響應面法優化低GI谷物熟化工藝

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.08.023

引文格式：，等.響應面法優化低GI谷物熟化工藝[J].中國調味品，2025，50（8）：169-174，183. BAI CL，YANGL，WANGLN，et al.Optimizationof maturation processof low GI grain byresponse surface methodology[J]. China Condiment，2025，50（8）：169-174，183.

中圖分類號：TS210.1 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）08-0169-06

Abstract： In this study， with three kinds of low GI grains such as quinoa， oats and coix seed as the raw materials，the quality of grain flour matured by the three methods such as microwave，stir-frying and baking is compared. With soaking time，microwave density and microwave time as the test variables， their effects on the hydration characteristics，centrifugal sedimentation rate and agglomeration rate of grain flour are explored. With centrifugal sedimentation rate as the response value，the microwave maturation process is optimized by response surface methodology. The results show that the optimal maturation conditions are soaking time of ^1h ，microwave density of 10.0W/g and microwave time of 4.5min .Under these conditions，the centrifugal sedimentation rate of grain flouris 58.32% . The research results have provided references for the research，development and improvement of low GI grain related products.

Key words： low GI grain;microwave maturation; response surface methodology

《中國糖尿病地圖》2022年）指出，我國2型糖尿病的患病率呈上升趨勢，且自前仍處于快速增長階段。血糖生成指數（glycemicindex，GI）[]是反映食物對血糖水平影響的生理學指標，可用來評價食物經口腔、胃腸道消化吸收后血糖升高的程度。低GI谷物引起的餐后血糖波動較小，有助于控制血糖，從而有利于控制肥胖和預防糖尿病等多種慢性疾病[2]。在此背景下，低GI谷物被廣泛應用于健康食品和調味品的研發。楊豐旗3以藜麥、蕎麥、紅豆烘烤熟化粉為原料研制雜糧飲料；石小琴等[4在傳統魚面的基礎上添加苦蕎粉開發苦蕎魚面;王亞蘭等[5以燕麥為主要原料制備風味良好、健康的燕麥-玫瑰茄醬；時書音等添加炒制熟化蕎麥粉開發健康、營養豐富的低鹽蕎麥豆醬；張生秀等[添加青稞研制出雜糧耗牛肉醬。

熟化是眾多低GI谷物相關產品的關鍵工藝之一，當前常采用微波[8]、烘烤[9]、炒制[10]、擠壓膨化[11]、蒸煮[12]等方式。微波熟化利用電磁場作用，能夠快速升溫使谷物熟化，具有熟化速度快、受熱均勻等特點，因此可有效保留谷物的營養成分[13]。有研究發現，微波處理可增加青稞中水溶性 β -葡聚糖含量[14]、減少酚類化合物損失[15-16]、提高燕麥膳食纖維含量[17]，從而改善雜糧的加工特性和貯藏特性。本研究以藜麥、燕麥、薏米3種低GI谷物為原料，選擇微波、炒制、烘烤3種熟化方式，采用響應面法優化微波熟化工藝，以期為低GI谷物代餐粉、谷物飲料、雜糧調味醬等產品的研發和改良提供參考。

1材料與方法

1.1材料

藜麥（產地：青海省海西蒙古族藏族自治州）：忻州市赫奕農業科技有限公司；燕麥（產地：黑龍江省哈爾濱市）：黑龍江倉天然生態農業有限公司；薏米（產地：貴州省興仁縣）：淶水縣金谷糧油食品有限公司。

1.2 儀器與設備

1000Y多功能粉碎機浙江鉑歐電器有限公司；CRDF42S電烤箱佛山市偉仕達電器實業有限公司；WM-JT469微波爐 廣東惠而浦家電制品有限公司；LC-E109S電陶爐廣東順德忠臣電器有限公司；HH-1數顯恒溫水浴鍋上海力辰邦西儀器科技有限公司；TD-5M臺式低速離心機四川蜀科儀器有限公司；BPG-9070A精密鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司；WF32色差儀深圳市威福光電科技有限公司。

