不同改良剂对木薯粉圆品质的影响

徐 露, 蔡淑玉, 陈乐宜, 余以刚

(华南理工大学食品科学与工程学院学院,广州 510640)

近年来,奶茶企业爆发式增长,据前瞻产业研究院的研究报告显示,2020年我国奶茶门店数超过60万家[1],在众多奶茶饮品中,珍珠奶茶占据重要地位[2]。粉圆是珍珠奶茶中不可或缺的辅料,是以木薯淀粉为主要原料制成的直径约为10 mm的圆球,粉圆熟制后外表晶莹剔透,口感软糯有嚼劲。木薯淀粉的品质特性直接影响粉圆的品质。木薯淀粉具有糊化温度低,黏度大,透明度高和冻融稳定性较优的特点,但在实际生产应用中,天然木薯淀粉在剪切稳定性、黏弹性和老化性等方面存在不足[3],限制了粉圆品质的提升。简单配方(仅木薯淀粉和水)制成的粉圆在煮制之前结构松散且表面较粗糙,煮制时固形物易溶出,蒸煮耗时长,煮后口感缺乏弹性,容易老化变硬,因此改善粉圆食用品质和蒸煮性能是目前亟待解决的问题。

有关添加改良剂以改善淀粉加工制品品质的研究有很多,已研究的改良剂类型有亲水胶体[4]、脂质[5]、多酚[6]、变性淀粉[7]和蛋白质[8]等。目前,研究较多的粉圆品质改良剂有黄原胶[9]、魔芋粉[10]、结冷胶[11]等亲水胶体,醋酸酯淀粉[12]、羟丙基二淀粉磷酸酯[13]等变性淀粉,鲜见将多酚应用于粉圆的研究,但多酚与淀粉的相互作用受到研究人员的广泛关注[14,15],研究发现多酚能与支链淀粉通过氢键相互作用,阻碍了支链淀粉分子有序结构的形成,从而改变淀粉凝胶结构,在粉圆的改良方面有极大的应用潜力。此外,相比于单一改良剂,复合改良剂在品质优化方面往往更有优势[16],通过将不同类型的改良剂复配,不仅能减少添加量,而且能够增强品质改良的综合效果。

研究亲水胶体(黄原胶、瓜尔胶、羧甲基纤维素)、变性淀粉(羟丙基二淀粉磷酸酯、醋酸酯淀粉)和多酚(茶多酚、单宁酸、原花青素)对粉圆质构特性和蒸煮特性的影响,并从中筛选出合适的改良剂,在此基础上探究复配改良剂对粉圆品质的改善效果,以期得到粉圆品质改良剂的最佳配方,为优质粉圆的生产与开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

木薯淀粉(纯度95%以上);黄原胶、瓜尔胶、羧甲基纤维素、羟丙基二淀粉磷酸酯、醋酸酯淀粉、单宁酸、茶多酚、原花青素,食品级。

1.2 主要仪器与设备

WK2102T型电磁炉,GZX-9023型电热温鼓风干燥箱,TAXT PLUS型物性分析仪,TG 16G型高速冷冻离心机,SPX-250B-Z型恒温培养箱。

1.3 实验方法

1.3.1 粉圆的制备

将9种改良剂溶于水,分别与木薯淀粉混合,固定水的添加量为45%,添加量均按木薯淀粉质量百分比计。所有原料充分混匀后揉搓成直径约为10 mm的圆球,制作成型的生粉圆密封于自封袋中,室温保存待用。

1.3.2 粉圆配方优化

1.3.2.1 单因素实验

根据预实验,设计亲水胶体(黄原胶、瓜尔胶、羧甲基纤维素)质量分数0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%(不添加其他改良剂,下同),变性淀粉(羟丙基二淀粉磷酸酯、醋酸酯淀粉)质量分数5%、10%、15%、20%、25%,多酚(茶多酚、单宁酸、原花青素)质量分数0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%,考察改良剂对粉圆质构和蒸煮特性的影响。

