包裝內(nèi)初始氧對米威化餅干貨架期的影響

錢奕含，盧立新,2*，潘嘹,2，盧莉璟

1(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)2(江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫，214122)

威化餅干是一種以小麥粉為主要原料，在餅皮之間添加糖、油脂等夾心料的多層餅干[1]。威化餅干一直深受廣大消費者喜愛，然而傳統(tǒng)威化餅干含有高油高糖，對于人體健康不利。因此開發(fā)了一種新型米威化餅干，此產(chǎn)品中添加了一定比例米粉，并且減少了餅干夾心厚度。米威化餅干不僅具有獨特的烘焙米制品的香味，而且含油量更少，營養(yǎng)豐富，無論從口感和健康角度都有很大程度上的優(yōu)化，是一種非常具有市場前景的產(chǎn)品。

但是，米威化極易氧化，這是由于米中含有的亞油酸占總脂比例很高，盡管米中只有不到1%的油脂，但亞油酸卻超過了其中的40%[2]，而亞油酸被氧化的速率是油酸的數(shù)十倍[3]。此外，由于米威化中添加植物油比普通威化餅干要少，而食品抗氧化劑一般添加在油脂中，因此產(chǎn)品中抗氧化劑的添加量較少。同時，米威化餅干的餅皮具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)[4]，與氧氣的接觸面積大。因此米威化比普通威化更易氧化，研究其貨架期對其包裝的設(shè)計有重要意義。

通常研究人員會通過建立存儲試驗，來獲得食品的貨架期預(yù)測模型[5]。近年來，國內(nèi)外對瑪咖餅干、杏仁餅干、蕎麥餅干等新型餅干產(chǎn)品不斷有相關(guān)研究[6-9]，然而關(guān)于米制品的貨架期研究很少，更鮮有人針對其抗氧化問題進(jìn)行研究。

基于以上幾點原因，有必要針對米威化進(jìn)行測試并建立其貨架期預(yù)測模型。為此，本文通過對米威化餅干在4種氧氣濃度(真空、低氧、中低氧、大氣)和3種溫度條件(23，40，50 ℃)下，進(jìn)行儲藏實驗，測定其 POV、色差及感官指標(biāo)的變化，并以 POV 為關(guān)鍵指標(biāo)建立其貨架期預(yù)測模型，為米威化的包裝選材和設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米威化餅干, 由蘇州某食品公司生產(chǎn)提供，廠房包裝好的餅干直接運送實驗室，常溫遮光存放。試樣包裝規(guī)格：10.3 g/包。包裝材料：PET/VMBOPP。油脂種類與含量：食用植物油，42%。生產(chǎn)日期：2019年9月20日。

鋁箔袋，上海易諾包裝材料有限公司

石油醚(30～60 ℃沸程)、冰醋酸、三氯甲烷、硫代硫酸鈉等，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

騰通牌真空包裝機，騰通包裝機械有限公司；MA-35氣體自動混合機，森瑞保鮮設(shè)備有限公司；THS-AOC-100AS 恒溫恒濕試驗機，慶聲科技有限公司；梅特勒-托利多電位滴定儀，梅特勒-托利多國際有限公司；CR-400色彩色差計，柯尼卡美能達(dá)(中國)投資有限公司。

1.3 方法設(shè)計

為避免測試過程中包裝內(nèi)外的氣體交換影響測試結(jié)果，將米威化餅干用高阻隔鋁塑復(fù)合包裝袋重新包裝。

(1)包裝內(nèi)氧氣濃度梯度設(shè)計

為了探究包裝中初始氧濃度對米威化餅干油脂氧化速率的影響規(guī)律，本試驗選定了4個氧氣濃度水平，在50 ℃、50%RH的溫濕度條件下進(jìn)行加速試驗，4種氧氣濃度水平分別為：

A：包裝中氧氣濃度=1.8 %(真空包裝)；

B：包裝中氧氣濃度≈5 %(低氧環(huán)境)；

C：包裝中氧氣濃度≈10 %(中低氧環(huán)境)；

D：包裝中氧氣濃度=20.9 %(大氣組分)；

將以上4組充入不同氧氣濃度的餅干放入恒溫恒濕試驗機內(nèi)進(jìn)行避光的加速試驗，每7 d取出1包(100 g)測定其所包裹的餅干過氧化值，每組測3次，取平均值，同時測定包裝內(nèi)氧氣濃度的變化值。

