湿热处理改善红薯粉条品质的优化工艺研究

廖卢艳 吴卫国

(湖南农业大学东方科技学院1，长沙 410128) (湖南农业大学食品科学技术学院2，长沙 410128)

湿热处理改善红薯粉条品质的优化工艺研究

廖卢艳1,2吴卫国2

(湖南农业大学东方科技学院1，长沙 410128) (湖南农业大学食品科学技术学院2，长沙 410128)

红薯淀粉糊化特性回生值是影响红薯粉条品质的关键因素，湿热改性技术对红薯淀粉粉条品质有明显的改善效果。为了提供一种绿色安全高效生产粉条用的红薯淀粉产品，试验以红薯淀粉回生值为响应值，根据单因素试验结果建立Box-Behnken模型对改性技术进行优化。利用响应面分析法探讨红薯淀粉含水量、湿热处理温度和湿热处理时间3因素对湿热改性红薯淀粉回生值的影响。优化的工艺条件为：红薯淀粉含水量34%、湿热处理温度105.8 ℃、湿热处理时间1 h。在此条件下得到的湿热改性红薯淀粉制备的粉条品质显著(P<0.01)的优于原红薯淀粉粉条。湿热改性红薯淀粉粉条品质中的断条率比原淀粉粉条下降 70%，而粉条硬度和粉条拉伸强度有显著性的增加，由原来的23.91、0.79 N分别增加到30.81 N和1.71 N。结果表明湿热处理不仅使红薯淀粉粉条耐煮不糊汤，而且粉条弹韧性能也增强。研究用响应面法优选出的改性工艺合理可行，为产业化应用提供了参考。

红薯淀粉 湿热改性 回生值 粉条品质

湿热处理作为淀粉的一种物理改性技术，在生产食品工业用的改性淀粉时具有很大的优越性[1]。近年来国内外关于湿热处理能够改善淀粉制粉条品质的报道也越来越多[2-3]，许多国外研究者发现湿热处理大米粉或大米淀粉都可以明显改善其粉条制品的烹煮和质构品质[4-7]；Collado等[8-9]研究也发现湿热处理红薯淀粉能改善红薯粉条的品质。湿热变性处理是指淀粉在低含水量下的热处理过程，一般含水量低于35%，但是温度一般较高，高于玻璃化转化温度，低于凝胶化温度[10]。淀粉的不同水分含量及处理时间和温度的不同，其淀粉的物性影响也不同。因此，研究不同湿热处理条件下红薯粉条品质改善效果并对其工艺进行优化非常有必要。

已经有研究者对各类淀粉的特性与其粉条品质之间的关系进行了大量的研究工作[11-12],红薯淀粉粉条品质差的原因主要是直链淀粉含量低，黏度曲线中衰减值较高，回生值较低等。谭洪卓等[13]提出利用物性测定仪(RVA)测得的峰值黏度、保持强度、最终黏度、回生值和衰减度等参数与粉条品质相关性较高，可以用RVA测试淀粉糊化特性，以预测其相应的粉条品质的好坏。综合考虑作者在研究不同来源淀粉糊化凝胶特性与粉条品质关系中发现糊化特性的回生值对粉条的拉伸强度的影响显著[14]，并且结合红薯淀粉本身的特性，尽管并不是回生程度越高，其粉条品质越能被消费者接受，但是红薯淀粉的回生程度越大越有利于其粉条的品质[15]。因此，本研究采用淀粉糊化特征值中的回生值来考察淀粉不同水分含量、不同温度、不同时间条件下湿热处理红薯淀粉使其粉条品质改善的效果，旨在提供一种绿色安全高效的粉条品质改善方法，为产业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

红薯淀粉(含水量12.6%，粗蛋白质量分数0.38%，粗脂肪质量分数0.60%)：长沙湘丰金薯食品有限公司。

1.2 主要仪器与设备

快速黏度测定仪RVA：波通瑞华科学仪器(北京)有限公司；TA-XT2i质构分析仪：英国Stable system。

1.3 试验方法

1.3.1 红薯湿热变性淀粉的制备方法

淀粉使用前先用105 ℃恒重法(GB 50093—2010)测定出淀粉的含水量。取50 g淀粉置于培养皿(D=12 cm)中调节水分含量后用塑料薄膜密封室温下平衡过夜,使水分平衡。再将过夜的淀粉放入干燥箱中设置不同温度处理一段时间。冷却后取出于40 ℃下干燥, 用粉碎机粉碎过100目筛，待后续检测分析使用。

