擠壓膨化對嬰幼兒顆粒面條中淀粉結構及消化特性的影響

謝巖黎 張春雨 王小麗

(河南工業大學糧油食品學院，鄭州 450001)

輔食是指嬰幼兒食用除母乳外的、對嬰幼兒身體發育起到輔助作用的食物。由于純母乳喂養無法滿足7～24月齡嬰幼兒的營養需求，且嬰幼兒的胃腸道發育和腸道菌群的形成等需要多樣化食物的刺激，因而此階段輔食的種類和營養素含量對嬰幼兒的健康成長十分重要[1]。黑小麥中蛋白質和鐵、硒等礦物元素含量均高于普通小麥[2]；黑芝麻中的不飽和脂肪酸質量分數超過70%，鈣、鐵、鋅和硒的含量也很豐富[3-4]；黑米中蛋白質和脂肪含量也都高于普通稻米[5]；黑豆中含有大量優質蛋白質[6]；除此之外，黑米、黑豆中還有豐富的花青素[7-8]，根據世界衛生組織的統計數據，全球約有5億婦女和3億兒童患有缺鐵性貧血[9]；Mu等[10]研究證明黑豆種皮提取物可以調控鐵調節蛋白基因(HAMP)的表達量，提高紅細胞計數、血紅蛋白濃度和血細胞比容，從而改善缺鐵性貧血；最新的研究表明，花青素能夠與Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)螯合，使二價鐵保持還原狀態，并對三價鐵有增溶作用，提高鐵的生物相容性[8、11]。目前中國市場上嬰幼兒輔食種類有限，主要為米粉、粥、菜泥、果泥，具有中國特色的顆粒面條是新興的一種嬰幼兒輔食，采用傳統掛面工藝生產，但是由于食用前需經過蒸煮處理，與沖泡即食的米粉相比不夠方便，因而市場占有率不高。擠壓膨化技術是廣泛應用于食品生產的集壓縮、混合、混煉、熔融、膨化、成型等功能于一體的食品生產技術，產品具有形狀多樣、營養保留高和消化吸收率高的特點[12]。目前，擠壓膨化技術主要用于早餐谷物制品、休閑零食等產品的生產，有關研究主要集中于擠壓導致的營養成分變化、擠壓條件對產品品質的影響等方面，利用擠壓膨化技術生產即食性嬰幼兒食品并對其淀粉結構和消化特性進行研究的報道很少[13-14]。針對這種現狀，本研究以添加黑米、黑豆、黑芝麻的黑小麥為原料，采用擠壓膨化技術生產即食嬰幼兒顆粒面條，并利用多種分析手段研究擠壓膨化對嬰幼兒顆粒面條中淀粉結構及消化特性的影響。

1 材料與方法

1.1 顆粒面條

黑小麥：焦作市河禾源米業有限公司；黑米、黑豆、黑芝麻：上海頤生農產品有限公司。

1.2 試劑

豬胰α-淀粉酶(50 U/mg，分析純)，Sigma公司；淀粉糖化酶(106U/g)、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉均為國產分析純。

1.3 儀器設備

Quanta 200環境掃描電鏡：美國FEI公司；E-1010離子濺射儀：日立有限公司； X’Pert PRO：荷蘭PANalytical； RVA-4快速黏度分析儀：澳大利亞Newport Scientific。

1.4 嬰幼兒顆粒面條的制備

黑小麥和黑米磨粉，過80目篩；黑豆粉碎后過80目篩，145 ℃烘烤45 min去除豆腥味；黑芝麻140 ℃烘烤40 min，粉碎后過80目篩。按照黑小麥粉80%，黑豆11.36%，黑米8.37%，黑芝麻0.27%的比例進行配粉，加水量24%攪拌成絮狀。傳統掛面工藝生產顆粒面條在此基礎上采用低溫長時烘干技術，35 ℃條件下干燥8 h。擠壓膨化工藝生產顆粒面條條件為溫度165 ℃，螺桿轉速10 Hz，物料含水量24%，65 ℃條件下干燥8 h，最終得到的顆粒面條直徑為0.45～0.9 mm。