1.3方法

1.3.1 工藝流程

藜麥、燕麥、薏米 $$ 除雜、清洗 $$ 浸泡 35^°C 烘干表面水分 $$ 熟化 $$ 粉碎 $$ 過100目分樣篩 $$ 按 2：3：1 混合（谷物粉）備用。

1.3.2 熟化方式篩選

選擇微波、炒制、烘烤3種熟化方式處理的谷物，以熟化后谷物粉的色差、水合特性、沖調特性、離心沉淀率為評價指標選擇最佳熟化方式，熟化工藝參數見表1。

表1熟化工藝參數

Table1 Maturation process parameters

1.3.3 單因素試驗

固定微波密度 10W/g 、微波時間 4.5min ，探究浸泡時間 （0，1，2，3，4h） 對熟化后谷物粉品質的影響；固定浸泡時間 ^1h 、微波時間 4.5min ，探究微波密度（5，7.5，10，12.5，15W/g）對熟化后谷物粉品質的影響；固定浸泡時間 、微波密度 10W/g ，探究微波時間（3.5，4，4.5，5，5.5min）對熟化后谷物粉品質的影響。

1.3.4 響應面優化試驗

以離心沉淀率為響應值，采用Box-Behnken法優化微波熟化工藝，響應面試驗因素和水平見表2。

表2響應面試驗因素和水平

Table 2 Factors and levels of response surface test

1.3.5 色差的測定

參考鄭敏18的方法，采用色差儀測定谷物粉的 L^* 值、a^* 值 ?^b* 值。根據下式計算總色差值 ΔE 。

。（1）式中： ∴L^??a^??b^? 分別代表熟化谷物粉的亮度值、紅綠值和黃藍值； L₀^* 、 a₀^* ！ b₀^* 分別代表未熟化谷物粉（對照）的亮度值、紅綠值和黃藍值。

1.3.6 水合特性的測定

參照王俊楠[19]的方法并稍作修改。稱取 3. 0g 谷物粉 （W₀ ）至離心管（ [W₁ ）中，加入 30mL 蒸餾水，攪拌至谷物粉均勻溶解。將離心管水浴 30min（35°C 后，離心 10min（4 000r/min） 。將上清液倒入燒杯 （W₂ ）中，于105°C 烘至恒重 （W₃ ），稱量離心管和沉淀物的質量 （W₄） ）。根據下式計算水溶性指數（WSI）、吸水性指數（WAI）和膨脹勢（SP）。

1.3.7沖調特性的測定

分散時間和濕潤時間的測定參照郭敏瑞等[20]的方法并稍作修改。稱取 1.0g 谷物粉，均勻快速加入50mL，80PC 蒸餾水中，以 400r/min 的速度進行磁力攪拌，記錄從樣品加入至完全分散所需時間（分散時間）；稱取 1.0g 谷物粉于 50mL，80^°C 蒸餾水中，記錄從樣品加人至完全濕潤所需時間（濕潤時間）。結塊率的測定參照冉新炎[21的方法并稍作修改，稱取 10.0g 谷物粉 （M₀ ）于100mL，80PC 蒸餾水中，輕輕攪拌至谷物粉完全濕潤，放置 10min 后用20目分樣篩過濾，將分樣篩上塊狀物轉移至燒杯 （M₁ ）中，于 105^°C 烘至恒重 （M₂ ）。根據下式計算結塊率。

結塊率

1.3.8離心沉淀率的測定

參照張麗穎[22]的方法并稍作修改。稱取 2.0g 谷物粉至恒重為 W₀ 的離心管中，加人 10mL，80PC 蒸餾水沖調攪拌，記錄裝有樣品的離心管質量為 W₁ ，以 4000r/min 的速度離心 25min ，記錄離心管和沉淀物的質量為 W₂ 。根據下式計算離心沉淀率（SR）。

1.3.9數據統計與分析

每組試驗均平行測定3次，結果以平均值 ± 標準差表示。采用Design-Expert13軟件進行響應面試驗設計，采用SPSSStatistics25對數據進行差異顯著性分析，采用Origin2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1熟化方式篩選結果