1.3.2 淀粉糊化特性的测定[16]

用快速黏度仪RVA对淀粉糊化参数进行测定,测定时先用105 ℃恒重法(GB 50093—2010)测定出淀粉含水率。将3 g样品加入RVA专用铝盒内，然后加入水量定量25 mL，用搅拌器将样品搅拌均匀，然后放入仪器中进行测定。采用升温/降温循环，糊化程序：50 ℃保持1 min，4 min内加热至95 ℃保温5.5 min，4 min 内冷却至50 ℃并在50 ℃保持4 min。另外旋转浆在起始10 s内旋转速度为960 r/min，以后保持160 r/min至结束。

1.3.3 红薯粉条品质的测定

1.3.3.1 粉条的制备

粉条的制备方法参照文献[13]的方法。

1.3.3.2 粉条品质指标的测定

粉条品质指标主要包括断条率、粉条硬度和拉伸强度。其测定方法均参照文献[14]的方法。

1)断条率：将长10 cm的粉条样品20根，在500 mL蒸馏水中分别煮沸30 min，记录断条数，计算断条率(%)。断条率=(断条数/20)×100%。

2)硬度：取5 cm长的样品粉条20根，在500 mL蒸馏水中煮沸10 min，捞出，冷却，备用。用游标卡尺量取粉条直径，在质构仪上用A/LKB-F探头按试验条件进行测量(感应力：0.196 2 N，测试形变：100%)。

3)拉伸强度：取10 cm长的样品粉条20根，在500 mL蒸馏水中煮沸10 min，捞出，冷却，备用。在质构仪上用A/SPR探头按试验条件进行测量(感应力0.049 05 N，测试距离：50.0 mm)。每次将1根粉条缠绕固定在2个平行的摩擦轮之间(粉条在被拉的过程中不能松动)，上面的轮子以3.00 mm/s的速度向上拉伸粉条，直至粉条断裂。

1.3.4 单因素试验

试验分别考察了红薯淀粉含水量为14%、18%、22%、26%、30%、34%，湿热处理的温度95、100、105、110、115、120 ℃，湿热处理的时间1、2、3、4、5、6 h条件下，对红薯淀粉糊化特征值中回生值的影响。每组做3个平行，取平均值。

1.3.5 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，以红薯淀粉的含水量、湿热处理的温度、湿热处理的时间3个因素为响应变量，回生值为响应值，利用Design-Expert 8.0.6.1软件按照Box-Behnken原理进行响应面设计[17]，试验因素及水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 红薯淀粉含水量对红薯淀粉回生值的影响

在处理温度115 ℃，处理时间1 h时分别考察了以淀粉含水量为14%、18%、22%、26%、30%、34%条件下，湿热处理对红薯淀粉糊化特征值回生值的影响，结果见图1。

图1 红薯淀粉不同含水量条件下湿热处理对其回生值的影响

由图1可知，从总体的趋势来看，红薯淀粉糊化特征值回生值随红薯淀粉含水量不断增加而不断提高，当淀粉含水量达到30%时，淀粉回生值达到最高1 789 cP，此时相对于淀粉含水量14%时的回生值，提高了173%。说明淀粉含水量对湿热处理红薯淀粉的回生值有较显著的影响。水分作为一种增塑剂，在湿热处理过程中对淀粉的结构和性质产生重大的影响,水的存在有利于淀粉结晶结构的破坏，促进淀粉分子链的移动，无定形区的淀粉分子更容易发生重排形成更多的结晶[18]。但是，过低的含水量不利于无定形区分子链之间的交互作用，含水量过高，淀粉在高温下容易糊化引起淀粉分子的过度降解。由图1可以看出30%含水量条件下湿热处理红薯淀粉的糊化特征回生值均与其他含水量条件存在显著性差异(P<0.05)。因此，红薯淀粉含水量选择30%左右比较合适。

