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(1.北京工商大學(xué),北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心, 北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心,北京 100048; 2.山東龍力生物科技股份有限公司,山東禹城 251200)

谷物在飲食結(jié)構(gòu)中占有十分重要地位[1]。目前市場上的谷物類產(chǎn)品種類繁多,其加工方式也各不相同,其中蒸煮是較傳統(tǒng)、常見的一種。研究表明較蒸制相比,煮制是一種較好的加工方式。這種加工方式以水為介質(zhì),傳熱效率高,且熟化充分[2]。但由于各種谷物的熟化時間不同,在制備混合谷物煮制品時無法使每一種谷物同時達(dá)到最佳的感官狀態(tài)。因此,我們提出均一熟化這一概念,即通過預(yù)處理,使各種谷物在同一時間煮制時間內(nèi),均達(dá)到最佳感官狀態(tài)。目前對于單一谷物品質(zhì)改善的研究較多[3],對于混合谷物主要集中于谷物膨化、沖調(diào)粉的研究[4],對于不同種類的谷物在均一時間煮制熟化的研究相對較少。本研究將通過對谷物進(jìn)行不同程度的破碎處理,使谷物達(dá)到均一熟化,為混合谷物煮制產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)。

口腔處理食物的過程分為食物攝取、咀嚼以及吞咽三個階段[5]。目前學(xué)者對于食品品質(zhì)的研究也主要集中在攝取、咀嚼兩個階段,TPA是較成熟的、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的模擬口腔中這兩個階段的檢測手段[6-8]。在第三階段,需要用摩擦學(xué)來解釋口腔中的變化[9]。在食品摩擦學(xué)檢測中,兩個摩擦表面之間的摩擦特性通常表現(xiàn)為Stribeck曲線。Stribeck曲線的趨勢變化通?？梢詣澐譃槿齻€區(qū)間,邊界層區(qū),混合層區(qū)和水動力層區(qū),代表三種不同的狀態(tài)。如圖1中的Stribeck曲線所示,在邊界層區(qū),參數(shù)與顆粒大小相關(guān),需要摩擦學(xué)解釋;在水動力層區(qū),流體壓力和流動阻力足夠大,曲線的回升趨勢變化與流變學(xué)性質(zhì)相關(guān);混合層區(qū)共同作用[10]?；诳谇恢械募庸み^程,本研究將從質(zhì)構(gòu)、摩擦學(xué)兩個角度對煮制谷物的品質(zhì)進(jìn)行全面描述,為進(jìn)一步了解9種谷物的煮制特性及在食品工業(yè)中的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

圖1 Stribeck曲線Fig.1 Stribeck curve

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米 吉林省吉林市;圓糯米 黑龍江省建三江;小麥 山東省高密市;小米、黑米、燕麥、大麥、粘白高粱 河北省張家口市;蕎麥 遼寧省沈陽市;膠帶(3M膠帶1527～2) 醫(yī)療級,美國。

FW100高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;6、8、10、12、14、16方孔標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩 浙江上虞市公路儀器廠;SZ26B5蘇泊爾加厚不銹鋼蒸鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司;電磁爐 上海林頻儀器股份有限公司;Discovery Hybrid Rheometer流變儀、45 mm Sample Cup 533281.901底座、SST BEAM COUPLING 202902.001平板、Ball on 3 Flates Tribology geozetry夾具 美國TA公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 未破碎的9種谷物最佳煮制時間的研究 將9種谷物分別加入沸水中煮制,料液比1∶10,每隔5 min撈取谷物顆粒約100 g,均分為10份置于白瓷盤中,當(dāng)所有谷物顆粒均漲裂時結(jié)束取樣,備用進(jìn)行感官評價。感官評價指標(biāo)參照表1。

表1 熟制谷物的品評標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria for cooked grains

