张小燕,李梅林,陈兴叶,彭 涛,张 辉,殷 欣,路宏科,王 博

(甘肃省轻工研究院有限责任公司,甘肃兰州 730000)

马铃薯是一种重要的经济兼粮食作物,是继小麦、水稻和玉米之后的世界第四大主粮作物[1]。自2015年中国启动马铃薯主粮化战略以来,马铃薯产业发展,产品日益多样化,预计2020年50%以上的马铃薯将作为主粮消费。马铃薯具有很高的营养价值,其淀粉含量为9%～20%,蛋白质含量为1.5%～2.3%,脂肪含量为0.1%～1.1%,粗纤维为0.6%～0.8%[2]。延长马铃薯产业链,制取马铃薯淀粉及其变性淀粉,不仅可以广泛应用于化工食品、医疗、纺织等行业,而且还可以开辟马铃薯在食品领域中更多的应用[3]。由于淀粉的流变特性可以预测、解释不同淀粉基食品的质地变化情况,因此在淀粉基食品加工设备设计、质量控制、贮藏稳定性、结构研究、产品的开发和感官评价等方面,其流变学性质尤为重要,淀粉及其淀粉糊的流变学特性研究已经成为食品领域的热点之一[4]。目前,市面上的粉条多是以马铃薯淀粉制作的。相比于小麦淀粉和木薯淀粉,纯马铃薯淀粉粉条的生产成本较高,相对于售价而言利润空间不大,同时竞争能力不强。因此,将马铃薯淀粉、木薯淀粉、小麦淀粉混合,再辅以谷朊粉、复合增稠剂制作的粉丝,口味与品质不输纯马铃薯淀粉制作的粉丝,具有广阔的应用前景和市场空间。

混合试验仪Mixolab是由法国肖邦公司推出的面粉、谷物粉流变学品质和酶学特性的分析仪器。它通过实时记录粉团揉混过程中两个搅拌刀的阻力变化,可以测量粉团在揉混和温度两个制约因素作用下的流变学特性,从而得到样品粉质特性的完整信息、加水成团特性和淀粉熟化老化特性[5-8]。本文采用新型的流变学检测仪器Mixolab混合试验仪,对企业提供的三种马铃薯淀粉、市售的鲜木薯淀粉和小麦淀粉的流变学特性进行测定,然后在自有产品水晶粉丝样品配料的基础上,配以谷朊粉、复合增稠剂等辅料,以期找到不同配料间的差异性,优化产品配方,在不影响产品品质的基础上降低成本,提高利润空间。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯淀粉a、b、c 甘肃省定西市三家马铃薯淀粉加工企业提供;鲜木薯淀粉、小麦淀粉、谷朊粉、复合增稠剂等 市售。

Mixolab混合实验仪 法国肖邦仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 测定水分含量 测定不同品种淀粉样品水分含量[9]。

1.2.2 不同马铃薯淀粉的Mixolab测试 在曾凡逵等[10-12]方法的基础上稍作修改。淀粉加水混合形成粉团后,粉团在恒温、升温及降温过程中,搅拌刀片(在恒定转速下)受到的扭转随时间的变化关系。在Chopin+85协议中,被测定的粉团重量为85 g,粉团的稠度以1.1 N.m为标准,即粉团的最大扭矩(峰值)达到(1.1±0.07) N.m,相当于布拉本德粉质仪500 BU。其中,标准实验的温度控制分以下三个过程:恒温过程:30 ℃恒温8 min;升温过程:以4 ℃/min的速度升温到90 ℃,并在90 ℃保持7 min;降温过程:以4 ℃/min的速度降温到50 ℃,整个测定过程共40～45 min。

采用标准方法Chopin+85测试协议,吸水率(加水量)按照72%,14%湿基条件下,对三种马铃薯样品加以测试对比,根据测试结果,兼顾样品采购成本,确定低成本粉丝的主原料马铃薯淀粉品种。

