9种谷物均一熟化后物性的变化

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(1.北京工商大学,北京食品营养与人类健康高精尖创新中心, 北京市食品添加剂工程技术研究中心,北京 100048; 2.山东龙力生物科技股份有限公司,山东禹城 251200)

谷物在饮食结构中占有十分重要地位[1]。目前市场上的谷物类产品种类繁多,其加工方式也各不相同,其中蒸煮是较传统、常见的一种。研究表明较蒸制相比,煮制是一种较好的加工方式。这种加工方式以水为介质,传热效率高,且熟化充分[2]。但由于各种谷物的熟化时间不同,在制备混合谷物煮制品时无法使每一种谷物同时达到最佳的感官状态。因此,我们提出均一熟化这一概念,即通过预处理,使各种谷物在同一时间煮制时间内,均达到最佳感官状态。目前对于单一谷物品质改善的研究较多[3],对于混合谷物主要集中于谷物膨化、冲调粉的研究[4],对于不同种类的谷物在均一时间煮制熟化的研究相对较少。本研究将通过对谷物进行不同程度的破碎处理,使谷物达到均一熟化,为混合谷物煮制产品研发提供理论依据。

口腔处理食物的过程分为食物摄取、咀嚼以及吞咽三个阶段[5]。目前学者对于食品品质的研究也主要集中在摄取、咀嚼两个阶段,TPA是较成熟的、标准化程度高的模拟口腔中这两个阶段的检测手段[6-8]。在第三阶段,需要用摩擦学来解释口腔中的变化[9]。在食品摩擦学检测中,两个摩擦表面之间的摩擦特性通常表现为Stribeck曲线。Stribeck曲线的趋势变化通常可以划分为三个区间,边界层区,混合层区和水动力层区,代表三种不同的状态。如图1中的Stribeck曲线所示,在边界层区,参数与颗粒大小相关,需要摩擦学解释;在水动力层区,流体压力和流动阻力足够大,曲线的回升趋势变化与流变学性质相关;混合层区共同作用[10]。基于口腔中的加工过程,本研究将从质构、摩擦学两个角度对煮制谷物的品质进行全面描述,为进一步了解9种谷物的煮制特性及在食品工业中的开发应用提供参考。

图1 Stribeck曲线Fig.1 Stribeck curve

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米 吉林省吉林市;圆糯米 黑龙江省建三江;小麦 山东省高密市;小米、黑米、燕麦、大麦、粘白高粱 河北省张家口市;荞麦 辽宁省沈阳市;胶带(3M胶带1527～2) 医疗级,美国。

FW100高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;6、8、10、12、14、16方孔标准检验筛 浙江上虞市公路仪器厂;SZ26B5苏泊尔加厚不锈钢蒸锅 浙江苏泊尔股份有限公司;电磁炉 上海林频仪器股份有限公司;Discovery Hybrid Rheometer流变仪、45 mm Sample Cup 533281.901底座、SST BEAM COUPLING 202902.001平板、Ball on 3 Flates Tribology geozetry夹具 美国TA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

1.2.1.1 未破碎的9种谷物最佳煮制时间的研究 将9种谷物分别加入沸水中煮制,料液比1∶10,每隔5 min捞取谷物颗粒约100 g,均分为10份置于白瓷盘中,当所有谷物颗粒均涨裂时结束取样,备用进行感官评价。感官评价指标参照表1。

表1 熟制谷物的品评标准Table 1 Evaluation criteria for cooked grains

1.2.1.2 破碎粒径的研究 将黑米、燕麦、大麦、小麦、粘白高粱,用粉碎机进行不同程度的破碎,过筛,分成不同的粒径范围(2.5～3.5、2.0～2.5、1.6～2.0、1.4～1.6 mm),分别加入沸水中,每隔5 min进行取样,均分为10份置于白瓷盘中,30 min后,结束取样,备用。将所取样品进行感官评定,感官评价得分最高时对应的粒径范围为最佳粒径。感官评价指标参照表1。

1.2.1.3 9种谷物均一熟化时间的研究 用粉碎机将黑米、燕麦、粘白高粱、大麦、小麦破碎至粒径范围分别为:1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm,备用;圆糯米、大米、小米、荞麦不破碎。将此9种谷物分别加入沸水中煮制,料液比1∶10,每隔5 min捞取谷物颗粒约100 g,均分为10份置于白瓷盘中,当谷物熟化至所有颗粒均涨裂时结束取样,备用,进行感官评价。

