混合試驗儀Mixolab確定低成本水晶粉絲配粉最佳配方

張小燕,李梅林,陳興葉,彭 濤,張 輝,殷 欣,路宏科,王 博

(甘肅省輕工研究院有限責任公司,甘肅蘭州 730000)

馬鈴薯是一種重要的經濟兼糧食作物,是繼小麥、水稻和玉米之后的世界第四大主糧作物[1]。自2015年中國啟動馬鈴薯主糧化戰略以來,馬鈴薯產業發展,產品日益多樣化,預計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費。馬鈴薯具有很高的營養價值,其淀粉含量為9%～20%,蛋白質含量為1.5%～2.3%,脂肪含量為0.1%～1.1%,粗纖維為0.6%～0.8%[2]。延長馬鈴薯產業鏈,制取馬鈴薯淀粉及其變性淀粉,不僅可以廣泛應用于化工食品、醫療、紡織等行業,而且還可以開辟馬鈴薯在食品領域中更多的應用[3]。由于淀粉的流變特性可以預測、解釋不同淀粉基食品的質地變化情況,因此在淀粉基食品加工設備設計、質量控制、貯藏穩定性、結構研究、產品的開發和感官評價等方面,其流變學性質尤為重要,淀粉及其淀粉糊的流變學特性研究已經成為食品領域的熱點之一[4]。目前,市面上的粉條多是以馬鈴薯淀粉制作的。相比于小麥淀粉和木薯淀粉,純馬鈴薯淀粉粉條的生產成本較高,相對于售價而言利潤空間不大,同時競爭能力不強。因此,將馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、小麥淀粉混合,再輔以谷朊粉、復合增稠劑制作的粉絲,口味與品質不輸純馬鈴薯淀粉制作的粉絲,具有廣闊的應用前景和市場空間。

混合試驗儀Mixolab是由法國肖邦公司推出的面粉、谷物粉流變學品質和酶學特性的分析儀器。它通過實時記錄粉團揉混過程中兩個攪拌刀的阻力變化,可以測量粉團在揉混和溫度兩個制約因素作用下的流變學特性,從而得到樣品粉質特性的完整信息、加水成團特性和淀粉熟化老化特性[5-8]。本文采用新型的流變學檢測儀器Mixolab混合試驗儀,對企業提供的三種馬鈴薯淀粉、市售的鮮木薯淀粉和小麥淀粉的流變學特性進行測定,然后在自有產品水晶粉絲樣品配料的基礎上,配以谷朊粉、復合增稠劑等輔料,以期找到不同配料間的差異性,優化產品配方,在不影響產品品質的基礎上降低成本,提高利潤空間。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉a、b、c 甘肅省定西市三家馬鈴薯淀粉加工企業提供;鮮木薯淀粉、小麥淀粉、谷朊粉、復合增稠劑等 市售。

Mixolab混合實驗儀 法國肖邦儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 測定水分含量 測定不同品種淀粉樣品水分含量[9]。

1.2.2 不同馬鈴薯淀粉的Mixolab測試 在曾凡逵等[10-12]方法的基礎上稍作修改。淀粉加水混合形成粉團后,粉團在恒溫、升溫及降溫過程中,攪拌刀片(在恒定轉速下)受到的扭轉隨時間的變化關系。在Chopin+85協議中,被測定的粉團重量為85 g,粉團的稠度以1.1 N.m為標準,即粉團的最大扭矩(峰值)達到(1.1±0.07) N.m,相當于布拉本德粉質儀500 BU。其中,標準實驗的溫度控制分以下三個過程:恒溫過程:30 ℃恒溫8 min;升溫過程:以4 ℃/min的速度升溫到90 ℃,并在90 ℃保持7 min;降溫過程:以4 ℃/min的速度降溫到50 ℃,整個測定過程共40～45 min。

采用標準方法Chopin+85測試協議,吸水率(加水量)按照72%,14%濕基條件下,對三種馬鈴薯樣品加以測試對比,根據測試結果,兼顧樣品采購成本,確定低成本粉絲的主原料馬鈴薯淀粉品種。

