冻结速率对冷冻五谷方便粥品质的影响

黄小雨，信思悦，曹桢，蒋和体

(西南大学 食品科学学院，重庆，400000)

谷类是人体最主要的能量来源物质，可提供机体所需多种营养。苦荞在普通糙米含有的多种维生素及微量元素的基础上还含有大量生物类黄酮、多酚，具有降血糖、抗氧化与清除自由基等作用[1]。粥以谷物为主要原料加水熬煮，清淡适口，老少皆宜，容易被人体消化吸收，是一种理想而方便的营养食品[2]。方便粥即将煮好的粥制成成品或半成品，食用前只需要稍加处理或不需处理即可食用。

方便米粥根据食用方式可分为2种：脱水干燥米粥和成品米粥。脱水干燥粥主要是膨化工艺制成的冲泡即食的方便粥，食用前需要加水浸泡，成品米粥是指可以直接食用或者使用前稍加处理的米粥，包括市面上常见的八宝粥等开罐即食的粥类。目前对方便米粥的研究主要集中在膨化方便粥的工艺优化，吴练军等[3]利用响应面优化方便粥粉的配方，得到了雪粳稻、燕麦米和小米为主要原料的方便粥的最佳配比和浸泡时间、表面干热处理温度等工艺参数；刘晶等[4]优化了黑米糙米速食粥的加工工艺，丰富了膨化粗粮粥的种类；吉义平等[5]优化了速食苦荞小米方便粥的原料配比。脱水干燥粥由于复水后米汤不够黏稠的问题，目前广为大众接受的是成品米粥[6-7]，但成品米粥口味集中度非常高，如桂圆莲子八宝粥占据了极大的市场份额，并且消费者普遍认为八宝粥中的食品添加剂有害健康。现在生活节奏加快，虽然方便粥的前景巨大但是口味传统、用料单一、创新力度不足，这些是限制方便米粥发展的重要因素[8]，应研发方便粥的种类以满足人民更高需要。如果在粥中加入具有保健功能的糙米如苦荞米、黑米、燕麦和糯小米等，不但可以增加方便粥的口感还可以增加居民粗粮摄入量，可以着重研发冷冻粥并采用冷链运输增加方便粥的种类并丰富消费者的选择性。

冷冻方便食品即食品制成品或半成品经过包装后，冷链运输到超市，消费者购买后只需经过微波炉加热或其他简单处理就可以食用的食品。冷冻方便粥的贮存温度一般为-18 ℃，但方便粥冷冻过程中不同冻结温度，对方便粥的品质具有不同的影响。本文通过对煮熟后米粥在不同温度下进行冷冻处理后微波复热，以鲜煮米粥作为对照，分析不同冻结温度对方便米粥品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全胚苦荞米，四川环太生物科技股份有限公司；黑米、燕麦、糯小米，成都人民营养食品厂；大米，益海嘉里(哈尔滨)粮油食品工业有限公司；NaOH、HCl，重庆川东化工(集团)有限公司；酒石酸钾钠、3,5-二硝基水杨酸、苯酚、NaHSO3、浓H2SO4、乙醇、芦丁标准品、NaNO2、Al(NO3)3、Na2CO3，成都市科龙化工试剂厂；D-无水葡萄糖，中国食品药品检定研究院；没食子酸，上海源叶生物科技有限公司；福林酚试剂，北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器和设备

WFJ7200可见分光光度计，尤尼柯(上海)仪器有限公司；PHS-3C酸度计，上海仪电科学仪器股份有限公司；HWS-26电热恒温水浴锅，上海齐欣科学仪器有限公司；HDL-4台式离心机，常州市鸿科仪器厂；FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；HWT-10C恒温水浴摇床，天津市恒澳科技发展有限公司；SYQ-DSX-280B高压灭菌锅，上海申安医疗器械厂；SHB-III循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；D16AM冰箱，创维集团有限公司；M1-L213B微波炉、Wsf4057电饭锅，美的集团有限公司。

1.3 工艺流程

五谷方便粥制作工艺流程如下：

浸泡：将苦荞、黑米、燕麦、糯小米洗净后提前浸泡2 h，大米洗净后浸泡20 min，所有浸泡后蒸煮谷物和水的质量比为1∶6，即浸泡后所有谷物质量为100 g，加水600 g；

蒸煮：按照质量比为苦荞37%、黑米25%、燕麦10%、大米15%、糯小米13%的比例，将浸泡后的谷物和水放到电饭锅中，选择蒸煮模式蒸煮60 min，米粥蒸煮完成时米汁黏稠，谷物中间无硬芯；

