不同干燥工艺对挂面品质的影响

韩 锐,陈 洁,*,许 飞,宗向东,王彦波

(1.河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001; 2.登封市启明轩程控设备有限公司,河南郑州 450001)

挂面是中国最为常见的主食之一,因为其便于储存,食用方便等特点深受消费者喜爱[1]。挂面干燥直接关系到挂面产品的质量,是挂面生产的关键环节,也是挂面企业生产、加工能耗控制的基石[2]。随着挂面加工业的不断发展,挂面企业和研究学者不断对挂面干燥工艺进行改良和创新。挂面干燥无论是通过节能减排降低企业生产成本,还是优化干燥工艺提高生产效益和产品质量方面都有着巨大潜力。

我国以干燥时间的长短和干燥温度的高低对挂面干燥工艺进行分类。目前干燥工艺主要分为三大类,第一类是主区干燥温度低于35 ℃,干燥周期为5～8 h的干燥工艺,该工艺优点在于对干燥设备性能要求低,便于在干燥过程中控制干燥的温湿度,生产出的挂面品质稳定,但是该工艺生产效率低,设备占地面积大等问题无法有效解决[3]。第二类是目前我国大多数挂面企业都采用行业标准《挂面生产工艺技术规程》中推荐的主区干燥温度低于45 ℃干燥周期约为3.5～5 h的干燥工艺,该工艺的优点在于在保证挂面品质稳定的基础上,提高了生产效率[4]。第三类是主区干燥温度大于45 ℃,干燥周期小于3 h的干燥工艺,该工艺的优点在于干燥周期短,生产效率高,但是该工艺主区干燥温度高,烘房内湿度难以控制和调节,容易造成挂面品质的下降[5]。我国学者在以上三种干燥工艺的研究基础上,进一步研究了更高的温度对挂面干燥品质的影响,其中王春等[6]和高飞[5]指出主干燥阶段温度为70 ℃时,所得挂面各项理化指标较好。郭颖[7]指出提高干燥温度,能够显著提高挂面的硬度并降低挂面粘度以及蒸煮损失率。惠滢[8]指出80 ℃的高温干燥可以通过影响面条中淀粉和蛋白质结构来影响面条的蒸煮品质。我国目前仍然采用主区干燥温度为45 ℃的干燥工艺,温度更高的干燥工艺在国内挂面生产中鲜有使用。且现有研究大多数都基于恒温恒湿干燥进行的工艺品质比较,但工业化生产过程中,全部采用分阶段变温变湿的干燥工艺。虽然国内学者对高温干燥工艺参数以及挂面品质的影响进行了不少的研究,但就模拟真实生产条件,采用变温变湿干燥工艺参数对挂面品质影响的研究却少见报道。

本文通过模拟工厂的实际生产,探究不同干燥工艺参数对挂面品质的影响。通过扫描电镜拍摄挂面的表面图像和截面图像观察不同干燥参数对挂面微观结构的影响,再结合RVA以及色泽、干挂面力学特性、拉伸等质构特性指标,对不同干燥工艺参数对挂面品质的影响做出评价。本文通过模拟工业生产实际情况,以期为进一步研究挂面的干燥特性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金苑特一粉 河南郑州金苑面粉厂;食用盐 市售;蒸馏水 实验室自备。

JMTD-168/140小型制面机组 北京威腾机械有限公司;挂面干燥机 郑州鼎伟公司;CR-400色差仪 日本美能达公司;RVA-TM快速粘度仪 瑞典Perten公司;TA-XT.plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.2 实验方法