1.5 掃描電鏡

將樣品放置于載物臺上，利用離子濺射儀噴金后，20 kV的加速電位拍攝圖像，觀察不同倍數下的樣品顆粒形貌。

1.6 X-衍射

測試條件的參數為：銅靶；管壓管流：40 kV/30 mA；步長0.02°；掃描速度8(°)/min；衍射角2 θ；掃描范圍：3°～40°。

1.7 糊化特性的測定

稱取3 g待測樣品(以水分含量14%計)，和蒸餾水于RVA專用的鋁盒中混勻，調成一定濃度的乳狀液。測試條件：50 ℃保持1 min,以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃保持2.5 min，以12 ℃/min的速度降溫至50 ℃保持2 min，攪拌器在起始10 s內轉動速度為960 r/min，以后保持在160 r/min，完成測定共消耗時間13 min。通過RVA的測試TCW軟件分析得到6個特征參數：峰值黏度、最低黏度、衰減值、最終黏度、回生值和峰值時間。

1.8 體外消化速率分析

分別取1.5 g原料配方粉、煮熟后吸干水分的傳統掛面工藝生產的顆粒面條和熱水沖泡后吸干水分的擠壓膨化生產的顆粒面條，粉碎后加入少量pH 6.9的磷酸鹽緩沖液，混勻后轉入比色管，定容至25 mL，每種樣品制備6個平行樣品溶液。樣品溶液在恒溫震蕩水浴鍋中37 ℃預熱5 min，然后加入α-淀粉酶(300 U/mL)和糖化酶(2 500 U/mL)各5 mL，以37 ℃、100 r/min的條件水解一定時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)，沸水浴滅酶5 min。酶解液以3 000 r/min的速度離心20 min，取0.5 mL上清液用蒸餾水稀釋一定倍數，吸取稀釋樣液0.5 mL，采用DNS法測定葡萄糖含量。

按式(1)計算平均消化速率，繪制消化速率曲線。

(1)

式中:G(t)為水解一定時間后所產生的葡萄糖質量/mg；C為標準曲線中的葡萄糖的量/mg；V為上清液的總體積/mL；f為稀釋倍數。

(2)

式中:m為樣品質量/g；d為物料初始淀粉含量/%；t為水解時間/h；G0為游離葡萄糖質量/mg；W為平均消化速率/mg/(g·h)。

1.9 統計分析

使用Origin 8.5軟件進行實驗數據的分析處理，利用SPSS 20軟件對實驗結果的顯著性差異進行分析，P<0.05表明結果之間具有顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 掃描電鏡觀察結果

由圖1a可以看出，原物料的淀粉結構呈現卵圓形、圓形，顆粒表面光滑。圖1b、圖1c是原物料分別經傳統掛面工藝生產的顆粒面條、擠壓膨化生產的顆粒面條的掃描電鏡照片，可以觀察到經過加工后，淀粉卵圓形和圓形的結構消失，破碎后的淀粉顆粒發生了重組，形成了較大的不規則的顆粒結構。圖1c中物料的顆粒大小明顯低于圖1b中的物料，這主要因為在擠壓機的高溫、高壓作用下，物料受熱膨脹，原有淀粉晶體在高剪切力作用下破碎，重組后的淀粉顆粒表面碎片增加，表面粗糙度提高，致密度降低，與前人相關研究結果一致[15-16]。

圖1 三種物料樣品的掃描電鏡圖片

2.2 糊化特性分析

RVA圖譜與一些食品的食味品質有一定的關系[18-20]。峰值黏度指在機械剪切力作用下，淀粉糊化引起的黏度增加與淀粉顆粒破裂引起的黏度減小間的平衡點黏度值[19]；最低黏度代表淀粉顆粒溶脹程度與破裂程度之間的平衡；衰減值反映淀粉熱糊的穩定性(抗剪切和耐熱性能)，衰減值越大，說明越多的淀粉顆粒在加熱中破裂，內部淀粉分子被釋放出來，食味越好；最終黏度反映了由于溫度降低后被直鏈淀粉和支鏈淀粉所包圍的水分子運動變弱而使黏度再次上升的現象；回生值表示淀粉的穩定性和老化速度，回生值越大淀粉越易老化。

表1 三種物料的黏度曲線特征值

由表1黏度曲線特征值分析來看，與原物料相比，擠壓膨化顆粒面條和傳統掛面工藝顆粒面條的峰值黏度、最低黏度、衰減值、最終黏度、回生值均下降；擠壓膨化物料的峰值時間最小，說明原物料經擠壓膨化加工后，糊化所需時間更短，符合即食嬰幼兒食品的定位；與傳統掛面工藝顆粒面條相比，擠壓膨化物料的峰值粘度和衰減值更高，回生值更小，說明擠壓膨化物料具有更好的食味，糊化后的穩定性更好，凝膠化程度較低，老化速度較慢。