1.2.2 感官评定 由10名评审员组成的感官评定小组,在实验前对评审员进行集中训练以确认谷物的感官特性。

品评内容:品评熟化后谷物的色、香、味、外观性状及适口性及滋味等项[11]。评价时保持安静,不能讨论,每品尝完一个样品后用37 ℃左右纯净水漱口。每个样品做3次重复试验,取平均值。参考评价标准GB/T 15682-2008[12]并适当修改如表1。

1.2.3 质构特性测定 取制备完成的样品,其中每组样品取20个谷物颗粒进行质构参数检测,并对各个物性指标求其平均值。检测条件如下[13]:对于未煮制的样品,压缩形变5%,测试速率1 mm/s,触发点负载5 g,探头TA11/1000;对于煮制时间5 min及其以上的样品,压缩形变50%,测试速率0.2 mm/s,触发点负载5 g,探头TA11/1000;选取参数为硬度、粘力、弹性、咀嚼性。压缩形变为50%时测得的样品的硬度换算为形变为5%时的硬度,再进行比较。硬度换算方法如下:

压缩形变=压缩距离/样品高度

将压缩形变换算成压缩距离后进而在原始数据中找到此压缩距离下对应的负荷值,即为此形变下的硬度值。

1.2.4 摩擦学指标 将9种谷物分别均一熟化和熟化,各取50 g左右的样品至于白瓷盘中,室温下冷却后备用。将3M粗糙胶带贴在配有摩擦学配件的流变仪的平板上模拟人类舌头的疏水粗糙表面,将样品均匀平铺于上方,进行检测[14]。探头Full ring on Tribology geometry程序参数设定如下:温度37 ℃、轴向应力1.3 N、初始速度0.01 rad/s、终止速度30 rad/s。

1.3 数据处理

每组试验均测平行,数据均舍弃异常值。数据分析软件为SPSS Statistics,绘图软件为excel和TA Instruments Trios v4.2.1.36612。

2 结果与分析

2.1 未破碎的9种谷物最佳煮制时间的确定

谷物到达最佳煮制时间时的感官评分最高。未经破碎处理的9种谷物感官评分随煮制时间的变化如图2所示,大米、小米、圆糯米、荞麦仁中的碳水化合物含量较高其最佳煮制时间在20～30 min之间;黑米、粘白高粱、大麦的最佳煮制时间在50～60 min之间;小麦、燕麦的最佳煮制时间在65 min之后。9种谷物最佳煮制时间各不相同,且存在差异。谷物中的主要成分包括碳水化合物、纤维、脂肪和蛋白质,由于各种谷物间成分组成与颗粒大小差异较大,其煮制最佳时长也存在较大差异。

图2 未破碎处理谷物感官评分随煮制时间的变化Fig.2 Changes of sensory evaluation of unbroken grains varied with cooking time

2.2 破碎粒径的确定

对较难煮制的黑米、粘白高粱、大麦、小麦、燕麦进行破碎预处理。破碎可以减少煮制熟化时间,破碎后水分向谷物内部的迁移速率增加,加快传热[15],但过度破碎使谷物口腔中咀嚼时的颗粒感丧失。为使9种谷物在蒸煮过程中达到均一熟化,且不影响口感,对不同粒径的谷物进行感官评价。结果如图3所示,黑米破碎粒径范围在1.6～2.0 mm之间,感官评分最高为92分;燕麦破碎粒径范围在1.6～2.0 mm之间,感官评分最高达88分;粘白高粱破碎粒径范围在1.6～2.0 mm之间,感官评分最高达90分;大麦破碎粒径范围在2.5～3.5 mm之间,感官评分最高达90分;小麦破碎粒径范围在2.0～2.5 mm之间,感官评分最高达91分;且在该粒径范围下各自都已熟化,因此确定黑米、燕麦、粘白高粱、大麦、小麦在煮制35 min时达到均一熟化所需粒径范围分别为:1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm。

图3 不同粒径范围的熟化谷物的感官评价Fig.3 Sensory evaluation of cured gains with different particle size