2.1.1熟化方式對谷物粉色差的影響熟化方式對谷物粉色差的影響見表3。

表3不同熟化方式下谷物粉色差測定結果

Table3Determination resultsof color difference ofgrain flourbydifferent maturation methods

注：同列不同小寫字母表示各樣品間差異顯著 （Plt;0.05） ，下表同；“—\"表示以未熟化樣品為參比樣品，無數值。

由表3可知，與未熟化的谷物粉相比，經微波、炒制、烘烤后的谷物粉的亮度值均減小，紅綠值、黃藍值均增大，且不同熟化方式處理的樣品間差異顯著 （Plt;0.05） ！說明熟化方式對谷物粉的色差影響較大，這是由于不同熟化方式的熟化程度不同，熟化過程中美拉德反應的強度不同[23]。炒制熟化的谷物粉的亮度值、紅綠值、黃藍值較未熟化的谷物粉變化最大，這可能是由于炒制過程中溫度最高，美拉德反應最劇烈。

2.1.2熟化方式對谷物粉水合特性的影響

熟化會改變谷物粉的水合特性，即溶解能力、吸水能力和持水能力，分別可通過水溶性指數（WSI）、吸水性指數（WAI）、膨脹勢（SP）表征。熟化方式對谷物粉水合特性的影響見表4。

表4不同熟化方式下谷物粉水合特性測定結果

Table 4 Determination results of hydration characteristics of grain flour bydifferent maturation methods

由表4可知，經微波、炒制、烘烤熟化后的谷物粉的WSI、WAI、SP較未熟化的谷物粉均有所增大，且不同熟化谷物粉間差異顯著（ Plt;0.05） ，說明熟化處理會顯著提升谷物粉的溶解能力、吸水能力和持水能力。微波熟化谷物粉的WSI最大，這是由于微波破壞了谷物粉的微觀結構，使更多大分子物質降解成可溶性小分子物質[24];炒制熟化谷物粉的SP最大，這與熟化過程中淀粉的糊化程度有關，糊化過程中可溶性多糖的浸出和淀粉顆粒的膨脹會使谷物粉的SP增大[25]

2.1.3 熟化方式對谷物粉沖調特性的影響

熟化方式對谷物粉沖調特性的影響見表5。

表5不同熟化方式下谷物粉沖調特性測定結果

Table5 Determination results of brewing characteristics ofgrain flourbydifferent maturation methods

由表5可知，相較于未熟化的谷物粉，3種熟化方式對谷物粉沖調特性的影響顯著 （Plt;0.05） ，通過熟化可有效改善谷物粉的沖調特性。微波熟化谷物粉的分散時間最短，濕潤時間和結塊率與炒制熟化谷物粉相當，較未熟化的谷物粉在沖調品質上有顯著提升，表明微波熟化可增強谷物粉的吸水性和溶解度[2，使其結構更松散，易分散。

2.1.4熟化方式對谷物粉離心沉淀率的影響

離心沉淀率（SR）是衡量熟化谷物粉質量的重要指標，可反映谷物粉的穩定性。熟化方式對谷物粉離心沉淀率的影響見圖1。

圖1不同熟化方式下谷物粉離心沉淀率測定結果Fig.1 Determination results of centrifugal sedimentation rateofgrain flour bydifferent maturation methods

注：不同小寫字母表示差異顯著 ，下圖同。

由圖1可知，熟化方式對谷物粉的離心沉淀率有顯著影響（ Plt;0.05） 。3種方式熟化后的谷物粉的離心沉淀率較未熟化谷物粉的離心沉淀率都有所增大，說明熟化處理會降低谷物粉的穩定性。3種方式熟化的谷物粉中，炒制熟化谷物粉的離心沉淀率最高，說明其穩定性最差，可能是由于炒制過程中高溫對谷物粉結構的破壞較嚴重。微波熟化谷物粉的離心沉淀率最低，說明其穩定性較好。

