薏米白酸湯的工藝優化及其風味成分研究

林莉,董瑋,吳加怡,袁瑋,嚴紅光,石敏,楊濤

1(凱里學院 大健康學院,貴州 凱里,556001)2(凱里學院 理學院,貴州 凱里,556001)

薏米(Coixseed),又叫苡米、薏苡仁、薏珠子等,是禾本科薏苡屬草本植物[1],其藥性微寒,味道甘甜,能促進人體水分的代謝,有消除水腫、去除濕氣、清熱解毒[2]等功效,被稱為“世界禾本科植物之王”[3]。薏米含有豐富的營養成分,除富含碳水化合物、蛋白質、脂肪、粗纖維、磷、鈣、鐵等微量元素外,還含有多種人體所需的必需氨基酸,且不飽和脂肪酸含量較高。現今,薏米作為原料已應用于各類食品的加工生產中[4],如薏米曲奇餅干、山藥薏米面包、釀造薏米酒以及研制薏米發酵酸奶等等。

酸湯是苗族在幾千年的發展歷程中創造的一種民族飲食,有白酸湯和紅酸湯之分。白酸湯又叫米酸湯,是以水、糯米(米湯)為主要原料經自然發酵而成的,其氣味平緩,回味甘甜,有補益氣虛、滋陰的功效,同時還起到清熱消暑的作用[5]。當前,關于白酸湯的研究主要集中在微生物多樣性分析、發酵過程中風味品質的變化、發酵菌種篩選等方面。王琪琪等[6]對白酸湯微生物多樣性及群落結構進行了解析,發現白酸湯中細菌有30個分類操作單元(operational taxonomic units,OTUs),真菌有89個OTUs。王思婷等[7]對米酸湯發酵過程中的揮發性風味物質進行分析得到22種主要揮發性物質。肖甜甜等[8]對白酸湯中優勢微生物進行篩選共得到20株發酵性能較好的優勢菌株。對于白酸湯原料選擇的多樣性,尤其是不同原料發酵白酸湯的工藝及風味研究方面尚未見相關報道。

本研究以薏米為原料,探究薏米白酸湯的加工工藝,對比分析薏米白酸湯和白酸湯的揮發性風味成分,旨在為白酸湯的原料選擇多樣性提供創新思路,為白酸湯市場多元化發展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏米,購于貴州省黔東南州錦屏縣;糯米,購于貴州省黔東南州黎平縣六背山;老水,實驗室自制;山泉水,取自黔東南州凱里市舟溪鎮。

1.2 儀器與設備

Q-800B高速多功能粉碎機,上海冰都電器有限公司;CN-LQC5001電子天平,昆山優科維特電子科技有限公司;WK2102美的電磁爐,廣東美的生活電器制造有限公司;HH-S8電熱恒溫水浴鍋,北京科偉永興儀器有限公司;PHSJ-4A pH計,上海儀電科學儀器股份有限公司;HP6890/5975C GC/MS聯用儀,美國安捷倫公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

薏米白酸湯的加工工藝流程如圖1所示。

圖1 薏米白酸湯工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of Coix rice-acid soup

1.3.2 操作要點

a)原料處理:分別將薏米和糯米打碎后過80目的篩子,備用。

b)加水煮沸:稱取一定量原料按一定比例加入山泉水,加熱煮沸,同時攪拌。

c)糊化:將加熱煮沸好的米湯放在水浴鍋中進行糊化,適時攪拌。

d)接種老水:待糊化好的米湯冷卻至室溫,按一定比例添加老水,裝壇。

e)發酵:置于室溫條件下自然發酵。

f)pH值的測定:跟蹤測定薏米白酸湯pH值至3.2～3.5,即發酵完成。

1.4 響應面試驗設計

1.4.1 料液比對酸湯品質影響試驗

固定m(糯米)∶m(薏米)=50∶50,糊化溫度60 ℃,糊化時間30 min,老水添加量15%(質量分數,下同),以不同的料液比(1∶50、2∶50、3∶50、4∶50,g∶mL)發酵7 d后測定pH值衡量酸湯的口感。

1.4.2 單因素試驗

選取糯米和薏米質量比、糊化溫度、糊化時間、老水添加量為4個因素,固定料液比(g∶mL)3∶50,參照1.3.1節工藝流程發酵。以感官評分為衡量指標,進行單因素試驗設計。

1.4.3 響應面試驗

結合單因素試驗,設計4因素3水平的響應面試驗對薏米白酸湯的工藝參數進行優化,因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 The factors and levels of response surface test

