红薯粉条,又称红薯粉丝、粉皮,是一种利用淀粉老化特性加工而成的淀粉凝胶食品。其爽滑耐嚼、久煮不烂,深受广大人民群众的喜爱[1]。根据烹饪方式的不同,可将其分为煮制型红薯粉条和冲泡型红薯粉条。冲泡型粉条中最具代表性的产品就是酸辣粉中的粉饼。然而,目前的冲泡型粉条普遍存在复水性差,口感不佳的问题。其中,最具代表性的产品就是近些年火爆市场的酸辣粉[2]。因此,如何提升冲泡型粉条的复水性和品质特性成为研究热点。
众所周知,淀粉分子的老化行为会直接影响到淀粉凝胶食品的品质[3]。所以可以通过调控淀粉分子的缔结和重排来改善红薯粉条的品质特性。LIAO等[4]研究发现湿热处理增加了淀粉链之间的关联,从而提高了粉条的硬度、咀嚼性。HU等[5]的研究表明,低浓度的麦芽糊精能够与淀粉分子发生氢键相互作用,提升了粉条凝胶网络的坚固性,改善了粉条的口感和烹饪损失。另外,ZHANG等[6]还报道了1,4-α-葡聚糖支化酶可以修饰大米淀粉的结构,从而缩短了米粉的煮制时间。有趣的是,在传统的加工工艺中,从业人员常常选择在冬季的室外晾晒红薯粉条。因为他们发现,这样制作出的红薯粉条易成型,且易熟化、更为爽滑筋道。在这个晾晒环境中,红薯粉条会不可避免地经历冷冻过程。范会平等[7]研究发现,采用冷冻工艺制作红薯粉条,其硬度显著增加。邢丽君等[8]也曾报道,与4 ℃处理的粉条相比,-18 ℃冷冻粉条的蒸煮损失显著降低。由此推测冷冻处理可能是用来改善红薯粉条复水性和综合品质的有效途径。此外,冷冻处理对红薯粉条这种淀粉凝胶食品的血糖生成指数有一定影响[9],需要格外注意其消化特性。
截至目前,关于冷冻处理对粉条复水品质及消化特性影响的内在机制尚不清晰。因此,本文以未经冷冻处理的红薯粉条为对照,分析了经不同冷冻速率处理后红薯粉条的复水时间、质构特性、微观结构、淀粉短程有序性、晶体结构、冲泡损失和体外消化特性等指标变化情况。本研究旨在解析冷冻处理影响红薯粉条复水性、质构特性及体外消化特性的内在机制,为红薯粉条的品质调控提供一些参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
红薯淀粉,新乡市新良粮油加工有限责任公司;猪胰α-淀粉酶(50 U/mg)、淀粉葡萄糖苷酶(10 000 U/mg),美国Sigma公司;葡萄糖检测试剂盒,北京索莱宝科技有限公司;其他试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
BCD-269 WDGB冰箱、DW-4OL92医用低温保存箱,青岛海尔电冰箱有限公司;DW-HL290超低温冷冻贮存箱,安徽中科美菱低温科技股份有限公司;RC-4单温度记录仪,江苏精创电器股份有限公司;BTP.8XL真空冷冻干燥机,美国SP Scientific科技有限公司;Quanta FEG 250扫描电子显微镜,美国FEI公司;TEN-SOR Ⅱ傅里叶变换红外光谱仪,德国布鲁克科技有限公司;Ultima Ⅳ X射线衍射仪,日本株式会社理学公司;TA-XA PLUS质构仪,英国Stable Micro Systems公司;TU-1901双束紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品的制备
湿红薯粉条制作[10]:首先,将盛有5.0 g红薯淀粉和20 g纯净水的铁盆置于沸水中加热1 min;之后,再向铁盆中加入45 g淀粉和13 g纯净水并揉制成光滑的粉团;然后,将粉团放入粉条机中挤压成粉条(宽0.12 cm,长1 cm)并立即放入沸水中煮制5 min;最后,经冷却、沥水后即得湿红薯粉条。
红薯粉条的冷冻及干燥:首先,将湿红薯粉条盘成团并将温度记录仪的探头插入其中心;然后,将其分别放入(-20±1)、(-40±1)、(-80±1) ℃的冰箱进行冷冻,当其中心温度达到-18 ℃时取出;最后,将冷冻处理后的湿红薯粉条放入烘干箱进行阶段式干燥(第一阶段:60 ℃,20 min;第二阶段:80 ℃,60 min;第三阶段:40 ℃,60 min)后即得红薯粉条。
