響應(yīng)面法優(yōu)化家用豆?jié){機(jī)濕豆制漿工藝

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(1.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院食品與農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京 102200;2.中標(biāo)能效科技(北京)有限公司,北京 100088;3.揚(yáng)州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127)

豆?jié){又稱豆奶、豆乳,它是以大豆為主要原料,經(jīng)過研磨、過濾、煮沸等工序制備而成的優(yōu)質(zhì)植物蛋白飲品。因其口感醇厚、營養(yǎng)豐富、易于消化吸收等特點(diǎn),越來越受到消費(fèi)者喜愛[1-5]。傳統(tǒng)豆?jié){制作繁瑣、出漿率低、口感粗糙等劣勢(shì)突出,市售豆?jié){在給人們帶來便捷的同時(shí),還存在著非現(xiàn)磨、“粉沖”、添加防腐劑和增香劑等問題,使豆?jié){質(zhì)量大打折扣,均不能滿足現(xiàn)代人們高質(zhì)量的生活追求。越來越多的人選擇制漿過程更簡單、便捷的家用豆?jié){機(jī)自制豆?jié){,這已經(jīng)成為我國豆?jié){的主要消費(fèi)形式之一[6]。據(jù)中國報(bào)告大廳網(wǎng)發(fā)布的《2015年豆?jié){機(jī)行業(yè)市場分析報(bào)告》顯示,家用豆?jié){機(jī)市場需求已經(jīng)呈現(xiàn)加速增漲的勢(shì)頭。

本研究室通過對(duì)比市面上4款主流品牌的家用豆?jié){機(jī)兩種模式下所制豆?jié){的營養(yǎng)指標(biāo)和感官品質(zhì),研究濕豆模式均優(yōu)于干豆模式[7-8]。濕豆制漿過程中,主要可調(diào)控因素包括浸泡溫度、浸泡時(shí)間和豆水比[9]。浸泡能降低抗?fàn)I養(yǎng)因子含量,提高蛋白消化率[10-14]。浸泡時(shí)間一般需要8～12 h甚至更長,但浸泡時(shí)間過長、溫度過高易導(dǎo)致營養(yǎng)成分流失和微生物滋生,影響豆?jié){質(zhì)量[15]。當(dāng)豆水比高于1∶5 g/mL時(shí)(即加水越少),會(huì)使水溶性蛋白分子間結(jié)合速度加快而導(dǎo)致不溶;當(dāng)豆水比低于1∶14 g/mL時(shí)(即加水越多),越有利于打漿,可溶性蛋白質(zhì)溶出也更徹底,又會(huì)降低可溶性蛋白質(zhì)的濃度,影響豆?jié){營養(yǎng)攝入和口感[16]。因此采用適宜的前處理?xiàng)l件也是制作營養(yǎng)美味豆?jié){的關(guān)鍵。

本文針對(duì)消費(fèi)者最易控制的三個(gè)制漿條件(浸泡溫度、浸泡時(shí)間、豆水比),選擇2015年市場份額占比接近80%的九陽品牌中受關(guān)注度高達(dá)1.07%的DJ13B-D08型家用豆?jié){機(jī),通過單因素實(shí)驗(yàn)研究其對(duì)豆?jié){理化指標(biāo)的影響,利用響應(yīng)面法優(yōu)化家用豆?jié){機(jī)的濕豆制漿工藝條件,提高豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量,旨在為家庭自制豆?jié){質(zhì)量控制和豆?jié){機(jī)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

萬谷美食黃豆(一級(jí)) 非轉(zhuǎn)基因,產(chǎn)自黑龍江海倫,北京山農(nóng)生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn),購于北京市昌平區(qū)世紀(jì)聯(lián)華超市;牛血清白蛋白 美國Sigma公司;考馬斯亮藍(lán)G-250、乙醇、磷酸(分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;實(shí)驗(yàn)室自制超純水 電阻率18.2 MΩ·cm。

AL104-1C型電子分析天平 瑞士梅特勒托利多公司;DZKW-D-4型恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋 上海樹立有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏有限公司;J357型折光儀 美國魯?shù)婪蚬?Cary100型紫外可見分光光度計(jì) 美國瓦里安公司;HT-866型紅外測溫儀 廣州市宏成集業(yè)有限公司;DJ13B-D08型家用豆?jié){機(jī) 九陽股份有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制漿工藝流程 家用豆?jié){機(jī)按如下流程制漿:黃豆→精選→秤取→清洗→加水浸泡→去皮→加水→加熱→磨漿→均質(zhì)→過濾→得漿

秤取100.0 g精選黃豆,流水沖洗干凈后,一次性加入800 mL水在指定溫度條件下浸泡相應(yīng)時(shí)間,除去浸泡時(shí)脫落的黃豆皮并瀝干水,按指定豆水比加入豆?jié){機(jī)中選擇濕豆模式進(jìn)行磨漿;待豆?jié){機(jī)磨漿程序結(jié)束后,手動(dòng)混勻均質(zhì),經(jīng)80目濾網(wǎng)過濾得漿。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 為確定豆?jié){機(jī)濕豆模式下的最佳制漿條件,準(zhǔn)確秤取精選后的黃豆100.0 g,分別以不同浸泡時(shí)間、浸泡溫度、豆水比等3個(gè)因素進(jìn)行研究。