1.3.3.2 响应面实验

根据单因素实验的结果,从3类改良剂中各选出1种,用Box-Behnken模型设计三因素三水平实验。利用主成分分析法[17],将影响粉圆品质的多个指标降维并转化成规范化综合得分,并将规范化综合得分作为响应值,对实验结果进行响应面分析,得到粉圆改良剂的最佳配方。

1.3.3 粉圆品质指标的测定

1.3.3.1 质构的测定

参照吴邱静等[18]的方法,稍作改动。将煮后的粉圆用物性分析仪进行TPA质构测试,测定粉圆的硬度、弹性和内聚性。探头型号选择P50,测试参数设置为:测前速度2 mm/s,测中速度和测后速度1 mm/s,停留时间2 s,压缩50%,触发力5 g,测定5组平行,结果取平均值。

1.3.3.2 蒸煮特性的测定

称取约20 g木薯粉圆(m1),加入500 mL沸水中,盖盖煮制,通过观察粉圆白心的消失的时间确定粉圆的最佳蒸煮时间[19]。将煮后的粉圆捞出,用去离子水漂洗后,吸干表面水分并称质量,记为m2,根据煮制前后粉圆的质量差计算粉圆的干物质吸水率。收集煮后的水和漂洗用水,待冷却至室温后转移至500 mL容量瓶定容,从中取50 mL倒入已恒重的250 mL烧杯(m3)中,将烧杯中的水蒸发至近干,放入105 ℃烘箱内干燥,恒重后称量烧杯质量,记为m4,干物质吸水率和蒸煮损失率的计算公式为:

干物质吸水率=m2-m1m1×100%

蒸煮损失率=100×(m4-m3)m1×100%

式中:m1为粉圆质量/g;m2为煮后粉圆质量/g;m3为恒重后烧杯的质量/g;m4为烧杯和损失的干物质的质量总和/g。

1.3.3.3 感官评价

基于咨询调查法和模糊数学二元对比法,建立粉圆感官评价细则,详见表1。参考相关文献中感官评价的方法[20,21],组织成立10人评价小组,并对粉圆的感官品质进行评价,评价组成员对粉圆各指标按优、良、中、差进行评定,各等级对应的分值分别为90、70、45、15。

表1 粉圆感官评价标准

1.3.3.4 菌落总数的测定

将生粉圆储存于密封袋中,在4 ℃冰箱内保藏0、1、3、5、7 d后测定菌落总数,方法参照GB 4789.2—2016。

1.4 分析方法与数据处理

1.4.1 主成分分析

对响应面各实验组的数据进行主成分分析[22,23],得到粉圆各指标的特征值、贡献率,对特征值大于1的因子提取主成分[23],根据主成分公式计算各实验组的综合得分和规范化综合得分,计算公式为:

F=(F1Y1+F2Y2+F3Y3)/C

Z=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)

式中:F为综合得分;F1、F2、F3分别代表3个主成分的得分;Y为各主成分的特征值;C是累积特征值;Z为规范化综合得分;Fmax和Fmin分别代表综合得分中的最大值和最小值。

1.4.2 数据统计与分析

所有数据至少平行测定3次,以平均值±标准差表示。采用IBM SPSS Statistics 22的单因素方差分析进行显著性分析和再通过因子分析进行主成分分析,借助Design-Expert 8.0.6.1处理响应面实验结果,利用Origin 2021软件制图。