冷冻：方便粥蒸煮后冷却至室温装到耐低温食品级保鲜盒中，盖好盖子置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷冻20 h后放入-18 ℃贮存48 h后试验；

微波复热：打开盛放五谷方便粥的保鲜盖，将保鲜盒置于微波炉中高功率加热8 min。

1.4 实验方法

1.4.1 样品冷冻处理[9]

将煮好的米粥冷却至室温后装入耐低温可微波加热的密封冷藏盒中，置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷冻。在冷冻前将温度传感器置于米粥内，注意不可触碰到密封冷藏盒内壁。冻结速率计算如公式(1)所示：

(1)

式中：V，冻结速率，cm/h；D，食品表面与温度传感器直线距离，cm；T，通过最大冰晶生成带时间，h。

1.4.2 不同冷冻温度冻结试验样品制备

将冷却至室温的五谷方便粥装入密封冷藏盒置于-20、-40、-80 ℃冰箱冷冻，冻结时间分别为t1、t2、t3，取出后置于-18 ℃冰箱冷冻48 h，试验时将其放入微波炉中加热8 min后冷却至(50±2) ℃后立刻测量。

1.4.3 试验温度的确定

不同温度测量下实验结果会有偏差，由20位食品专业研究生组成感官评价小组判断不同温度米粥入口口感，最终确定最适入口温度即试验温度为50 ℃。试验时控制五谷方便粥温度为(50±2) ℃，以保证试验数据可以真实准确反映消费者入口时五谷方便粥品质。按(50±2) ℃对复热后米粥和鲜煮米粥进行试验。

1.5 分析测定方法

1.5.1 理化性质的测定

1.5.1.1 质构的测定[10-11]

五谷方便粥煮熟、冷却至50 ℃，准确称取70 g放入100 mL烧杯中。选用P36R探头，将探头移至65 mm处，质构仪运行模式为：测试速度1.50 mm/s，测前速度1.00 mm/s，测后速度10 mm/s，目标模式Distance，Distance 15 mm。

1.5.1.2 色度的测定

用色差仪测量样品的L*、a*、b*值，L*表示样品的亮度，a*正值表示样品偏红，负值表示样品偏绿；b*正值表示样品偏黄，负值表示样品偏蓝。

1.5.1.3 固形物含量的测定[12]

参考国标GB/T 10786—2006，称取质量为m1的鲜煮米粥和冷冻后复热粥，立刻将内容物倾倒在重m2的直径1 mm，孔眼2.8 mm×2.8 mm圆筛上，不搅拌。沥干5 min后称量粥和圆筛质量m3，固形物质量分数计算如公式(2)所示：

(2)

1.5.1.4 水分的测定[13]

参考国标GB 5009.3—2016。

1.5.1.5 流变特性的测定[14]

采用平板-平板测量系统，选择直径60 mm平行版，设置间隙1 mm。采用 Power-law模型对所得数据点进行拟合,如公式(3)所示：

σ=kyn

(3)

式中：σ，剪切应力，Pa；k，稠度系数，Pa·sn；n，流体指数。

1.5.2 功能性成分的测定

1.5.2.1 膳食纤维的测定[15]

参考国标GB 5009.88—2014。

1.5.2.2 黄酮的测定[16]

吸取0～1.2 mL，0.1 mg/mL芦丁标准溶液7组于10 mL比色管中，用30%(体积分数)的乙醇补至2 mL。先加入1.0 mL 50 g/L的NaNO2溶液，放置6 min；再加入100 g/L Al(NO3)3溶液1.0 mL，放置6 min；最后加入100 g/L的NaOH溶液3 mL，并用30%的乙醇溶液定容，摇匀后放置15 min。以0管为参比，于510 nm处测定吸光度。以芦丁含量(μg/mL)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标，制作标准曲线方程y=1.097 5x+0.002 9，R2=0.997 4。

样品的制备：将5 g粥样加入50 mL体积分数为75%的乙醇，70 ℃超声提取30 min，冷却到室温过滤后待测，下均同。

黄酮含量测定：取2 mL滤液于10 mL比色管中，按上述方法进行试验，将测量结果带入标准曲线，单位为mg RAE/g。

1.6 数据分析

利用Excel 2013进行数据整理及计算，利用SPSS 19.0进行数据统计分析，利用Origin 8.1进行作图，利用Design Expert进行响应面试验设计及分析。取3次平行实验的平均值作为实验结果，以x±s表示。