1.2.1 制面以及干燥工艺 称取500 g面粉,160 g水、10 g食用盐,放入立式单轴和面机中低速和面1 min,高速和面11 min,将和好的面絮压延4次得到5.5 mm厚的面带,后将面带放入醒发箱(25 ℃,70%湿度)中熟化15 min。将熟化好的面带压延5次,最终得到1.0 mm厚的面带,将面带切条,放入挂面机中干燥。待干燥结束后得到取出干燥好的挂面,截成20 cm长的挂面样品,三种干燥工艺成品挂面的含水量分别为12.6%、12.1%、11.5%。本实验将挂面的干燥分为4 个干燥阶段,其划分依据是LS/T 1206-1992《挂面生产工艺技术规程》中推荐划分的干燥阶段。具体的时间段划分是通过预实验,测定每阶段水分散失速率,并结合最终挂面品质的测定数据,在保证最终挂面品质的基础上,选择最快的干燥速率,最终得到具体时间段划分。具体参数见表1。

表1 干燥温湿度参数Table 1 Drying temperature and humidity parameters

1.2.2 挂面蒸煮特性的测定 依照LS/T 3212-2014测定挂面的最佳蒸煮时间。

1.2.3 挂面吸水指数的测定 每次取5根长度20 cm的挂面样品,称重(精确到0.001 g),放入1000 mL沸水中,煮至最佳蒸煮时间后捞出,用滤纸擦干面条表面的水分后称重。

式(1)

其中,W为挂面吸水指数,m为煮后挂面质量,m0为原始挂面质量。

1.2.4 挂面TPA特性的测定 具体步骤:每次取3根挂面样品,煮至最佳蒸煮时间后捞出,放入凉水中冷却30 s,用滤纸擦干挂面表面水分后平行放置于测试台上,测前速度为2.0 mm/s,测试速度为0.8 mm/s,压缩率为70%,两次压缩时间间隔为1 s。

1.2.5 挂面剪切特性的测定 具体步骤:每次取3根挂面样品擦干面条表面水分,平行放置于测试台上,选用A/LKB-F型探头进行剪切测试,测前速度为2.0 mm/s,测试速度为0.8 mm/s,压缩率为70%。

1.2.6 干挂面力学特性的测定 参见刘书航[9]的做法,具体步骤如下:将待测挂面全部截成15 cm后,垂直放入A/SFR上下探头之间,探头开始匀速下降,直到挂面断裂,实验结束。测前速度为0.50 mm/s,测试速度为1.00 mm/s,触发力为10 g。

1.2.7 挂面色泽的测定 将挂面样品紧密平铺在试验台上测试挂面的颜色,对每个样品选择不同的位置进行5次测定,求平均值得出L*、a*、b*。并计算白度值。其中,

式(2)

1.2.8 糊化特性测定 将挂面样品磨粉,过100目筛后。按照GB/T 24853-2010测定挂面的糊化特性。

表2 不同干燥工艺下的挂面TPA特性Table 2 TPA of fine dried noodles under different drying process

表3 不同干燥参数下的挂面剪切特性Table 3 Wall shear characteristics under different drying processes

1.2.9 挂面微观结构的测定 将不同温度下干燥完成的挂面样品的表面和截面使用双面胶带固定在铝片上,并进行喷金操作,然后在10 kV的加速电压下观察。显微照片以1000倍放大倍数拍摄。

1.3 数据分析

所得数据均为3次平行试验的平均值,采用SPSS 20对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥参数对挂面蒸煮特性的影响

有学者指出,在挂面干燥的过程中淀粉和蛋白质会发生相互作用,从而影响面条的蒸煮损失和硬度等一系列品质指标[10]。图1,随着主干燥阶段温度的升高,最佳蒸煮时间呈现出增加的趋势,且采用70 ℃干燥的挂面的最佳蒸煮时间显著(P<0.05)上升,这可能因为70 ℃的干燥温度过高导致挂面表面的蛋白质分子变性,致使挂面表面孔隙减少,阻碍了热水进入挂面内部的速度所致。挂面的吸水指数从35 ℃的108%上升到50 ℃的114%再下降为70 ℃的108%,这可能是因为挂面中的蛋白质是一种亲水胶体,但当干燥温度超过50 ℃时,蛋白质发生热变性作用而凝固,使其吸水能力减弱,故导致挂面的干物质吸水率降低[4]。

