微波凍干預制面條干燥特性及品質特征研究

苗峻偉,段續,2*,任廣躍,劉文超,李琳琳,曹偉偉

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471000)2(河南省農產品干燥裝備工程技術研究中心,河南 洛陽,471000)

面條是我國常見的傳統面食之一,在日常飲食中占據著重要的地位。然而,隨著人們生活節奏的日漸加快,傳統面條制備工藝已無法滿足當前消費者的需求。預制面條指能夠直接食用或僅需簡單加工即可食用的一類方便產品,為解決上述矛盾提供了可行方法。根據預制面條產品含水情況,可將其分為高濕預制面條和脫水預制面條。脫水預制面條因其方便、易于儲存和攜帶等優點,已經成為了現代快餐、方便面等市場不可或缺的一部分。油炸是制備脫水預制面條的傳統加工方式,但隨著“大健康”消費觀念的普及,油炸方便面的市場前景不容樂觀。非油炸方便面因其低脂低熱量的特點,已經逐漸成為人們的新寵。此外,非油炸方便面生產過程中不需要高溫油炸,可以更好地保留食材的營養成分和口感。

傳統非油炸預制面條主要是面條在蒸煮過后,通過熱風干燥進行面條的脫水工序。但傳統熱風干燥預制面條,對面條的復水特性、非酶促褐變、機械損傷等品質影響較大[1-3]。凍干能夠最大程度抑制面條褐變的發生,并保留產品內部多孔結構,使得脫水面條的復水性能較佳。然而,凍干過程需要長時間維持系統高真空及冷阱單元的極低溫狀態,導致其干燥時間過長,運行成本過高,凍干預制面條市場競爭力不足。

采用微波輻射加熱單元替代傳統凍干加熱板傳導加熱方式能夠提升凍干過程中的熱傳遞效率,從而縮短干燥時長,降低干燥能耗,節約食品生產成本,這種干燥方式被稱為微波冷凍干燥。已有研究表明,微波冷凍干燥能夠生產出與凍干相似品質的脫水果蔬產品,且能節省約55%的干燥時間[4]。然而,目前仍未見關于微波冷凍干燥技術制備脫水預制面條適用性的報道。因此,為將微波冷凍干燥這一節能優質干燥技術應用于高品質脫水預制面的生產中,本文通過將熱風干燥作為對照組,研究了微波凍干預制面的干燥特性,以及微波加載功率對面條品質和微觀結構的影響,以期為微波冷凍干燥預制面條的工業化生產提供理論指導和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

高筋小麥粉,五得利面粉集團有限公司;鹽,市售;瓜爾豆膠,河南萬邦化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

微波冷凍干燥機,實驗室自行設計[5];102-2型電熱恒溫鼓風干燥箱,北京科偉永興有限公司;A-2003 N型電子天平,上海佑科儀器儀表有限公司;電冰箱,北京海信電器有限公司;X-rite Color I5型色差計,美國愛色麗公司;TM3030Plus型電子掃描顯微鏡,日本島津公司;食品物性分析儀,Stable Micro Systems公司。

1.3 試驗方法

采用文獻[6-7]中的方法,稱取面粉200 g后加入面粉質量0.5%的瓜爾豆膠攪拌均勻,將4 g的食鹽溶解在90 mL蒸餾水中,充分溶解后倒入混合好的面粉中,攪拌成面絮進行糅合形成面團;室溫下保溫靜置20 min,緩解面團的應力,促進面筋網絡的進一步形成。使用制面機制成厚度為1.0 mm、寬度為2 mm的面條;制好的鮮面條在沸水中煮制2～3 min,直到面條的橫截面沒有白芯,用冷水冷卻后瀝干水分;將熟面條按每份100 g放入模具中,在-25 ℃冰箱中冷凍8 h備用。根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》測得熟面條中干基含水率為(3.20±0.10) g/g。