2 结果与分析

2.1 冷冻曲线

食品的冻结过程主要包括冷却、水分结晶和进一步降温3个阶段，而不同的冻结条件会影响冰晶的形成[17]。冰晶的大小和晶核数目的多少都与冻结速率有关，冻结速率越快，冰晶形成的时间越短，晶核越多，冰晶体积越小，对食品细胞的损伤和分子空间结构的破坏越小[18]。五谷方便粥中水分含量较高，在低温冻结下水会由液态凝固为固态的冰，水在结晶固化中内部结构收缩程度的不同，会导致五谷方便粥品质特性不同程度的变化[19]。食品在不同冷却阶段，温度下降的速度不同。刚冷却时，食品中的水分在温度降至冻结点后冻结形成冰晶，食品的温度下降较快。继续冷却时，食品内部温度在较长时间内保持恒定，即最大冰晶生成带，生成最大冰晶带的主要是因为冷冻带来的冷量主要用来夺取食品中大部分水分冻结成冰时所放出的潜热[20]。此后，食品温度快速下降。LEYGONIE等[21]研究表明冻结时较快的通过最大冰晶生成带形成冰晶体积小数量多分布较均匀, 对组织结构破坏较小。由图1可知方便粥在冻结过程中温度变化符合食品冻结温度变化规律，这与胡新等[22]研究低温对猪肉品质影响中不同冻结温度的冻结曲线相似。不同冻结温度下五谷方便粥冻结点不同，冻结点范围为-0.2～-0.6 ℃，冻结温度越低，通过最大冰晶生成区的时间越短，-20 ℃冻结状态下需要224 min通过最大冰晶生成区，而-80 ℃冷冻状态下仅需要64 min。由表1可知，-20 ℃冻结组冻结速率低于0.5 cm/h属于慢速冻结，-40、-80 ℃冻结组属于快速冻结。

图1 不同冻结温度的冻结曲线Fig.1 Freezing curves at different freezing temperatures

表1 不同冻结温度下的冻结特性Table 1 Freezing characteristics at different freezing temperatures

2.2 冻结速率对五谷方便粥理化性质的影响

2.2.1 冻结速率对五谷方便粥质构的影响

质构参数即用数据的形式将抽象的感官品质具象化以评价感官品质，能客观地反映产品的感官品质[23]。由表2可知，冷冻后米粥的硬度、弹性、内聚性、胶着性和咀嚼性较鲜煮米粥显著降低(P<0.05)。速冻处理的米粥质构品质普遍高于慢冻处理的米粥，-40 ℃处理组的弹性、内聚性和咀嚼性和鲜煮米粥差异显著(P<0.05)，-80 ℃处理组和鲜煮米粥相比仅内聚性和咀嚼性差异显著(P<0.05)，淀粉分子在缓慢冷却过程中有时间重新排列，会加重老化程度，迅速冷却可以在一定程度上降低老化程度，但是不论冷却速度快慢，淀粉老化均不可逆[24]。-80 ℃处理组的质构特性与鲜煮米粥最为相近，-40 ℃处理组次之。这与张强等[25]研究结果相似，张强等研究了不同贮藏温度下凡纳滨对虾质构的变化，发现贮藏温度越低，虾肉的硬度、咀嚼性和弹性相较更好，质构性能保持更好。

表2 冷冻温度对五谷方便粥质构特性的影响Table 2 Effect of freezing temperature on the texture characteristics of convenient porridge

2.2.2 冻结速率对五谷方便粥色度的影响

色泽可以直观地反映出产品的新鲜度、成熟度和清洁程度，是消费者决定是否购买商品时考虑的重要因素，良好的色泽可以在有一定程度内提升消费者的购买欲[26]。如表3所示，鲜煮米粥L*、a*、b*均高于冷冻处理组，冻结处理后米粥L*值、a*和b*有不同程度的降低。-20 ℃处理组的L*值和-40 ℃处理组的b*值显著低于鲜煮米粥的对应值(P<0.05)。鲜煮米粥的色泽最好，-80 ℃冷冻组次之。这与何政宇等[27]研究结果相似，何政宇等研究了速冻方式对冻结杏鲍菇色泽的影响，发现-60 ℃较-40 ℃冻结样品色泽改变程度小，认为-60 ℃冻结最有利于杏鲍菇色泽品质的保持。这可能是因为在冷冻贮藏过程中，冰晶的长大与融化使五谷方便粥的水分含量有所增加，而水分的存在会影响反射光的反射，从而对亮度值产生影响。