(2)加速試驗設(shè)計

餅干類產(chǎn)品的保質(zhì)期通常較長，為了快速得到其變化規(guī)律，通常會進(jìn)行高溫加速試驗。但是在60 ℃以上餅干中的蛋白質(zhì)會變性或褐變，影響測試結(jié)果[10]。因此，經(jīng)過測試，除了常溫23 ℃之外，本試驗選用30，40和50 ℃三個溫度水平進(jìn)行加速試驗。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 過氧化值測定

根據(jù)GB 5009.227—2016提取米威化樣品中油脂，并完成對過氧化值的測定[11]。

1.4.2 色差測定

用色彩色差計測量米威化餅干餅皮的L*、a*、b*值，色差ΔE計算公式如下：

(1)

式中：L*，亮度值；a*，紅綠值；b*，黃藍(lán)值。

1.4.3 感官指標(biāo)測定

參考已有研究的感官測試方法[12]，邀請6名經(jīng)過感官評價方法培訓(xùn)的相關(guān)人員(男女各3人)組成感官評定小組，對不同包裝內(nèi)氧氣濃度保存下的米威化餅干樣品的口感質(zhì)地、風(fēng)味、外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價。評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standards of sensory evaluation

1.5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗至少重復(fù)3次，并用Origin9.1軟件處理數(shù)據(jù)，結(jié)果采用平均值，并標(biāo)明標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 包裝內(nèi)氧氣濃度對米威化餅干 POV 變化的影響

食品在氧化過程的初期會產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的過氧化物，這個過程可以通過測定產(chǎn)品的過氧化值來表征。過氧化值越高表明產(chǎn)品的氧化程度越嚴(yán)重，GB 7100—2015中規(guī)定，合格餅干的過氧化值不得超過0.25 g/100g[13]。

將4組包裝內(nèi)充入不同氧氣濃度氣體的米威化餅干試樣經(jīng)過42 d的50 ℃加速試驗后，其平均過氧化值變化如圖1所示。

圖1 不同氧氣濃度下過氧化值的變化Fig.1 Changes in peroxide values (POV) at different oxygen concentrations

由圖1可以看出，氧氣濃度對米威化 POV 的影響十分明顯，隨著包裝內(nèi)氧氣濃度升高，POV 上升明顯加快。在真空和低氧環(huán)境下，POV 變化較為接近，在儲藏過程中試樣的 POV 緩慢上升，但始終保持在較低水平。而中低氧和大氣環(huán)境的兩組 POV 上升較快，其中大氣組在37 d的時候就已經(jīng)超出了國標(biāo)的限定值。中低氧和大氣環(huán)境組前15 d的氧化速率較慢，15～35 d明顯逐漸加劇。這有可能是因為油脂的自動氧化是一種分級自動催化的鏈反應(yīng)[14]，在氧化初期的誘導(dǎo)期，碳原子團(tuán)與氧經(jīng)過一系列反應(yīng)，生成一些小分子物質(zhì)，這些小分子氧化能力極強，使得氧化原子團(tuán)的鏈反應(yīng)加劇，更快地產(chǎn)生有機過氧化物[15-16]。總的來說，控制包裝內(nèi)的氧氣濃度對米威化餅干的保存有重要意義。

2.2 包裝內(nèi)氧氣濃度對米威化餅干色差變化的影響

餅干在氧化過程中顏色通常會產(chǎn)生變化，隨著氧化程度的加深，米威化餅干的餅皮會逐漸由米白色轉(zhuǎn)變成米黃色。但是這個顏色的變化肉眼難以量化地表征，可以通過色彩色差計從L*、a*、b*值3個方面綜合地評定試樣的顏色變化。

圖2 不同氧氣濃度下色差的變化Fig.2 Changes in chromatic aberration at different oxygen concentrations

由圖2可以看出，在不同包裝內(nèi)氧氣濃度保存下的米威化餅干試樣的色差整體都是隨時間上升的，但是氧氣濃度對色差的影響不是很明顯，且數(shù)據(jù)波動性較大。這可能是因為米威化在烘焙過程中餅皮會產(chǎn)生一定程度的顏色不均勻。總的來說，4組試樣的色差變化都比較細(xì)微，肉眼分辨區(qū)別不明顯，直至加速試驗結(jié)束色差變化仍在可接受范圍內(nèi)。

