红豆汽爆膨化预处理工艺试验研究

李朝鲁蒙，陈坤杰

（南京农业大学工学院，江苏南京　210031）



红豆汽爆膨化预处理工艺试验研究

李朝鲁蒙，*陈坤杰

（南京农业大学工学院，江苏南京210031）

摘要：通过设计一种新型的预处理工艺，采用汽爆的方式对红豆进行预处理，以缩短再加工时间，并获得红豆的最佳口感。红豆预处理工艺的评判指标为硬度和煲汤后的吸光度，采用响应曲面法，从蒸煮压力、保压时间和红豆初始含水率3个因素变化的角度，分析了其对2项指标的影响并确定汽爆的最优参数。试验结果表明，汽爆后的红豆比未加工的红豆煲汤时间减少50%，红豆的硬度为42.3 N，红豆煲汤后的吸光度为0.775，分别是原始红豆硬度的0.58倍、煲汤后吸光度的2.09倍。红豆汽爆预处理效果最好，其工艺参数为蒸煮压力0.69 MPa，保压时间120 s，红豆初始含水率25%。

关键词：红豆；汽爆膨化；工艺；硬度；吸光度

0　引言

红豆，又称赤豆、红小豆、小红豆，具有很高的药用价值和营养价值，是我国北方主要杂粮之一［1］。现今，随着经济的发展与生活水平的提高，人们的生活节奏变得很快，要求烹饪食品的时间越短越好，尤其早餐的烹饪。红豆具有极高的营养价值，常被选做煮粥的原料。而红豆种皮结构致密、不易吸水的特性使得制作红豆食品，尤其制作红豆粥时不易煮烂、耗时长、口感不佳、香气不浓郁，为解决这些问题，人们通常采用预先长时间浸泡、加Na2CO3蒸煮或高压锅蒸煮等方式，但效果都不甚理想。

将红豆以适当的加工预处理，可有效解决上述问题。国内对食品常采用膨化加工处理，如油炸膨化、挤压膨化、微波膨化、气流膨化及CO2膨化［2-3］等。红豆做煮粥用途要求经过预处理后依然有较好的感官形态，因而油炸膨化、挤压膨化等技术不适于处理煮粥用途的红豆，微波膨化虽然能够用于处理做煮粥用途的红豆，但存在红豆膨化效果较差、耗能较高等缺点。蒸汽爆破是近几年发展迅速的一种预处理方法，简称“汽爆”，是将生物质原料在高温高压下维持一定时间后，通过瞬间释压实现物料的爆破处理。处理后的物料质地蓬松，底物与酶的接触面积大大增加，使得提取物的产量迅速提高，且反应时间大幅缩短［4-5］。

目前，蒸汽爆破用于红豆预处理的相关文献较少见，本研究对煮粥用途的红豆进行蒸汽爆破预处理，采用响应曲面分析法，以蒸煮压力、保压时间和红豆初始含水率作为考察因素，以汽爆后红豆的硬度和红豆煲汤后的吸光度为指标，探索对煮粥用途的红豆进行蒸汽爆破预处理的工艺参数。

1　材料与方法

1.1试验材料

红豆，原产于黑龙江省宝清，分装地为江苏省南京市，购于当地的苏果超市。

1.2仪器与设备

QBS- 80B型汽爆试验台，鹤壁正道生物能源有限公司产品；DHG- 10型烘箱，上海华连医疗器械有限公司产品；TMS- PRO型质构仪，美国FTC公司产品；CFXB40FZ12- 85型苏泊尔豪华智能电饭煲，浙江苏泊尔股份有限公司产品；759S型紫外可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司产品；FA1004型电子天平，上海舜宇横平科学仪器有限公司产品；5 cm筛子，浙江绍兴华丰实验仪器厂产品。

1.3试验方法

1.3.1试验影响因素的确定

影响蒸汽爆破预处理红豆效果的因素有蒸煮压力、保压时间、红豆初始含水率、红豆颗粒大小，以及红豆品种、产地［6］等。研究中，选择蒸煮压力（MPa）、保压时间（s）和红豆初始含水率（%）3个最重要的因素进行探究。将保压时间220 s，红豆初始含水率20%设为定值，蒸煮压力分别在0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 MPa的条件下进行汽爆试验；在蒸煮压力0.6 MPa，红豆初始含水率20%设为定值，保压时间分别为20，120，220，320，420 s的条件下进行汽爆试验；将蒸煮压力0.6 MPa，保压时间220 s设为定值，红豆初始含水率分别在10%，15%，20%，25%，30%的条件下进行汽爆试验。

