餅干加工中丙烯酰胺的控制與工藝優化

陳莫林,董加寶

(湖南科技學院 化學與生物工程學院,湖南 永州 425199)

丙烯酰胺(Acrylamide,AA)是一種小分子有機物,極易溶于水[1],為無色無味的結晶體,是一種不飽和酰胺分子,其化學分子式為CH2CHCONH2。有些食品如油炸薯條、面包、餅干和谷物早餐等在高溫加工(如油炸、烘焙等)過程會產生丙烯酰胺[1]。人類長期接觸和吸收丙烯酰胺,會對身體產生一系列程度不同的損害,比如神經系統、生殖系統等,短時間內大量攝入丙烯酰胺也會導致神經毒性癥狀的出現[2]。1994年,國際癌癥研究機構組織(IARC)將丙烯酰胺列為“ⅡA類致癌物”,即“人類可能致癌物”[3]。

餅干是一種常見的高溫焙烤食品,具有食用方便、貯藏期長、不易損壞、容易攜帶、口味豐富等眾多優點,深受人們喜愛。但在餅干的加工過程中由于其原材料、所需高溫焙烤等條件,常常容易導致丙烯酰胺的形成[4-5],而丙烯酰胺的生成量一旦超標,會造成對人體的傷害。因此,通過優化餅干加工工藝對丙烯酰胺生成量控制具有重要意義。

1 實驗材料與方法

1.1 材料及試劑

本實驗所用主要材料與試劑如表1所示。

表1 實驗主要材料與試劑

1.2 實驗器材

本實驗所用主要儀器設備如表2所示。

表2 主要實驗儀器

1.3 實驗方法

1.3.1 餅干制作的工藝流程

配料稱重→配料預處理→混合攪拌均勻→調制面團→發酵面團→棍印成型→裝盤烘烤→冷卻→整理→成品。

1.3.2 操作要點

1)配料稱重:將制作餅干所需的各種物料按照配方稱好,備用。

2)配料:將已稱好的白砂糖與水充分混合,并不斷攪拌使糖溶解完全后,適當滴加檸檬酸溶液混合,再把食用油、食鹽、食用碳酸氫銨、餅干膨松劑、小蘇打等加入攪拌機中混合攪拌乳化均勻,最后加入已混合均勻的面粉、全脂奶粉、雞蛋、淀粉等,攪拌3～5 min。攪勻為止,不宜多攪。

3)棍印成型:將攪好的面團放置3～5 min后,用手工成型。

4)裝盤:將烤盤放入指定位置,調整好前后位置,并在表面刷上一層食用油以避免面團黏住。其中每個生坯的間距擺放不能過于密集,并且間距應均勻。

5)烘烤:在已經預熱好的烤箱中放入裝好面團的烤盤,烘烤4～8 min,至餅干外觀表面呈棕黃色為止。

6)成品:將制成的餅干樣品冷卻,待用。

1.3.3 丙烯酰胺含量的測定

參考文獻[6]進行樣品中丙烯酰胺含量的測定。

1.3.4 餅干加工工藝單因素實驗

單因素實驗采用餅干成品中丙烯酰胺的含量和感官評分作為評價指標,兩個評價指標所占比重一樣。分別考察烘烤溫度(140,160,180,200,220 ℃)、烘烤時間(4,5,6,7,8 min)、天冬酰胺酶添加量(300,400,500,600,700 mg/kg)及pH值(4.0,5.0,6.0,7.0,8.0)對餅干丙烯酰胺生成量和品質的影響。

1.3.5 正交實驗

以上述餅干加工工藝的單因素實驗為基礎,在此基礎上選擇對餅干制作工藝的四個影響因素進行三水平的正交實驗(烘烤時間A、烘烤時間B、天冬酰胺酶用量C、pH值D四個因素按照L9(34)正交表進行正交試驗),同時以餅干成品的感官評分、丙烯酰胺含量作為指標值,通過實驗數據分析得出最優水平組合,并進行驗證實驗,最終得到使餅干口感最佳,丙烯酰胺含量最少的最優加工工藝。