图1 挂面的蒸煮特性Fig.1 Cooking characteristics of fine dried noodles

2.2 不同干燥参数对挂面TPA特性的影响

挂面在蒸煮的过程中,挂面中蛋白质对淀粉的包裹能力减弱,且蛋白质产生变性,从而导致挂面硬度的下降[11-12]。但表2数据显示,随着三种干燥工艺参数中主干燥阶段温度的升高,挂面蒸煮后的硬度呈现出上升趋势,并在70 ℃干燥的条件下,硬度达到最大值,这可能是因为挂面在不同干燥工艺中随着挂面主干燥区温度的升高,挂面表面的蛋白质提前产生不同程度的变性,致使蛋白质对淀粉包裹能力增强,从而影响挂面煮后的硬度。陆启玉实验结果也表明,面条蒸煮后的硬度也会随着干燥温度的升高而增大[4]。内聚性表现为两次压缩所做正功之比,不同干燥参数对挂面的内聚性并无显著影响。咀嚼性呈现出升高趋势,35和70 ℃干燥出挂面的咀嚼性有显著性变化。而挂面的粘性则呈现出一个明显上升趋(其中负号表示受力方向),数据分析表明干燥温度对挂面的粘性有显著的影响,这可能是因为淀粉在干燥中随着主干燥阶段温度的升高,淀粉的糊化程度增大,从而导致挂面的粘性增大。李梦琴的研究结果也表明,加热会破坏淀粉间的氢键,使得淀粉颗粒膨胀,导致粘性上升[13]。

2.3 不同干燥参数对挂面剪切特性的影响

由表3可知,挂面坚实度和韧性随着干燥温度的升高呈现出先升高后降低的趋势,在50 ℃干燥的条件下达到最大值。弹性呈现出先下降后升高的趋势,在50 ℃干燥的条件下达到最小值8.33。断裂强度则呈现出先升高后降低的趋势,35和70 ℃干燥的条件对挂面的断裂强度并无显著性影响。实验结果表明,干燥参数对挂面的剪切特性无显著性影响。结合表2中硬度的数据可知,70 ℃干燥出的挂面在硬度提高的情况下,弹性还能保持较好水平。咀嚼性和韧性的数据则反映出,在50 ℃的干燥条件下生产出的挂面在煮后更为筋道。

2.4 不同干燥参数对干挂面力学特性的影响

由图2可知,三种干燥工艺对挂面的断裂力这一指标并无显著影响。断裂距离随着干燥工艺中温度的升高呈现出先降低后上升的趋势。断裂力和断裂距离作为反应挂面抗弯曲能力大小的力学特性指标,是挂面品质评价的主要力学参数,能够直观的表征挂面加工工艺和挂面品质的优略[14]。采用50 ℃干燥出的挂面的断裂距离值最小为37.96 mm,与35和70 ℃有显著差异,虽然50 ℃干燥出的挂面断裂距离短,但使挂面断裂的力并未减小,这说明50 ℃干燥出的干挂面的韧性小于35和70 ℃干燥的挂面,这可能是挂面在50 ℃的干燥温度下,挂面内部的水分在热应力和湿应力的作用下向外部扩散,造成挂面表面形成微小的裂缝,从而影响了挂面的力学特性[8,15]。而在70 ℃的干燥温度下干燥,造成了蛋白质变性以及二硫键的形成,导致该温度下挂面的蛋白质网络强度大于其他条件下的蛋白质网络强度,从而增强了挂面的力学特性。

表4 不同干燥参数下挂面色泽的变化Table 4 Color change of fine dried noodles under different drying parament

表5 挂面的糊化特性测定Table 5 Determination of gelatinization characteristics of fine dried noodles

图2 不同干燥参数下的干挂面力学特性Fig.2 Mechanical properties of dried noodles under different drying parameters