1.3.2 冷冻曲线的绘制和冷冻速率的计算
冷冻处理结束后,读取温度记录仪中的数据绘制成冷冻曲线,并按照国际冷冻协会的公式(1)计算湿红薯粉条的冷冻速率(v):
(1)
式中:L为食品表面与温度中心点间的最短距离,cm;t为食品表面达到0 ℃后,食品温度中心降至比冻结点低10 ℃所需的时间,h。
1.3.3 微观结构的测定
将样品进行冷冻干燥,之后使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察其截面的微观结构。具体参数[11]:加速电压为3.00 kV,放大倍数为500倍。
1.3.4 晶体结构的测定
将冻干后的样品进行粉碎、过筛(100目)。之后,采用X-射线衍射仪(X-ray powder diffractometer,XRD)测定样品的XRD图谱。具体参数[6]:电压40 kV,电流40 mA,扫描范围5°～40°,扫描速度2°/min。淀粉的相对结晶度使用Jade 6.0软件计算。
1.3.5 淀粉短程有序性的测定
参照1.3.4节中的方法对样品进行前处理。之后,采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)测定样品的FTIR图谱。具体参数[12]:扫描范围400～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数64次。淀粉的R1 047/1 022值用1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收峰振幅之比计算。
1.3.6 复水时间的测定
参考赵琦等[13]的方法测定样品的复水时间,并稍作修改。具体操作如下:取3.0 g红薯粉条置于保温杯中,加入500 mL沸水密封,将粉条置于2块透明的玻璃片之间进行按压,粉条中间的白芯消失即达到复水时间。
1.3.7 冲泡损失的测定
将冲泡后的样品捞起,蒸馏水冲洗10 s,剩余汤汁注入提前恒重的铝盒,105 ℃干燥至恒重。冲泡损失按照公式(2)进行计算:
冲泡损失
(2)
式中:m1为干样品的质量,g;m2为注入汤汁前铝盒的质量,g;m3为干燥后铝盒的质量,g。
1.3.8 质构特性的测定
参考HU等[5]的方法,采用质构仪的全质构分析模式测定冲泡后样品的质构特性。具体参数:采用P50探头,测前/中/后速度均为1.0 mm/s,触发力5.0 g,压缩比75%。
1.3.9 消化特性的测定
参考LI等[14]的方法测定样品的消化特性,并稍加修改。具体操作如下:取0.6 g样品放入15 mL乙酸钠缓冲溶液(0.1 mol/L、pH=5.2)中,之后添加5 mL 混合酶溶液(α-淀粉酶和葡萄糖苷酶)并在37 ℃恒温水浴摇床中进行酶解;分别在0、20、120 min时取出0.5 mL酶解产物,经沸水灭活、离心(4 500 r/min、10 min)后得到上清液;最后,使用葡萄糖检测试剂盒来测定酶解产物中的葡萄糖含量并根据公式(3)～公式(5)计算样品中的快消化淀粉(readily digestible starch,RDS),慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)的含量。
(3)
(4)
RS/%=100-(RDS+SDS)
(5)
式中:TS为总淀粉含量;G0是酶解前样品中的葡萄糖含量;G20是酶解20 min时产生的葡萄糖含量;G120是酶解120 min时产生的葡萄糖含量。
1.4 数据处理
所有数据均为3次平行测量的平均值。采用SPSS 26.0数据分析软件对所得数据进行显著性分析(Duncan)。采用Origin 7.5和Word 2016进行图表绘制。
