青稞棒擠壓膨化工藝優(yōu)化及其品質(zhì)特性的研究

毋修遠，徐超，2，*，謝新華，2，陳怡瑾，趙浩樂

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450002；2.農(nóng)業(yè)部大宗糧食加工重點實驗室，河南鄭州450002）

青稞（barley flour，BF）是一種禾谷類作物，又稱裸大麥、米大麥。青稞營養(yǎng)豐富，具有“三高兩低富硒”（高蛋白、高纖維、高維生素、低脂肪、低糖、富硒）的特征，特別是β-葡聚糖含量是小麥的50倍，β-葡聚糖具有清腸、調(diào)節(jié)血脂、降低膽固醇、抗腫瘤、提高免疫力等生理功能[1]。青稞作為藏區(qū)人民日常飲食獨有的加工原料，藏民通常喜歡把青稞粉做成“糟耙”招待客人，青稞粉還可用于制作面包、麥片粥、米花、糕點等[2]。雖然青稞是一種優(yōu)質(zhì)的食品原料，但青稞產(chǎn)品的開發(fā)仍處于初級階段，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)食用地區(qū)產(chǎn)品單一，附加值低[3]，因此制作方便攜帶與食用、具有良好受眾范圍和運輸便利性的產(chǎn)品，對青稞的深加工利用具有重要意義。

擠壓膨化作為一種經(jīng)濟實用的新型加工方法，主是通過水分、熱能、機械剪切和壓力等綜合作用形成的高溫高壓短時加工過程[4]。擠壓膨化食品由于具有容易被人體吸收、便于長期保存和風味、口感好等特點[5]，已被廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)中，并得到迅速發(fā)展[6]。目前國內(nèi)外研究人員已經(jīng)通過對加水量、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度等影響膨化食品品質(zhì)的工藝參數(shù)的研究[7]，深入探索了小麥、大米、小米等谷物的擠壓特性及青稞面條、青稞雜糧復(fù)配和膨化青稞粉的應(yīng)用，但對純青稞粉擠壓膨化的直接產(chǎn)品的研制還較少，對產(chǎn)品膨化前后理化特性的探索缺少系統(tǒng)性研究[8]。

本試驗擬以青海省純青稞粉為原料，以膨化度和感官評定為指標，優(yōu)化擠壓工藝條件，研究擠壓工藝條件對青稞膨化特性的影響，找到膨化青稞棒的最適工藝，并分析青稞在擠壓膨化前后主要理化特性的變化，驗證青稞膨化產(chǎn)品的可行性，為青稞食品的深加工利用提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要試驗材料

青稞粉：青海省湟中縣優(yōu)質(zhì)青稞粉。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

ZH65-X型雙螺桿擠壓膨化機：濟南卓恒膨化機械有限公司；RVA4500型快速黏度分析儀：波通瑞華科學(xué)儀器（北京）有限公司；TA-XT plus型物性測試儀：英國 Stable Micro System 公司；KDY-04 08（B）型半自動定氮儀、ZF-06型脂肪儀：上海瑞正儀器設(shè)備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 青稞棒加工單因素試驗

因產(chǎn)品開發(fā)需要，選擇青稞膨化度為影響膨化青稞棒的主要因素，利用Ⅳ區(qū)溫度、加水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度的不同研究其對膨化青稞棒的影響，通過單因素試驗選取正交試驗的因素和水平。腔體溫度的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的溫度設(shè)定分別為40、70、100℃。

1.2.1.1 Ⅳ區(qū)溫度對青稞膨化度的影響

加水量18%、螺桿轉(zhuǎn)速406r/min、喂料速度40 Hz，Ⅳ區(qū)溫度分別為 140、150、160、170、180、200 ℃，通過青稞棒膨化度選擇Ⅳ區(qū)溫度。

1.2.1.2 加水量對青稞膨化度的影響

擠壓溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速406 r/min、喂料速度40 Hz，加水量分別為12%、14%、16%、18%、20%、22%，通過青稞棒膨化度選擇加水量（混合均勻，過80目篩）。

1.2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對青稞膨化度的影響

擠壓溫度180℃、加水量18%、喂料速度40 Hz，螺桿轉(zhuǎn)速分別為 290、319、348、377、406、435 r/min，通過青稞棒膨化度選擇螺桿轉(zhuǎn)速。

1.2.1.4 喂料速度對青稞膨化度的影響

擠壓溫度180℃、加水量18%、螺桿轉(zhuǎn)速406r/min、喂料速度分別為 20、30、40、50、60 Hz，通過青稞棒膨化度選擇喂料速度。

1.2.2 青稞棒加工工藝優(yōu)化設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取加水量（A）、擠壓溫度（B）、螺桿轉(zhuǎn)速（C）、喂料速度（D）作為試驗因素，以青稞棒的感官評定得分為指標，按照四因素三水平正交表L9（34）進行正交試驗設(shè)計，如表1所示，選取青稞棒的最佳加工工藝條件。

1.2.3 樣品制備

擠壓膨化后的產(chǎn)品分割為6 cm均勻小段，室溫放置5 min后，置40℃烘箱中干燥2 h，放入自封袋備用，部分干燥后的膨化青稞棒用粉碎機粉碎，過80目篩網(wǎng)，置干燥環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4 膨化度的測定

用游標卡尺測量擠壓膨化后產(chǎn)品直徑，每個樣品隨機測定5次，求其平均值作為產(chǎn)品的平均直徑d1（mm），再除以模孔直徑即得擠壓膨化產(chǎn)品的膨化度[9]。膨化度用式（1）表示。