2.5 挂面色泽的变化

面条的色泽是产品对消费者的最直观的冲击,故采用白度值来衡量挂面色泽上的差异。其中L*是从黑色(0)到白色(100)亮度的量度,a*是绿色到红色差异的函数,b*是蓝色到黄色差异的函数[16]。实验数据表明70 ℃挂面的b*值最大。其L*值也是随着温度的升高而变大,这可能是因为淀粉在高温下部分溶胀挤出。这与Lin等[17]观察到的情况相似。从整体上分析,虽然在L*值和a*值上有所区别,但是三种干燥工艺对挂面产品的白度上并无显著影响。

2.6 挂面糊化特性的变化

RVA的一些参数与面条的质量有着密切的联系[18]。由于在淀粉是小麦粉中含量最高的物质,而且淀粉相较于蛋白质,淀粉在100 ℃下对热处理的敏感性大于蛋白质。所以淀粉可能在干燥的过程中受到热处理的影响从而产生变化程度更大。由表5可以看出相较于其他两种干燥温度,70 ℃干燥具有更高的峰值粘度、崩解值、最终粘度、回复值,且峰值粘度、崩解值、最终粘度、回复值都随干燥温度的升高而呈现出增大趋势。这与Bruneel等[19-21]观察到的现象一致。回复值、最终粘度值反映了淀粉中直链淀粉的回生趋势。随着干燥温度的升高,直链淀粉回生的趋势越来越强。70 ℃干燥挂面的峰值粘度最大而35 ℃干燥挂面的峰值粘度最小,可能是因为一些淀粉酶在干燥中没有完全失活,并持续作用于受到机械损伤的淀粉,特别是在干燥的初始阶段[22-24]。因此,干燥温度越低挂面的峰值粘度越低。Zhang等[22]也指出淀粉损伤可能导致颗粒膨胀和水化降低,从而降低糊化粘度。Da等的[25]实验结果也证明了淀粉糊化后其粘度的变化和淀粉颗粒的膨胀和破裂有关。

2.7 干燥参数与质构特性的多元回归分析

挂面质构特性的变化是在干燥过程温度、湿度、时间三者共同作用的结果,故采用多元回归分析的方法来探究干燥参数对质构特性的影响。类比力学中功的定义,把温度在一定时间段内对质构特性影响定义为温度对质构特性产生的温度-时间指数因子S1,同理,把湿度在一定时间段内对质构特性影响定义为湿度-时间指数因子S2。因温度和湿度在挂面质构特性变化中产生影响大于时间因素产生的影响,为了降低时间因素所占的权重对回归方程的影响,故引入Sigmoid函数。

式(3)

式(4)

其中：W是干燥参数中的温度值,D是干燥参数中的湿度值,t为干燥时间,i为干燥阶段。

选取S1、S2为自变量,分别选取硬度、咀嚼性、内聚性以及粘性作为因变量进行多元回归分析。

表6 挂面质构特性的多元回归分析Table 6 Multiple regression analysis of TPA of fine dried noodles characteristics

如表6中回归方程所示,温度-时间指数因子S1变化一个单位时,对因变量(粘性)的影响大于湿度-时间指数因子S2对因变量的影响,故温度-时间指数因子是影响挂面质构特性中粘性的主要因素。湿度-时间指数因子S2变化一个单位时,对因变量(咀嚼性和硬度)的影响大于温度-时间指数因子S1,故湿度-时间指数因子是影响挂面质构特性中咀嚼性和硬度的主要因素。内聚性的回归方程中,湿度-时间指数因子和温度-时间指数因子前系数均为零,说明挂面内聚性的变化与温度和湿度无关。R2代表回归方程的拟合程度,表中的三个拟合方程的R2都大于0.8,其中粘性的R2都大于0.9,说明回归方程的拟合精密程度较高。F值以及其对应的Sig值作为方差分析的结果,反映了整体回归方程的可信性程度,若Sig值小于0.05则可以认为回归方程是可信的。表6中三条回归方程的Sig均小于0.05,说明其具有较高的使用价值,但内聚性的回归方程表中回归方程的德宾-沃森检验值均接近或等于2,说明其均不存在一阶自相关性,说明本文采用温度-时间指数因子和湿度-时间指数因子作为自变量是合理的。

