基于變異系數法評價不同濕熱處理對大豆干燥品質的影響

袁越錦, 李沈沈, 徐英英, 趙 哲

(陜西科技大學 機電工程學院, 陜西 西安 710021)

0 引言

大豆,又名黃豆,是我國重要的油料作物之一,含有豐富的蛋白質、脂肪、維生素和膳食纖維等營養成分[1,2].全脂大豆是飼料蛋白的優質來源,具有高蛋白、高脂肪和高能量等眾多飼用價值,相較于其他大豆類飼料,具有較高的飼料利用率和滿足仔豬等家畜對高能高蛋白飼料的需求[3,4].

全脂大豆中存在很多不同種類的抗營養因子,它不僅影響大豆的營養效價,而且會危害動物的健康和畜禽生產性能,成為限制全脂大豆飼用效率的主要因素.大豆中抗營養因子的生物活性大都具有熱敏性.在生產中常采用濕熱處理方法對大豆中的抗營養因子進行鈍化或滅活處理[5].谷春梅等[6]研究發現,NaHCO3高溫加熱處理的豆漿胰蛋白酶抑制因子活性顯著低于水處理和檸檬酸水溶液加熱處理,證明堿處理的有效性.楊道強等[7]研究發現,高溫高壓蒸煮大豆制漿的抗營養因子去除效果明顯.濕熱處理不僅滅活效率高、降低致敏性快、營養損失少,而且成本低、操作和工藝簡單,在生產中得到廣泛的應用[8].

通過濕熱處理的大豆,含水率一般為45%～60%(濕基含水量),而大豆儲藏要求的含水量為<13%(濕基含水量),因此干燥是大豆濕熱處理后儲前的重要環節[9].在目前的研究中,大豆的干燥方式有很多種,如自然晾曬干燥、熱風干燥、冷凍干燥、微波干燥和眾多聯合干燥等[9-12].其中,熱風干燥因具有以下優點:熱效率高、處理量大,操作簡單且運行成本低等,成為大豆干燥應用最廣泛的方式[13].

因此,本研究擬以大豆為研究對象,探究燙漂、汽蒸、NaHCO3水煮三種濕熱處理對大豆干燥品質的影響,以干燥時間、爆腰率、色澤、蛋白質含量、溶解度和脲酶活性為大豆干燥評價指標,采用變異系數權重法綜合評分,獲得較優的濕熱處理工藝,為開發利用符合飼用要求的全脂大豆提供合理的依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

(1)試驗材料:大豆,購于西安市當地農貿市場.

(2)試驗設備:DHG-9070A型電熱鼓風干燥箱(上海-恒科儀器有限公司)、冠亞牌SFY系列快速水分水分測定儀(深圳市冠亞電子科技有限公司)、3nh-YS3060智能型分光測色儀(深圳市三恩時科技有限公司)、YX-20LD高壓滅菌鍋(南北儀器有限公司)、MFJ-W153磨碎機(利仁)、JY5002型電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)、KDN-F自動定氮儀(上海纖檢儀器有限公司)、80-2型離心機(離心機上海智誠分析儀器有限公司).

1.2 試驗方法

1.2.1 評價指標

(1)含水率:參照袁越錦等[14]直接采用SFY系列快速水分測定儀測定大豆濕基含水率,直接讀數并記錄數值.其儀器測定含水率ε原理為:

(1)

式(1)中:ε為濕基含水率,%;m0為樣品的初始質量,g;mt為t時刻樣品當前質量,g.

(2)爆腰率:采用質量法,干燥后稱取大豆整體質量,再從中挑揀出表面裂紋的大豆進行稱量,計算得出其η爆腰率:

(2)

式(2)中:η為大豆爆腰率,%;m1為干燥后大豆的總質量,g;m2為爆腰大豆顆粒質量,g.

(3)色澤:參考袁越錦等[15]將干燥后大豆粉碎至60目,采用3nh-YS3060型分光測色儀測定樣品的顏色讀數,每次測量5個不同位置,取平均值.色差值的計算公式為:

(3)

式(3)中:△E為色差值,L*、a*、b*為干燥后樣品的顏色讀數,L0、a0、b0為試驗前樣品的顏色讀數.

(4)蛋白質含量:參考國標《GB5009.5—2016食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》,利用凱氏定氮法進行測量[16].

(5)蛋白質溶解度:參考孫宏霞等[17]的方法,利用凱氏定氮法進行測量.

(6)脲酶活性:參考國標《GB/T8622-2006飼料用大豆制品中尿素酶活性的測定》,對大豆脲酶活性定量測定[18].飼料用大豆加熱后使用,脲酶活性不得超過0.4.