1.2.3 替代淀粉樣品適量加水Mixolab測試 采用標準方法Chopin+85測試協議,14%濕基條件不變,調整吸水率(吸水率由粉料含水量而定),對取代淀粉—鮮木薯淀粉、小麥淀粉的特性進行測試。

1.2.4 低成本粉絲的配方優化 在考慮馬鈴薯淀粉主原料成本的基礎上,14%濕基條件不變,將部分馬鈴薯淀粉用木薯淀粉和小麥淀粉代替,確定三者配比關系,并以谷朊粉含量、復合增稠劑含量、吸水率為三個影響因素,按梯度變化:谷朊粉含量2%、4%、6%(復合增稠劑確定條件下調整配料粉團目標扭矩),復合增稠劑含量0.5%、0.8%、1.1%(谷朊粉確定條件下調整配料粉團目標扭矩),吸水率60%、64%、68%(谷朊粉和復合增稠劑確定條件下調整配料粉團目標扭矩),58%、59%、60%(調整低成本粉絲配料粉團目標扭矩),進行配方優化,最終確定低成本粉條產品的最佳配方。

1.3 數據處理

本實驗采用Mixolab系統自帶軟件分析處理數據。

2 結果與分析

2.1 不同淀粉水分測定結果

采用GB/T 12087檢測方法,不同淀粉水分含量測定結果見表1,以此來校準實驗設定的14%濕基,進而確定吸水率的大小。

表1 不同淀粉的水分測定結果

2.2 混合試驗儀曲線及各指標特性

混合試驗儀曲線及各指標特性見圖1(圖1之后所有曲線圖中,和面體溫度和粉團溫度以及C1～C5、Cs等標識均相同,圖中不再標出。)。

圖1 混合試驗儀曲線圖

圖中各指標參數意義為:

區域①:粉團的形成。在實驗開始的30 ℃恒溫揉混階段,可用于測定粉團的吸水率,同時通過揉混確定粉團的穩定時間、形成時間、彈性等參數。實驗設定(1.1±0.07) N.m為標準扭矩;

區域②:蛋白質弱化。該階段顯現了粉團的粘稠度隨著面團溫度的升高而降低,下降程度的大小取決于粉團蛋白的品質;

區域③:淀粉糊化。當粉團溫度升高到一定溫度時,淀粉糊化的現象開始變得明顯,此時可以觀察到粉團稠度增加的現象,增加的程度大小取決于淀粉的品質,在某些情況下,還取決于所添加的添加劑種類;

區域④:淀粉酶活預測。這一階段末端的稠度值在很大程度上取決于所使用的粉團自身或添加的淀粉酶活性。淀粉酶的活性越高,反應在曲線上就是稠度值降得越多;

表2 混合實驗儀指標特性

區域⑤:淀粉回生。隨著粉團溫度的降低,淀粉開始出現回生,粉團稠度在不斷增加。一些添加劑可以使粉團因溫度降低而產生的影響減小,進而防止產品的過早老化,使最終的產品變得更加柔軟可口。

2.3 不同淀粉樣品Mixolab結果分析

吸水率是淀粉/面粉加水混合成團,達到目標稠度(特定軟硬度)的加水量。吸水率直接決定產品加工的經濟性。不同馬鈴薯淀粉樣品加水成團(粉質階段,即C2之前階段;粘質階段,即C2之后階段)的對比測試結果見圖2、表3和表4。

表3 不同馬鈴薯淀粉的Mixolab標準測試粉質階段結果(Hydration=72%)

表4 不同馬鈴薯淀粉的Mixolab標準測試粘度階段結果(Hydration=72%)

圖2 不同馬鈴薯淀粉的Mixolab測試曲線圖(Hydration=72%)