表3 冷冻温度对五谷方便粥色度的影响Table 3 Effect of freezing temperature on color of convenient porridge

2.2.3 冻结速率对五谷方便粥固形物和水分含量的影响

由图2可知，鲜煮米粥的水分含量最高，固形物含量最低。-20 ℃冷冻的米粥水分含量显著低于鲜煮米粥和速冻组米粥(P<0.05)，固形物含量显著高于鲜煮米粥和速冻组米粥(P<0.05)。-40、-80 ℃冷冻组和鲜煮米粥的水分含量、-40 ℃和-80 ℃冷冻组的固形物含量、-80 ℃冷冻组和鲜煮米粥的固形物含量差异均不显著(P>0.05)，但-40 ℃冷冻组和鲜煮米粥的固形物含量差异显著(P<0.05)。这与刘艳春等[28]研究结果相似，刘艳春等研究了冻结速率对冻木瓜块干耗率、汁液损失率的影响，结果表明，随着冻结速率的增加干耗率逐渐减小，而干耗会造成速冻产品的水分损失，因此快速冻结更利于水分的保持。整体来说，冷冻时间越长、失水率越高、五谷方便粥水分含量越低、固形物含量越高。这主要是因为冷冻处理使蛋白质氢键、离子键等键合力被破坏、立体结构改变，因而对水的束缚能力减弱，水分在空间结构做不定向运动, 造成冷冻过程水分的降低[29]。

图2 不同冻结温度对五谷方便粥水分含量和固形物 含量的影响Fig.2 Effect of different freezing temperature on water content and solids content of convenient porridge

2.2.4 冻结速率对五谷方便粥流变特性的影响

黏弹性的测量如表观黏度的测量是认识食品的流变学特性的一种方法，可以在一定程度上反映样品内部组织结构的特性，同时也有助于消费者对食品进行初步评价[30]。如图3所示，在开始剪切速率增加的很小范围内，粥的黏度迅速下降，之后随着剪切速率增加，黏度缓慢下降逐渐趋于恒定，整体表现出剪切稀化的假塑性流体特征。这与芮闯等[31]对花生蛋白流变特性研究结论一致。4种粥样黏度大小依次为：鲜煮米粥<-80 ℃冷冻组<-40 ℃冷冻组<-20 ℃冷冻组。鲜煮米粥和不同冷冻速率冻结复热米粥黏度随剪切速率的增大均表出剪切稀化的性质，这主要是因为剪切力随剪切速率的增加而增加，流动阻力因为缠绕或聚集在一起的固形物会发生解体或变形而降低，表现出剪切稀化现象。对于混合体系，黏度越大，分子间的阻力越大，对絮凝和分层有更强的抵抗力，体系的稳定性越好，但是对于粥类产品，黏度过大会失去其原有口感，所以经过速冻处理的五谷方便粥的流变特性优于缓冻组，-80 ℃下冷冻的五谷方便粥的黏度特性同鲜煮米粥更接近。

图3 不同冷冻温度下黏度、剪切应力随剪切速率 的变化曲线Fig.3 Variation curves of viscosity and shear stress with shear rate at different freezing temperatures

由表4可知，拟合方程的决定系数R2>0.96，表明方程拟合良好，流体指数n<1，表明米粥为假塑性流体。稠度系数K值越大则体系越黏稠，-20 ℃冷冻粥的K值最大，为245.29 Pa·sn，鲜煮米粥的K值最小，仅为66.139 Pa·sn。

表4 Power-law 模型的拟合结果Table 4 Power-law model fitting results

2.2.5 模糊感官评价结果[32]

统计20位感官评定人员对4组样品的色泽、香气、滋味、组织状态按评价标准在各等级(V1、V2、V3)中投出的票数，得出感官评定结果如表5所示。

表5 感官评价结果Table 5 Results of sensory evaluation

将表5中样品3个等级所得票数比率，得到模糊矩阵R。以1号样品为例计算方便米粥的模糊感官评价，得分为：

=(0.55 0.31 0.14)

则1号样品的模糊感官评价得分为0.55×90+ 0.31×80+ 0.14×70=84.10。剩余3个样品的模糊感官评价得分计算方法同理，最终得分情况见表5。从感官评价来说，3个处理组，-80 ℃评分最高，-40 ℃次之，但二者仅相差1.15分，-20 ℃评分较低，仅为78.8分。因为-80 ℃冷冻与-40 ℃冷冻只相差1.15分，从经济角度考虑，应选择-40 ℃冷冻。