2 结果与分析
2.1 冷冻曲线和冷冻速率
冻结曲线可以反映冷冻过程中食品中心温度变化情况[15]。如图1所示,从10 ℃降至-18 ℃,-80 ℃样品耗时11 min,-40 ℃样品耗时24 min,-20 ℃样品耗时35 min。按照公式(1)计算可知:-20 ℃样品冷冻速率为3.09 cm/h,-40 ℃样品为2.04 cm/h,-80 ℃样品为1.33 cm/h。前人研究表明,冷冻速率越慢,生成冰晶的尺寸越大,冰晶对食品结构的挤压作用越强[16]。这种挤压作用会改变食品中分子的结构,从而影响食品的品质特性[11]。另外,对于淀粉凝胶食品而言,生成冰晶的大小还与其结构中的孔洞结构密切相关[16]。因此对粉条的微观结构进行观测。
图1 红薯粉条的冻结曲线
Fig.1 Freezing curve of sweet potato vermicelli
2.2 冷冻处理对粉条微观结构的影响
SEM图能够清晰地观察样品内部的微观结构,进而反映冷冻处理生成冰晶的尺寸大小。如图2所示,所有样品的截面均呈现典型的多孔结构。图2-a为未经冷冻处理的样品(对照样品),图2-b～图2-d分别为-80、-40、-20 ℃冷冻处理后的样品。图2-a～图2-d样品的孔洞尺寸依次增大,孔洞壁依次变厚。SEM结果表明,冷冻处理会增大红薯粉条的孔洞,且这种效果随冷冻速率的减慢而增强。这是因为冷冻温度越高,冷冻速率越慢,红薯粉条结构中生成冰晶的尺寸越大,冰晶对其结构受到的挤压作用越强[17]。快速冻结过程中,食品结构内形成的晶核数量多,冰晶生长速度慢,生成的冰晶细小且分布均匀;缓慢冻结过程中,因冰核形成数量少,冰晶生长速度快,生成的冰晶大而少[18]。SEETAPAN等[19]研究发现,木薯凝胶在快速冷冻时形成小而均匀的孔洞,而慢速冷冻形成的孔洞大,与本研究结果一致。
a-对照样品;b--80 ℃样品;c--40 ℃样品;d--20 ℃样品
图2 红薯粉条的扫描电子显微镜图
Fig.2 Scanning electron microscopy image of sweet potato vermicelli
2.3 冷冻处理对粉条晶体结构的影响
XRD图谱能够反映淀粉的结晶情况,尖形峰对应结晶结构,弥散峰对应非晶体结构。如图3-a所示,所有样品在衍射峰出现的位置上没有差异,均是在17°和20°有2个明显的衍射峰,这表明冷冻处理仅引起淀粉结晶结构的变化,并未改变淀粉的结晶类型。17°附近的衍射峰是支淀粉分子重排引起,20°附近的衍射峰则是由直链淀粉与脂质结合产生[20]。如图3-b所示,对照样品的相对结晶度1.45%,-80、-40、-20 ℃样品的相对结晶度依次为1.61%、2.06%、2.36%。XRD结果表明,冷冻处理能够增大红薯粉条的相对结晶度,且这种效果随着冷冻温度升高而增强。这可能是由于冰晶的挤压作用会促使无序的支链淀粉分子重排为有序的结构,而慢速冷冻形成的大尺寸冰晶对红薯粉条结构的挤压作用更加严重,致使其形成了更多有序的结构[11]。KONG等[21]和CHENG等[22]的研究也指出冰晶的生成促进了淀粉的老化,冷冻处理提高了速冻米粉和荞麦面的淀粉相对结晶度,其研究结果与本文的指标变化有相同趋势。
a-X射线衍射图谱;b-相对结晶度
图3 不同冷冻速率处理红薯粉条的X射线衍射图谱和相对结晶度
Fig.3 X-ray diffraction patterns and relative crystallinity of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
注:不同小写字母表示存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
2.4 冷冻处理对粉条短程有序性的影响