1.2.1.2 破碎粒徑的研究 將黑米、燕麥、大麥、小麥、粘白高粱,用粉碎機(jī)進(jìn)行不同程度的破碎,過篩,分成不同的粒徑范圍(2.5～3.5、2.0～2.5、1.6～2.0、1.4～1.6 mm),分別加入沸水中,每隔5 min進(jìn)行取樣,均分為10份置于白瓷盤中,30 min后,結(jié)束取樣,備用。將所取樣品進(jìn)行感官評定,感官評價得分最高時對應(yīng)的粒徑范圍為最佳粒徑。感官評價指標(biāo)參照表1。

1.2.1.3 9種谷物均一熟化時間的研究 用粉碎機(jī)將黑米、燕麥、粘白高粱、大麥、小麥破碎至粒徑范圍分別為:1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm,備用;圓糯米、大米、小米、蕎麥不破碎。將此9種谷物分別加入沸水中煮制,料液比1∶10,每隔5 min撈取谷物顆粒約100 g,均分為10份置于白瓷盤中,當(dāng)谷物熟化至所有顆粒均漲裂時結(jié)束取樣,備用,進(jìn)行感官評價。

1.2.2 感官評定 由10名評審員組成的感官評定小組,在實(shí)驗(yàn)前對評審員進(jìn)行集中訓(xùn)練以確認(rèn)谷物的感官特性。

品評內(nèi)容:品評熟化后谷物的色、香、味、外觀性狀及適口性及滋味等項(xiàng)[11]。評價時保持安靜,不能討論,每品嘗完一個樣品后用37 ℃左右純凈水漱口。每個樣品做3次重復(fù)試驗(yàn),取平均值。參考評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15682-2008[12]并適當(dāng)修改如表1。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)特性測定 取制備完成的樣品,其中每組樣品取20個谷物顆粒進(jìn)行質(zhì)構(gòu)參數(shù)檢測,并對各個物性指標(biāo)求其平均值。檢測條件如下[13]:對于未煮制的樣品,壓縮形變5%,測試速率1 mm/s,觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載5 g,探頭TA11/1000;對于煮制時間5 min及其以上的樣品,壓縮形變50%,測試速率0.2 mm/s,觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載5 g,探頭TA11/1000;選取參數(shù)為硬度、粘力、彈性、咀嚼性。壓縮形變?yōu)?0%時測得的樣品的硬度換算為形變?yōu)?%時的硬度,再進(jìn)行比較。硬度換算方法如下:

壓縮形變=壓縮距離/樣品高度

將壓縮形變換算成壓縮距離后進(jìn)而在原始數(shù)據(jù)中找到此壓縮距離下對應(yīng)的負(fù)荷值,即為此形變下的硬度值。

1.2.4 摩擦學(xué)指標(biāo) 將9種谷物分別均一熟化和熟化,各取50 g左右的樣品至于白瓷盤中,室溫下冷卻后備用。將3M粗糙膠帶貼在配有摩擦學(xué)配件的流變儀的平板上模擬人類舌頭的疏水粗糙表面,將樣品均勻平鋪于上方,進(jìn)行檢測[14]。探頭Full ring on Tribology geometry程序參數(shù)設(shè)定如下:溫度37 ℃、軸向應(yīng)力1.3 N、初始速度0.01 rad/s、終止速度30 rad/s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均測平行,數(shù)據(jù)均舍棄異常值。數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS Statistics,繪圖軟件為excel和TA Instruments Trios v4.2.1.36612。

2 結(jié)果與分析

2.1 未破碎的9種谷物最佳煮制時間的確定

谷物到達(dá)最佳煮制時間時的感官評分最高。未經(jīng)破碎處理的9種谷物感官評分隨煮制時間的變化如圖2所示,大米、小米、圓糯米、蕎麥仁中的碳水化合物含量較高其最佳煮制時間在20～30 min之間;黑米、粘白高粱、大麥的最佳煮制時間在50～60 min之間;小麥、燕麥的最佳煮制時間在65 min之后。9種谷物最佳煮制時間各不相同,且存在差異。谷物中的主要成分包括碳水化合物、纖維、脂肪和蛋白質(zhì),由于各種谷物間成分組成與顆粒大小差異較大,其煮制最佳時長也存在較大差異。

