饼干加工中丙烯酰胺的控制与工艺优化

陈莫林,董加宝

(湖南科技学院 化学与生物工程学院,湖南 永州 425199)

丙烯酰胺(Acrylamide,AA)是一种小分子有机物,极易溶于水[1],为无色无味的结晶体,是一种不饱和酰胺分子,其化学分子式为CH2CHCONH2。有些食品如油炸薯条、面包、饼干和谷物早餐等在高温加工(如油炸、烘焙等)过程会产生丙烯酰胺[1]。人类长期接触和吸收丙烯酰胺,会对身体产生一系列程度不同的损害,比如神经系统、生殖系统等,短时间内大量摄入丙烯酰胺也会导致神经毒性症状的出现[2]。1994年,国际癌症研究机构组织(IARC)将丙烯酰胺列为“ⅡA类致癌物”,即“人类可能致癌物”[3]。

饼干是一种常见的高温焙烤食品,具有食用方便、贮藏期长、不易损坏、容易携带、口味丰富等众多优点,深受人们喜爱。但在饼干的加工过程中由于其原材料、所需高温焙烤等条件,常常容易导致丙烯酰胺的形成[4-5],而丙烯酰胺的生成量一旦超标,会造成对人体的伤害。因此,通过优化饼干加工工艺对丙烯酰胺生成量控制具有重要意义。

1 实验材料与方法

1.1 材料及试剂

本实验所用主要材料与试剂如表1所示。

表1 实验主要材料与试剂

1.2 实验器材

本实验所用主要仪器设备如表2所示。

表2 主要实验仪器

1.3 实验方法

1.3.1 饼干制作的工艺流程

配料称重→配料预处理→混合搅拌均匀→调制面团→发酵面团→棍印成型→装盘烘烤→冷却→整理→成品。

1.3.2 操作要点

1)配料称重:将制作饼干所需的各种物料按照配方称好,备用。

2)配料:将已称好的白砂糖与水充分混合,并不断搅拌使糖溶解完全后,适当滴加柠檬酸溶液混合,再把食用油、食盐、食用碳酸氢铵、饼干膨松剂、小苏打等加入搅拌机中混合搅拌乳化均匀,最后加入已混合均匀的面粉、全脂奶粉、鸡蛋、淀粉等,搅拌3～5 min。搅匀为止,不宜多搅。

3)棍印成型:将搅好的面团放置3～5 min后,用手工成型。

4)装盘:将烤盘放入指定位置,调整好前后位置,并在表面刷上一层食用油以避免面团黏住。其中每个生坯的间距摆放不能过于密集,并且间距应均匀。

5)烘烤:在已经预热好的烤箱中放入装好面团的烤盘,烘烤4～8 min,至饼干外观表面呈棕黄色为止。

6)成品:将制成的饼干样品冷却,待用。

1.3.3 丙烯酰胺含量的测定

参考文献[6]进行样品中丙烯酰胺含量的测定。

1.3.4 饼干加工工艺单因素实验

单因素实验采用饼干成品中丙烯酰胺的含量和感官评分作为评价指标,两个评价指标所占比重一样。分别考察烘烤温度(140,160,180,200,220 ℃)、烘烤时间(4,5,6,7,8 min)、天冬酰胺酶添加量(300,400,500,600,700 mg/kg)及pH值(4.0,5.0,6.0,7.0,8.0)对饼干丙烯酰胺生成量和品质的影响。

1.3.5 正交实验

以上述饼干加工工艺的单因素实验为基础,在此基础上选择对饼干制作工艺的四个影响因素进行三水平的正交实验(烘烤时间A、烘烤时间B、天冬酰胺酶用量C、pH值D四个因素按照L9(34)正交表进行正交试验),同时以饼干成品的感官评分、丙烯酰胺含量作为指标值,通过实验数据分析得出最优水平组合,并进行验证实验,最终得到使饼干口感最佳,丙烯酰胺含量最少的最优加工工艺。