2.3 冻结速率对五谷方便粥黄酮和膳食纤维含量的影响

黄酮类化合物具有如抗氧化、减少心血管疾病等多种生物活性功能，对由氧化应激引起的慢性衰退性疾病具有预防和辅助治疗的作用[33]。全胚苦荞米和黑米富含黄酮类化合物具有一定的保健功效。由图4可知，-20 ℃冷冻处理组的五谷方便粥黄酮含量最低，显著低于冻结组(P<0.05)，但-40 ℃和-80 ℃冷冻组的黄酮含量同鲜煮米粥无显著性差异(P>0.05)，整体来说对五谷方便粥中黄酮含量的影响较小。这与牛红霞[34]研究结果相似，牛红霞利用-20、-40、-80、-196 ℃这4种不同温度对沙棘果实进行冻藏，研究发现-196 ℃速冻对沙棘果实黄酮含量影响最小，-80 ℃冻结处理对沙棘果实品质的破坏程度要略低于-196 ℃的果实，-40 ℃和-80 ℃冻结处理对沙棘果实品质的破坏程度差异较小，而-20 ℃冻结处理对沙棘果实营养成分的破坏程度最大。

膳食纤维具有降低血清胆固醇、改善肠道健康、预防高血压和动脉粥样硬化、清除外源有毒物质等一系列独特功能特性，因此被广泛应用于食品行业，改善食品风味质构和营养价值[35]。如图4所示，五谷方便米粥的膳食纤维含量较高，且不同冻结温度处理下的米粥膳食纤维含量无显著性差异(P>0.05)，说明冻结处理对粥样的膳食纤维含量影响较小。这与杨帆[36]研究结果一致，杨帆研究了速冻温度对青麦仁营养成分的影响，研究发现随着速冻温度的降低，膳食纤维含量基本不随着速冻温度的改变而改变。

图4 不同冻结温度对五谷方便粥黄酮和膳食纤维含量的影响Fig.4 Effect of different freezing temperature on the content of flavonoids and dietary fiber of convenient porridge

3 结论

五谷方便粥在-20、-40、-80 ℃冻结条件下的冻结曲线符合一般食品冻结曲线的特征，-20 ℃冻结状态下冷冻五谷方便粥的冻结速率低于0.5 cm/h属于慢速冻结，-40、-80 ℃冻结状态下冷冻五谷方便粥的冻结速率高于0.5 cm/h属于快速冻结。由所测理化性质可知，冷冻处理对五谷方便粥的品质影响显著(P<0.05)，并且不同冷冻速率对冷冻五谷方便粥品质的影响不同，冻结温度越低、冻结速率越快对五谷方便粥品质的影响越小，复热后品质越好。冷冻后米粥的质构特性鲜煮低于鲜煮米粥(P<0.05)，速冻处理组复热后质构特性显著优于慢冻组(P<0.05)，-40 ℃冷冻组仅内聚性优于-80 ℃处理组，其余质构特性均劣于-80 ℃冷冻组。-20 ℃冷冻组复热后的L*值和-40 ℃冷冻组复热组b*鲜煮低于显著米粥(P<0.05)，-80 ℃冷冻组色度值与鲜煮米粥无显著性差异(P>0.05)。五谷方便粥的冻结温度越低、冻结速率越快、冻结时间越短，冻结失水率也就越低，五谷方便粥复热后水分含量越高，固形物含量越低。冷冻五谷方便粥属于假塑性流体，黏度随剪切速率的增大，均表出剪切稀化的性质，4种粥样黏度大小依次为：鲜煮米粥<-80 ℃冷冻组<-40 ℃冷冻组<-20 ℃冷冻组。冷冻处理对五谷方便粥的营养品质影响不显著(P>0.05)，3组不同温度冷冻组膳食纤维含量和速冻组的黄酮含量均与鲜煮米粥无显著性差异(P>0.05)。冷冻处理后五谷方便粥的食用品质有所下降，但快速冷冻组显著优于慢冻组，-80 ℃冷冻组复热后口感和鲜煮米粥最接近，-80 ℃冷冻组的模糊感官评价得分最高，-40 ℃次之，但二者仅相差1.15分，-20 ℃评分较低，仅为78.8分。整体来说，冷冻五谷方便粥的更适合快速冻结，即冷冻温度在-40 ℃以下，而-80 ℃条件下效果最佳。