1.4.4 感官評價

1.4.4.1 評價人員選擇

感官評價小組按照國家標準GB/T 16291.1—2012,招募有品鑒能力的評價人員,對評價員進行選拔、培訓與管理。經過初篩、復篩,對通過選拔的品嘗測試人員進行感官培訓及20 h以上的強化訓練,最終建立10人(5男,5女,20～30歲)的評價小組。

1.4.4.2 感官評價室

感官評價室設置在低噪音、恒溫恒濕、空氣流通、無異味的房間。室內光線適宜,光源為白熾燈,評價室墻壁背景為白色。

1.4.4.3 感官評價標準

參照貴州省黔東南州凱里酸湯產業發展協會團體標準T/KLST003—2021《凱里酸湯 白酸湯》,制定薏米白酸湯的感官評價標準如表2所示。根據感官評價指標從色澤、口感、質地、氣味對薏米白酸湯進行感官評價。

表2 薏米白酸湯感官評價指標Table 2 Sensory score index of Coix rice-acid soup

1.5 揮發性風味物質的測定

1.5.1 測定方法

參考田亞等[9]的方法,略有改動,取2 mL混合均勻的液體樣品,放入固相微萃取儀的10 mL采樣瓶中,插入裝有2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纖維頭的手動進樣器,于65 ℃加熱板上進行頂空提取60 min,并用磁力攪拌使其升溫,隨后取出萃取頭,然后將其立即插入氣相色譜儀的進樣口,于230 ℃下進行熱解析進樣。

1.5.2 色譜條件

色譜條件:HP-5MS彈性石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),40 ℃柱溫下保持2 min,然后以3 ℃/min升到160 ℃,再以10 ℃/min升溫至220 ℃,保持10 min;載氣:99.999%的高純度He;柱壓:7.06 psi;流量:1.0 mL/min;不分流;溶劑延遲時間:1 min。

質譜條件:電子轟擊離子源為EI源,溫度230 ℃;四極桿溫度:150 ℃;電子能量70 eV;發射電流34.6 μA;倍增器電壓2 341 V;接口溫度240 ℃;質量范圍29～500 amu。

1.5.3 定性與定量方法

定性方法:通過對總離子流圖中的各峰進行檢索,并與Nist 20和Wiley 275標準質譜圖比對,同時結合RI值、相關文獻標準質譜圖進行定性。

定量方法:根據峰面積歸一化法評估揮發性成分的相對含量。計算如公式(1)所示:

(1)

式中:wi,組分i含量;Ai,組分i的峰面積。

1.6 數據處理

通過SPSS 19.0和Excel進行數據統計及差異顯著性分析,采用Origin 8.0軟件繪圖,利用Design expert 8.06軟件進行響應面(Box-Behnken)試驗設計及數據統計。

2 結果與分析

2.1 料液比對薏米酸湯品質影響試驗結果

根據圖2可知,當原料∶水=3∶50(料液比,g∶mL)時,其發酵效果最好,pH值為3.5,酸度適宜;當原料∶水=4∶50(料液比,g∶mL)時,則可能因米湯過于黏稠,營養物質過剩,微生物生長過快,發酵至后期會抑制其生長,從而影響其發酵活力及有機酸的產生[10]。傳統米酸湯的料液比為1∶50(g∶mL)[11],但薏米白酸湯發酵時,以原料∶水=1∶50(料液比,g∶mL)及原料∶水=2∶50(料液比,g∶mL)時,因原料薏米中的淀粉含量較低,故導致發酵效果不佳。故取原料∶水=3∶50(料液比,g∶mL)作為薏米白酸湯加工的料液比。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 糯米薏米質量比對薏米白酸湯的影響

由圖3可知,隨著糯米含量的增加,薏米白酸湯的感官評分也隨之升高,且在m(糯米)∶m(薏米)=65∶35時感官評分出現峰值90.63分,此時的薏米白酸湯在達到酸湯適口酸度的同時,還能很好地將薏米的風味引入白酸湯之中。當薏米含量繼續增加時,薏米白酸湯的感官評分呈下降趨勢。圖中,m(糯米)∶m(薏米)為80∶20和65∶35時所對應的感官評分值中無顯著差異(P>0.05),但從感官評分和原料選擇多樣性上綜合考慮,選擇65∶35為糯米薏米最佳質量比。