2 结果与讨论

2.1 粉圆改良剂配方的单因素实验结果

2.1.1 不同亲水胶体对粉圆品质的影响

由表2可以看出,不同亲水胶体对粉圆质构特性影响不同,3种亲水胶体均显著降低了粉圆的硬度(P<0.05),这可能是因为亲水胶体与木薯淀粉间形成的氢键抑制了直链淀粉之间以及支链淀粉之间的相互作用[24],从而使凝胶结构变得松散,从而改变了木薯淀粉凝胶结构,使粉圆更加质构更加松软[25]。亲水胶体对粉圆硬度的影响次序为:羧甲基纤维素>黄原胶>瓜尔胶。亲水胶体与淀粉的相互作用与各胶体的分子质量和交联程度有关[26],且具有浓度依赖性[27]。随着黄原胶和瓜尔胶的添加,粉圆的弹性略有降低,而羧甲基纤维素对粉圆的弹性影响的趋势不显著。黄原胶和羧甲基纤维素的加入对粉圆的内聚性有较好的改善作用,瓜尔胶对粉圆内聚性的影响不显著(P>0.05)。3种亲水胶体均减小了粉圆蒸煮后的干物质吸水率和蒸煮损失率,延长了最佳蒸煮时间,推测是亲水胶体使粉圆凝胶结构更加致密,煮制时水分流动受阻。一般来说,蒸煮损失率与蒸煮品质呈负相关[28],羧甲基纤维素添加质量分数为0.30%时,蒸煮损失率最低,为41.19%,比对照组低了21.86%,可见3种亲水胶体中,羧甲基纤维素对粉圆蒸煮特性的改良效果更优。

表2 不同亲水胶体对粉圆质构和蒸煮特性的影响

综合考虑,选用羧甲基纤维素作为粉圆的品质改良剂之一,选择添加质量分数0.20%～0.40%进行后续复配改良剂响应面实验。

2.1.2 不同变性淀粉对粉圆品质的影响

由表3可以知,羟丙基二淀粉磷酸酯和醋酸酯淀粉的添加均增大了粉圆的硬度和弹性,变性淀粉对粉圆弹性的影响次序为:羟丙基二淀粉磷酸酯>醋酸酯淀粉。这是因为两者均为化学变性淀粉,其淀粉分子的化学结构发生了变化,变性淀粉的添加可能使粉圆凝胶体系中,出现了新的网络,从而增强了粉圆的硬度和弹性。这与毛慧佳等[29]研究发现的羟丙基二淀粉磷酸酯增大了汤圆的硬度,提高了其耐煮性的结果一致。随着羟丙基二淀粉磷酸酯添加量的增加,粉圆内聚性先降后增,而醋酸酯淀粉使粉圆内聚性不断减小。与亲水胶体相似的,变性淀粉的添加减小了粉圆的干物质吸水率和蒸煮损失率,改善了粉圆的蒸煮品质。羟丙基二淀粉磷酸酯的添加使粉圆的最佳蒸煮时间先减后增,添加质量分数为10%时,最佳蒸煮时间最小,为57.07 min。

表3 不同变性淀粉对粉圆质构和蒸煮特性的影响

综合考虑,选择羟丙基二淀粉磷酸酯作为粉圆的品质改良剂之一,选择添加质量分数5%～15%进行后续复配改良剂响应面实验。

2.1.3 不同多酚对粉圆品质的影响

由表4可知,多酚的添加减小了粉圆的硬度,但对粉圆弹性影响不显著(P>0.05)。3种多酚对粉圆硬度的影响次序为:茶多酚>原花青素>单宁酸,这与多酚的组成成分及与淀粉作用形式有关[30]。此外,多酚的添加也改善了粉圆的弹性和内聚性,唐煜括等[31]发现茶多酚的添加会降低米粉的硬度并保持其弹性,与本实验实验结果相似。在蒸煮特性方面,与亲水胶体和变性淀粉不同的是,3种多酚均增大了粉圆的干物质吸水率和蒸煮损失率,其中单宁酸对其影响最大,茶多酚的影响最弱,这可能是多酚的添加使粉圆凝胶体系更加松散,促进了水分在粉圆凝胶网络结构中的扩散和迁移[32],致使粉圆蒸煮特性变差。

