响应面法优化家用豆浆机湿豆制浆工艺

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(1.中国标准化研究院食品与农业标准化研究所,北京 102200;2.中标能效科技(北京)有限公司,北京 100088;3.扬州大学食品科学与工程学院,江苏扬州 225127)

豆浆又称豆奶、豆乳,它是以大豆为主要原料,经过研磨、过滤、煮沸等工序制备而成的优质植物蛋白饮品。因其口感醇厚、营养丰富、易于消化吸收等特点,越来越受到消费者喜爱[1-5]。传统豆浆制作繁琐、出浆率低、口感粗糙等劣势突出,市售豆浆在给人们带来便捷的同时,还存在着非现磨、“粉冲”、添加防腐剂和增香剂等问题,使豆浆质量大打折扣,均不能满足现代人们高质量的生活追求。越来越多的人选择制浆过程更简单、便捷的家用豆浆机自制豆浆,这已经成为我国豆浆的主要消费形式之一[6]。据中国报告大厅网发布的《2015年豆浆机行业市场分析报告》显示,家用豆浆机市场需求已经呈现加速增涨的势头。

本研究室通过对比市面上4款主流品牌的家用豆浆机两种模式下所制豆浆的营养指标和感官品质,研究湿豆模式均优于干豆模式[7-8]。湿豆制浆过程中,主要可调控因素包括浸泡温度、浸泡时间和豆水比[9]。浸泡能降低抗营养因子含量,提高蛋白消化率[10-14]。浸泡时间一般需要8～12 h甚至更长,但浸泡时间过长、温度过高易导致营养成分流失和微生物滋生,影响豆浆质量[15]。当豆水比高于1∶5 g/mL时(即加水越少),会使水溶性蛋白分子间结合速度加快而导致不溶;当豆水比低于1∶14 g/mL时(即加水越多),越有利于打浆,可溶性蛋白质溶出也更彻底,又会降低可溶性蛋白质的浓度,影响豆浆营养摄入和口感[16]。因此采用适宜的前处理条件也是制作营养美味豆浆的关键。

本文针对消费者最易控制的三个制浆条件(浸泡温度、浸泡时间、豆水比),选择2015年市场份额占比接近80%的九阳品牌中受关注度高达1.07%的DJ13B-D08型家用豆浆机,通过单因素实验研究其对豆浆理化指标的影响,利用响应面法优化家用豆浆机的湿豆制浆工艺条件,提高豆浆可溶性蛋白质含量,旨在为家庭自制豆浆质量控制和豆浆机企业产品研发提供实验依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

万谷美食黄豆(一级) 非转基因,产自黑龙江海伦,北京山农生态农业有限公司生产,购于北京市昌平区世纪联华超市;牛血清白蛋白 美国Sigma公司;考马斯亮蓝G-250、乙醇、磷酸(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;实验室自制超纯水 电阻率18.2 MΩ·cm。

AL104-1C型电子分析天平 瑞士梅特勒托利多公司;DZKW-D-4型恒温数显水浴锅 上海树立有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏有限公司;J357型折光仪 美国鲁道夫公司;Cary100型紫外可见分光光度计 美国瓦里安公司;HT-866型红外测温仪 广州市宏成集业有限公司;DJ13B-D08型家用豆浆机 九阳股份有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 制浆工艺流程 家用豆浆机按如下流程制浆:黄豆→精选→秤取→清洗→加水浸泡→去皮→加水→加热→磨浆→均质→过滤→得浆

秤取100.0 g精选黄豆,流水冲洗干净后,一次性加入800 mL水在指定温度条件下浸泡相应时间,除去浸泡时脱落的黄豆皮并沥干水,按指定豆水比加入豆浆机中选择湿豆模式进行磨浆;待豆浆机磨浆程序结束后,手动混匀均质,经80目滤网过滤得浆。

1.2.2 单因素实验 为确定豆浆机湿豆模式下的最佳制浆条件,准确秤取精选后的黄豆100.0 g,分别以不同浸泡时间、浸泡温度、豆水比等3个因素进行研究。

1.2.2.1 浸泡时间的影响 在室温下分别浸泡6、8、10、12、14、16 h后,按豆水比1∶10 g/mL制浆,对吸水率、出浆率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白质含量等指标进行测定。

1.2.2.2 浸泡温度的影响 浸泡温度分别为20、25、30、35、40、45 ℃,浸泡12 h后,按照豆水比1∶10 g/mL制浆,对吸水率、出浆率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白质含量等指标进行测定。