圖2 未破碎處理谷物感官評分隨煮制時間的變化Fig.2 Changes of sensory evaluation of unbroken grains varied with cooking time

2.2 破碎粒徑的確定

對較難煮制的黑米、粘白高粱、大麥、小麥、燕麥進(jìn)行破碎預(yù)處理。破碎可以減少煮制熟化時間,破碎后水分向谷物內(nèi)部的遷移速率增加,加快傳熱[15],但過度破碎使谷物口腔中咀嚼時的顆粒感喪失。為使9種谷物在蒸煮過程中達(dá)到均一熟化,且不影響口感,對不同粒徑的谷物進(jìn)行感官評價。結(jié)果如圖3所示,黑米破碎粒徑范圍在1.6～2.0 mm之間,感官評分最高為92分;燕麥破碎粒徑范圍在1.6～2.0 mm之間,感官評分最高達(dá)88分;粘白高粱破碎粒徑范圍在1.6～2.0 mm之間,感官評分最高達(dá)90分;大麥破碎粒徑范圍在2.5～3.5 mm之間,感官評分最高達(dá)90分;小麥破碎粒徑范圍在2.0～2.5 mm之間,感官評分最高達(dá)91分;且在該粒徑范圍下各自都已熟化,因此確定黑米、燕麥、粘白高粱、大麥、小麥在煮制35 min時達(dá)到均一熟化所需粒徑范圍分別為:1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm。

圖3 不同粒徑范圍的熟化谷物的感官評價Fig.3 Sensory evaluation of cured gains with different particle size

2.3 破碎后9種谷物及最佳煮制時間的確定

將部分谷物破碎處理后9種谷物煮制時間較為統(tǒng)一,大米、小米、黑米、小麥、燕麥、圓糯米、蕎麥仁、粘白高粱、大麥的最佳煮制時間分別為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內(nèi)達(dá)到均一熟化。經(jīng)破碎處理后9種谷物達(dá)到最佳煮制時間時的感官評分基本保持不變,均在90分左右。由圖4與圖2對比得知,黑米、燕麥、大麥、小麥經(jīng)破碎處理后感官評分稍有降低,粘白高粱經(jīng)破碎處理后感官評分稍有增高?？芍?破碎處理后9種谷物都能在25～35 min內(nèi)達(dá)到均一熟化,且破碎處理對谷物的感官影響不大。

圖4 經(jīng)破碎處理后谷物的感官評分隨煮制時間的變化Fig.4 Changes of sensory evaluation of broken grains varied with cooking time

2.4 9種谷物均一熟化前后質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化

2.4.1 硬度的變化 硬度是使得產(chǎn)品形變或穿透產(chǎn)品所需的力有關(guān)的機(jī)械質(zhì)地特性,是將樣品放置在臼齒上或舌頭與上顎間均勻咀嚼,評價壓迫食品所需要的力量,是衡量食品品質(zhì)的十分重要的指標(biāo)[16]。由圖5A可知,隨煮制時間的增加,9種谷物的變化趨勢相同,均呈現(xiàn)先急劇降低,再緩慢降低,最終趨于平穩(wěn)的變化趨勢;當(dāng)曲線處于平穩(wěn)時,谷物達(dá)到軟化極限。9種未經(jīng)破碎處理的谷物到達(dá)平穩(wěn)區(qū)間所需的時間各不相同,且此區(qū)間內(nèi)硬度范圍波動較大在6～23 g間。硬度的大小與谷物中淀粉的含量呈負(fù)相關(guān),與纖維的含量呈正相關(guān)[17],因此大米、小米、圓糯米、蕎麥仁硬度范圍較低在6～10 g,燕麥、大麥、小麥、粘白高粱的硬度范圍居中在13～23 g,粘白高粱的硬度最高達(dá)20～23 g。結(jié)合感官評價結(jié)果發(fā)現(xiàn),感官評價總分最高的區(qū)間所對應(yīng)的硬度均在10 g左右。由圖5B可知,9種破碎谷物的硬度隨蒸煮時間的變化趨勢與未經(jīng)破碎相同,但到達(dá)平穩(wěn)區(qū)所需時間減少,其原因可能是破碎使水與谷物的接觸面積增大,分子膨脹度增加,可溶性分子更易溶出,減弱相互作用力,從而硬度降低加快[18];平穩(wěn)區(qū)間硬度范圍較集中在6～12 g間,與未破碎相比硬度降低且更接近最佳口感,破碎處理有利于谷物在較短時間內(nèi)達(dá)到最適硬度范圍。