FTIR可以通过检测淀粉红外光谱的变化来表征淀粉的变化程度。1 047 cm-1附近的吸收峰与淀粉的有序结构相关,1 022 cm- 1附近的吸收峰则与淀粉的无定形结构相关。因此,R1 047/1 022值的大小可以用来表征淀粉的短程有序程度[23]。如图4-a所示,各样品在峰出现的位置上没有差异,这表明冷冻处理并未使红薯粉条产生新的官能团。由图4-b可知,对照样品、-80 ℃样品、-40 ℃样品、-20 ℃样品的R值依次为0.578、0.581、0.584、0.585。FTIR结果表明,冷冻处理能够提高红薯粉条的短程有序性,且这种效果随着冷冻温度升高而增强。冰晶会挤压红薯粉条结构,促进淀粉链之间的缠结和重排,致使其老化程度增大[11]。在较高冷冻温度环境下生成的大尺寸冰晶对红薯粉条的老化产生了更大程度的促进作用[15],这也与XRD的分析结果相一致。LI等[24]曾报道了冰晶的生成促进了米饭中淀粉分子的重排,致使其R1 047/1 022值增大。同样,YANG等[25]的研究也表明,与快速冷冻相比,慢速冷冻的淀粉具有更高的R1 047/1 022值。
a-傅里叶红外图谱;b-R1 047/1 022值
图4 不同冷冻速率处理红薯粉条的傅里叶红外图谱和R1 047/1 022值
Fig.4 FTIR spectra and R1 047/1 022 values of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
2.5 冷冻处理对粉条复水时间的影响
复水时间指的是粉条最先达到完全复水状态所需的时间,是评价冲泡型粉条复水品质的主要指标之一。如图5所示,对照样品的复水时间为273.75 s;经-20 ℃处理后,样品的复水时间缩短至247.50 s;经-40 ℃处理后,样品的复水时间延长至307.50 s;经-80 ℃处理后,样品的复水时间延长至296.25 s。红薯粉条的复水时间与其老化程度和多孔结构密切相关。冷冻处理会使得淀粉分子间的结合更牢固,从而阻碍水分子与淀粉分子的结合,致使其复水时间延长[17]。但冰晶的挤压作用也会增大红薯粉条结构中的孔洞,使得水分子更易进入其结构,从而缩短其复水时间[19]。这可能是-20 ℃处理会缩短红薯粉条的复水时间,而-40 ℃和-80 ℃处理则会延长红薯粉条的复水时间的原因。YE等[26]研究发现,大尺寸的多孔结构促进了水分的传递,冻干米粉的复水时间显著缩短,与本研究结果类似。
图5 不同冷冻速率处理红薯粉条的复水时间
Fig.5 Rehydration time of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
2.6 冷冻处理对粉条冲泡损失的影响
冲泡损失是评价粉条品质的主要指标之一,反映了粉条在复水过程中保持完整的能力。如图6所示,对照样品、-80 ℃样品、-40 ℃样品、-20 ℃样品的冲泡损失分别为1.48%、1.43%、1.34%、1.18%。这表明,冷冻处理降低了红薯粉条的冲泡损失,且这种效果随着冷冻温度的升高不断增强。红薯粉条的冲泡损失主要受其凝胶结构强度的影响。冷冻处理促进了红薯粉条的老化,使得其凝胶结构更加坚固、稳定,从而降低了冲泡损失[17]。相似的,CHENG等[22]研究发现,冷冻处理增强了淀粉的凝胶网络,荞麦面的蒸煮损失由4.61%降至3.53%。
图6 不同冷冻速率处理红薯粉条的冲泡损失
Fig.6 Brewing loss of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
2.7 冷冻处理对粉条质构特性的影响