1.2.2.3 豆水比的影响 称取6份挑选好的黄豆各100.0 g,在室温下浸泡12 h后,分别为按照豆水比1∶6、1∶8、1∶10、1∶11、1∶12、1∶13 g/mL制浆,由于黄豆被足量水饱和浸泡，豆水比变化不影响豆水的吸水率，因此只对出浆率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白质含量等指标进行测定。

1.2.3 响应面优化实验 在单因素实验基础上,运用Design-Expert 8.0.5b软件,根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理[17-18],选择浸泡时间、浸泡温度和豆水比等3个因素,以可溶性蛋白质含量为优化指标,进行3因素3水平的响应面优化实验,并对实验数据进行回归分析。实验因素水平及编码如表1所示。

表1 Box-Behnken设计实验因素水平及编码Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters tested in Box-Behnken experimental design

1.2.4 吸水率的测定 准确称取100.0 g精选黄豆,加入充足等量的水,经不同条件浸泡后,称量黄豆的重量。计算方法如公式(1)所示:

式(1)

式(1)中:m1-大豆浸泡前的质量(g);mt-浸泡t时刻大豆的重量(g);Qt-t时刻的大豆吸水率(%)。

1.2.5 出浆率的测定 磨浆前,称取浸泡后黄豆的质量和加入水的质量,用同一滤网过滤后,称量豆浆的重量。计算方法如公式(2)所示:

式(2)

式(2)中:w1-浸泡后黄豆的质量(g);w2-加水的质量(g);w3-豆浆的质量(g)。

1.2.6 可溶性固形物含量的测定 参考GB/T 12143-2008《饮料通用分析方法》[19]中的折光计法,将折光率换算为可溶性固形物百分含量,平行3次测定求平均。

1.2.7 可溶性蛋白质含量的测定 采用考马斯亮蓝G-250法[20]测定可溶性蛋白质含量,测定三次取平均值。根据所测样品的吸光度、稀释倍数等,可溶性蛋白质含量计算如公式(3)所示:

式(3)

式中:c-标准曲线上读出的相应可溶性蛋白质浓度(μg/mL);N-豆浆稀释倍数;V-豆浆体积(mL);m-豆浆质量(g);ω-可溶性蛋白质百分含量(%)。

1.3数据处理

实验数据处理和作图采用SPSS 19.0、Excel 2010和Origin 7.5软件等,数据的显著性分析采用SPSS的单因素方差分析ANOVA的Duncan’s multiple range test方法分析,置信区间p为0.05。每个实验三次平行,结果表示为均值±标准差。

2 结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1 浸泡时间对豆浆指标的影响 由图1可知,随着黄豆浸泡时间的增加,豆子吸水率显著升高,在10 h时吸水率已超过100%,浸泡14 h后豆子吸水率趋于平缓;在12 h时出浆率相对高,之后随着浸泡时间延长出浆率增幅不明显;可溶性蛋白质百分含量随着浸泡时间的增加,显著升高,12 h含量最高;可溶性固形物百分含量随着浸泡时间的增幅不明显,在12 h相对较高。浸泡时间对豆浆品质的影响规律与文献[6,10]报道结论一致,随着时间的延长,大豆籽粒越来越疏松,部分营养物质溶出至浸泡水中,导致营养流失,因此豆子的浸泡时间不宜太长,12 h左右最适合。

图1 浸泡时间对豆浆品质的影响(n=3)Fig.1 Effect of soaking time on the quality of soybean milk(n=3)

2.1.2 浸泡温度对豆浆指标的影响 由图2可知,浸泡温度越高,豆子的吸水率越高,但40 ℃后开始降低;出浆率随着浸泡时间的变化不明显;随着浸泡温度的升高,可溶性蛋白质百分含量先升高后下降,25 ℃时最高,超过25 ℃下降明显;超过30 ℃后可溶性固形物含量明显下降。这可能是因为随着温度的升高,大豆中的蛋白酶活性较高,将大豆中的大分子物质分解为小分子物质,导致营养物质流失[21-22]。浸泡温度过高,还容易滋生微生物,也会消耗大豆中的营养成分[23]。因此,浸泡温度为25 ℃左右较适合。

图2 浸泡温度对豆浆品质的影响(n=3)Fig.2 Effect of soaking temperature on soybean milk’s index(n=3)