2.1.2 湿热处理温度对红薯淀粉回生值的影响

将含水量调节为30%的红薯淀粉为原料，处理时间1 h时分别考察了处理温度95、100、105、110、115、120 ℃条件下，湿热处理对红薯淀粉糊化特征值回生值的影响，结果见图2。

图2 不同温度条件下湿热处理对红薯淀粉回生值的影响

由图2可知，湿热处理的温度对红薯淀粉回生值的影响比较明显。湿热处理过程中，在一定温度范围内，淀粉晶体中的水分子变成气态，在热的作用下破坏α-1、6 键和α-1、4 键，同时使无定形区和结晶区的双螺旋结构发生改变[19]。这些变化致使淀粉的相关性质也会发生相应改变。湿热处理的温度过高或过低均不利于提升红薯淀粉的回生值。相比之下，温度95、100、115和120 ℃时，淀粉的回生值提升的比较平缓，105 ℃和110 ℃时，淀粉的回生值相差不大，当105 ℃条件下湿热处理后红薯淀粉的回生值达最大，达到1 928 cP，并且与95、100、120 ℃条件下红薯淀粉存在显著性差异(P<0.05)。因此，从能耗和成本考虑，综合选择湿热处理的温度为105 ℃左右比较合适。

2.1.3 湿热处理的时间对红薯淀粉回生值的影响

将含水量调节为30%的红薯淀粉为原料，在处理温度105 ℃时，分别考察了处理时间1、2、3、4、5、6 h条件下，湿热处理对红薯淀粉糊化特征值回生值的影响，结果见图3。

由于淀粉分子在水和热的作用下呈现比较杂乱的状态，湿热处理时间的适当延长有利于增强淀粉分子之间的相互作用，但是时间过长会导致淀粉分子过度降解[20]。由图可3可知，湿热处理时间对红薯淀粉回生值有显著性的影响(P<0.05)，随着湿热处理的时间延长，红薯淀粉的回生值呈现先增加后降低的趋势，湿热处理的时间为2 h时红薯淀粉回生值最大，达到1 926 cP。因此，选择湿热处理的时间为2 h左右比较合适。

图3 不同时间条件下湿热处理对红薯淀粉回生值的影响

2.2 响应面试验分析及数学模型的建立

2.2.1 响应面试验设计及结果

综合单因素的结果，以红薯淀粉糊化特征值回生值为考察指标，选取淀粉含水量、湿热处理温度、湿热处理时间3个因素，采用Design-Expert 8.0.6.1软件进行三因素三水平响应面试验设计，并对试验设计进行回归分析。表2为响应面试验的设计及结果。

表2 响应面试验设计及结果

2.2.2 数学模型的建立及其方差分析

利用Design-Expert 8.0.6.1软件对表2数据进行多元回归拟合，得到对红薯淀粉糊化特征值回生值Y影响的关键因子：淀粉含水量X1、湿热处理温度X2、湿热处理时间X3的二次多项式回归模型：

Y=1 912.20+206.63X1+71.25X2-134.38X3+41.75X1X2-122.50X1X3+51.75X2X3-157.85X12-191.60X22+3.15X32

对模型进行回归模型方差分析及其系数的显著性检验，结果见表3和表4。

表3 回归模型的方差分析

表4 回归系数的显著性检验

由表4回归模型系数的显著性检验结果可以看出，模拟的一次项X1(淀粉水分含量)、X3(时间)与二次项X22对红薯淀粉回生值的影响均极显著(P<0.000 1)；一次项X2(温度)、二次项X12、交互项X1X3和X2X3对红薯淀粉回生值的影响均显著(P<0.05)。此结果表明响应值的变化比较复杂，各个具体的试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，而是呈二次关系，且各因素之间存在交互作用。方程中各项系数绝对值大小直接反映各因数对响应值的影响程度，系数的正、负反映影响的方向。依据系数估计值X1=206.63、X2=71.25、X3=-134.38，可知影响因子的主效应顺序为：X1>X3>X2，即淀粉含水量>湿热处理时间>湿热处理温度。