1.3.2 干燥方式

微波冷凍干燥:冷阱溫度-40 ℃,真空度200 Pa,設置不同微波功率密度(1.0、2.0、3.0 W/g)進行干燥;熱風干燥:固定風速1.5 m/s,干燥溫度分別設置為80、90、100 ℃;干燥過程中每隔30 min稱取一次質量,根據GB 17400—2015《食品安全國家標準 方便面》面餅含水率低于14%時干燥結束。

1.3.3 干燥特性的測定

干燥過程中面餅干基水分含量的計算如公式(1)所示:

(1)

式中:X,任意干燥t時刻樣品的干基水分含量,g/g;mt、m1,在任意干燥t時刻的質量和物料的初始質量,g;w1,初始濕基水分含量,g/g。

干燥速率的計算如公式(2)所示[8]:

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(2)

式中:Ui,干燥時間為ti時刻的干燥速率,g/(g·min);Xi-1、Xi+1,ti-1、ti+1時刻面餅的干基水分含量,g/g;t,干燥時間,min。

1.3.4 方便面的品質測定

方便面的白度測定:測定不同干燥條件下面條的L*、a*、b*值。白度值的計算如公式(3)所示:

(3)

復水時間和吸水率的測定:將不同干燥條件下的面條定量放入80 ℃的溫水中,每隔10 s取出2根面條觀察面條的橫截面,直至沒有白芯,記錄的時間即為復水時間。

吸水率的測定:參考GUO等[9]的方法,吸水率的計算如公式(4)所示:

(4)

式中:W,方便面的水分含量,g/g;m前,煮制前方便面的質量,g;m后,煮制結束后方便面的質量,g。

煮制損失率的測定:準確稱取20 g面餅,放入沸水中煮至面條白芯消失撈出過冷水瀝干,收集面湯和沖洗水并烘干到絕干,稱取質量記作M。煮制損失率的計算如公式(5)所示:

(5)

式中:M,烘干面湯的干物質質量,g。

質構特性的測定:主要測定方便面的TPA指標,將干燥好的面餅放入沸水中煮制5 min,在自來水中冷卻1 min,然后每組3根平行放置在平板上測試。為了確保樣品一致性,每次復水一組樣品進行測試。TPA測試參數:測前速率2.0 mm/s,側中速率0.8 mm/s,測后速率2.0 mm/s,壓縮程度70%,停留時間2 s,觸發力5 g,探頭P/75[10-11]。

1.3.5 微觀結構的測定

使用掃描電子顯微鏡觀察微波冷凍干燥后干面條的橫截面微觀結構。將面條橫截面朝上黏貼在導電膠帶上,噴金后在15 kV電壓下放大500倍獲得圖像。

1.4 數據處理

使用SPSS 20.0軟件對數據進行顯著性分析(P<0.05)。除另外說明,所有試驗重復3次,取平均值進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件對預制面條干燥特性的影響

將煮制好的新鮮熟面條分別進行微波冷凍干燥和熱風干燥,脫水后得到非油炸脫水預制面條。圖1和圖2分別為微波冷凍干燥和熱風干燥的干燥曲線和干燥速率曲線。由圖1可以看出,隨著微波加載功率越高,面條的干燥曲線變化明顯,干燥到預定干基含水率用時越短。3.0 W/g時干燥時間最短,分別比1.0和2.0 W/g縮短了60 min和90 min。同圖2相比,微波冷凍比熱風干燥速率曲線更平滑,干燥速率主要為恒速和降速過程,而熱風干燥速率則表現出較明顯的升速,恒速和降速過程。

a-密度干燥曲線圖;b-干燥速率圖

區別于傳統熱風干燥,微波冷凍干燥由于物料處于一個真空冷凍的條件下,物料水分主要是以升華的形式脫離物料,微波輻射直接作用在物料內部,熱量的傳遞方向和水分的遷移方向一致。因此,前期可以保持一個較高的干燥速率,干燥速率曲線也比熱風干燥更平滑,后期由于水分主要是細胞間的結合水不容易滲透出來,所以干燥速率降低水分變化平緩。傳統熱風干燥時間雖然短于微波冷凍干燥,但是由于前期干燥速率太快,面條的表面水分蒸發過快,協同熱風干燥過程中的底物表面熱積累,最終導致面條的色澤和硬度等品質下降。