1.3.2试验结果评价

经试验发现，红豆的硬度与红豆煲汤煮熟的时间有一定联系，即红豆的硬度越小，红豆煲汤煮熟的时间越短，反之越长。因此，选用红豆的硬度来衡量红豆煲汤煮熟的时间。

红豆煲汤后的吸光度则与红豆汤里所释放的营养成分浓度有关，即吸光度越大，红豆汤里所释放的营养成分浓度越高，同时红豆汤的口感越佳、香气越浓郁。因此，选用红豆煲汤后的吸光度来衡量红豆煲汤的品质。红豆煲汤时间不同，其吸光度也不同，为了解红豆煲汤后的吸光度随煲汤时间的规律，对原始红豆和经不同汽爆条件处理的红豆煲汤，并测定不同煲汤时间下的吸光度。

1.3.3Box- Behnken试验设计（BBD）

为了能够快速地找到最优的工作点，所定的3个因素选在一个较宽的范围内，采用Box- Behnken试验设计（BBD）方案［7］，以红豆的硬度（D1）和煲汤后的吸光度（D2）为响应值，进行L9（33）试验设计。

试验自变量因素与水平设计见表1。

1.3.4试验步骤

表1　试验自变量因素与水平设计

（1）红豆的硬度检测。汽爆前后的红豆每组选取50颗，使用质构仪进行TPA测试。采用HDP/KS5型探头，测试参数设置为感应力0.5 N，起始力0.1N，测试速率60 mm/s，下压变形50%［8］。

（2）红豆煲汤后的吸光度检测。烘干的红豆称取150 g，红豆与水以1∶10的比例在电饭煲中进行常压、温度≥98℃下微沸腾150 min。

每隔15 min舀取红豆上清汤，冷却至约35℃，于540 nm的波长下进行吸光度测定。每次测定完吸光度后，将红豆汤放回电饭煲。

1.3.5红豆的汽爆试验

挑选新鲜无虫伤、籽粒饱满、外皮无破裂的红豆，使用5 cm的谷物筛子过筛；按初始含水率的要求分别调整红豆的含水率，每组取浸泡后的红豆1 000 mL（约爆腔容积的1/2）左右，进行试验；汽爆后的红豆放置在烘箱内进行烘干，烘干至红豆的含水率达到豆类安全储存水分的标准［9］。

2　结果与分析

2.1单因素试验结果

2.1.1蒸煮压力对红豆煲汤后吸光度的影响

不同蒸煮压力对红豆汤吸光度的影响见图1。

图1　不同蒸煮压力对红豆汤吸光度的影响

当蒸煮压力高于0.8 MPa时，汽爆后的红豆变成泥状，气味焦煳，已不适合食用；而蒸煮压力小于0.4 MPa时，红豆并无明显的膨化效果，达不到试验目的。因此，蒸煮压力的取值范围为0.4～0.8 MPa。

2.1.2不同保压时间对红豆煲汤后吸光度的影响

不同保压时间对红豆汤吸光度的影响见图2。

保压时间要选择合理的范围，确保汽爆后的红豆营养成分尽量少流失，又能够最大限度地节约能源，并使汽爆后的红豆能够达到膨化的效果。当保压时间为20 s时，红豆并无膨化效果；而保压时间为420 s时，红豆已焦煳。因此，保压时间的取值范围为120～320 s。

图2　不同保压时间对红豆汤吸光度的影响

2.1.3不同红豆初始含水率对红豆煲汤后吸光度的影响

不同红豆初始含水率对红豆汤吸光度的影响见图3。

图3　不同红豆初始含水率对红豆汤吸光度的影响

爆破前的红豆需要调节到适当的初始含水率才能有效膨化，避免物料水分太低产生焦煳气味，水分太高而红豆容易泥烂化。初始含水率为30%时，因红豆初始含水率太高而无法吸收蒸汽，导致汽爆出来的红豆泥烂化；而初始含水率为10%时，因红豆初始含水率太低产生出现焦煳气味。因此，红豆初始含水率的取值范围为15%～25%。

2.2吸光度评价指标

不同条件下对红豆汤吸光度的影响见图4，不同的汽爆条件见表2。

由图4（a）可看出，原始红豆煲汤后的吸光度随着煲汤时间的延长，在60 min之前迅速增加，在60 min后逐渐趋于平缓，同时红豆汤的香气逐渐浓郁，口感变好，表明红豆中的营养成分在迅速释放，并且红豆在60 min左右基本煮熟。由图4（b）可看出，经汽爆预处理红豆煲汤后的吸光度随着煲汤时间的延长，在30 min之前迅速增加，在30 min后逐渐趋于平缓，同时红豆汤的香气迅速浓郁，口感更佳，表明红豆的营养成分以更快的速度释放，并且红豆在30 min左右基本煮熟。