质构特性能够直观地反映粉条的品质。如表1所示,对照样品的硬度为10 020.99 g,弹性为0.955,咀嚼性为8 252.91;经过-80、-40、-20 ℃处理后,样品的硬度依次增大为10 438.58 g、11 253.24 g、11 641.59 g,其弹性依次增大至0.964、0.975、0.987,其咀嚼性依次增大至8 679.07、9 530.70、10 368.35 g。结果表明,冷冻处理增大了红薯粉条的硬度、弹性、咀嚼性,且增幅随着冷冻温度的升高而不断增大。冰晶的挤压作用促进淀粉分子进行有序排列,致使红薯粉条形成了更为坚实的凝胶网络结构[27]。这赋予了红薯粉条更大的硬度、弹性和咀嚼性。这种效果随冰晶尺寸的增大而逐渐增强。硬度、弹性和咀嚼性的增大可以为红薯粉条提供更爽滑筋道的口感[28]。ZHANG等[29]研究发现,冷冻处理促使马铃薯淀粉形成了更加稳固的凝胶结构,其质构特性表现为硬度、弹性及咀嚼性增大。同样,范会平等[7]的研究也表明,冷冻处理显著增加了红薯粉条的硬度和咀嚼性。
表1 不同冷冻速率处理红薯粉条的质构特性
Table 1 Texture characteristics of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
样品硬度/g弹性咀嚼性/g对照样品10 020.99±197.94c0.955±0.007c8 252.91±570.66c-80 ℃10 438.58±305.34bc0.964±0.005bc8 679.07±114.93bc-40 ℃11 253.24±293.19ab0.975±0.007ab9 530.70±446.17ab-20 ℃11 641.59±492.53a0.987±0.006a10 368.35±490.27a
注:同列均值无共同上标字母表示存在显著性差异(P<0.05)。
2.8 冷冻处理对粉条消化特性的影响
消化特性反映了淀粉在人体肠胃中的消化速度,与人类餐后血糖和胰岛素水平密切相关。如图7所示,对照样品的RDS、SDS、RS含量分别为26.14%、32.52%、41.33%;冷冻处理后,-20 ℃样品、-40 ℃样品、-80 ℃样品的RDS含量依次降低至19.19%、21.61%、24.25%,SDS含量依次降低至26.47%、29.31%、29.94%,RS含量依次升高至54.33%、49.07%、45.81%。体外消化特性结果表明,冷冻处理降低了红薯粉条的RDS和SDS含量,增加了其RS含量;且冷冻温度越高,这种作用效果越明显。冷冻处理对淀粉老化作用的促进提升了红薯粉条结构的致密性,致使其抵抗酶解的能力增强[11]。冷冻温度越高,红薯粉条的老化程度越深,其抗消化能力越强,这也与FTIR、XRD的分析结果相一致。此外,REN等[30]研究发现,冷冻处理显著降低了煎饼的RDS含量,增加了其SDS和RS含量;且LI等[24]的研究表明,与快速冷冻相比,慢速冷冻对于米饭抗消化特性的提升更为显著。
图7 不同冷冻速率处理红薯粉条的消化特性
Fig.7 Digestive characteristics of sweet potato vermicelli treated with different freezing rates
3 结论与讨论
本文采用不同冷冻温度(-20、-40、-80 ℃)处理红薯粉条,探究其对粉条复水性、质构特性及消化特性的影响变化。结果发现,冷冻温度越高,冷冻速率越慢,红薯粉条结构内生成冰晶的尺寸越大,生成的冰晶能够促进淀粉分子的重排,赋予红薯粉条更为紧密的结构,增大了其硬度、弹性和咀嚼性,同时降低了其冲泡损失,提高了其抗消化特性。另外,较大冰晶的挤压作用也增大了红薯粉条结构中的孔洞,缩短了红薯粉条的复水时间。随着冷冻温度的升高,这种改善效果愈加明显。由此可知,冷冻处理可以通过促进淀粉老化和增大孔洞来提升红薯粉条的品质和抗消化特性,且冷冻温度较高的处理具有更好的产品品质。本研究能够为红薯粉条品质及其消化特性的调控提供基础数据和一定的理论指导。
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