1.2.3 替代淀粉样品适量加水Mixolab测试 采用标准方法Chopin+85测试协议,14%湿基条件不变,调整吸水率(吸水率由粉料含水量而定),对取代淀粉—鲜木薯淀粉、小麦淀粉的特性进行测试。

1.2.4 低成本粉丝的配方优化 在考虑马铃薯淀粉主原料成本的基础上,14%湿基条件不变,将部分马铃薯淀粉用木薯淀粉和小麦淀粉代替,确定三者配比关系,并以谷朊粉含量、复合增稠剂含量、吸水率为三个影响因素,按梯度变化:谷朊粉含量2%、4%、6%(复合增稠剂确定条件下调整配料粉团目标扭矩),复合增稠剂含量0.5%、0.8%、1.1%(谷朊粉确定条件下调整配料粉团目标扭矩),吸水率60%、64%、68%(谷朊粉和复合增稠剂确定条件下调整配料粉团目标扭矩),58%、59%、60%(调整低成本粉丝配料粉团目标扭矩),进行配方优化,最终确定低成本粉条产品的最佳配方。

1.3 数据处理

本实验采用Mixolab系统自带软件分析处理数据。

2 结果与分析

2.1 不同淀粉水分测定结果

采用GB/T 12087检测方法,不同淀粉水分含量测定结果见表1,以此来校准实验设定的14%湿基,进而确定吸水率的大小。

表1 不同淀粉的水分测定结果

2.2 混合试验仪曲线及各指标特性

混合试验仪曲线及各指标特性见图1(图1之后所有曲线图中,和面体温度和粉团温度以及C1～C5、Cs等标识均相同,图中不再标出。)。

图1 混合试验仪曲线图

图中各指标参数意义为:

区域①:粉团的形成。在实验开始的30 ℃恒温揉混阶段,可用于测定粉团的吸水率,同时通过揉混确定粉团的稳定时间、形成时间、弹性等参数。实验设定(1.1±0.07) N.m为标准扭矩;

区域②:蛋白质弱化。该阶段显现了粉团的粘稠度随着面团温度的升高而降低,下降程度的大小取决于粉团蛋白的品质;

区域③:淀粉糊化。当粉团温度升高到一定温度时,淀粉糊化的现象开始变得明显,此时可以观察到粉团稠度增加的现象,增加的程度大小取决于淀粉的品质,在某些情况下,还取决于所添加的添加剂种类;

区域④:淀粉酶活预测。这一阶段末端的稠度值在很大程度上取决于所使用的粉团自身或添加的淀粉酶活性。淀粉酶的活性越高,反应在曲线上就是稠度值降得越多;

表2 混合实验仪指标特性

区域⑤:淀粉回生。随着粉团温度的降低,淀粉开始出现回生,粉团稠度在不断增加。一些添加剂可以使粉团因温度降低而产生的影响减小,进而防止产品的过早老化,使最终的产品变得更加柔软可口。

2.3 不同淀粉样品Mixolab结果分析

吸水率是淀粉/面粉加水混合成团,达到目标稠度(特定软硬度)的加水量。吸水率直接决定产品加工的经济性。不同马铃薯淀粉样品加水成团(粉质阶段,即C2之前阶段;粘质阶段,即C2之后阶段)的对比测试结果见图2、表3和表4。

表3 不同马铃薯淀粉的Mixolab标准测试粉质阶段结果(Hydration=72%)

表4 不同马铃薯淀粉的Mixolab标准测试粘度阶段结果(Hydration=72%)

图2 不同马铃薯淀粉的Mixolab测试曲线图(Hydration=72%)