表4 不同多酚对粉圆质构和蒸煮特性的影响

综合考虑,选择茶多酚作为粉圆的品质改良剂之一,选择添加质量分数0.20%～0.40%进行后续复配改良剂响应面实验。

2.2 粉圆改良剂复配的响应面实验结果

2.2.1 响应面实验结果分析

根据单因素实验的结果,选取羧甲基纤维素、羟丙基二淀粉磷酸酯和茶多酚作为响应变量,实验因素水平表见表5,利用Box-Behnken模型对粉圆配方进行响应面设计,响应面实验结果见表6。

表5 响应面实验因素与水平

表6 响应面实验设计与结果

2.2.2 粉圆主成分分析

对粉圆硬度、弹性、内聚性、干物质吸水率、最佳蒸煮时间和蒸煮损失率进行主成分分析,分析数据后得到的KMO值为0.661,Bartlett球形检验极显著(P<0.01),说明各因子之间有较高相关性,适用主成分分析法处理。粉圆品质主成分的特征值和贡献率见表7。前3个主成分的累计贡献率达85.696%,能够比较全面的代表粉圆的品质信息,再根据表8可得:代表第1主成分的是蒸煮损失率和硬度,代表第2主成分的是内聚性和弹性,代表第3主成分的是干物质吸水率和最佳蒸煮时间。根据特征向量系数进一步计算得到3个主成分的得分,根据各主成分贡献率得到综合得分,对其规范化处理后进行排名,结果见表9。

表7 粉圆品质主成分特征值及贡献率

表8 主要指标的特征向量表

表9 主成分得分值与规范化综合得分

2.2.3 改良剂配方的响应面回归分析

粉圆规范化综合得分对3个响应变量的二次多项回归模型为:Z=0.82-0.05A+0.027B+0.15C-0.014AB-0.11AC+0.056BC-0.45A2-0.31B2+0.079C2,如表10所示,此回归模型极显著(P<0.01),失拟项P值为0.56>0.05,模型拟合度较好。模型决定系数R2=0.941 4,矫正决定系数Radj2=0.866 1,说明模型具有统计学意义,可用以分析和预测粉圆配方的综合得分。

表10 响应面回归模型方差分析

在3个一次项中,茶多酚对综合得分影响极显著(P<0.01),羧甲基纤维素(A)和羟丙基二淀粉磷酸酯(B)以及三者的交互作用均不显著(P>0.05),根据一次项F值越大,P值越小,则对结果影响越大的原则,得出3种改良剂对粉圆综合得分影响的顺序为:茶多酚(C)>羧甲基纤维素(A)>羟丙基二淀粉磷酸酯(B)。

根据各因素的交互作用,羧甲基纤维素和羟丙基二淀粉磷酸酯(AB)的响应面图为开口向下的抛物线曲面,且坡面较平缓,说明在实验范围内,响应面存在极大值,但两者的交互作用对粉圆综合评分的影响并不显著,这与方差分析的结果一致。从另外两组的交互图可以看出,茶多酚含量越高,综合得分越大,羧甲基纤维素和羟丙基二淀粉磷酸酯对综合得分影响的趋势相似,即随着浓度的增加,粉圆综合得分先增后减。

2.2.4 验证实验

确定粉圆的最优配方为(质量分数):羧甲基纤维素质量分数为0.28%,羟丙基二淀粉磷酸酯添加量10.62%,茶多酚质量分数为0.40%,此时模型预测的规范化得分为1.07。调整配方为羧甲基纤维素添加量0.30%,羟丙基二淀粉磷酸酯质量分数为11.00%,茶多酚质量分数为0.40%,在该条件下进行3次实验验证,取平均值,测得粉圆的硬度205.12 g,弹性0.903,内聚性0.882,干物质吸水率153.55%,最佳蒸煮时间69.28 min,蒸煮损失率35.69%,计算得到规范化综合得分为1.02,与预测结果基本一致,说明该回归模型与实际情况拟合良好,且符合实际。