1.3.6 感官评价

选取10名非专业的同学(男生5名、女生5名)和10名本专业的同学(男生5名、女生5名),对制作出来的饼干进行感官评价打分,主要包括以下四个方面的内容:形态、色泽、气味、组织与杂质,并根据评分标准对饼干成品进行客观评分。在评分过程中,每个人对成品的评价要单独进行,相互不能进行相关的沟通和交流,确定每个评分成员的个体性,最终选取平均分数。表3即为感官评分标准。

表3 感官评定标准表

2 结果与分析

2.1 饼干加工工艺的单因素实验结果与分析

2.1.1 烘烤温度的影响

不同烘烤温度对饼干中丙烯酰胺的含量及感官评价见图1。

图1 烘烤温度对饼干中丙烯酰胺含量及感官评分的影响

如图1所示,刚开始时,随着烘烤温度逐渐上升,饼干成品中的丙烯酰胺含量也在不断增长,在180 ℃时丙烯酰胺的生成量达到最高,但随着烘烤温度的不断增加,丙烯酰胺的生成量开始逐渐下降。同时对感官评分的曲线观察可以看出,烘烤温度上升,感官评分也随之增加,但前期变化程度不算太大,在220 ℃时感官评分最高,但随着烘烤温度的增加,饼干有时会出现过焦现象,进而导致感官评分下降。实验结果显示,200 ℃时饼干中丙烯酰胺的含量及感官评分的综合效果最佳。

2.1.2 烘烤时间的影响

不同烘烤时间对饼干中丙烯酰胺的含量及感官评价见图2。

图2 烘烤时间对饼干中丙烯酰胺含量及感官评分的影响

如图2所示,烘烤时间从4～8 min不断增加,饼干成品中的丙烯酰胺含量先随之升高后降低。在烘烤时间为6 min时,饼干成品中丙烯酰胺的含量达到最高,而对感官评分曲线进行观察可以看出,在4～5 min的时间内感官评分呈增长状态达到最高,但烘烤时间越长,饼干成品的表面也会出现过焦变黑与破碎现象,因此导致饼干的外观与口感的质量也在不断下降,即感官评分也随之下降。结果显示,烘烤时间为5 min时饼干中丙烯酰胺的含量及感官评分的综合效果最佳。

2.1.3 天冬酰胺酶用量的影响

不同天冬酰胺酶用量对饼干中丙烯酰胺的含量及感官评价见图3。

图3 天冬酰胺酶的用量对饼干中丙烯酰胺含量及感官评价的影响

如图3所示,当天冬酰胺酶的用量不断增加时,饼干成品中丙烯酰胺的含量也随之不断下降。这是因为天冬酰胺容易被天冬酰胺酶催化水解,形成天冬氨酸和氨,从而导致丙烯酰胺含量的减少,所以天冬酰胺酶的用量越多,丙烯酰胺的含量越少,但当天冬酰胺酶的用量增加到500 mg/kg之后,其丙烯酰胺含量下降的程度开始不明显。同时对感官评分的曲线观察可以看出,天冬酰胺酶的用量在300～700 mg/kg不断增加时,在500和600 mg/kg时评分较高,但感官评分总体变化幅度不大,这是因为天冬酰胺酶不会影响参加美拉德反应的其他氨基酸和还原糖。结果显示,天冬酰胺酶用量为500 mg/kg时饼干中丙烯酰胺的含量及感官评分的综合效果最佳。

2.1.4 pH值的影响

pH值对饼干中丙烯酰胺的含量及感官评价见图4。

图4 pH值对饼干中丙烯酰胺含量及感官评分的影响

如图4所示,当pH值从4增加到7时,饼干成品中丙烯酰胺的含量不断增加且增加幅度显著,pH值为8时略有下降但含量仍较多,中性条件下为丙烯酰胺的最佳生成条件,当pH值为酸性条件时丙烯酰胺含量较低,所以应适当降低体系中的pH值来减少丙烯酰胺的产生。结果显示,pH值6时饼干中丙烯酰胺的含量及感官评分的综合效果最佳。