1.2.2.1 浸泡時(shí)間的影響 在室溫下分別浸泡6、8、10、12、14、16 h后,按豆水比1∶10 g/mL制漿,對(duì)吸水率、出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.2.2 浸泡溫度的影響 浸泡溫度分別為20、25、30、35、40、45 ℃,浸泡12 h后,按照豆水比1∶10 g/mL制漿,對(duì)吸水率、出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.2.3 豆水比的影響 稱取6份挑選好的黃豆各100.0 g,在室溫下浸泡12 h后,分別為按照豆水比1∶6、1∶8、1∶10、1∶11、1∶12、1∶13 g/mL制漿,由于黃豆被足量水飽和浸泡，豆水比變化不影響豆水的吸水率，因此只對(duì)出漿率、可溶性固形物含量、可溶性蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,運(yùn)用Design-Expert 8.0.5b軟件,根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[17-18],選擇浸泡時(shí)間、浸泡溫度和豆水比等3個(gè)因素,以可溶性蛋白質(zhì)含量為優(yōu)化指標(biāo),進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼如表1所示。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters tested in Box-Behnken experimental design

1.2.4 吸水率的測定 準(zhǔn)確稱取100.0 g精選黃豆,加入充足等量的水,經(jīng)不同條件浸泡后,稱量黃豆的重量。計(jì)算方法如公式(1)所示:

式(1)

式(1)中:m1-大豆浸泡前的質(zhì)量(g);mt-浸泡t時(shí)刻大豆的重量(g);Qt-t時(shí)刻的大豆吸水率(%)。

1.2.5 出漿率的測定 磨漿前,稱取浸泡后黃豆的質(zhì)量和加入水的質(zhì)量,用同一濾網(wǎng)過濾后,稱量豆?jié){的重量。計(jì)算方法如公式(2)所示:

式(2)

式(2)中:w1-浸泡后黃豆的質(zhì)量(g);w2-加水的質(zhì)量(g);w3-豆?jié){的質(zhì)量(g)。

1.2.6 可溶性固形物含量的測定 參考GB/T 12143-2008《飲料通用分析方法》[19]中的折光計(jì)法,將折光率換算為可溶性固形物百分含量,平行3次測定求平均。

1.2.7 可溶性蛋白質(zhì)含量的測定 采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[20]測定可溶性蛋白質(zhì)含量,測定三次取平均值。根據(jù)所測樣品的吸光度、稀釋倍數(shù)等,可溶性蛋白質(zhì)含量計(jì)算如公式(3)所示:

式(3)

式中:c-標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出的相應(yīng)可溶性蛋白質(zhì)濃度(μg/mL);N-豆?jié){稀釋倍數(shù);V-豆?jié){體積(mL);m-豆?jié){質(zhì)量(g);ω-可溶性蛋白質(zhì)百分含量(%)。

1.3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和作圖采用SPSS 19.0、Excel 2010和Origin 7.5軟件等,數(shù)據(jù)的顯著性分析采用SPSS的單因素方差分析ANOVA的Duncan’s multiple range test方法分析,置信區(qū)間p為0.05。每個(gè)實(shí)驗(yàn)三次平行,結(jié)果表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 浸泡時(shí)間對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 由圖1可知,隨著黃豆浸泡時(shí)間的增加,豆子吸水率顯著升高,在10 h時(shí)吸水率已超過100%,浸泡14 h后豆子吸水率趨于平緩;在12 h時(shí)出漿率相對(duì)高,之后隨著浸泡時(shí)間延長出漿率增幅不明顯;可溶性蛋白質(zhì)百分含量隨著浸泡時(shí)間的增加,顯著升高,12 h含量最高;可溶性固形物百分含量隨著浸泡時(shí)間的增幅不明顯,在12 h相對(duì)較高。浸泡時(shí)間對(duì)豆?jié){品質(zhì)的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[6,10]報(bào)道結(jié)論一致,隨著時(shí)間的延長,大豆籽粒越來越疏松,部分營養(yǎng)物質(zhì)溶出至浸泡水中,導(dǎo)致營養(yǎng)流失,因此豆子的浸泡時(shí)間不宜太長,12 h左右最適合。

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)豆?jié){品質(zhì)的影響(n=3)Fig.1 Effect of soaking time on the quality of soybean milk(n=3)

2.1.2 浸泡溫度對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 由圖2可知,浸泡溫度越高,豆子的吸水率越高,但40 ℃后開始降低;出漿率隨著浸泡時(shí)間的變化不明顯;隨著浸泡溫度的升高,可溶性蛋白質(zhì)百分含量先升高后下降,25 ℃時(shí)最高,超過25 ℃下降明顯;超過30 ℃后可溶性固形物含量明顯下降。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高,大豆中的蛋白酶活性較高,將大豆中的大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì),導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)流失[21-22]。浸泡溫度過高,還容易滋生微生物,也會(huì)消耗大豆中的營養(yǎng)成分[23]。因此,浸泡溫度為25 ℃左右較適合。