(7)綜合評價:以上各指標的權重系數采用變異系數法確定,首先將變量的實際值進行標準化處理,然后再采用加權平均的方法確定3種濕熱處理方式對大豆干燥品質綜合評分,按式(4)計算變異系數:

(4)

式(4)中:vi是表示第i項指標的變異系數;σi表示第i指標的標準差;Xi表示第i項指標的算術平均值.

按式(5)計算各指標的權重:

(5)

式(5)中:Wi為第i項指標的權重;vi為第i項指標變異系數;

采用Z-score將各項指標的數值加以標準化處理,按公式(6)計算:

(6)

式(6)中:Zij標準化的變量值;Xij為實際變量值;Xi為第i項指標的算術平均值;σi為第i項指標的標準差.

綜合評分的計算將各指標標準化后的值與權重相乘求和得到,其中干燥時間、△E、脲酶活性、爆腰率指標越小越好,故在計算時作負值求和,其他指標均按照正值直接求和.

1.2.2 試驗設計

將大豆在室溫條件下浸泡25 min,放入密封的聚乙烯袋中,4 ℃保存72 h,得到初始含水率(28±1)%的大豆.挑選顆粒飽滿、表面完整、大小一致的大豆分成3組,分別為燙漂、汽蒸、0.42%NaHCO3水煮處理.操作時,將樣品按試驗要求放在高壓滅菌鍋內,當溫度達到設定值后,開始計時.

(1)未處理組:稱取樣品180 g,用流動水清洗干凈,作為空白對照組;

(2)燙漂處理:稱取樣品180 g,以料液比1∶5(g∶mL)將樣品放在高壓滅菌鍋中,設定溫度100 ℃(0 MPa),時間選擇3個水平:10 min、20 min、30 min(參考王小鳳[19]、姜雷[20]和前期進行一系列預實驗確定試驗參數,下同);

(3)汽蒸處理:稱取樣品180 g,將樣品平鋪在直徑22.5 cm的圓形網狀托盤上,加蓋汽蒸,設定溫度110 ℃(0.045 MPa),時間選擇3個水平:10 min、20 min[7]、30 min;

(4)NaHCO3水煮處理:稱取樣品180 g,介質水溶液濃度為0.42%[6],以料液比1∶5(g∶mL)將樣品放在高壓滅菌鍋中,溫度100 ℃(0 MPa),將溶液與樣品共同加熱,時間選擇3個水平:10 min、20 min[20]、30 min.

以上每個水平重復3次.經濕熱處理后,置于通風處瀝干表面水分,再單層平鋪到直徑為22.5 cm圓形網狀托盤中,設置熱風干燥箱的溫度為70 ℃[21],干燥時每30 min取樣1次,測量物料含水率,待濕基含水率降至(11.00±1)%以下結束干燥.干燥完成后,將樣品裝入真空袋封存,待測.

1.3 數據分析

采用Excel 2016對原始數據進行初步整理,采用Origin 2021軟件進行數據作圖處理,采用SPSS 27.0軟件對數據進行差異性分析(顯著性水平<0.05),不同英文字母表示差異顯著(P<0.05).所有試驗結果以平均值±標準差表示.

2 結果與討論

2.1 不同濕熱處理方式對大豆干燥時間的影響

干燥時間是評價干燥過程中能耗高低和干燥質量好壞的重要指標之一.由圖1可知,不同濕熱處理方式對大豆干燥時間的影響有顯著差異(P<0.05).經濕熱處理的大豆干燥時間均大于未處理組[22],其中NaHCO3水煮大豆干燥所需的時間最長,汽蒸處理最短.這可能是高溫濕熱處理過程中,大豆內部組織結構打開,從而使外部水分進入大豆內部的可能性增大;因可溶性化合物的浸出和淀粉的糊化在大豆樣品表面形成的膜會影響水分向外擴散[22],導致干燥時間延長.其中,因NaHCO3的堿性作用,明顯改變大豆的細胞結構和化學成分,使可溶性化合物的浸出和淀粉糊化更加徹底,表面形成的膜厚度增加,導致干燥時間明顯增長.在相同的濕熱處理方式下,濕熱處理時間對大豆干燥時間影響差異顯著(P<0.05).隨著濕熱處理時間的增加,大豆蛋白等其他營養分子運動加劇,破壞其天然結構,過度的高溫濕熱處理徹底改變了大豆的內部結構,內部水分達到飽和狀態,不會對干燥時間產生太大影響.