2.2 不同干燥條件對預制面條品質的影響

根據1.3.4節測得干燥后面條的各種指標如圖3所示,可以明顯看出微波冷凍干燥的吸水率和白度優于熱風干燥,煮制損失率和復水時間差于熱風干燥。一般來講對于復水時間和煮制損失率希望越低越好,吸水率和白度則希望越高越好。復水時間是方便面的一個重要指標,80 ℃下復水時間應小于360 s,時間越短面條品質越好[10-11]。圖3可以看出兩種干燥方式復水時間均符合要求,微波凍干中復水時間最短的為3.0 W/g,熱風干燥中復水時間最短的為80 ℃并且隨溫度變化不明顯,可見干燥溫度不是影響脫水預制面條的主要因素。微波凍干產品復水時間最短為3.0 W/g,隨著微波功率的增加復水時間縮短說明微波功率是影響其脫水預制面條復水時間的一個主要因素。這可能與冰晶破壞淀粉空間結構有關:升華干燥過程緩慢會導致干燥過程中更多的冰晶融化,形成對淀粉空間結構破壞更大形態的小冰晶;提升升華速率,降低了上述現象的發生,從而得到內部多孔結構保留更好的脫水淀粉基產品,這有助于提升其吸水率[12]。吸水率是反映干制品品質優良的一個重要指標,較高的吸水率對面條的硬度口感有一定改善,表1證實了這一判斷。

表1 不同干燥條件下方便面的TPA特性指標Table 1 TPA characteristic index of instant noodles under different drying conditions

圖3 不同干燥條件方便面的品質指標Fig.3 Quality index of instant noodles under different drying conditions

白度是產品重要的色澤指標,對于面條而言,外觀明亮、呈淡黃色產品是消費者所接受的[13]。圖3可以看出隨著微波功率的增加面條的白度呈上升趨勢,對比熱風干燥產品,微波凍干面條具有明顯的色澤優勢。這是由于在微波冷凍干燥過程中,越高的微波密度具有更快的干燥速率,更短的干燥時長,多酚氧化酶的活性也隨之降低,褐變減緩白度提高[14]。微波凍干預制面條相比熱風產品具有更高的煮制損失率,隨著微波功率的增加損失率降低,這可能同樣與上述冰晶破壞淀粉空間結構有關:高微波功率干燥冰晶對淀粉結構破壞較小,相應產品損失率降低[14]。后續的研究中可以添加添加劑來改善微波冷凍干燥產品煮制損失率偏高的問題。

2.3 不同干燥條件對預制面條質構特性的影響

2.3.1 不同干燥條件面條質構特性指標和相關性分析

使用物性分析儀對微波冷凍干燥和熱風干燥得到的面條復水后進行測試得到的TPA指標,并對指標進行相關性分析,如表1和表2所示。

表2 方便面TPA特性指標之間的相關性矩陣Table 2 Correlation analysis of instant noodle TPA characteristic indexes

由表2可以看出各指標之間均有很強的相關性,尤其是硬度、咀嚼性和膠著性,回復性和內聚性之間相關性系數均大于0.98。為便于準確分析,將TPA測試得到的7個指標標準化后,采用主成分分析進行降維,消除變量間的相關性[11, 15],進行綜合性評分。

2.3.2 不同干燥條件預制面條質構特性的主成分分析

使用SPSS軟件對表1的數據進行降維后,進行分析得到各成分的特征值和貢獻率,如表3所示。

表3 相關成分的特征值和貢獻率Table 3 Eigenvalues and variance contribution rates of the related components