2.3.1 不同馬鈴薯淀粉樣品加水成團特性分析 在粉團恒溫揉混階段(前8 min):該階段主要指標包括粉團形成時的最大稠度、形成時間、穩定時間恒溫弱化度。其中,形成時間是指達到C1時所需的時間,反映粉團吸水的快慢,面筋越強,時間越長;穩定時間是指粉團在揉混過程中維持一個較高稠度值的連續時間,即力矩C1～C2時的持續時間,時間越長,面團越強;恒溫弱化度反映粉團形成后在攪拌剪切力作用下稀化的特性[13]。從圖2、表3的數據綜合來看,三種淀粉團的最大稠度C1值差異較明顯,馬鈴薯淀粉b的C1值最大,而馬鈴薯淀粉c的C1值最小。通過曲線圖可以看到,前期馬鈴薯淀粉c的粉團稠度波動最大,穩定性最差,馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a的粉團整體稠度值均最高。三種馬鈴薯淀粉團的形成時間有一定差異,馬鈴薯淀粉c最大,馬鈴薯淀粉a最小;而穩定時間差異也較明顯,馬鈴薯淀粉c最小,馬鈴薯淀粉a最大。對比恒溫結束時的8 min扭矩Cs值,馬鈴薯淀粉a最大,b次之,而c最小。

在粉團溫度上升迅速弱化階段(8 min至淀粉糊化之前):隨著溫度的升高以及攪拌的繼續,粉團稠度發生了顯著變化,馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a粉團稠度迅速下降,馬鈴薯淀粉c粉團稠度變化趨勢與之不同,迅速上升至一定時間后才下降,均得到C2稠度最小值,同時得到的指標還有升溫弱化度Cs-C2值、總弱化度C1-C2值(該值反映了淀粉粉團在攪拌和輕微加熱狀態下,粉團的稀化特性,是恒溫弱化與升溫弱化之和)[14]。由表3可知,馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a的C2值相差較小,但明顯低于馬鈴薯淀粉c。三個樣品中,馬鈴薯淀粉c的升溫弱化值較之馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a差別較大,為負值,這與其前期粉團稠度不穩定有關。三個樣品的總弱化度大小為馬鈴薯淀粉b>a>c。

2.3.2 不同馬鈴薯淀粉團熟化老化階段特性分析 馬鈴薯淀粉團加熱熟化老化階段的主要指標包括起始糊化時間、起始糊化溫度、峰值粘度、保持粘度、回生終點粘度、粘度崩解值和回生值。其中,起始糊化時間和起始糊化溫度反映粉團發生糊化的難易程度。起始糊化溫度越低,糊化時間越早,水分越容易侵入淀粉分子間,形成無定型態,即糊化狀[15]。由表4可知馬鈴薯淀粉c的起始糊化時間最晚,糊化溫度最高;其次是馬鈴薯淀粉b,而馬鈴薯淀粉a的起始糊化時間最低。不同品種淀粉樣品的峰值粘度、保持粘度和粘度崩解值和回生值見表4。粘度崩解值,即峰值粘度和保持粘度的差值,反映樣品熱粘度的穩定性[16]。馬鈴薯淀粉c的C3值最大,粘度崩解值最小;馬鈴薯淀粉a的C3值次之,而粘度崩解值最大;馬鈴薯淀粉b的C3值最小,粘度崩解值居中。

綜合考慮,三種不同馬鈴薯淀粉樣品在流變學特性上的差異均較明顯,糊化前馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a比馬鈴薯淀粉c有更高的粉團稠度,且粉團穩定性高、曲線波動小,同時馬鈴薯淀粉b在升溫后也表現出較高熱粘度,粘度崩解值較小,回生值較低?？紤]到馬鈴薯淀粉樣品采購成本,確定本次低成本粉條的主原料品種為馬鈴薯淀粉b。

2.4 替代淀粉樣品的對比測試結果分析

采用標準方法Chopin+85測試協議,替代淀粉—木薯淀粉、小麥淀粉恒量加水70%測試后,初始最大粘度C1達到目標扭矩(1.1±0.7) Nm的差距較大,故采用適量加水測試,調整加水量,測試結果見圖3、表5和表6。