为进一步验证响应面实验结果,对仅添加了单一改良剂以及添加复配改良剂后制得的粉圆进行感官评价,结果见图1。3种改良剂均能提高粉圆的感官评分,加入羧甲基纤维素、羟丙基二淀粉磷酸酯和茶多酚后粉圆的感官评分较对照组分别提高了12.02%、16.03%和5.68%,说明羟丙基二淀粉磷酸酯在改善粉圆感官品质特性方面效果最优。复配组粉圆感官得分为80.76分,较对照组提高了28.70%,即3种改良剂复配后对粉圆品质具有协同增效作用,与响应面结果一致。此模型可用以评估本实验中3个因素对粉圆品质的影响,对粉圆改良剂的选择具有一定的参考价值。

图1 不同配方组别粉圆的感官评分

2.3 配方优化后粉圆的储藏特性

2.3.1 生粉圆储存期间菌落总数的变化

图2是对照组以及添加单一改良剂和复配改良剂的生粉圆在4 ℃下储藏0、1、3、5、7 d后菌落总数的变化,根据GB 2713—2015,将1×106cfu/g设为粉圆菌落总数可接受上限。结果显示,随着储藏时间的延长,各组菌落总数均不断增大,在储藏7 d时,对照组的菌落总数(1.22×106cfu/g)超标,添加茶多酚和复配改良剂的粉圆菌落总数远低于限值,也显著低于其他组别(P<0.05),说明复配的改良剂能有效减缓粉圆体系内的微生物繁殖速度,其中起抑菌作用的主要成分可能是茶多酚[33],值得注意的是,复配组的菌落总数高于茶多酚组,可能是羧甲基纤维素和羟丙基二淀粉磷酸酯提高了体系黏度,阻碍了茶多酚的释放[34],从而削弱了茶多酚的抑菌效果。

图2 不同配方粉圆储藏过程中的菌落总数

2.3.2 熟粉圆储存期间硬度的变化

硬度是粉圆食用品质的重要指标之一。由图3可见,在室温保藏24 h期间,2组粉圆的硬度均随着时间的延长,不断增大,这是由于木薯淀粉中的直链淀粉和支链淀粉发生重结晶[35],粉圆凝胶体系出现了不可逆的老化现象[36]。而与对照组相比,复配优化组不仅减小了粉圆的初始硬度,而且减缓了粉圆在储藏过程中老化的速度,说明复配改良剂有延缓粉圆老化的作用。

图3 对照组和配方优化组熟粉圆在储藏过程中硬度的变化

3 结论

研究结果表明,亲水胶体、变性淀粉和多酚的添加均影响了粉圆的质构和蒸煮特性。3种亲水胶体均减小了粉圆的硬度,但对弹性的影响不显著,其中黄原胶和羧甲基纤维素改善了粉圆的内聚性,瓜尔胶对此影响并不显著。2种变性淀粉增大了粉圆的硬度、弹性和内聚性,在内聚性方面,羟丙基二淀粉磷酸酯有更好的改良效果。3种多酚均减小了粉圆的硬度,增大了弹性和内聚性。在蒸煮特性方面,3类改良剂均延长了最佳蒸煮时间,不同的是,亲水胶体和变性淀粉降低了粉圆蒸煮的干物质吸水率和损失率,有改善粉圆蒸煮品质的作用,多酚则反之。

优化得到的粉圆改良剂配方(以质量分数计)为羧甲基纤维素0.28%,羟丙基二淀粉磷酸酯10.62%,茶多酚0.40%。验证实验,得到粉圆的规范化综合评分值达1.02分,与模型预测值1.07分接近。复配组粉圆感官得分较对照组提高了28.70%,且相比于单一改良剂,复配改良剂的感官提升效果更优。通过储藏实验发现,复配改良剂能够有效控制生粉圆的菌落总数,减缓熟粉圆老化的速率。