2.2.3 最佳工艺参数选择及验证

用Design-Expert 8.0.6.1软件通过对回归方程模型公式进行优化求解，得到湿热处理红薯淀粉回生值最佳工艺参数为：淀粉含水量34% ，湿热处理温度105.8 ℃ ，湿热处理时间1 h，此时得到最大的淀粉回生值为2 267 cP。为了验证模型的可靠性，采用最优工艺参数(淀粉含水量34%、湿热处理温度105.8 ℃、湿热处理时间1 h)进行3 次平行试验，3 次试验的红薯淀粉回生值平均值为2 275 cP，相对误差为2.24%，和理论值误差较小。因此，利用该响应面法得到的红薯淀粉回生值的最佳参数可靠，具有参考价值。

2.2.4 模拟交互项的解析

从回归系数的显著性检验(表3)可以看出，淀粉含水量(X1)和湿热处理时间(X3)的互作效应，以及湿热处理温度(X2)和湿热处理时间(X3)的互作效应对淀粉糊化特征值回生值影响明显(P<0.05)，通过Design-Expert 8.0.6.1 软件对其作响应曲面图和等高线图，结果分别如图4所示。

图4a直观地反映了淀粉含水量和湿热处理时间的交互作用，在含水量为26%～34%范围内，回生值随含水量的升高不断增大。在固定淀粉含水量时，回生值随湿热处理时间增加也呈先高后低的趋势，这可能是由于前期湿热处理对淀粉回生值起主要作用，后期随着处理时间的增加，使淀粉的分子过度降解，导致淀粉糊化特征值回生值反而降低。从图4b 可知，在所设计的试验条件范围内，随着湿热处理温度的不断上升，淀粉回生值呈现出先上升后下降的趋势，但是随着湿热处理时间不断增加，淀粉回生值却不断减小。当湿热处理时间在1 h、湿热处理温度在106 ℃附近时，淀粉回生值有最大值。等高线的形状可以反映交互效应的强弱，若2个因素之间交互作用不显著则为圆形，若2个因素交互作用显著则为椭圆形[21]，通过观察图4c 可知湿热处理温度与淀粉含水量之间交互作用不明显。

图4 各因素之间的响应面图

2.2.5 湿热处理淀粉粉条与原淀粉粉条品质的比较

原红薯淀粉粉条品质不好的原因主要是容易糊汤、断条，拉伸性能差、粉条过软强度差，在粉条品质评价指标断条率、粉条硬度和拉伸强度值上就可以体现出来[22]。采用优化后的湿热处理淀粉制备红薯粉条，然后对原红薯粉条和湿热淀粉粉条进行粉条品质评价指标断条率、粉条硬度和拉伸强度的测定。结果如表5所示。从表5 可看出，湿热淀粉粉条相比原淀粉粉条，粉条的断条率下降70%，而粉条硬度和粉条拉伸强度有显著性的增加，分别由原来的23.91、0.79 N增加到30.81、1.71 N。粉条烹煮后的硬度值增加和断条率下降表明湿热处理后淀粉粉条耐煮不糊汤；而粉条拉伸强度的增加表明粉条的弹韧性能也在增强。

表5 湿热处理红薯淀粉所制粉条品质与原淀粉的比较

注：同一列中数据后面的不同字母表示数据有显著差异(P<0.01)，数据表示为样本均值±标准差。

3 结论

3.1 湿热处理红薯淀粉的3 个工艺参数对淀粉回生值的影响效应为：淀粉含水量>湿热处理时间>湿热处理温度。利用软件进行优化分析得到各因素的最佳工艺参数组合为：红薯淀粉含水量34%、湿热处理温度105.8 ℃、湿热处理时间1 h,红薯淀粉回生值平均值为2 275 cP，相对误差为2.24%，和理论值误差较小。

3.2 湿热淀粉粉条相比原淀粉粉条，粉条的断条率下降 70%，而粉条硬度和粉条拉伸强度有显著性的增加，分别由原来的23.91、0.79 N增加到30.81、1.71 N。表明湿热处理使红薯淀粉粉条耐煮不糊汤而且粉条的弹韧性能也增强。