圖1 濕熱處理方式對大豆干燥時間的影響

2.2 不同濕熱處理方式對大豆爆腰率的影響

由圖2可知,濕熱處理方式的不同對大豆爆腰率的影響更為明顯(P<0.05).不同濕熱處理后大豆干燥的爆腰率基本呈現增大的趨勢.燙漂和NaHCO3水煮的大豆干燥成品爆腰率明顯高于汽蒸處理,且兩者之間差異顯著.這可能是高溫濕熱處理過程中,燙漂和NaHCO3水煮將大豆樣品浸泡在溶液中,在加熱過程中,蛋白質等大物質分子劇烈運動導致天然結構被破壞,大量吸收水分,形成水的內高外低的梯度.在干燥過程中,大豆受熱形成外高內低的溫度梯度,兩個截然相反的水分運動彼此對抗,阻礙水分的移動,水分梯度越大,其內部應力梯度也會相應的增加.大豆外層由于熱風的作用,使外殼失水增多,比含水率較多的內部收縮快的多,造成大豆受力變形、爆腰[23].此外,汽蒸是用熱蒸汽對大豆進行處理,進入大豆內部水分較少,水分梯度較低,應力梯度在干燥過程中最小,使大豆發生的變形較小,所以汽蒸處理的大豆干燥爆腰率最低.

圖2 濕熱處理方式對大豆爆腰率的影響

2.3 不同濕熱處理方式對大豆色澤的影響

色澤是表示大豆在干燥過程中大豆質量變化的重要指標之一[22].由表1可知,不同的濕熱處理方式對大豆干燥后的△E影響顯著差異(P<0.05).與未處理組相比,不同濕熱處理后大豆干燥的△E基本呈現增大的趨勢.汽蒸和NaHCO3水煮處理后大豆干燥成品△E明顯高于燙漂處理.這可能是濕熱處理過程中,汽蒸高壓處理使大豆發生美拉德反應顯褐色、變暗[24,25],引起L*明顯變小;因NaHCO3的堿性作用,嚴重破壞大豆表皮細胞結構,使細胞內溶物大量流失,大豆呈現出暗黃色,引起b*明顯減小.燙漂處理后大豆干燥的色澤相對較好,這可能是燙漂處理使大豆自身帶有的酶鈍化、失活,抑制褐變的發生,有效改善大豆干燥后的色澤.

表1 不同濕熱處理方式對大豆干燥色澤的影響

2.4 不同濕熱處理方式對大豆蛋白質含量和溶解度的影響

大豆蛋白質主要7S和11S球蛋白構成,其中11S球蛋白占大豆蛋白的40%,它由6個亞基組成,每個亞基又由酸性肽鏈(A)和堿性肽鏈(B),通過疏水鍵和二硫鍵(S-S)堆積而成[26].由表2可知,與未處理組相比,不同濕熱處理后干燥大豆的蛋白質含量呈現下降趨勢,這可能是加熱使大豆蛋白質分子亞基組分離,分子間較弱的共價鍵被破壞導致蛋白質含量下降.其中,汽蒸>燙漂>NaHCO3水煮,這可能是汽蒸處理使大豆與飽和水蒸汽接觸,對大豆蛋白質的疏水鍵和二硫鍵影響較小,減少了蛋白質溶解在水中造成的流失,因此具有明顯的優勢.燙漂和NaHCO3水煮由于使大豆浸泡在溶液中,受熱后蛋白質亞基劇烈解體,使分子間相互作用減小,蛋白質易溶于其中,而NaHCO3因其自身的堿性作用,改變了大豆細胞膜的選擇透過性,蛋白質分子間的非共價鍵被破壞,使大豆蛋白質更易溶解,導致蛋白含量損失較多,大豆蛋白變性過程和文獻[27]一致.

表2 不同濕熱處理方式對大豆干燥蛋白質含量、溶解度和脲酶活性的影響

蛋白質溶解度是判斷大豆受熱程度是否過高的指標.由表2可知,與未處理組相比,不同濕熱處理后干燥大豆的蛋白溶解度都低于未處理組,差異顯著(P<0.05),這可能是大豆蛋白受熱后形成具有不同密度的不溶性聚集體,聚集體外側被疏水性殘基所覆蓋,導致蛋白質溶解度下降.其中,汽蒸>燙漂>NaHCO3水煮,這可能是汽蒸處理對大豆蛋白質內部疏水鍵破壞較小,蛋白質變性較少,溶解度故而最大.燙漂和NaHCO3水煮使大豆處于煮沸的環境中,對蛋白質分子間共價鍵破壞嚴重,使大豆蛋白變性嚴重,導致蛋白質溶解度下降[24].隨著濕熱處理時間的增加,蛋白溶解度呈下降趨勢,差異顯著(P<0.05).這可能是破壞了蛋白質的分子結構,疏水性殘基在結構外部暴露增多,親水基因相對減少,導致溶解度下降.