2.2 正交实验结果与分析

以饼干加工工艺的单因素实验得出的结论为基础,把对饼干产品中丙烯酰胺含量的影响因素烘烤温度(A)、烘烤时间(B)、天冬酰胺酶用量(C)、pH值(D)四个因素按照L9(34)正交表格进行正交实验,实验各水平及各因素见表4,表5为正交实验设计及结果,以感官评分为考察指标,依据正交实验结果,确定最佳的饼干制作工艺条件。

表4 正交实验水平表

表5 正交实验设计及结果

由表5正交实验的结果可得:比较极差可知RA>RC>RD>RB,所以各加工工艺的影响因素按从大到小排列分别是:A>C>D>B,即烘烤温度影响最大,其次是天冬酰胺酶的用量和pH值,而烘烤时间的影响程度相对来说最小。烘烤温度越高,烘烤时间越长,就会容易导致饼干成品发生过焦现象,从而导致饼干表面变黑、产生糊味、口感变硬等,故感官评分也会变差,而当处于过酸条件下时也会导致生成的饼干产品产生酸味,影响其口感等。而九组正交实验中由高效液相色谱法测得的丙烯酰胺含量相差较小,没有较大区别,均在30～35 μg/kg,所以正交实验结果主要以感官评分为判定指标。在九组正交试验中,第六组实验A2B3C2D2的结果最好;而比较K值平均值可知最佳因素水平组合为A2B3C1D2,即烘烤温度200 ℃,烘烤时间6 min,天冬酰胺酶用量400 mg/kg,pH值6为最佳的饼干加工工艺,其感官评分最好。

2.3 正交实验验证结果

按照上述正交实验得出的最佳正交配方,对其进行了验证实验,结果如表6所示,验证组饼干成品的感官评分平均值为88.50,即此配方结果优于正交实验第六组的结果,故组合A2B3C1D2较好。

表6 正交实验验证表

2.4 感官评价结果

挑选10名非专业的同学(男生5名、女生5名)和10名本专业的同学(男生5名、女生5名),分别从形态、组织与杂质、色泽和气味四个方面来进行评价,并按照表3的评分标准客观进行评分,取平均值,其结果见图5。

图5 感官评分结果雷达图

如图5所示,从感官评分结果来说,在气味方面评分最高(评分为89分),具有该饼干品种本身的香味,且香味浓郁诱人;在色泽方面评分也很高(评分为83分),饼干成品总体呈棕黄色,且色泽均匀,观感良好;在组织与杂质方面评分比较低(评分为68分),其断层结构孔洞不够细密,偶尔有零星大的孔洞出现,但无异物产生;在形态方面评分最低(评分为59分),饼干成品的外观形状不够完整,略微有破碎,且部分饼干成品的厚薄不够均匀。

3 结论

本研究通过单因素实验和正交试验来研究其加工工艺,运用高效液相色谱法测定饼干产品中丙烯酰胺的含量,同时饼干产品进行感官评分,综合测得丙烯酰胺含量和感官评分两者的结果,主要得到以下结论:通过单因素实验和正交实验,以烘烤温度(A)、烘烤时间(B)、天冬酰胺酶用量(C)、pH值(D)为自变量,以饼干成品的感官评分及丙烯酰胺含量为因变量,将这四个加工工艺因素的极差进行比较进而得出:RA>RC>RD>RB,即这四个加工工艺因素影响程度的顺序为A>C>D>B,即烘烤温度对丙烯酰胺含量影响最大,其次是天冬酰胺酶用量,而pH值和烘烤时间的影响相对较小;得到最佳的组合是A2B3C1D2,即烘烤温度为200 ℃,烘烤时间为6 min,天冬酰胺酶用量为400 mg/kg,pH值为6,该工艺条件下制作而成的饼干成品的丙烯酰胺含量相对而言较低,为30 μg/kg。同时饼干成品形态完整花纹清晰,颜色为该饼干品种特有的均匀的棕黄色,且香味浓郁诱人无异味,断面结构也较为细密,更为大多数人喜欢,感官评分也较高。