3.3 可以采用处理工艺简单，以操作无污染，不需后续处理等优点的湿热改性淀粉的方法来达到改善红薯淀粉粉条品质的目的。该技术的推广应用，将为企业带来很大的经济效益。

[1]Zavareze E R, Dias A R G. Impact of heat-moisture treatment and annealing in starches:a review [J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(2): 317-328

[2]Purwani E Y, Thahir R. Effect of heat moisture treatment of sago starch on its noodle quality[J]. Indonesian Journal of Agricultural Science, 2013, 7(1):8-14

[3]Chung H J, Cho A, Lim S T. Effect of heat-moisture treatment for utilization of germinated brown rice in wheat noodle [J]. LWT-Food Science and Technology, 2012, 47(2): 342-347

[4]Yoenyongbuddhagal S, Noomhorm A. Effect of physicochemical properties of high-amylose Thai rice flours on vermicelli quality[J]. Cereal chemistry, 2002, 79(4): 481-485

[5]Lorlowhakarn K, Naivikul O. Modification of rice flour by heat moisture treatment (HMT) to produce rice noodles[J]. Kasetsart Journal, 2006, 40: 135-143

[6]Hormdok R, Noomhorm A. Hydrothermal treatments of rice starch for improvement of rice noodle quality[J]. LWT-Food Science and Technology, 2007, 40(10): 1723-1731

[7]Cham S, Suwannaporn P. Effect of hydrothermal treatment of rice flour on various rice noodles quality[J]. Journal of Cereal Science, 2010, 51(3): 284-291

[8]Collado L S, Corke H. Heat-moisture treatment effects on sweetpotato starches differing in amylose content[J]. Food Chemistry, 1999, 65(3): 339-346

[9]Collado L S, Mabesa L B, Oates C G, et al. Bihon—Type Noodles from Heat—Moisture—Treated Sweet Potato Starch[J]. Journal of Food Science, 2001, 66(4): 604-609

[10]Gunaratne A, Hoover R. Effect of heat—moisture treatment on the structure and physicochemical properties of tuber and root starches[J]. Carbohydrate Polymers, 2002, 49(4): 425-437

[11]金茂国，吴嘉根，吴旭初．粉条生产用淀粉性质及其与粉条品质关系的研究[J].无锡轻工大学学报，1995，14(4)：307-311

Jin Maoguo, Wu Jiagen, Wu Xuchu. The properties of starches used for starch-noodle making and their relations with starch-noodle quality[J]. Journal of Wuxi University of Light Industry, 1995, 14(4): 307-311

[12]张喻，杨泌泉，吴卫国,等．大米淀粉特性与米线品质关系的研究[J]. 食品科学, 2003, 24(6): 35-38

Zhang Yu, Yang Miquan, Wu Weiguo, et al. Materials, processing Relationship between properties of rice starch and qualities of rice noodles[J]. Food Science, 2003, 24(6): 35-38

[13]谭洪卓，谭斌，刘明,等，红薯淀粉性质与其粉条品质的关系[J].农业工程学报，2009， 25(4)：286-292

Tan Hongzhuo, Tan Bin, Liu Ming, et al. Relationship between properties of sweet potato starch and qualities of sweet potato starch noodles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2009, 25(4): 286-292

[14]廖卢艳, 吴卫国. 不同淀粉糊化及凝胶特性与粉条品质的关系[J]. 农业工程学报, 2014, 30(15): 332-338

Liao Luyan, Wu Weiguo. Relationship between gelatinization and gel properties of different starch and their noodles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(15): 332-338

[15]谭洪卓．红薯淀粉流变学、热力学特性和分子结构研究及其在粉条生产中的应用[D]．无锡：江南大学，2007

Tan Hongzhuo. Research on the Sweet potato starch rheology, thermodynamic and molecular structure properties and its application in vermicelli production[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2007

[16]黄华宏, 陆国权, 舒庆尧,等. 红薯淀粉RVA测定程序初探[J]. Environmental Microbiology, 2000, 66(6): 2343-2348

