸水率进一步提高。推广到现实家庭制浆准备过程中，可以依据现有条件，酌情将大豆浸泡、冷冻，再加热解冻、浸泡。如此，在使用家用豆浆机制作豆浆时，大豆的组织更加易于碾磨，有效提高蛋白质、油脂等营养成分的提取效率。

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Analysis of the Effect of Refrigerated Storage and Soaking Time on Soybean Water Absorption Rate at 25 ℃

LIN Wen-shuo，BAI Ying，CHEN Qiao-ling，SHI Meng-jing

(Fujian University of Technology,Fujian Fuzhou 350118)

The orthogonal experiments method L9(33)is adopted to study the effect of refrigerated storage and soaking time on soybean water absorption rate at 25 ℃.Home refrigerator and some commodities are used to experiment the effect of soybean refrigerated storage temperature,refrigerated storage time and soaking time.Experiments show that：it can be used to improve the efficiency,soaking and cold storage first,and then thawing and soaking again,which damaged the soybean tissues most,causing the place of keeping water increasing,when making soybean milk at home.

refrigerated storage；soybean water absorption；the orthogonal experiment；physics experiment

2016-04-25

福建省教育厅项目(JB14071，JB14075)；福建工程学院大学物理课程改革项目(E3600083)；福建工程学院实验教学改革立项项目(SJ2013024)

1007-2934(2016)05-0010-05

O 59；TS 214.2

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.003