2.1.3 豆水比对豆浆指标的影响 由图3可知,出浆率与豆水比呈正相关,固形物含量与豆水比呈正相关;可溶性蛋白质含量先升高后下降,超过1∶10 g/mL下降明显。加水的越多,豆子和水能够充分混合,可溶性蛋白质溶出的更彻底。但随着水的比例加大,豆子被打到的概率也会随之下降,导致可溶性蛋白质溶出较少。水越多,会大大降低豆浆中可溶性蛋白质的浓度,从而影响其口感[24-25]。而且豆浆机的机体容量有限,不宜加水过多。因此,选择豆水比为1∶10 g/mL较适合。

图3 豆水比对豆浆品质的影响(n=3)Fig.3 Effect of soybean-to-liquid ratio on soybean milk’s soluble protein content(n=3)

2.2响应面优化实验结果

2.2.1 响应面实验设计及分析 根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理,结合单因素实验结果,采用三因素三水平的设计方案优化实验,响应面实验设计与结果如表2所示。运用Design-Expert 8.0.5b软件,以浸泡时间(A)、浸泡温度(B)和豆水比(C)为响应变量,以可溶性蛋白质含量(R)为响应值,对表2数据进行二次多项式回归拟合,获得回归方程模型方差分析及回归方程系数显著性检验,分别如表3和表4所示。

表2 Box-Behnken实验设计结果Table 2 Experiment result of Box-Behnken

表3 回归方程的二次多项模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

表4 回归方程系数显著性检验Table 4 Test of significance for regression coefficient

注:*为差异显著,p<0.05;**为差异极显著,p<0.01。

通过Design-Expert8.0.5b软件对表2数据进行非线性回归的二次多项式拟合后,所得到的预测模型如下:

R=14.45-0.24A+0.24B-0.37C-0.48A2-1.65B2-0.57C2-0.36AB-0.40AC+0.63BC

由表4可知,浸泡时间、浸泡温度以及豆水比3个因素对豆浆可溶性蛋白质含量均有显著(p<0.05)影响,各因素对豆浆可溶性蛋白质含量影响的大小顺序为豆水比(C)>浸泡时间(A)>浸泡温度(B),其中豆水比对豆浆可溶性蛋白质含量的影响达到极显著水平(p<0.01)。

2.2.2 响应面结果分析及验证 为了考察各因素的交互作用对豆浆可溶性蛋白质含量的影响,在固定其他因素不变的情况下,利用Design-Expert 8.0.5b软件对回归方程进行运算,得到两两因素交互作用对豆浆可溶性蛋白质的响应曲面如图4所示。

图4 两两因素交互作用对豆浆可溶性蛋白质含量的响应面图Fig.4 Response suface plots showing the effects of pairwise interaction of the Factor on the soybean milk of soluble protein

由图4可以直观地看到各因素之间的交互作用对响应值的影响。在一定范围内,保持一个因素不变的情况下,随着另外两个因素的增加,豆浆蛋白含量呈现先升高后降低的变化趋势。

采用Design-Expert8.0.5b软件求解回归方程,求得豆浆机的最佳制浆工艺为:浸泡时间为11.7 h,浸泡温度为25.7 ℃,豆水比为1∶9.49 g/mL,可溶性蛋白质含量预测值为14.52%。但考虑到实际操作,为了家庭应用上的方便,将制浆条件定为浸泡时间为12 h,浸泡温度为25 ℃,豆水比为1∶9 g/mL。按上述最优条件进行3次重复验证实验,测得豆浆可溶性蛋白质含量平均为14.36%,与响应面预测值14.52%拟合性较好与预测值相近,进一步验证了该模型的可行性,具有实用价值。

3 结论

本实验在单因素实验的基础上,根据中心组合设计原理,利用响应面设计并建立了豆浆中可溶性蛋白含量与浸泡时间、浸泡温度、豆水比三个因素之间的二次多项回归模型,旨在优化家用豆浆机制浆工艺条件,制得可溶性可溶性蛋白质含量更高的豆浆。

由该模型优化的家用豆浆机最佳制浆工艺条件为浸泡时间为12 h,浸泡温度为25 ℃,豆水比为1∶9 g/mL。在此条件下家用豆浆机所制豆浆呈淡黄色,豆香浓郁,口感细腻、绵滑;可溶性蛋白质含量验证值为14.36%,在豆浆中的含量明显提高,且与模型预测值仅相差0.16%,表明该模型得到的预测值与实验真实值相符度较高,进一步验证了该模型的可靠性。本研究通过正交实验获得的最佳制浆工艺条件,将对后续家用豆浆机所制豆浆品质评价标准的建立提供一定的基础数据支撑,同时将对豆浆机制造企业新产品的研发及家庭自制豆浆等具有一定的应用价值和指导意义。

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