2.3 破碎后9种谷物及最佳煮制时间的确定

将部分谷物破碎处理后9种谷物煮制时间较为统一,大米、小米、黑米、小麦、燕麦、圆糯米、荞麦仁、粘白高粱、大麦的最佳煮制时间分别为25～30、20～25、30～35、25～30、25～30、25～30、30～35、25～30、30～35 min,都能在25～35 min内达到均一熟化。经破碎处理后9种谷物达到最佳煮制时间时的感官评分基本保持不变,均在90分左右。由图4与图2对比得知,黑米、燕麦、大麦、小麦经破碎处理后感官评分稍有降低,粘白高粱经破碎处理后感官评分稍有增高。可知,破碎处理后9种谷物都能在25～35 min内达到均一熟化,且破碎处理对谷物的感官影响不大。

图4 经破碎处理后谷物的感官评分随煮制时间的变化Fig.4 Changes of sensory evaluation of broken grains varied with cooking time

2.4 9种谷物均一熟化前后质构参数的变化

2.4.1 硬度的变化 硬度是使得产品形变或穿透产品所需的力有关的机械质地特性,是将样品放置在臼齿上或舌头与上颚间均匀咀嚼,评价压迫食品所需要的力量,是衡量食品品质的十分重要的指标[16]。由图5A可知,随煮制时间的增加,9种谷物的变化趋势相同,均呈现先急剧降低,再缓慢降低,最终趋于平稳的变化趋势;当曲线处于平稳时,谷物达到软化极限。9种未经破碎处理的谷物到达平稳区间所需的时间各不相同,且此区间内硬度范围波动较大在6～23 g间。硬度的大小与谷物中淀粉的含量呈负相关,与纤维的含量呈正相关[17],因此大米、小米、圆糯米、荞麦仁硬度范围较低在6～10 g,燕麦、大麦、小麦、粘白高粱的硬度范围居中在13～23 g,粘白高粱的硬度最高达20～23 g。结合感官评价结果发现,感官评价总分最高的区间所对应的硬度均在10 g左右。由图5B可知,9种破碎谷物的硬度随蒸煮时间的变化趋势与未经破碎相同,但到达平稳区所需时间减少,其原因可能是破碎使水与谷物的接触面积增大,分子膨胀度增加,可溶性分子更易溶出,减弱相互作用力,从而硬度降低加快[18];平稳区间硬度范围较集中在6～12 g间,与未破碎相比硬度降低且更接近最佳口感,破碎处理有利于谷物在较短时间内达到最适硬度范围。

图5 未破碎谷物(A)与破碎谷物(B)的 硬度随煮制时间的变化Fig.5 Changes in the hardness of unbroken(A)and broken(B)grain with cooking time

2.4.2 粘力的变化 粘力反映了谷物样品在口腔中的粘着性[16];由图6A可知,粘力随煮制时间的变化趋势分为两类,一类是大米、圆糯米、荞麦,在煮制过程中粘着性先明显增加后降低,且其峰值粘着性较高;其他谷物的粘力变化范围较小,整体趋势较为稳定。产生这种现象的原因是大米与圆糯米成分中淀粉含量较高,淀粉糊化会发生膨胀同时增加粘附性,而荞麦在加热过程中会有多糖析出的现象,从而粘性增加[19-20]。大米在煮制15 min时发到粘力最大值(12.44±0.17) g。除这3种谷物外,其他谷物的粘力较稳定大小处于2～4 g之间。由图6B所知,经破碎处理的谷物粘力范围较集中约4 g左右,与未经破碎的谷物相比粘力变化不大。推测粘度大小的变化与成分的种类与比例相关,破碎处理对谷物所含成分含量影响较小,所以几乎不对粘度产生影响。

图6 未破碎谷物(A)与破碎谷物(B)的 粘力随煮制时间的变化Fig.6 Changes in the viscous force of unbroken(A)and broken(B)grain with cooking time

2.4.3 弹性的变化 弹性是指食品在咀嚼过程中取消压迫并评价样品恢复形变的速度和程度[16]。由图7A、图7B可知,随着煮制时间的延长,9种未破碎谷物的弹性先增加后降低,较未破碎相比,破碎后的谷物弹性有所降低,但其随时间的变化波动较小。这种韧性的变化规律与感官评价结果相一致,具有相关性。大麦、小麦、燕麦和粘白高粱的弹性较大,弹性降低转折点所需时间长,表明其不易熟化的特点,其结果与感官评价结果相同。

图7 未破碎谷物(A)与破碎谷物(B)的 粘性随煮制时间的变化Fig.7 Changes in the elasticity of unbroken(A) and broken(B)grain with cooking time