2.8 挂面微观结构的变化

扫描电子显微镜(SEM)是表征面食微观结构的技术之一,可以直观看出面食样品的内部结构和表面特征[26]。进行扫描电子显微镜分析可以直观的观察到干燥温度对挂面微观结构的影响。图像显示挂面的微观结构由嵌入蛋白质网络中的淀粉组成。从图3能够看出在35 ℃干燥的情况下,挂面表面结构致密,裂纹较少淀粉颗粒也都大多被被包裹在蛋白质网路内部。在50 ℃干燥的情况下,挂面表面的裂纹开始增多,淀粉颗粒暴露在蛋白质网络外部的数量开始变多,这可能是因为挂面为湿热的不良导体,在挂面干燥过程中,挂面内部与外部能够形成温度差以及湿度差,从而导致挂面中水分散失,并且造成挂面收缩。由于温湿度差的存在,挂面内外收缩程度不一致,导致了不同干燥温度所产生裂纹数量的不同。但是在70 ℃的干燥情况下,蛋白质网络更加密集,基本上没有裂纹的产生,这是因为高温引起蛋白质变性并促进两种面筋蛋白谷蛋白和麦醇溶蛋白的交联[27],在70 ℃干燥的条件下也会形成更紧密均一的网络[28]。这也可能是70 ℃干燥挂面最佳蒸煮时间显著增加的原因,致密的蛋白质网络减缓了热水进入挂面内部的速度。有学者认为在超高温干燥下,淀粉颗粒消失的原因很可能是因为干燥的高温导致淀粉颗粒轻微膨胀,从而破坏表面蛋白质层。在70 ℃干燥的挂面中淀粉颗粒的轻微膨胀被分散的淀粉颗粒的形态所证实,与35 ℃干燥的挂面中的圆形颗粒相比,70 ℃干燥中分散的淀粉颗粒结构更加细长[27]。

图3 挂面微观结构变化(1000×)Fig.3 Microstructure change of fine dried noodles(1000×)注:a、b、c分别对应为35、50、70 ℃的表面扫描图。 d、e、f分别对应为35、50、70 ℃的截面扫描图。

3 结论

根据模拟实际生产的3种不同干燥工艺制备挂面样品,对挂面的蒸煮特性,色泽,糊化特性以及表面特征进行了分析。挂面理化性质的试验结果表明,主干燥阶段温度为35 ℃时,挂面的断裂力达到最大值,主干燥阶段温度为50 ℃干燥时,挂面的干物质吸水率以及坚实度达到最大值,主干燥阶段温度为70 ℃干燥时的最佳蒸煮时间最长,硬度最大。随着主干燥阶段温度的升高,挂面的糊化特性有明显的变化,直链淀粉的回生减慢。扫描电镜的图像也证明了,主干燥温度的升高会导致挂面表面的蛋白质产生部分变性,RVA的数据表明了淀粉颗粒随着干燥温度的升高也发生了部分溶胀现象。另外,高的干燥温度对挂面的白度并无显著影响(P<0.05)。通过相关性分析表明,挂面的湿度-时间指数因子与b*,最佳蒸煮时间以及WI值有极强的相关性(P<0.01)。并且通过干燥参数与挂面质构特性的多元回归分析,得到了干燥参数与质构特性之间的线性回归方程,得出了温度-时间指数因子是影响挂面粘性的主要因素。但就TPA特性、剪切特性以及色泽指标而言,其与品质的好坏并非是简单的线性关系,应该多角度观察指标数据背后的意义,数据值大小的高低并不能完全反应消费者对产品的接受度。关于消费者对不同干燥工艺生产的挂面品质的评价,以及消费者喜爱度将会进一步研究,以期为实际生产中进一步改进干燥工艺提供数据支撑。