2.3 包裝內(nèi)氧氣濃度對米威化餅干感官變化的影響

除了 POV 和色差，米威化的品質(zhì)變化同時還體現(xiàn)在口感質(zhì)地、風(fēng)味和外觀結(jié)構(gòu)的變劣上，雖然這些指標(biāo)難以用儀器進(jìn)行測定，但是這些變化對于消費者來說是極容易感受到的[17-18]。因此有必要對試樣進(jìn)行感官測試，以評定消費者對餅干變質(zhì)的接受程度。

如表2所示，在42 d的50 ℃存儲藏試驗中，米威化的綜合評分整體呈下降趨勢。其中，口感質(zhì)地的下降最為明顯，隨著氧氣濃度的升高和時間的推移，米威化的口感出現(xiàn)了明顯的下降。除了氧化酸敗導(dǎo)致的口感變差，在高溫加速試驗過程中，餡料會有一部分熔化的現(xiàn)象，恢復(fù)常溫后又重新凝固，這一過程會導(dǎo)致餅干粉感明顯，極大影響餅干的口感。餅干風(fēng)味的變化主要表現(xiàn)在米香味變淡，隨著氧氣濃度升高，米威化的風(fēng)味更快地喪失，但這種區(qū)別在真空和低氧兩組中表現(xiàn)的不是很明顯。值得注意的是，即使大氣條件下保存的試樣在37 d時 POV 已經(jīng)超出了國標(biāo)規(guī)定值，試樣仍然沒有十分明顯的油脂變質(zhì)氣味。產(chǎn)品的外觀結(jié)構(gòu)除真空組外均保持完好，由于米威化本身疏松多孔的結(jié)構(gòu)，抽真空后餅皮破碎脫落現(xiàn)象較為明顯，部分餅干餡料溢出，餅干整體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，因此評分下降明顯。

表2 不同氧氣濃度下感官評價的變化 單位：分Table 2 Changes in sensory evaluation at different oxygen concentrations

2.3 溫度對米威化餅干過氧化值的影響

為了探究米威化的貨架期，建立在大氣氧濃度保存條件下產(chǎn)品基于儲藏溫度的貨架期預(yù)測模型，選擇了23，30，40和50 ℃四個溫度條件，在大氣環(huán)境條件下對米威化進(jìn)行存儲試驗，每隔7 d測試其過氧化值。

圖3 不同溫度下過氧化值的變化Fig.3 Changes in peroxide values at different temperatures

結(jié)果表明，溫度對米威化 POV 變化的影響顯著，溫度越高，產(chǎn)品的 POV 增長越快。如圖3所示，在23 ℃和30 ℃條件下， POV 增長較為緩慢，在測試期內(nèi)始終保持在較低的水平。而在40 ℃和50 ℃條件下 POV 的增長明顯加快，且分別在第48天和37天超出了國標(biāo)規(guī)定值。

2.5 米威化貨架期預(yù)測模型的建立及貨架壽命預(yù)測

在預(yù)測食品貨架期的研究中，一級反應(yīng)動力學(xué)模型得到了廣泛應(yīng)用[19]，一級反應(yīng)方程表達(dá)如公式(2)所示：

y=y0ekTt

(2)

式中：y，食品儲藏過程中某一時刻的品質(zhì)特征指標(biāo)值；y0，食品品質(zhì)特征值的初始值；kT，食品品質(zhì)變化速率，與食品儲藏溫度T有關(guān)；t，食品儲藏時間，d。

根據(jù)米威化品質(zhì)指標(biāo)的測試結(jié)果，選擇 POV 作為建立其貨架期預(yù)測模型的關(guān)鍵指標(biāo)。將一級動力學(xué)方程(公式2)兩邊取對數(shù)可得產(chǎn)品指標(biāo)與儲藏時間的線性關(guān)系如公(3)所示：

lny=lny0+kTt

(3)

將各因素條件下測得的 POV 取對數(shù)，并進(jìn)行回歸擬合，得到表3，將國標(biāo)規(guī)定的最大值0.25 g/100g代入各方程，計算得出各因素條件下依據(jù)一級動力學(xué)模型的預(yù)測貨架期。

表3 不同因素下品質(zhì)變化的動力學(xué)模型及預(yù)測貨架期Table 3 Dynamic model of quality change under different factors and prediction of shelf life