2.3 X-射線衍射分析

X-衍射圖譜可以反映淀粉不同的結晶型，淀粉根據晶型結構可分為A型、B型和C型。在X-衍射圖譜中，A型淀粉出現較強衍射峰對應衍射角度為15°、17°、18°、23°，B型淀粉出現較強衍射峰對應衍射角度為5.6°、15°、17°、22°、24°，C型淀粉在X-衍射圖譜中是A型和B型淀粉的綜合[23]。此外，糊化后的淀粉與類脂物及相關化合物(通常是直鏈淀粉與脂肪酸或磷脂)形成復合物后可產生V型淀粉，在衍射角度7.4°、13°、20.5°出現較強衍射峰[24]。

圖2 三種物料樣品的X-衍射圖

從圖2可以看出，a中較強吸收峰對應的角度表明原物料中的淀粉屬于A型結晶；傳統掛面工藝顆粒面條的 A型結晶的特征峰強度減小或消失；顆粒面條經過擠壓膨化作用后，A型結晶的特征峰不僅減小及部分消失，還在衍射角13°及20.5°的地方出現了較強衍射峰。傳統掛面工藝顆粒面條經過烘干、水煮后，淀粉原本的晶體結構受到較大程度的破壞，導致其對應的衍射峰消失，淀粉微晶區變小，無定形區變大；擠壓膨化后不僅淀粉原本的衍射峰消失，還有新的衍射峰出現，是因為原物料受到強機械力和高溫的作用，物料中淀粉原本的結構受到了嚴重破壞，淀粉氫鍵斷裂降解的同時形成了新的結晶區，產生了V型淀粉[25-26]。

2.4 淀粉體外消化速率分析

從圖3可以看出，傳統掛面工藝顆粒面條和擠壓膨化顆粒面條中的淀粉在淀粉酶作用下的消化速率遠遠高于原物料，這是因為烘干、水煮、擠壓膨化加工方式都使物料中的大部分淀粉糊化，從膠束狀淀粉鏈構成的β-淀粉變成了容易消化的α-淀粉；擠壓膨化顆粒面條的消化速率高于傳統掛面工藝顆粒面條，是因為物料在擠壓機內受到高溫高壓作用，部分淀粉發生降解生成糊精和還原糖，同時相鄰淀粉間的主要和次級價鍵、氫鍵被破壞，產品疏松多孔，增加了與淀粉酶的接觸機會[27-28]。隨時間的延長，底物濃度不斷下降，三者的消化速率均呈現下降的趨勢；擠壓膨化顆粒面條和傳統掛面工藝顆粒面條的消化速率差距隨著時間推移不斷減小，這可能因為擠壓膨化產生的糊精和還原糖等被消耗完畢，剩余化合物與酶類的反應速率差別變小。

表2 三種樣品的消化率

注：a、b、c表示數據差異顯著。

圖3 三種物料在淀粉酶作用下消化速率曲線

從表2數據可知，原物料、傳統掛面工藝顆粒面條、擠壓膨化顆粒面條的消化率分別為28.74%、85.13%、92.44%，三種物料經3 h消化后的消化率差異顯著(P<0.05)。由此可見，擠壓膨化加工的顆粒面條的消化速率和消化率均高于傳統掛面工藝顆粒面條，擠壓膨化的方法可以用來生產加工易消化的食品，適用于嬰幼兒食品的生產。

3 結論

本研究以添加了黑米、黑豆、黑芝麻的黑小麥為原料，對比研究了傳統工藝制備的顆粒面條和擠壓膨化制備的顆粒面條中淀粉的表觀形態、結晶特性、糊化特性及體外消化特性。

3.1 電鏡掃描發現，擠壓膨化使顆粒面條中的淀粉結構發生了變化，原有的淀粉圓形顆粒結構消失，擠壓膨化后重組的淀粉顆粒結構表面碎片及粗糙度增高，表面致密度降低。

3.2 RVA測定發現，擠壓膨化顆粒面條比傳統掛面工藝顆粒面條具有更高的峰值粘度和衰減值，更低的回生值和峰值時間，表明擠壓膨化使顆粒面條的糊化特性更適合嬰幼兒的食用特點。

3.3 X衍射測定發現衍射角13°和20.5°出現很強的峰，表明擠壓膨化使顆粒面條中的淀粉晶型從A型轉變成V型。

3.4 淀粉體外消化實驗的結果表明，相比傳統掛面工藝顆粒面條，擠壓膨化的顆粒面條消化率和消化速率更高，3 h消化試驗后傳統掛面和擠壓膨化技術生產的顆粒面條消化率分別為85.13%和92.44%(P<0.05)。