圖5 未破碎谷物(A)與破碎谷物(B)的 硬度隨煮制時間的變化Fig.5 Changes in the hardness of unbroken(A)and broken(B)grain with cooking time

2.4.2 粘力的變化 粘力反映了谷物樣品在口腔中的粘著性[16];由圖6A可知,粘力隨煮制時間的變化趨勢分為兩類,一類是大米、圓糯米、蕎麥,在煮制過程中粘著性先明顯增加后降低,且其峰值粘著性較高;其他谷物的粘力變化范圍較小,整體趨勢較為穩(wěn)定。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是大米與圓糯米成分中淀粉含量較高,淀粉糊化會發(fā)生膨脹同時增加粘附性,而蕎麥在加熱過程中會有多糖析出的現(xiàn)象,從而粘性增加[19-20]。大米在煮制15 min時發(fā)到粘力最大值(12.44±0.17) g。除這3種谷物外,其他谷物的粘力較穩(wěn)定大小處于2～4 g之間。由圖6B所知,經(jīng)破碎處理的谷物粘力范圍較集中約4 g左右,與未經(jīng)破碎的谷物相比粘力變化不大。推測粘度大小的變化與成分的種類與比例相關(guān),破碎處理對谷物所含成分含量影響較小,所以幾乎不對粘度產(chǎn)生影響。

圖6 未破碎谷物(A)與破碎谷物(B)的 粘力隨煮制時間的變化Fig.6 Changes in the viscous force of unbroken(A)and broken(B)grain with cooking time

2.4.3 彈性的變化 彈性是指食品在咀嚼過程中取消壓迫并評價樣品恢復(fù)形變的速度和程度[16]。由圖7A、圖7B可知,隨著煮制時間的延長,9種未破碎谷物的彈性先增加后降低,較未破碎相比,破碎后的谷物彈性有所降低,但其隨時間的變化波動較小。這種韌性的變化規(guī)律與感官評價結(jié)果相一致,具有相關(guān)性。大麥、小麥、燕麥和粘白高粱的彈性較大,彈性降低轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需時間長,表明其不易熟化的特點(diǎn),其結(jié)果與感官評價結(jié)果相同。

圖7 未破碎谷物(A)與破碎谷物(B)的 粘性隨煮制時間的變化Fig.7 Changes in the elasticity of unbroken(A) and broken(B)grain with cooking time

2.4.4 咀嚼性的變化 咀嚼性可以模擬表示樣品內(nèi)部的粘合力,評價樣品吞咽時所需的能量[16]。由圖8A可知,隨煮制時間的延長,咀嚼性降低。小麥、大麥和燕麥的吞咽時所需能量較大,更不易咀嚼,煮制時間超過40 min后咀嚼性趨向于穩(wěn)定,其值約為2 mJ。小米、大米、糯米和蕎麥值較低,更易吞咽。觀察圖8B發(fā)現(xiàn),破碎后的谷物隨煮制時間的變化,咀嚼性較穩(wěn)定,均可處于0～2 mJ之間;咀嚼性與煮制過程中的溶出物含量正相關(guān),破碎處理后直鏈淀粉、氨基酸等溶出增加,所以,與未破碎谷物相比其咀嚼性顯著降低[21]。咀嚼性是與食品的硬度、粘度、彈性共同影響的綜合性參數(shù),這一結(jié)果也表明破碎將更利于煮制產(chǎn)品的吞咽。