綜上所述，微波熟化谷物粉相比炒制、烘烤熟化谷物粉有更好的品質。其色澤適中，有良好的水合特性、沖調特性和穩定性，且離心沉淀率低，故選擇微波熟化進行優化。

2.2單因素試驗結果

2.2.1 浸泡時間對谷物粉品質的影響

浸泡時間對谷物粉水合特性、離心沉淀率、結塊率的影響見表6和圖2。

表6浸泡時間對谷物粉水合特性的影響

Table6Effect of soaking time on hydration characteristics of grain flour

圖2浸泡時間對谷物粉離心沉淀率和結塊率的影響 Fig.2 Effect of soaking time on centrifugal sedimentation rate andagglomeration rate ofgrain flour

由表6可知，浸泡時間對谷物粉的水合特性影響顯著 ?Plt;0.05 。隨著浸泡時間的增加，谷物粉的WSI呈減小趨勢，WAI和SP呈增大趨勢。當浸泡時間為 ^0h 時，谷物粉的WSI最大，WAI和SP最小，主要是因為浸泡過程中谷物粉的水分含量不斷增大，過多的水分導致淀粉的糊化程度降低，從而降低了溶解性；微波處理可使水分被消耗掉，使谷物粉結構更松散，因而WAI和SP更大。浸泡^1h 時谷物粉的WSI與 ^0h 時差異不顯著。由圖2可知，浸泡時間對谷物粉的離心沉淀率和結塊率影響顯著 （Plt; 0.05）。離心沉淀率隨著浸泡時間的增加呈現先減小后增大的趨勢，浸泡 ^1h 時離心沉淀率最小，此時谷物粉具有良好的穩定性。結塊率隨著浸泡時間的增加而增大，在浸泡2h 后結塊率變化不顯著。因此，選擇浸泡時間 0～2h 作為后續優化條件。

2.2.2微波密度對谷物粉品質的影響

微波密度對谷物粉水合特性、離心沉淀率、結塊率的影響見表7和圖3。

表7微波密度對谷物粉水合特性的影響

Table7 Effect of microwave density on hydration characteristics of grain flour

圖3微波密度對谷物粉離心沉淀率和結塊率的影響 Fig.3Effect of microwave density on centrifugal sedimentation rate and agglomeration rate of grain flour

由表7可知，隨著微波密度的增大，谷物粉的WSI、WAI、SP均呈先增大后減小的趨勢。當微波密度為10.0W/g 時，谷物粉的溶解性最大，當微波密度超過10.0W/g 后，微波與谷物粉作用導致淀粉與脂肪結合形成復合物[27]，從而使谷物粉的溶解度下降。由圖3可知，微波密度對谷物粉的離心沉淀率和結塊率影響顯著 ?Plt;0.05） ，谷物粉的離心沉淀率和結塊率隨著微波密度的增大呈現先減小后增大的趨勢。當微波密度為10.0W/g 時，離心沉淀率和結塊率都最小，此時谷物粉的穩定性最高，品質最好。因此，選擇微波密度 7.5～ 12.5W/g 作為后續優化條件。

2.2.3 微波時間對谷物粉品質的影響

微波時間對谷物粉水合特性、離心沉淀率、結塊率的影響見表8和圖4。

表8微波時間對谷物粉水合特性的影響

Table8Effect of microwave time on hydration characteristics of grain flour

圖4微波時間對谷物粉離心沉淀率和結塊率的影響 Fig.4Effect of microwave time on centrifugal sedimentation rate and agglomeration rate of grain flour

由表8可知，微波時間對谷物粉的水合特性影響顯著 （Plt;0.05） 。WSI隨著微波時間的延長而增大，4.5min 后變化不顯著，說明當微波時間為 4.5min 時谷物已基本熟化。WAI和SP均呈先增大后減小的趨勢，當微波時間為 4.5min 時達最大值，說明微波時間過長會破壞谷物粉的空間結構，導致其吸水能力減弱[28]由圖4可知，隨著微波時間的增加，谷物粉的離心沉淀率呈先降低后升高的趨勢，當微波時間為 4.5min 時離心沉淀率最小。微波時間越長，結塊率越低，微波時間為 4.5min 后結塊率變化不顯著。因此，選擇微波時間4.0～5.0min 作為后續優化條件。