表5 替代淀粉樣品適量加水Mixolab標準測試結果

表6 替代淀粉樣品Mixolab粘度階段標準測試結果

圖3 替代淀粉樣品適量加水Mixolab測試曲線圖

通過測試結果可以看出:適量加水實驗條件下測得木薯淀粉樣品有較高的吸水率(57%),大于小麥淀粉樣品吸水率(50%),但兩者的吸水率都遠低于馬鈴薯淀粉b的吸水率(70%)。另外,三者的糊化時間和糊化溫度相差不大。對比區域①可知,小麥淀粉與馬鈴薯淀粉b的粉團穩定性均比木薯淀粉好;三者的總弱化值對比,小麥淀粉最高,馬鈴薯淀粉b次之,但兩者數值相近,木薯淀粉最小(表5)。同時對于C3,小麥淀粉樣品比木薯淀粉樣品和馬鈴薯淀粉b樣品都先出現C3值,提前了約1 min,且前者的C3值大于后兩者的C3值。三者的粘度崩解值對比,馬鈴薯淀粉b的粘度崩解值最小,木薯淀粉次之,小麥淀粉最大。對于C5值,小麥淀粉樣品與木薯淀粉樣品都低于馬鈴薯淀粉b,說明兩者的回生比馬鈴薯淀粉b樣品低。

2.5 低成本粉絲的配方優化Mixolab結果分析

2.5.1 復合增稠劑對粉團流變學特性的影響 通過Mixolab初步測試,保持14%濕基條件不變,在考慮馬鈴薯淀粉主原料成本的基礎上,同時考慮粉團的感官品質,確定木薯淀粉的添加量為10%,小麥淀粉的添加量為15%,測試方法不再詳述;馬鈴薯淀粉及輔料谷朊粉、復合增稠劑的添加量合計為75%。

保持粉團總質量不變,小麥淀粉和木薯淀粉比例不變,谷朊粉的添加量為4%。恒量加水70%,復合增稠劑含量按梯度0.5%、0.8%、1.1%進行測試,配比及結果見表7、圖4和表8。

表7 測試配料及配比表

表8 復合增稠劑對粉團Mixolab測試的影響

通過圖4和表8測試結果可以看出:由于采用恒量加水,三種配粉的C1值均未達到目標扭矩,但從C1值到C3值,以上三個配料樣品的品質即糊化差異性不明顯,糊化曲線基本擬合,且上升趨勢與馬鈴薯淀粉b相似,而從C3值到C5值,隨著復合增稠劑含量的增加,三種配料粉團的回生值逐漸降低,且降幅在變小,糊化溫度不斷升高?？紤]到復合增稠劑的建議添加量,確定為1.1%。

圖4 復合增稠劑對粉團Mixolab測試的影響曲線圖

2.5.2 谷朊粉對粉團的流變學特性影響 保持粉團總質量不變,小麥淀粉和木薯淀粉比例不變,復合增稠劑添加量為1.1%,14%濕基條件下,恒量加水70%,谷朊粉的添加量按照梯度2%、4%、6%進行測試,配比及結果見表9、圖5和表10。

圖5 谷朊粉對粉團Mixolab測試的影響

表10 谷朊粉對粉團Mixolab測試的影響

表9 測試配料及配比表(復合增稠劑含量確定)

通過測試結果可以看出:由于采用恒量加水,三種配方的C1值均未達到目標扭矩,從C1值到C3值,以上三個配料樣品的品質即糊化差異性不明顯,且上升趨勢與馬鈴薯淀粉b相似,而從C3值到C5值,隨著谷朊粉含量的增加,配料粉團的回生值逐漸降低,這是因為谷朊粉形成的網狀結構包裹著淀粉,抑制了淀粉的溶脹,引起粘度值下降;且隨著谷朊粉添加量的升高,回生值降低越明顯。但當谷朊粉的添加量高于6%時,粉條色澤略黃,考慮到其感官評價,谷朊粉的添加量確定為4%。

2.5.3 吸水率對配料粉團的流變學特性影響 通過分析,確定谷朊粉添加量為4%,復合增稠劑添加量為1.1%,木薯淀粉添加量為10%,小麥淀粉添加量為15%,14%濕基條件下,吸水率按梯度按68、64%、60%進行測試,配比及結果見表11、圖6和表12。