圖2 料液比對薏米酸湯品質影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on quality of Coix rice-acid soup

a-糯米薏米質量比對薏米白酸湯影響的感官雷達圖; b-糯米薏米質量比對薏米白酸湯感官評分影響折線圖圖3 糯米薏米質量比對薏米白酸湯的影響Fig.3 Effect of the mass ratio of glutinous rice to Coix seed on Coix rice-acid soup注:圖中不同字母代表差異顯著(P<0.05)(下同)。

2.2.2 糊化溫度對薏米白酸湯的影響

由圖4可知,感官評分隨糊化溫度呈上升后下降的趨勢。當糊化溫度70 ℃時,薏米白酸湯的感官評分達到最高91.30分,當溫度繼續升高,其感官評分開始逐漸下降,且與70 ℃時相比差異顯著(P<0.05)。這說明在溫度升高至70 ℃時,淀粉已全部糊化[12],致使白酸湯的感官評分值達到最高。從節約資源的方面考慮,故取70 ℃為薏米白酸湯的最佳糊化溫度。

a-糊化溫度對薏米白酸湯影響的感官雷達圖; b-糊化溫度對薏米白酸湯感官評分影響折線圖圖4 糊化溫度對薏米白酸湯的影響Fig.4 Effect of gelatinization temperature on Coix rice-acid soup

2.2.3 糊化時間對薏米白酸湯的影響

由圖5可知,感官評分隨糊化時間延長呈先升高后下降的趨勢。當糊化時間在40 min時,感官評分出現峰值92.67分,隨著糊化時間繼續延長,感官評分顯著下降(P<0.05)。糊化時間的選擇影響淀粉顆粒內部物質結構與水分的接觸時間的長短以及風味的好壞。糊化時間過短可能導致淀粉顆粒的糊化效果和吸水能力不佳,對微生物的消化吸收產生一定影響,糊化時間過長,雖會使淀粉顆粒的內部結構被裂解破壞[13],但糊化時間過長會對糯米和薏米的風味物質造成不良影響。綜上,以糊化時間40 min為薏米白酸湯的最佳糊化時間。

2.2.4 老水添加量對薏米白酸湯的影響

由圖6可知,感官評分隨老水添加量呈先升高后降低的趨勢,在添加量15%處出現峰值89.27分。老水添加量5%時,體系內的菌種數量過少,其發酵能力較弱,在發酵結束時難以達到適口的酸度;老水添加量為25%～45%時感官評分逐漸下降,可能是由于老水中的菌種數量過多,米湯中的營養物質也被過多的菌種消耗完,導致菌種的生長受到抑制,從而影響了菌種的發酵能力。因此取老水添加量15%為薏米白酸湯的最佳老水添加量。

a-糊化時間對薏米白酸湯影響的感官雷達圖; b-糊化時間對薏米白酸湯感官評分影響折線圖圖5 糊化時間對薏米白酸湯的影響Fig.5 Effect of gelatinization time on Coix rice-acid soup

a-老水添加量對薏米白酸湯影響的感官雷達圖; b-老水添加量對薏米白酸湯感官評分影響折線圖圖6 老水添加量對薏米白酸湯的影響Fig.6 Effect of adding amount of old water on Coix rice-acid soup

2.3 響應面試驗

2.3.1 響應面試驗結果

根據單因素的試驗結果,結合Box-Behnken中心組合實驗設計模型,進行4因素3水平的響應面試驗,試驗設計方案及結果見表3。通過對試驗結果進行處理和分析,得到二次多項回歸方程:

Y=+93.20-2.67A-0.67B-1.50C-0.17D+2.75AB-3.50AC-1.25AD-0.25BC+1.00BD+1.75CD-5.93A2-5.43B2-2.93C2-5.93D2

表3 響應面試驗設計及結果Table 3 The response surface experimental design and results

2.3.2 方差分析

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression model

2.3.3 驗證試驗

根據回歸方程得到薏米白酸湯預測的最佳工藝參數為m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化溫度為68.87 ℃,糊化時間為38.69 min,老水添加量為14.80%,為方便試驗操作,將試驗條件調整為m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化溫度為69 ℃,糊化時間為39 min,老水添加量為15%。進行3次驗證試驗;得到的薏米白酸湯的感官評分值為90.20分,RSD值為1.06%,與預測值93.62分較接近,故運用響應面優化薏米白酸湯工藝的回歸模型可行。