2.3.1 不同马铃薯淀粉样品加水成团特性分析 在粉团恒温揉混阶段(前8 min):该阶段主要指标包括粉团形成时的最大稠度、形成时间、稳定时间恒温弱化度。其中,形成时间是指达到C1时所需的时间,反映粉团吸水的快慢,面筋越强,时间越长;稳定时间是指粉团在揉混过程中维持一个较高稠度值的连续时间,即力矩C1～C2时的持续时间,时间越长,面团越强;恒温弱化度反映粉团形成后在搅拌剪切力作用下稀化的特性[13]。从图2、表3的数据综合来看,三种淀粉团的最大稠度C1值差异较明显,马铃薯淀粉b的C1值最大,而马铃薯淀粉c的C1值最小。通过曲线图可以看到,前期马铃薯淀粉c的粉团稠度波动最大,稳定性最差,马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a的粉团整体稠度值均最高。三种马铃薯淀粉团的形成时间有一定差异,马铃薯淀粉c最大,马铃薯淀粉a最小;而稳定时间差异也较明显,马铃薯淀粉c最小,马铃薯淀粉a最大。对比恒温结束时的8 min扭矩Cs值,马铃薯淀粉a最大,b次之,而c最小。

在粉团温度上升迅速弱化阶段(8 min至淀粉糊化之前):随着温度的升高以及搅拌的继续,粉团稠度发生了显著变化,马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a粉团稠度迅速下降,马铃薯淀粉c粉团稠度变化趋势与之不同,迅速上升至一定时间后才下降,均得到C2稠度最小值,同时得到的指标还有升温弱化度Cs-C2值、总弱化度C1-C2值(该值反映了淀粉粉团在搅拌和轻微加热状态下,粉团的稀化特性,是恒温弱化与升温弱化之和)[14]。由表3可知,马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a的C2值相差较小,但明显低于马铃薯淀粉c。三个样品中,马铃薯淀粉c的升温弱化值较之马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a差别较大,为负值,这与其前期粉团稠度不稳定有关。三个样品的总弱化度大小为马铃薯淀粉b>a>c。

2.3.2 不同马铃薯淀粉团熟化老化阶段特性分析 马铃薯淀粉团加热熟化老化阶段的主要指标包括起始糊化时间、起始糊化温度、峰值粘度、保持粘度、回生终点粘度、粘度崩解值和回生值。其中,起始糊化时间和起始糊化温度反映粉团发生糊化的难易程度。起始糊化温度越低,糊化时间越早,水分越容易侵入淀粉分子间,形成无定型态,即糊化状[15]。由表4可知马铃薯淀粉c的起始糊化时间最晚,糊化温度最高;其次是马铃薯淀粉b,而马铃薯淀粉a的起始糊化时间最低。不同品种淀粉样品的峰值粘度、保持粘度和粘度崩解值和回生值见表4。粘度崩解值,即峰值粘度和保持粘度的差值,反映样品热粘度的稳定性[16]。马铃薯淀粉c的C3值最大,粘度崩解值最小;马铃薯淀粉a的C3值次之,而粘度崩解值最大;马铃薯淀粉b的C3值最小,粘度崩解值居中。

综合考虑,三种不同马铃薯淀粉样品在流变学特性上的差异均较明显,糊化前马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a比马铃薯淀粉c有更高的粉团稠度,且粉团稳定性高、曲线波动小,同时马铃薯淀粉b在升温后也表现出较高热粘度,粘度崩解值较小,回生值较低。考虑到马铃薯淀粉样品采购成本,确定本次低成本粉条的主原料品种为马铃薯淀粉b。

2.4 替代淀粉样品的对比测试结果分析

采用标准方法Chopin+85测试协议,替代淀粉—木薯淀粉、小麦淀粉恒量加水70%测试后,初始最大粘度C1达到目标扭矩(1.1±0.7) Nm的差距较大,故采用适量加水测试,调整加水量,测试结果见图3、表5和表6。