圖2 浸泡溫度對(duì)豆?jié){品質(zhì)的影響(n=3)Fig.2 Effect of soaking temperature on soybean milk’s index(n=3)

2.1.3 豆水比對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 由圖3可知,出漿率與豆水比呈正相關(guān),固形物含量與豆水比呈正相關(guān);可溶性蛋白質(zhì)含量先升高后下降,超過1∶10 g/mL下降明顯。加水的越多,豆子和水能夠充分混合,可溶性蛋白質(zhì)溶出的更徹底。但隨著水的比例加大,豆子被打到的概率也會(huì)隨之下降,導(dǎo)致可溶性蛋白質(zhì)溶出較少。水越多,會(huì)大大降低豆?jié){中可溶性蛋白質(zhì)的濃度,從而影響其口感[24-25]。而且豆?jié){機(jī)的機(jī)體容量有限,不宜加水過多。因此,選擇豆水比為1∶10 g/mL較適合。

圖3 豆水比對(duì)豆?jié){品質(zhì)的影響(n=3)Fig.3 Effect of soybean-to-liquid ratio on soybean milk’s soluble protein content(n=3)

2.2響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析 根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用三因素三水平的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化實(shí)驗(yàn),響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。運(yùn)用Design-Expert 8.0.5b軟件,以浸泡時(shí)間(A)、浸泡溫度(B)和豆水比(C)為響應(yīng)變量,以可溶性蛋白質(zhì)含量(R)為響應(yīng)值,對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,獲得回歸方程模型方差分析及回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn),分別如表3和表4所示。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Experiment result of Box-Behnken

表3 回歸方程的二次多項(xiàng)模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Test of significance for regression coefficient

注:*為差異顯著,p<0.05;**為差異極顯著,p<0.01。

通過Design-Expert8.0.5b軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸的二次多項(xiàng)式擬合后,所得到的預(yù)測模型如下:

R=14.45-0.24A+0.24B-0.37C-0.48A2-1.65B2-0.57C2-0.36AB-0.40AC+0.63BC

由表4可知,浸泡時(shí)間、浸泡溫度以及豆水比3個(gè)因素對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量均有顯著(p<0.05)影響,各因素對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量影響的大小順序?yàn)槎顾?C)>浸泡時(shí)間(A)>浸泡溫度(B),其中豆水比對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量的影響達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果分析及驗(yàn)證 為了考察各因素的交互作用對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量的影響,在固定其他因素不變的情況下,利用Design-Expert 8.0.5b軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行運(yùn)算,得到兩兩因素交互作用對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)的響應(yīng)曲面如圖4所示。

圖4 兩兩因素交互作用對(duì)豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量的響應(yīng)面圖Fig.4 Response suface plots showing the effects of pairwise interaction of the Factor on the soybean milk of soluble protein

由圖4可以直觀地看到各因素之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。在一定范圍內(nèi),保持一個(gè)因素不變的情況下,隨著另外兩個(gè)因素的增加,豆?jié){蛋白含量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。

采用Design-Expert8.0.5b軟件求解回歸方程,求得豆?jié){機(jī)的最佳制漿工藝為:浸泡時(shí)間為11.7 h,浸泡溫度為25.7 ℃,豆水比為1∶9.49 g/mL,可溶性蛋白質(zhì)含量預(yù)測值為14.52%。但考慮到實(shí)際操作,為了家庭應(yīng)用上的方便,將制漿條件定為浸泡時(shí)間為12 h,浸泡溫度為25 ℃,豆水比為1∶9 g/mL。按上述最優(yōu)條件進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),測得豆?jié){可溶性蛋白質(zhì)含量平均為14.36%,與響應(yīng)面預(yù)測值14.52%擬合性較好與預(yù)測值相近,進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的可行性,具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理,利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)并建立了豆?jié){中可溶性蛋白含量與浸泡時(shí)間、浸泡溫度、豆水比三個(gè)因素之間的二次多項(xiàng)回歸模型,旨在優(yōu)化家用豆?jié){機(jī)制漿工藝條件,制得可溶性可溶性蛋白質(zhì)含量更高的豆?jié){。

由該模型優(yōu)化的家用豆?jié){機(jī)最佳制漿工藝條件為浸泡時(shí)間為12 h,浸泡溫度為25 ℃,豆水比為1∶9 g/mL。在此條件下家用豆?jié){機(jī)所制豆?jié){呈淡黃色,豆香濃郁,口感細(xì)膩、綿滑;可溶性蛋白質(zhì)含量驗(yàn)證值為14.36%,在豆?jié){中的含量明顯提高,且與模型預(yù)測值僅相差0.16%,表明該模型得到的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)真實(shí)值相符度較高,進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的可靠性。本研究通過正交實(shí)驗(yàn)獲得的最佳制漿工藝條件,將對(duì)后續(xù)家用豆?jié){機(jī)所制豆?jié){品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)將對(duì)豆?jié){機(jī)制造企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)及家庭自制豆?jié){等具有一定的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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