由此可見,汽蒸處理相較于其他處理方式,可以更好減少大豆中營養成分的流失,保留濕熱處理后大豆干燥較好的營養價值.

2.5 不同濕熱處理方式對大豆脲酶活性的影響

脲酶屬于酰胺酶類,每個脲酶分子中含有2個化合態鎳,具有蛋白質四級結構(蛋白質分子中各亞基之間的空間排布及相互接觸關系).由表2可知,未處理組的脲酶活性顯著高于其他濕熱處理組(P<0.05),這可能是脲酶本身屬于蛋白類,受熱后脲酶分子的亞基分離,導致穩定結構被破壞;脲酶本身主要受蛋白質的屏蔽作用,受熱使蛋白質變性的同時,脲酶也變得不穩定,易失活.其中,NaHCO3水煮處理最優,燙漂處理次之,汽蒸處理最差.這可能是NaHCO3因堿性作用,改變脲酶天然蛋白結構,促進脲酶快速鈍化、失活[28];堿性環境改變了大豆細胞膜的滲透性有助于消除脲酶活性[7],相較于單純燙漂處理而言,消除脲酶活性更徹底.汽蒸處理使大豆處于飽和蒸汽包裹的環境中,對大豆中心部位熱處理不足,脲酶自身的蛋白結構破壞較小,相較于其他組不易鈍化和失活,有研究表明:大豆水分含量對抗營養因子的滅活有影響[29].

2.6 不同濕熱處理方式對大豆干燥品質的綜合評分

運用變異系數法對大豆各品質指標的平均值、標準差、變異系數和權重進行計算,結果見表3所示.由表3可知,干燥大豆的脲酶活性、爆腰率、干燥時間和蛋白質溶解度在濕熱處理后大豆干燥品質指標中占權重較大,分別為0.516、0.277、0.104和0.051,其中,脲酶活性在大豆干燥品質指標占權重最大,這說明不同濕熱處理對大豆干燥的脲酶活性影響最大,蛋白質含量指標所占權重最小,為0.019,這說明不同濕熱處理對大豆干燥的蛋白質含量影響最小.

表3 不同濕熱處理方式對大豆干燥的各指標權重

由表4可知,對3種濕熱處理制得大豆干燥的各項指標值進行標準化處理,計算出不同濕熱處理對大豆干燥的綜合評分,結果如表5所示.

表4 不同濕熱處理方式下大豆干燥的各指標標準化值

表5 不同濕熱處理方式下大豆干燥品質綜合評分

由表5可知,通過綜合評分發現:采用100 ℃(0 MPa)0.42%NaHCO3水煮10 min評分最高(綜合評分:0.329);采用110 ℃(0.045 MPa)汽蒸處理10 min評分最低(綜合評分:-0.54).

3 結論

本文以大豆(濕基含水率:28±1%)為研究對象,研究燙漂、汽蒸、NaHCO3水煮對大豆干燥品質的影響,采用變異系數法綜合評價,得到以下結論:

(1)不同的濕熱處理對大豆干燥品質影響顯著(P<0.05).對比3種濕熱處理和未處理組大豆干燥品質發現,汽蒸處理后大豆的干燥時間較短、爆腰率較低、蛋白質含量和溶解度較大,干燥成品外觀形態好,且能更好的保留全脂大豆的營養價值;燙漂處理對大豆干燥色差△E影響較小,能較好的保留原本的色澤;NaHCO3水煮后大豆干燥的脲酶活性較低,堿性環境能明顯縮短脲酶滅活的時間,但也會使全脂大豆本身的營養成分損失嚴重.

(2)采用變異系數法綜合評價發現,脲酶活性在大豆干燥品質指標占權重最大,為0.516,這說明不同濕熱處理對大豆干燥脲酶活性影響最大,蛋白質含量指標所占權重最小,為0.019,這說明不同濕熱處理對大豆干燥的蛋白質含量影響最小;采用100℃(0 MPa)0.42%NaHCO3水煮10 min評分最高(綜合評分:0.329),為全脂大豆干燥前處理較優工藝.

(3)隨著濕熱處理時間的增加,會使大豆干燥的脲酶活性明顯降低,但同時會使大豆干燥時間、爆腰率和色差△E增大,蛋白質含量和溶解度下降,大大降低了大豆自身的飼用價值.