2.4 揮發性風味成分測定

由圖7和表5可知,薏米白酸湯的揮發性風味成分為21種,白酸湯為18種,其中兩者共有的揮發性物質有乙酸、丙酸、乙酸丙酯、乙酸異戊酯、2-羥基丙酸丙酯、2-甲基-丙酸、丙酸丙酯、苯乙醇、乙酸乙酯和丙酸乙酯10種。白酸湯和薏米白酸湯的揮發性風味成分種類相對含量較多的是酯類、醇類和酸類。白酸湯中酯類化合物含量較高,相對含量為49.231%,薏米白酸湯中則是酸類化合物含量較高,相對含量為40.615%。

圖7 白酸湯和薏米白酸湯揮發性風味化合物種類數Fig.7 Number of volatile flavor components in rice-acid soup and Coix rice-acid soup

2.4.1 酯類物質

酯類物質來自于醇類的酯化反應,通常具有水果般香氣,且具有揮發性高和閾值低的特點,是發酵食品中最重要的一類揮發性成分之一[14]。2種白酸湯中檢出共有的酯類成分有6種,分別為乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸丙酯、乙酸異戊酯、2-羥基丙酸丙酯,其中具有柔和水果香味的乙酸丙酯含量分別為13.289%和15.690%,薏米白酸湯比白酸湯高2.401%。白酸湯中未檢出具有奶油香氣的十六烷酸乙酯,而薏米白酸湯的含量為2.148%。

表5 白酸湯和薏米白酸湯揮發性風味成分種類及相對含量Table 5 Types and relative contents of volatile flavor components in rice-acid soup and Coix rice-acid soup

2.4.2 酸類物質

酸類物質是發酵食品中的一大類風味成分,其除了本身可以呈味外,還能與醇類反應生成酯類,構成白酸湯獨特的風味[15]。薏米白酸湯的酸類揮發性物質比白酸湯的更為豐富,薏米白酸湯的酸類物質相對含量為40.615%,白酸湯為34.963%,薏米白酸湯比白酸湯高5.652%。

2.4.3 醇類物質

醇類物質主要來自于淀粉糖化后的酒精發酵階段,通過微生物的生長繁殖,產生大量醇類物質,共同作用形成香氣并為有機酸提供前體物質[16]。白酸湯和薏米白酸湯中均檢出6種醇類揮發性風味成分。其中共有的醇類物質為苯乙醇,呈現甜香、玫瑰花香和蜂蜜香味[17],在2種酸湯中的含量接近,含量分別為1.228%、1.232%。薏米白酸湯中含有1.713%的正丙醇,是在酒精發酵過程中形成的一種高級醇,具有水果、清潔和新鮮草木的風味[18]。此外,薏米白酸湯中還檢出了庚醇,含量為2.033%。庚醇是一種具有特有芳香氣味的小分子風味物質,常被用作調配草莓、香蕉、蘑菇等食用香料[19]。

2.4.4 其他類物質

醛類具有閾值低、賦香能力強等特點,在白酸湯中檢出少量的乙醛和丙醛,兩者都具有刺激性氣味,常與其他易揮發性物質相互作用,對不良氣味有協同增效作用[20]。而薏米白酸湯中則有著類似梨香氣的庚酮[21]和具有椰子香味的二氫-5-戊基-2(3H)-呋喃酮[22],相對含量分別為0.340%和1.167%。酮類物質可能通過脂肪氧化和美拉德反應產生,具有獨特的水果香、花香等令人愉悅的氣味[23],且還有對腥味減弱的作用[24]。

3 結論與討論

本研究以感官評價為衡量指標,通過響應面優化得出薏米白酸湯的最佳工藝參數為m(糯米)∶m(薏米)=62∶38,糊化溫度為69 ℃,糊化時間為39 min,老水添加量為15%,加工所得薏米白酸湯感官評分為90.20分。采用GC-MS技術分析得到薏米白酸湯的揮發性風味物質較白酸湯更豐富,薏米白酸湯中具有水果香味的乙酸丙酯含量較白酸湯高2.401%,且含有具有奶油香氣的十六烷酸乙酯;2種白酸湯同時檢出具有甜香味和玫瑰花香味的苯乙醇,但薏米白酸湯還檢出了具有芳香氣味的庚醇和水果香味的正丙醇;此外,薏米白酸湯中檢出具有類似梨香氣的庚酮和椰子香味的二氫-5-戊基-2(3H)-呋喃酮。目前,對白酸湯原料多樣性的研究較少,尤其是對不同原料加工所得的白酸湯產品營養功效成分分析和風味差異探究方面的空間很大。因此,有必要對不同原料加工的白酸湯產品的工藝、營養功效成分、風味等方面進行深入研究,為白酸湯的原料選擇多樣性上提供理論參考,為白酸湯市場多元化發展提供創新思路。