1.3.6 感官評價

選取10名非專業的同學(男生5名、女生5名)和10名本專業的同學(男生5名、女生5名),對制作出來的餅干進行感官評價打分,主要包括以下四個方面的內容:形態、色澤、氣味、組織與雜質,并根據評分標準對餅干成品進行客觀評分。在評分過程中,每個人對成品的評價要單獨進行,相互不能進行相關的溝通和交流,確定每個評分成員的個體性,最終選取平均分數。表3即為感官評分標準。

表3 感官評定標準表

2 結果與分析

2.1 餅干加工工藝的單因素實驗結果與分析

2.1.1 烘烤溫度的影響

不同烘烤溫度對餅干中丙烯酰胺的含量及感官評價見圖1。

圖1 烘烤溫度對餅干中丙烯酰胺含量及感官評分的影響

如圖1所示,剛開始時,隨著烘烤溫度逐漸上升,餅干成品中的丙烯酰胺含量也在不斷增長,在180 ℃時丙烯酰胺的生成量達到最高,但隨著烘烤溫度的不斷增加,丙烯酰胺的生成量開始逐漸下降。同時對感官評分的曲線觀察可以看出,烘烤溫度上升,感官評分也隨之增加,但前期變化程度不算太大,在220 ℃時感官評分最高,但隨著烘烤溫度的增加,餅干有時會出現過焦現象,進而導致感官評分下降。實驗結果顯示,200 ℃時餅干中丙烯酰胺的含量及感官評分的綜合效果最佳。

2.1.2 烘烤時間的影響

不同烘烤時間對餅干中丙烯酰胺的含量及感官評價見圖2。

圖2 烘烤時間對餅干中丙烯酰胺含量及感官評分的影響

如圖2所示,烘烤時間從4～8 min不斷增加,餅干成品中的丙烯酰胺含量先隨之升高后降低。在烘烤時間為6 min時,餅干成品中丙烯酰胺的含量達到最高,而對感官評分曲線進行觀察可以看出,在4～5 min的時間內感官評分呈增長狀態達到最高,但烘烤時間越長,餅干成品的表面也會出現過焦變黑與破碎現象,因此導致餅干的外觀與口感的質量也在不斷下降,即感官評分也隨之下降。結果顯示,烘烤時間為5 min時餅干中丙烯酰胺的含量及感官評分的綜合效果最佳。

2.1.3 天冬酰胺酶用量的影響

不同天冬酰胺酶用量對餅干中丙烯酰胺的含量及感官評價見圖3。

圖3 天冬酰胺酶的用量對餅干中丙烯酰胺含量及感官評價的影響

如圖3所示,當天冬酰胺酶的用量不斷增加時,餅干成品中丙烯酰胺的含量也隨之不斷下降。這是因為天冬酰胺容易被天冬酰胺酶催化水解,形成天冬氨酸和氨,從而導致丙烯酰胺含量的減少,所以天冬酰胺酶的用量越多,丙烯酰胺的含量越少,但當天冬酰胺酶的用量增加到500 mg/kg之后,其丙烯酰胺含量下降的程度開始不明顯。同時對感官評分的曲線觀察可以看出,天冬酰胺酶的用量在300～700 mg/kg不斷增加時,在500和600 mg/kg時評分較高,但感官評分總體變化幅度不大,這是因為天冬酰胺酶不會影響參加美拉德反應的其他氨基酸和還原糖。結果顯示,天冬酰胺酶用量為500 mg/kg時餅干中丙烯酰胺的含量及感官評分的綜合效果最佳。

2.1.4 pH值的影響

pH值對餅干中丙烯酰胺的含量及感官評價見圖4。

圖4 pH值對餅干中丙烯酰胺含量及感官評分的影響

如圖4所示,當pH值從4增加到7時,餅干成品中丙烯酰胺的含量不斷增加且增加幅度顯著,pH值為8時略有下降但含量仍較多,中性條件下為丙烯酰胺的最佳生成條件,當pH值為酸性條件時丙烯酰胺含量較低,所以應適當降低體系中的pH值來減少丙烯酰胺的產生。結果顯示,pH值6時餅干中丙烯酰胺的含量及感官評分的綜合效果最佳。