由此可知，经汽爆预处理的红豆煲汤煮熟时间比原始红豆缩短50%，为准确衡量不同汽爆条件预处理的红豆煲汤品质，取煲汤30 min时的吸光度作为评价指标。

图4　不同条件下对红豆汤吸光度的影响

表2　不同的汽爆条件

2.3响应曲面优化试验与分析

采用Design Expert.V8.0软件设计响应曲面试验，选用Box- Behnken设计（BBD）模型，以D1，D2为响应值，A，B，C 3个因素为自变量，进行三因素三水平共17个试验点（中心点重复5次）的二次响应曲面旋转组合试验。

Box- Behnken试验设计及结果见表3。

2.3.1硬度的方差分析

（1）硬度的方差分析。硬度的方差分析见表4。

对表4的试验结果进行二次回归拟合，得硬度D1与因素A，B，C之间关系的拟合方程为：

表3　Box- Behnken试验设计及结果

表4　硬度的方差分析

从表4可看出，本次试验所选的模型显著（p＜0.018 7）；失拟项的p值为0.428 5，不显著；因素A，B的p值均小于0.01，对D1的影响极显著；因素C的p值小于0.05，对D1的影响显著；而AB，AC，BC的p值均大于0.05，说明A，B，C 3个因素间的两两交互作用不显著。

（2）硬度回归方程优化。对二项式方程中的各项系数进行t检验，删除不显著项后，方程简化为：

方程优化后，失拟项的p值为0.622 2，失拟不显著，表明拟合良好。模型的拟合优度可通过复数相关系数R2和调整后的R2来验证，该模型的复数相关系数R2为82.05%，调整后的R2为76.07%，说明该模型可解释其响应值76.07%的变化。在本试验设定的区域范围内，各因素对D1的影响程度由大到小依次为A，B，C。

（3）响应曲面分析。

硬度的响应曲面见图5。

图5　硬度的响应曲面

为直观分析二因素作用下红豆硬度的变化情况，按照文献［10］所述的方法，固定试验中3个因素中的1个因素于试验设计的零水平点，绘制另外2个因素对红豆硬度的响应面图。从图5可看出，随着A的增加，D1减少，减幅较大；随着B的增加，D1增加，增幅较大；随着C的增加，D1减少，减幅较大。当蒸煮压力0.8 MPa，保压时间120.01 s，红豆初始含水率25%时，红豆的硬度最小，为36.9 N。

2.3.2吸光度方差分析与模型优化

（1）吸光度的方差分析。吸光度的方差分析见表5。

对表5的试验结果进行二次回归拟合，得吸光度D2与因素A，B，C之间关系的拟合方程为：

表5　吸光度的方差分析

由表5可看出，本次试验所选的模型极显著（p＜0.000 5）；失拟项的p值为0.361 0，不显著；因素C的p值小于0.01，对D2的影响极显著；因素A，B的p值均小于0.05，对D2的影响显著；而AB，AC，BC的p值均大于0.05，说明A，B，C 3个因素间的两两交互作用不显著。

（2）吸光度回归方程优化。对二项式方程中的各项系数进行t检验，删除不显著项后，方程简化为：

方程优化后，失拟项的p值为0.334 4，失拟不显著，表明拟合良好。该模型的复数相关系数R2为92.34%，调整后的R2为88.86%，说明该模型可解释其响应值88.86%的变化。在本试验设定的区域范围内，各因素对D2的影响程度由大到小依次为C，A，B。

（3）响应曲面分析。

吸光度的响应曲面见图6。

由表3可知，在不同的汽爆工艺条件下，红豆汤吸光度有一定的变化范围。在蒸煮压力0.8 MPa，保压时间220 s，红豆初始含水率15%的加工条件下，红豆汤的吸光度为0.492；在蒸煮压力0.8 MPa，保压时间220 s，红豆初始含水率25%的加工条件下，红豆汤的吸光度达到0.800，是最小值的1.63倍，表明汽爆加工工艺条件对汽爆后红豆汤吸光度有很大的影响。

由图6可看出，随着A的增加，D2提高，增幅较大；随着B的增加，D2减少，减幅较小；随着C的增加，D2提高，增幅较大。因此，当蒸煮压力0.63 MPa，保压时间183.5 s，红豆初始含水率25%时，红豆汤的吸光度最大，为0.820。

2.3.3最优加工工艺分析

D1越小，表明红豆煲汤时煮熟的时间越短；而D2越大，表明红豆汤里所释放的营养成分浓度越高，同时红豆汤的口感越佳、香气越浓郁。为了同时使D1及D2同时达到最优，经Design Expert.V8.0软件分析，在蒸煮压力0.69 MPa，保压时间120 s，红豆初始含水率25%时，D1为39.8 N，D2为0.796。

图6　吸光度的响应曲面

2.4验证试验结果

为检测由模型预测得到的最优D1和D2与实测值的适合度，按照上述最优工艺参数加工红豆，重复3次试验，测得样品的D1和D2分别如表6所示，可知D1实测值与预测值的相对误差为6.28%，D2实测值与预测值的相对误差为2.64%，表明模型与实际情况拟合良好。