表5 替代淀粉样品适量加水Mixolab标准测试结果

表6 替代淀粉样品Mixolab粘度阶段标准测试结果

图3 替代淀粉样品适量加水Mixolab测试曲线图

通过测试结果可以看出:适量加水实验条件下测得木薯淀粉样品有较高的吸水率(57%),大于小麦淀粉样品吸水率(50%),但两者的吸水率都远低于马铃薯淀粉b的吸水率(70%)。另外,三者的糊化时间和糊化温度相差不大。对比区域①可知,小麦淀粉与马铃薯淀粉b的粉团稳定性均比木薯淀粉好;三者的总弱化值对比,小麦淀粉最高,马铃薯淀粉b次之,但两者数值相近,木薯淀粉最小(表5)。同时对于C3,小麦淀粉样品比木薯淀粉样品和马铃薯淀粉b样品都先出现C3值,提前了约1 min,且前者的C3值大于后两者的C3值。三者的粘度崩解值对比,马铃薯淀粉b的粘度崩解值最小,木薯淀粉次之,小麦淀粉最大。对于C5值,小麦淀粉样品与木薯淀粉样品都低于马铃薯淀粉b,说明两者的回生比马铃薯淀粉b样品低。

2.5 低成本粉丝的配方优化Mixolab结果分析

2.5.1 复合增稠剂对粉团流变学特性的影响 通过Mixolab初步测试,保持14%湿基条件不变,在考虑马铃薯淀粉主原料成本的基础上,同时考虑粉团的感官品质,确定木薯淀粉的添加量为10%,小麦淀粉的添加量为15%,测试方法不再详述;马铃薯淀粉及辅料谷朊粉、复合增稠剂的添加量合计为75%。

保持粉团总质量不变,小麦淀粉和木薯淀粉比例不变,谷朊粉的添加量为4%。恒量加水70%,复合增稠剂含量按梯度0.5%、0.8%、1.1%进行测试,配比及结果见表7、图4和表8。

表7 测试配料及配比表

表8 复合增稠剂对粉团Mixolab测试的影响

通过图4和表8测试结果可以看出:由于采用恒量加水,三种配粉的C1值均未达到目标扭矩,但从C1值到C3值,以上三个配料样品的品质即糊化差异性不明显,糊化曲线基本拟合,且上升趋势与马铃薯淀粉b相似,而从C3值到C5值,随着复合增稠剂含量的增加,三种配料粉团的回生值逐渐降低,且降幅在变小,糊化温度不断升高。考虑到复合增稠剂的建议添加量,确定为1.1%。

图4 复合增稠剂对粉团Mixolab测试的影响曲线图

2.5.2 谷朊粉对粉团的流变学特性影响 保持粉团总质量不变,小麦淀粉和木薯淀粉比例不变,复合增稠剂添加量为1.1%,14%湿基条件下,恒量加水70%,谷朊粉的添加量按照梯度2%、4%、6%进行测试,配比及结果见表9、图5和表10。

图5 谷朊粉对粉团Mixolab测试的影响

表10 谷朊粉对粉团Mixolab测试的影响

表9 测试配料及配比表(复合增稠剂含量确定)

通过测试结果可以看出:由于采用恒量加水,三种配方的C1值均未达到目标扭矩,从C1值到C3值,以上三个配料样品的品质即糊化差异性不明显,且上升趋势与马铃薯淀粉b相似,而从C3值到C5值,随着谷朊粉含量的增加,配料粉团的回生值逐渐降低,这是因为谷朊粉形成的网状结构包裹着淀粉,抑制了淀粉的溶胀,引起粘度值下降;且随着谷朊粉添加量的升高,回生值降低越明显。但当谷朊粉的添加量高于6%时,粉条色泽略黄,考虑到其感官评价,谷朊粉的添加量确定为4%。

2.5.3 吸水率对配料粉团的流变学特性影响 通过分析,确定谷朊粉添加量为4%,复合增稠剂添加量为1.1%,木薯淀粉添加量为10%,小麦淀粉添加量为15%,14%湿基条件下,吸水率按梯度按68、64%、60%进行测试,配比及结果见表11、图6和表12。