2.2 正交實驗結果與分析

以餅干加工工藝的單因素實驗得出的結論為基礎,把對餅干產品中丙烯酰胺含量的影響因素烘烤溫度(A)、烘烤時間(B)、天冬酰胺酶用量(C)、pH值(D)四個因素按照L9(34)正交表格進行正交實驗,實驗各水平及各因素見表4,表5為正交實驗設計及結果,以感官評分為考察指標,依據正交實驗結果,確定最佳的餅干制作工藝條件。

表4 正交實驗水平表

表5 正交實驗設計及結果

由表5正交實驗的結果可得:比較極差可知RA>RC>RD>RB,所以各加工工藝的影響因素按從大到小排列分別是:A>C>D>B,即烘烤溫度影響最大,其次是天冬酰胺酶的用量和pH值,而烘烤時間的影響程度相對來說最小。烘烤溫度越高,烘烤時間越長,就會容易導致餅干成品發生過焦現象,從而導致餅干表面變黑、產生糊味、口感變硬等,故感官評分也會變差,而當處于過酸條件下時也會導致生成的餅干產品產生酸味,影響其口感等。而九組正交實驗中由高效液相色譜法測得的丙烯酰胺含量相差較小,沒有較大區別,均在30～35 μg/kg,所以正交實驗結果主要以感官評分為判定指標。在九組正交試驗中,第六組實驗A2B3C2D2的結果最好;而比較K值平均值可知最佳因素水平組合為A2B3C1D2,即烘烤溫度200 ℃,烘烤時間6 min,天冬酰胺酶用量400 mg/kg,pH值6為最佳的餅干加工工藝,其感官評分最好。

2.3 正交實驗驗證結果

按照上述正交實驗得出的最佳正交配方,對其進行了驗證實驗,結果如表6所示,驗證組餅干成品的感官評分平均值為88.50,即此配方結果優于正交實驗第六組的結果,故組合A2B3C1D2較好。

表6 正交實驗驗證表

2.4 感官評價結果

挑選10名非專業的同學(男生5名、女生5名)和10名本專業的同學(男生5名、女生5名),分別從形態、組織與雜質、色澤和氣味四個方面來進行評價,并按照表3的評分標準客觀進行評分,取平均值,其結果見圖5。

圖5 感官評分結果雷達圖

如圖5所示,從感官評分結果來說,在氣味方面評分最高(評分為89分),具有該餅干品種本身的香味,且香味濃郁誘人;在色澤方面評分也很高(評分為83分),餅干成品總體呈棕黃色,且色澤均勻,觀感良好;在組織與雜質方面評分比較低(評分為68分),其斷層結構孔洞不夠細密,偶爾有零星大的孔洞出現,但無異物產生;在形態方面評分最低(評分為59分),餅干成品的外觀形狀不夠完整,略微有破碎,且部分餅干成品的厚薄不夠均勻。

3 結論

本研究通過單因素實驗和正交試驗來研究其加工工藝,運用高效液相色譜法測定餅干產品中丙烯酰胺的含量,同時餅干產品進行感官評分,綜合測得丙烯酰胺含量和感官評分兩者的結果,主要得到以下結論:通過單因素實驗和正交實驗,以烘烤溫度(A)、烘烤時間(B)、天冬酰胺酶用量(C)、pH值(D)為自變量,以餅干成品的感官評分及丙烯酰胺含量為因變量,將這四個加工工藝因素的極差進行比較進而得出:RA>RC>RD>RB,即這四個加工工藝因素影響程度的順序為A>C>D>B,即烘烤溫度對丙烯酰胺含量影響最大,其次是天冬酰胺酶用量,而pH值和烘烤時間的影響相對較小;得到最佳的組合是A2B3C1D2,即烘烤溫度為200 ℃,烘烤時間為6 min,天冬酰胺酶用量為400 mg/kg,pH值為6,該工藝條件下制作而成的餅干成品的丙烯酰胺含量相對而言較低,為30 μg/kg。同時餅干成品形態完整花紋清晰,顏色為該餅干品種特有的均勻的棕黃色,且香味濃郁誘人無異味,斷面結構也較為細密,更為大多數人喜歡,感官評分也較高。