2.4.4 咀嚼性的变化 咀嚼性可以模拟表示样品内部的粘合力,评价样品吞咽时所需的能量[16]。由图8A可知,随煮制时间的延长,咀嚼性降低。小麦、大麦和燕麦的吞咽时所需能量较大,更不易咀嚼,煮制时间超过40 min后咀嚼性趋向于稳定,其值约为2 mJ。小米、大米、糯米和荞麦值较低,更易吞咽。观察图8B发现,破碎后的谷物随煮制时间的变化,咀嚼性较稳定,均可处于0～2 mJ之间;咀嚼性与煮制过程中的溶出物含量正相关,破碎处理后直链淀粉、氨基酸等溶出增加,所以,与未破碎谷物相比其咀嚼性显著降低[21]。咀嚼性是与食品的硬度、粘度、弹性共同影响的综合性参数,这一结果也表明破碎将更利于煮制产品的吞咽。

图8 未破碎谷物(A)与破碎谷物(B)的 咀嚼性随煮制时间的变化Fig.8 Change in the chewiness of unbroken(A) and broken(B)grain with cooking time

2.5 9种谷物均一熟化前后摩擦系数的变化

图9A所示为9种谷物熟化后产生的摩擦曲线,可观察到不同转速即不同吞咽速率下的摩擦系数的变化。根据Stribeck曲线的分区,边界层区处于低转速区[10](v<1 mm/s)。结果表明低转速区摩擦系数随转速的增加而增加,即吞咽速率增加则口腔中的粗糙感增加。人体口腔中摄入食团的平均速率为0.1 mm/s[22],由表2可知,9种谷物在此转速下的摩擦系数排序为:粘白高粱>大麦>黑米>燕麦>大米>圆糯米>小麦>荞麦仁>小米,这与感官评价中,吞咽的难易程度呈正相关[23],即熟化后谷物摩擦系数越大,感官评价吞咽时剌嗓子程度越重;在不同转速下粘白高粱的摩擦系数远大于其它8种谷物为1.64±0.16,小米的摩擦系数最小为0.56±0.02,造成这一差异的主要原因可能是颗粒的大小,其次与其纤维含量与硬度相关。由图9B可知,经破碎处理均一熟化的谷物摩擦系数显著降低,不同转速下各谷物摩擦系数的差异较小,吞咽时粗糙感、颗粒感程度降低,更利于吞咽。9种谷物在均一熟化后的摩擦系数排序为:粘白高粱>大米>黑米>圆糯米>小麦>大麦>荞麦仁>燕麦>小米。其中粘白高粱的摩擦系数仍为最大,但与未均一熟化相比显著降低(p<0.05),为1.12±0.11;经破碎处理后燕麦的摩擦系数变化最为显著(p<0.05)，由1.02±0.05减小为0.59±0.03,分析除颗粒外,有韧性的表皮纤维也是造成这一现象的主要原因。

图9 未破碎谷物(A)与破碎谷物(B)熟化后的摩擦曲线Fig.9 Friction curve of unbroken(A) and broken(B)grain after ripened

表2 9种谷物熟化后的摩擦系数(v=0.1 mm/s)Table 2 Friction coefficient of 9 kinds of cooked grains(v=0.1 mm/s)

3 结论

通过本研究发现,对谷物进行破碎处理是缩短煮制时长的有效方式,黑米、燕麦、粘白高粱、大麦、小麦颗粒的破碎粒径范围在1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm,荞麦、小米、大米和圆糯米未破碎时,9种谷物可在25～35 min内达到均一熟化;破碎处理对熟化过程中和熟化后谷物的物理特性产生不同程度的影响。通过TPA测试了谷物在熟化过程中质构的变化,结果显示破碎处理对粘度影响不大,但可使谷物迅速软化到最佳状态,降低咀嚼过程中韧性和吞咽时的耗能。破碎处理明显改善了谷物的煮制品质,这一结果为混合谷物煮制食品的研发提供参考。熟化后摩擦系数的值与感官评价中剌嗓子程度呈正相关。颗粒大小可能是影响摩擦系数的主要因素,因此均匀熟化的谷物摩擦系数更小,吞咽时更爽滑,剌嗓子程度减弱。TPA是一种标准化程度较高的关于食品感官品质的分析方法,而摩擦学在食品品质描述上的应用刚刚起步,国内外关于摩擦系数与食品品质的结合的相关性仍有待探索。希望通过本研究,拓展摩擦学在食品行业的应用,完善学者对于食品品质的探索,同时为特殊吞咽障碍食品的研发提供参考。