优化方案的验证结果见表6。

表6　优化方案的验证结果

由表6可看出，按照最优工艺参数汽爆预处理红豆后，其D1实测值相比原始红豆大大减小，是原始红豆的0.58倍；D2实测值相比原始红豆大大增加，是原始红豆的2.09倍。这表明，将汽爆膨化工艺用于预处理红豆效果良好。

3　结论与讨论

（1）本文将汽爆膨化工艺用于预处理红豆，获得了良好的效果，并采用响应曲面法得到了红豆的硬度及煲汤后的吸光度2个指标在试验范围内的预测模型。

（2）汽爆膨化预处理红豆后其煲汤煮熟时间比原始红豆缩短50%。

（3）对于红豆的硬度，在试验范围内随着蒸煮压力及红豆初始含水率提高而降低，随着保压时间的延长而增加，3个因素的影响程度由大到小依次为蒸煮压力、保压时间、红豆初始含水率。在蒸煮压力0.8 MPa，保压时间120.01 s，红豆初始含水率25%时，红豆的硬度最小，为36.9 N。

（4）对于红豆煲汤后的吸光度，在试验范围内随着蒸煮压力及红豆初始含水率提高而增加，随着保压时间的延长而降低，3个因素的影响程度由大到小依次为蒸煮压力、保压时间、红豆初始含水率，在蒸煮压力0.63 MPa，保压时间183.5 s，红豆初始含水率25%时，红豆煲汤后的吸光度最大，为0.820。

（5）综合考虑2个评价指标，通过Design Expert. V8.0软件分析，在蒸煮压力0.69 MPa，保压时间120 s，红豆初始含水率25%时，会得到较优的汽爆膨化预处理红豆工艺的参数组合，此时红豆的硬度为42.3 N，红豆煲汤后的吸光度为0.775，分别是原始红豆硬度的0.58倍、煲汤后吸光度的2.09倍。

参考文献：

［1］张元超，李伟雄，黄立新.赤小豆淀粉性质的研究［J］.食品科学，2006，27（3）：44-47.

［2］孟宇竹，陈锦屛，卢大新.膨化技术及其在食品工业中的应用［J］.现代生物医学进展，2006（10）：132-134.

［3］谢焕雄，王海鸥.我国膨化食品加工技术概况与发展［J］.农产品加工（学刊），2001（9）：40-42.

［4］任天宝，马孝琴，徐桂转，等.响应曲面法优化玉米秸秆蒸汽爆破预处理条件［J］.农业工程学报，2011，27（9）：282-286.

［5］陈洪章，李佐虎.无污染秸秆汽爆新技术及其应用［J］.纤维素科学与技术，2002（3）：47-52.

［6］宁欣强，王远亮，曾国明，等.蒸汽爆破玉米秸秆提高酶解还原糖产率的研究［J］.精细化工，2010，27（9）：862-865.

［7］赵晓娟，范云鹏，王梦琳，等.响应曲面法制备甘草次酸脂质体工艺优化［J］.南京农业大学学报，2012，34（4）：47-49.

［8］曹毅，崔国华.大豆安全储藏技术综述［J］.粮食储藏技术，2005，34（3）：17-23.

［9］徐坤换，赵巧灵，廖明涛，等.金枪鱼质构特性与感官评价相关性研究［J］.中国食品学报，2014（12）：190-197.

［10］Li Quanhong，Fu Caili. Application of response surface methodology for extraction optimization of germinant pumpkin seeds protein［J］. Food Chemistry，2005，92（4）：701-706.

Research on Steam Explosion Puffing Pretreatment of Red Bean

LI Chaolumeng，*CHEN Kunjie
（College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

Abstract：A new pre- process is designed using puffing method for quick time and better tasting. The hardness of red bean and the absorbance of red bean soup are the most important judgement. A test is done by changing three parameters（puffing pressure，cooking time and initial moisture）to achieve the best results. Testing results show that after puffing，red bean soup cooking time is reduced about 50%than normal，the hardness is 42.3 N and the absorbance of soup is 0.775，to be 0.58 times and 2.09 times than usual respectively. The best parameter for puffing pre- process are puffing pressure 0.69 MPa，cooking time 120 s and the initial moisture 25%.

Key words：red bean；steam explosion；technology；hardness；absorbance

中图分类号：TS214.9

文献标志码：A

doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.05.011

文章编号：1671- 9646（2016）05a- 0036- 06

收稿日期：2016- 02- 26

基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金项目（KYZ201224）。

作者简介：李朝鲁蒙（1991—），女，硕士，研究方向为农产品加工与无损检测。

*通讯作者：陈坤杰（1963—），男，教授，博士生导师，研究方向为农产品加工与无损检测。