圖8 未破碎谷物(A)與破碎谷物(B)的 咀嚼性隨煮制時間的變化Fig.8 Change in the chewiness of unbroken(A) and broken(B)grain with cooking time

2.5 9種谷物均一熟化前后摩擦系數(shù)的變化

圖9A所示為9種谷物熟化后產(chǎn)生的摩擦曲線,可觀察到不同轉(zhuǎn)速即不同吞咽速率下的摩擦系數(shù)的變化。根據(jù)Stribeck曲線的分區(qū),邊界層區(qū)處于低轉(zhuǎn)速區(qū)[10](v<1 mm/s)。結(jié)果表明低轉(zhuǎn)速區(qū)摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加,即吞咽速率增加則口腔中的粗糙感增加。人體口腔中攝入食團(tuán)的平均速率為0.1 mm/s[22],由表2可知,9種谷物在此轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)排序?yàn)?粘白高粱>大麥>黑米>燕麥>大米>圓糯米>小麥>蕎麥仁>小米,這與感官評價中,吞咽的難易程度呈正相關(guān)[23],即熟化后谷物摩擦系數(shù)越大,感官評價吞咽時剌嗓子程度越重;在不同轉(zhuǎn)速下粘白高粱的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于其它8種谷物為1.64±0.16,小米的摩擦系數(shù)最小為0.56±0.02,造成這一差異的主要原因可能是顆粒的大小,其次與其纖維含量與硬度相關(guān)。由圖9B可知,經(jīng)破碎處理均一熟化的谷物摩擦系數(shù)顯著降低,不同轉(zhuǎn)速下各谷物摩擦系數(shù)的差異較小,吞咽時粗糙感、顆粒感程度降低,更利于吞咽。9種谷物在均一熟化后的摩擦系數(shù)排序?yàn)?粘白高粱>大米>黑米>圓糯米>小麥>大麥>蕎麥仁>燕麥>小米。其中粘白高粱的摩擦系數(shù)仍為最大,但與未均一熟化相比顯著降低(p<0.05),為1.12±0.11;經(jīng)破碎處理后燕麥的摩擦系數(shù)變化最為顯著(p<0.05)，由1.02±0.05減小為0.59±0.03,分析除顆粒外,有韌性的表皮纖維也是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

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

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

3 結(jié)論

通過本研究發(fā)現(xiàn),對谷物進(jìn)行破碎處理是縮短煮制時長的有效方式,黑米、燕麥、粘白高粱、大麥、小麥顆粒的破碎粒徑范圍在1.6～2.0、1.6～2.0、1.6～2.0、2.5～3.5、2.0～2.5 mm,蕎麥、小米、大米和圓糯米未破碎時,9種谷物可在25～35 min內(nèi)達(dá)到均一熟化;破碎處理對熟化過程中和熟化后谷物的物理特性產(chǎn)生不同程度的影響。通過TPA測試了谷物在熟化過程中質(zhì)構(gòu)的變化,結(jié)果顯示破碎處理對粘度影響不大,但可使谷物迅速軟化到最佳狀態(tài),降低咀嚼過程中韌性和吞咽時的耗能。破碎處理明顯改善了谷物的煮制品質(zhì),這一結(jié)果為混合谷物煮制食品的研發(fā)提供參考。熟化后摩擦系數(shù)的值與感官評價中剌嗓子程度呈正相關(guān)。顆粒大小可能是影響摩擦系數(shù)的主要因素,因此均勻熟化的谷物摩擦系數(shù)更小,吞咽時更爽滑,剌嗓子程度減弱。TPA是一種標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的關(guān)于食品感官品質(zhì)的分析方法,而摩擦學(xué)在食品品質(zhì)描述上的應(yīng)用剛剛起步,國內(nèi)外關(guān)于摩擦系數(shù)與食品品質(zhì)的結(jié)合的相關(guān)性仍有待探索。希望通過本研究,拓展摩擦學(xué)在食品行業(yè)的應(yīng)用,完善學(xué)者對于食品品質(zhì)的探索,同時為特殊吞咽障礙食品的研發(fā)提供參考。