不同氧氣濃度條件下米威化 POV 對數(shù)隨時間變化的擬合結(jié)果如圖4所示。各組回歸系數(shù)均大于0.95，表明擬合度好。品質(zhì)變化速率kT隨氧氣濃度增加而變大，氧氣濃度對產(chǎn)品氧化影響顯著。

圖4 不同氧氣濃度下氧化速率擬合線Fig.4 The fitting line of the oxidation rate at different oxygen concentrations

不同溫度條件下米威化POV對數(shù)隨時間變化的擬合結(jié)果如圖5所示。各組回歸系數(shù)均大于0.9，表明擬合度較好。品質(zhì)變化速率kT隨溫度升高而變大，溫度對產(chǎn)品氧化影響明顯。

圖5 不同溫度下氧化速率擬合線Fig.5 The fitting line of the oxidation rate at different temperatures

將不同溫度下擬合得到的品質(zhì)變化速率kT取對數(shù)并代入公式(5)，再以1/T為橫軸，對lnkT作圖，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸(圖6)，得到關(guān)于溫度T的線性回歸方程lnkT=-1.429 58-187.105 17(1/T)，回歸系數(shù)R2=0.976 88，表明擬合度好。

Arrhenius方程作為溫度對食品中化學(xué)反應(yīng)速率和生物過程影響的模型被廣泛應(yīng)用[20]，其表達(dá)如公式(4)所示：

(4)

式中：k0，頻率因子；EA，活化能，J/mol；T，食品儲藏溫度，K；R，氣體常數(shù)，值為8.314 J/(mol·K)。

將式(4)代入式(2)，再通過變形可得米威化餅干關(guān)于溫度T的貨架期預(yù)測方程(5)為：

(5)

將公式(4)兩邊取對數(shù)可得公式(6)：

(6)

即lnkT與1/T呈線性關(guān)系，將試驗所得米威化餅干在23、30、40、50 ℃下保存的品質(zhì)特征指標(biāo)值進(jìn)行擬合，即可求出EA=1 538.98 kJ/mol，k0=0.23。

圖6 線性回歸擬合Fig.6 Linear regression fitting

將國標(biāo)規(guī)定的過氧化值y和測試所得的初始過氧化值y0代入公式(5)，化簡可得米威化在常氧條件下的貨架期預(yù)測模型，如公式(7)所示：

(7)

將不同溫度條件代入公式(7)，得到各儲藏溫度條件下的預(yù)測貨架期(表4)，將它們與實際測試所得貨架期比較，求得預(yù)測的相對誤差在±10%之內(nèi)，表明此模型在23～50 ℃能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測米威化貨架期。計算可得到米威化在常溫常氧儲存條件下的預(yù)測貨架期為107 d。

表4 大氣環(huán)境條件下米威化貨架期預(yù)測值與實測值Table 4 The predicted and measured value of shelf life of rice wafer under atmospheric environment

注：—表示未測

3 結(jié)論

(1)在不同包裝內(nèi)氧氣濃度條件下儲藏的米威化的 POV 隨儲藏時間增加而升高，且氧氣濃度越高，指標(biāo)增長越快。50 ℃下，常氧包裝的產(chǎn)品37 d超過國標(biāo)規(guī)定 POV(0.25 g/100g)，而真空包裝的產(chǎn)品42 d的 POV 僅為0.088 g/100g，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定值預(yù)測貨架期為83 d，氧氣濃度對產(chǎn)品貨架期影響顯著。色差隨儲藏時間整體呈波動上升，但所有組色差變化在5以內(nèi)，變化不顯著。感官指標(biāo)隨儲藏時間增加而不斷降低，抽真空和高溫處理對產(chǎn)品的感官指標(biāo)影響最為明顯。經(jīng)過42 d后，除大氣組綜合評分在4分以下，其余組別均在4～6分。

(2)在大氣氧濃度儲藏環(huán)境下，不同溫度儲藏的米威化 POV 隨時間增加而升高，且溫度越高，指標(biāo)增長越快。常氧下，米威化在40 ℃下保存的實測貨架期為48 d，而50 ℃僅為37 d，溫度對產(chǎn)品貨架期影響顯著。

(3)根據(jù)米威化的POV測試結(jié)果，建立了產(chǎn)品的貨架期預(yù)測模型，在23～50 ℃預(yù)測值相對誤差在±10%之內(nèi)，計算得米威化在23 ℃大氣氧含量保存條件下，貨架期為107 d。