表11 配料及配比表(谷朊粉和复合增稠剂含量确定)

表12 吸水率对配料粉团Mixolab测试的影响

图6 吸水率对配料粉团Mixolab测试的影响曲线图

通过图6和表12的结果可以看出:当吸水率从60%升高到68%时C1、C2、C3、C4、C5值均降低;当吸水率为60%时,粉团的C1值接近目标扭矩(1.1±0.07) N.m。因此,本次配粉C1值吸水率在60%的基础上进一步优化,按照59%,58%的吸水率再进行测试,配比及结果见表13、图7、表14。

表13 配料及配比表(吸水率测定)

图7 吸水率对配料粉团Mixolab测试的影响曲线图

表14 吸水率对配料粉团Mixolab测试的影响(进一步优化)

通过图7和表14的结果可以看出:当吸水率从60%降低到58%时,C1值上升,达到了目标扭矩(1.1±0.07) Nm,回生值略有下降,起始糊化温度变化不大,上升了0.1 ℃,因此,确定配粉粉团的吸水率为58%。

2.5.4 低成本马铃薯粉丝配粉与马铃薯淀粉b粉团的对比分析 通过以上测试分析,本次低成本粉条配粉的配方为马铃薯淀粉∶木薯淀粉∶小麦淀粉∶谷朊粉∶复合增稠剂为0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011,该粉团与占比为100%马铃薯淀粉b的粉团(样1)进行测试,结果对比见表15、图8和表16。

表15 低成本粉丝配粉测试配比表

表16 低成本粉丝配粉团与纯马铃薯淀粉团Mixolab测试结果

图8 低成本粉丝配粉团与纯马铃薯淀粉团Mixolab测试曲线图

通过图8和表16测试结果可以看出:适量加水条件下,配粉和样1的吸水率有显著差异,前者的58%远低于后者的70%;粉团形成一直到升温阶段,前者的稳定性都高于后者;糊化温度后者(51.8 ℃)低于前者(57.8 ℃);这可能是由于马铃薯淀粉为单一的淀粉,在升温过程中结构发生了部分变化,导致Cs到C2间曲线差距明显,同时糊化时间较前,糊化温度低于配粉的糊化温度;配粉为复合淀粉,含有三种淀粉及两种改良性辅料,升温过程结构变化不明显,从而导致糊化温度较高,糊化时间推迟;从C1值开始到C4值,二者对应的差距不大,分别为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,本实验中得到的配粉配方为马铃薯淀粉∶木薯淀粉∶小麦淀粉∶谷朊粉∶复合增稠剂为0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011。经目前市场询价,采用该配方生产的马铃薯粉丝生产成本下降了8%。

3 结论

由Mixolab测试结果可知,三种不同的马铃薯淀粉样品在流变学特性上的差异较明显,马铃薯淀粉b和马铃薯淀粉a比马铃薯淀粉c有更高的冷粘度(高粉团稠度)以及稳定性(曲线波动小),且马铃薯淀粉b在升温后也表现为较高的热粘度(粘度崩解值较小),具有起始糊化温度较高、起始糊化时间延迟等特性。

考虑到马铃薯淀粉样品采购成本,本次低成本粉丝的主原料品种为马铃薯淀粉b。经过与全马铃薯淀粉的流变学特性实验结果对比,将部分马铃薯淀粉用木薯淀粉和小麦淀粉代替,确定三者配比关系,最终得到本次低成本粉丝配粉配方为马铃薯淀粉∶木薯淀粉∶小麦淀粉∶谷朊粉∶复合增稠剂为0.699∶0.1∶0.15∶0.04∶0.011,吸水率为58%。在此条件下,制作出来的粉条回生较低、糊化温度较高、稳定性较好、蛋白含量较高、色泽相近、柔韧性较好,生产成本降低,为实现低成本水晶粉丝的产业化提供理论依据。