Huang Huahong, Lu Guoquan, Shu Qingrao,et al. Sweet potato starch RVA determination procedure[J]. Environmental Microbiology, 2000, 66(6): 2343-2348

[17]任天宝，马孝琴，徐桂转，等. 响应面法优化玉米秸秆蒸汽爆破预处理条件[J]. 农业工程学报，2011，27(9)：282-286

Ren Tianbao, Ma Xiaoqin, Xu Guizhuan, et al. Optimizing steam explosion pretreatment conditions of corn stalk by response surface methodology[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(9): 282-286.

[18]李素玲，邓晓聪，高群玉. 颗粒型抗性淀粉的制备及性质[J]. 农业工程学报，2011，27(5)：385-391

Li Suling, Deng xiaocong, Gao Qunyu. Preparation and characteristic analysis of particle type resistance starch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011，27(5)：385-391

[19]Ahn J H, Baek H R, Kim K M, et al. Slowly digestible sweet potato flour: Preparation by heat-moisture treatment and characterization of physicochemical properties[J]. Food Science and Biotechnology, 2013, 22(2): 383-391

[20]缪铭. 慢消化淀粉的特性及形成机理研究[D]. 无锡：江南大学，2009

Miao Ming. Research on the characteristics of slow digestion starch and its formation mechanism[D].Wuxi: Jiangnan University, 2009

[21]张军伟，傅大放，彭奇均，等. 响应面法优化酸水解稻秆制木糖的工艺参数[J]. 农业工程学报，2009，25(11)：253-257

Zhang Junwei, Fu Dafang, Peng Qijun, et al. Optimized conditions for production of xylose by acid-hydrolysis of rice straw based on response surface methodology[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(11): 253-257

[22]谭洪卓，陈素芹，谷文英．粉条品质评价标准的补充建议[J]．粮油加工，2006，(3)：78-84

Tan Hongzhuo, Chen Suqin, Gu Wenying. Supplement the evaluating standard of the quality of starch noodles[J]. Machinery for Cereals Oil and Food Processing, 2006,10(3): 78-84.

Optimized Technology for Improving Sweet Potato Starch Noodle by Heat-Moisture Treatment

Liao Luyan1,2Wu Weiguo2

(Orient Science and Technology College of Hunan Agricultural University1,Changsha 410128)Food Science and Technology College of Hunan Agricultural University2, Changsha 410128)

Setback of sweet potato starch gelatinization characteristic is the key factor that influences the quality of sweet potato starch noodle, and the heat-moisture treatment (HMT) has obvious improvement effect on the quality of sweet potato starch noodle. In order to obtain a green, safe and highly efficient sweet potato starch product for the production of vermicelli, taking setback as response value, a Box-Behnken model was established on the basis of single factor experiment results to optimize the modified technique. A response surface analysis was used to investigate the effects of water content of starch, heat-moisture treatment temperature and heat-moisture treatment time on setback of heat-moisture modified sweet potato starch. The optimum conditions were obtained with water content of 34%, treatment temperature of 105.8 ℃, and the treatment time of 1 h. The quality of vermicelli prepared by heat-moisture modified sweet potato starch was significantly superior to that of vermicelli prepared by original sweet potato starch (P<0.01). The broken rate of heat moisture modified starch noodle reduced by 70%, the hardness of starch noodle increased from the original 23.91 N to 30.81 N, the tensile strength of starch noodle increased from the original 0.79 N to 1.71 N. Results showed that heat-moisture treatment not only made vermicelli out of pasting, but also increased hardness and tensile strength. Modified technology selected by response surface methodology was reasonable and feasible to provide the theory and scientific basis for industrialization application.

sweet potato starch, heat moisture modification, setback, quality of vermicelli methodology

TS236.5

A

1003-0174(2016)10-0114-07

湖南农业大学东方科技学院青年科学研究基金(14QNZ10)

2015-01-23

廖卢艳，女，1982年出生，实验师，粮食深加工及开发利用

吴卫国，男，1968年出生，教授，粮食深加工及开发利用