2.3 響應面法優化試驗設計及結果分析

以離心沉淀率為響應值確定微波熟化工藝參數，試驗設計及結果見表9。

表9響應面試驗設計及結果

Table 9 Response surface test design and results

對表9中數據進行多元回歸擬合，得到二次多項式回歸方程：離心沉淀率 =161.80-13.32A-5.22B- 33.92C+0.12AB+1.31AC-0.13BC+3.62A²+0.30B²+ 3.97C² 。

表10 回歸模型方差分析

TablelOAnalysisofvarianceof the regression model

注：“ ? \"表示影響顯著 （0.01?? \"表示影響極顯著（ Plt;0.01） ，“—\"表示影響不顯著（ Pgt;0.05） 。

由表10可知，影響離心沉淀率的因素主次順序為A （浸泡時間） gt;C （微波時間） gt;B （微波密度）。模型的相關系數 R²=0.9795 ，表明該模型的擬合度較好，校正決定系數 R_Adj²=0.953 1 ，表明該模型可以解釋 95.31% 的響應值變化，模型的預測值與實測值擬合良好，失擬項的 P=0.442 7gt;0.05 ，失擬項不顯著，說明試驗誤差較小。因此，可以用此回歸方程確定微波熟化工藝參數。

2.4各因素交互作用分析

各因素交互作用對谷物粉離心沉淀率的影響見圖 5～ 圖7。

圖5浸泡時間和微波密度的交互作用對離心沉淀率影響的響應面圖和等高線圖

Fig.5Response surface diagram and contourplot of the effect of interaction between soaking time and microwave density on the centrifugal sedimentation rate

圖6浸泡時間和微波時間的交互作用對離心沉淀率影響的響應面圖和等高線圖

Fig.6Response surfacediagramandcontourplotof the effect ofinteraction between soaking time and microwave time on the centrifugal sedimentation rate

圖7微波密度和微波時間的交互作用對離心沉淀率影響的響應面圖和等高線圖

Fig.7 Response surface diagram and contour plot of the effect ofinteraction ofmicrowave densityand microwave time on the centrifugal sedimentation rate

由圖5～圖7可知，以離心沉淀率為響應值時，浸泡時間與微波時間交互作用的響應面圖坡度較平緩，等高線趨近于橢圓形，說明浸泡時間與微波時間的交互作用

對谷物粉離心沉淀率的影響顯著，浸泡時間與微波密度、微波時間與微波密度的交互作用對谷物粉離心沉淀率的影響較小，此結論與表10中方差分析結果一致。

2.5最佳工藝條件預測及驗證試驗

由模型可知微波熟化最佳工藝參數為浸泡時間0.90h 、微波密度 9.60W/g 微波時間 4.29min ，在該工藝條件下離心沉淀率理論值為 57.98% 。結合實際生產條件，調整工藝參數為浸泡時間 微波密度 10.0W/g 微波時間 4.5min ，在此條件下進行驗證試驗，離心沉淀率為 58.32% ，符合模型預測值范圍，說明試驗的工藝參數和響應面分析數據是精確可靠的。

3結論

以藜麥、燕麥、薏米3種低GI谷物為研究對象，探究微波、炒制、烘烤3種熟化方式對谷物粉綜合品質的影響，經篩選得出微波熟化谷物粉的品質更佳。以離心沉淀率為響應值，在單因素試驗的基礎上進行響應面試驗，優化微波熟化工藝參數，結果表明，微波熟化谷物粉最佳工藝參數為浸泡時間 ¹h 、微波密度 10.0W/g 微波時間 4.5min ，在該工藝參數下熟化谷物粉的離心沉淀率為 58.32% 。相較于傳統熟化方式，該熟化工藝可有效提升熟化谷物粉的品質，為低GI谷物加工方式的選擇提供了參考依據，也為低GI谷物代餐粉、谷物飲料、雜糧調味醬等食品和調味品的研發和改良提供了參考。

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