根據成分的特征值,選取特征值大于1的成分,可以提取出2個成分為Z1和Z2為主成分[16]。這2個成分的累計貢獻率為83.949%,能夠反映出面條品質的大部分信息。因子載荷表可以反映出各指標對成分的貢獻大小。由表4可知,成分Z1主要包括硬度、黏性、彈性和內聚性的信息,其中硬度和黏性載荷量最大,為“硬度和黏性因子”;成分Z2主要包括回復性和咀嚼性的信息,為“回復性和咀嚼性因子”[17-18]。

表4 兩個主成分的因子載荷Table 4 Factor load table of two principal components

根據表3中成分的特征值和表4中的載荷量,可以構建出主成分與各TPA指標之間的線性關系,表達式如公式(6)、公式(7)所示:

Z1=0.417X1+0.363X2-0.117X3+0.364X4+0.440X5+0.436X6+0.404X7

(6)

Z2=0.138X1-0.310X2+0.898X3-0.038X4+0.120X5+0.193X6+0.094X7

(7)

式中:X1～X7分別為硬度、黏性、彈性、內聚性、膠著性、咀嚼性、回復性指標標準化后的值。

根據2個主成分的特征值建立面條綜合評價模型,如公式(8)所示:

Z=68.540 85Z1+15.407 93Z2

(8)

依據上訴評價模型計算得到的不同干燥條件面條的綜合評價得分進行排名,如表5所示。一般來講,面條的質地要硬而有彈性,有嚼勁,黏結力好,不要太黏[7, 19]。成分Z1主要包括了上述的指標,綜合評分的排名結果也印證了這一觀點。對于熱風干燥溫度越高評分越高,微波凍干2.0 W/g的評分最高。對比載荷表可知指標中占主要因素的是硬度、黏度和回復性,由于熱風干燥上述指標普遍較高所以綜合評分高于微波凍干。對于微波凍干,2.0 W/g下得到的面條綜合評分最高。

表5 不同干燥條件的面條主成分綜合得分Table 5 Comprehensive score of principal components of noodles under different drying conditions

2.4 微波冷凍干燥對預制面條微觀結構的影響

圖4分別為微波功率密度1.0、2.0、3.0 W/g產品的微觀結構。

a-MFD-1.0 W/g;b-MFD-2.0 W/g;c-MFD-3.0 W/g

圖4表明脫水過程中水分蒸發形成了廣泛分布的孔隙,具有典型的蜂窩狀結構,復水過程吸水較快。有研究表明,孔隙大小和數量也是決定硬度和黏結性的關鍵因素[20]。同時隨著微波功率的增加,面條內部結構越來越緊密,淀粉顆粒被面筋網緊緊包裹,面筋網絡的質量和數量直接影響面條的質構特性[11, 21],表現出較高的嚼勁和硬度。同時圖4-b可以看到明顯的斷裂結構,表明微波作用下會破壞淀粉的結構,造成面條的煮制損失率遠遠大于熱風干燥的面條。雖然增大功率可以改善上述現象,但過大的加載密度會造成面條的口感變差。表5也可以看出3.0 W/g下的面條綜合評分低于1.0 W/g和2.0 W/g的綜合評分。

3 結論

對比熱風干燥過程,微波冷凍干燥預制面條速率曲線更加平緩,主要為降速干燥階段,其主要影響因素為微波功率密度;對脫水預制面條的主要品質進行分析發現,微波凍干產品有較好的復水時間和白度,但其煮制損失率較熱風干燥產品略高;對脫水預制面條質構特性進行主成分分析結果表明,各個指標之間具有很高的相關性,熱風干燥中溫度為100 ℃產品的綜合評分最高,微波凍干中2.0 W/g功率密度產品的綜合評分最高,同時發現微波凍干能有效減緩干燥過程中面條硬度增加問題;綜合分析產品微觀結構和主成分分析結果發現,微波凍干產品緊密的面筋網絡對提升其勁道口感有較好的作用。