表11 配料及配比表(谷朊粉和復合增稠劑含量確定)

表12 吸水率對配料粉團Mixolab測試的影響

圖6 吸水率對配料粉團Mixolab測試的影響曲線圖

通過圖6和表12的結果可以看出:當吸水率從60%升高到68%時C1、C2、C3、C4、C5值均降低;當吸水率為60%時,粉團的C1值接近目標扭矩(1.1±0.07) N.m。因此,本次配粉C1值吸水率在60%的基礎上進一步優化,按照59%,58%的吸水率再進行測試,配比及結果見表13、圖7、表14。

表13 配料及配比表(吸水率測定)

圖7 吸水率對配料粉團Mixolab測試的影響曲線圖

表14 吸水率對配料粉團Mixolab測試的影響(進一步優化)

通過圖7和表14的結果可以看出:當吸水率從60%降低到58%時,C1值上升,達到了目標扭矩(1.1±0.07) Nm,回生值略有下降,起始糊化溫度變化不大,上升了0.1 ℃,因此,確定配粉粉團的吸水率為58%。

2.5.4 低成本馬鈴薯粉絲配粉與馬鈴薯淀粉b粉團的對比分析 通過以上測試分析,本次低成本粉條配粉的配方為馬鈴薯淀粉∶木薯淀粉∶小麥淀粉∶谷朊粉∶復合增稠劑為0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011,該粉團與占比為100%馬鈴薯淀粉b的粉團(樣1)進行測試,結果對比見表15、圖8和表16。

表15 低成本粉絲配粉測試配比表

表16 低成本粉絲配粉團與純馬鈴薯淀粉團Mixolab測試結果

圖8 低成本粉絲配粉團與純馬鈴薯淀粉團Mixolab測試曲線圖

通過圖8和表16測試結果可以看出:適量加水條件下,配粉和樣1的吸水率有顯著差異,前者的58%遠低于后者的70%;粉團形成一直到升溫階段,前者的穩定性都高于后者;糊化溫度后者(51.8 ℃)低于前者(57.8 ℃);這可能是由于馬鈴薯淀粉為單一的淀粉,在升溫過程中結構發生了部分變化,導致Cs到C2間曲線差距明顯,同時糊化時間較前,糊化溫度低于配粉的糊化溫度;配粉為復合淀粉,含有三種淀粉及兩種改良性輔料,升溫過程結構變化不明顯,從而導致糊化溫度較高,糊化時間推遲;從C1值開始到C4值,二者對應的差距不大,分別為0.01、0.14、0.136、0.074和0.171 Nm,但前者的回生值低于后者。因此,本實驗中得到的配粉配方為馬鈴薯淀粉∶木薯淀粉∶小麥淀粉∶谷朊粉∶復合增稠劑為0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011。經目前市場詢價,采用該配方生產的馬鈴薯粉絲生產成本下降了8%。

3 結論

由Mixolab測試結果可知,三種不同的馬鈴薯淀粉樣品在流變學特性上的差異較明顯,馬鈴薯淀粉b和馬鈴薯淀粉a比馬鈴薯淀粉c有更高的冷粘度(高粉團稠度)以及穩定性(曲線波動小),且馬鈴薯淀粉b在升溫后也表現為較高的熱粘度(粘度崩解值較小),具有起始糊化溫度較高、起始糊化時間延遲等特性。

考慮到馬鈴薯淀粉樣品采購成本,本次低成本粉絲的主原料品種為馬鈴薯淀粉b。經過與全馬鈴薯淀粉的流變學特性實驗結果對比,將部分馬鈴薯淀粉用木薯淀粉和小麥淀粉代替,確定三者配比關系,最終得到本次低成本粉絲配粉配方為馬鈴薯淀粉∶木薯淀粉∶小麥淀粉∶谷朊粉∶復合增稠劑為0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011,吸水率為58%。在此條件下,制作出來的粉條回生較低、糊化溫度較高、穩定性較好、蛋白含量較高、色澤相近、柔韌性較好,生產成本降低,為實現低成本水晶粉絲的產業化提供理論依據。