式中：c為膨化度，%；d1為擠壓膨化產(chǎn)品的平均直徑，mm；d2為模孔直徑，0.3 mm。

1.2.5 青稞棒感官評價

隨機選取10名具有一定專業(yè)知識的人員對產(chǎn)品進行感官評分。測試前產(chǎn)品隨機編號，評定員根據(jù)產(chǎn)品的外觀、口感、色澤、組織結(jié)構(gòu)和氣味接受性對其進行評分，感官滿分為50分，感官評定標準見表2[10]。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 The orthogonal test factor table

表2 青稞粉擠壓膨化產(chǎn)品感官評價指標及評分標準Table 2 Indicators and scoring criteria for sensory evaluation of barley flour extruded products

1.2.6 產(chǎn)品理化特性的測定

1）水分含量的測定：參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》。

2）灰分的測定：參照GB 5009.4-2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》。

3）蛋白質(zhì)的測定：參照GB 5009.5-2016《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》。

4）脂肪的測定：參照GB 5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》。

5）淀粉的測定：參照GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》。

6）膳食纖維的測定：參照GB 5009.88-2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》。

7）糊化特性：分別準確稱量3.0 g未處理和處理后的青稞粉，加入裝有25.0 mL蒸餾水的樣品盒中，充分攪拌后置于快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）樣品槽中，用Standard 1（50℃保持1.5 min后加熱，以15℃/min的速率升至93℃后保持2.5 min，再以15℃/min速度下降至50℃下保持1.5 min，攪拌器速度為160 r/min）程序進行測試。

8）質(zhì)構(gòu)特性：將處理前后青稞粉配置30.00%的粉糊，在沸水浴中糊化30 min，然后取約30 mL倒入平底離心管中，在4℃冰箱中放置24 h，采用物性測試儀TPA模式測定凝膠的質(zhì)構(gòu)特性，探頭：P50，下降速度：1.0 mm/s；測試速度：1.0 mm/s；返回速度：1.0 mm/s；測試距離15.0 mm；觸及壓力：5 g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗過程中，每個試驗數(shù)據(jù)測定3次，求平均值，得出數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對青稞棒膨化度的影響

2.1.1 加水量對青稞棒膨化度的影響

以擠壓溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速406 r/min、喂料速度40 Hz為試驗條件，測定青稞粉加水量（12%、14%、16%、18%、20%、22%）對青稞棒膨化度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 物料加水量和膨化度的關(guān)系Fig.1 The relationship between the amount of water added to the material and the degree of puffing

由圖1可知，加水量在12%～18%范圍內(nèi)青稞棒膨化度隨著加水量的增加而增加。而當加水量大于18%時，膨化度反而降低。當加水量較低時，青稞淀粉吸水少而且不均勻，物料糊化度差，導(dǎo)致物料膨化度不高，并且容易出現(xiàn)焦糊和機器堵塞現(xiàn)象。當加水量過高（大于18%）時，水分可能起到了稀釋的作用，導(dǎo)致淀粉的擠壓、剪切等機械力較小，從而膨化度下降[11]。

2.1.2 擠壓膨化溫度對青稞棒膨化度的影響

設(shè)定加水量18%、螺桿轉(zhuǎn)速406 r/min、喂料速度40 Hz為試驗條件，測定IV區(qū)擠壓膨化溫度（140、150、160、170、180、190、200 ℃） 對青稞棒膨化度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 擠壓膨化溫度和膨化度的關(guān)系Fig.2 The relationship between extrusion temperature and puffing degree

由圖2可知，青稞棒膨化度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先上漲后降低的趨勢；當擠壓膨化溫度在180℃時，青稞棒膨化度最高。溫度的升高加劇了青稞粉內(nèi)水分子運動，使得水分子容易滲透到物料空間結(jié)構(gòu)中，使得大分子降解，同時高溫使得淀粉分子間的氫鍵斷裂，淀粉產(chǎn)生糊化，膨化度提升[2]；當擠壓溫度過高時，物料因受熱過大，容易在機筒內(nèi)發(fā)生焦糊現(xiàn)象并且結(jié)成硬塊，堵塞機筒內(nèi)螺桿，造成機筒內(nèi)部壓強過大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不均一，局部仍有少量未膨化開的淀粉晶體顆粒存在，造成青稞棒膨化度較低，顏色較深。因此，擠壓膨化溫度應(yīng)該以180℃為最佳。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對青稞棒膨化度的影響

設(shè)定加水量18%、擠壓膨化溫度180℃、喂料速度 40 Hz為試驗條件，測定螺桿轉(zhuǎn)速（290、319、348、377、406、435 r/min）對青稞棒膨化度的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，當螺桿轉(zhuǎn)速小于348 r/min時，青稞棒膨化度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加；當螺桿轉(zhuǎn)速大于348 r/min時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加膨化度呈現(xiàn)下降趨勢。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，可能使得擠壓倉內(nèi)剪切力增加，大分子結(jié)構(gòu)被打開，使更多淀粉鏈被打斷而降解，同時螺桿的攪拌讓水分在物料中分散更均勻，擠出物的結(jié)構(gòu)和氣孔也較為均一[12]。當螺桿轉(zhuǎn)速越高時，物料在機筒內(nèi)的受作用時間越短，從而不利于降解[13]，并出現(xiàn)受力不均，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)硬塊、膨化不均等現(xiàn)象，表現(xiàn)出膨化度低[14]。

2.1.4 喂料速度對青稞棒膨化度的影響

設(shè)定加水量18%，擠壓膨化溫度180℃，螺桿轉(zhuǎn)速348 r/min為試驗條件，測定喂料速度（20、30、40、50、60 Hz）對青稞棒膨化度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速和膨化度的關(guān)系Fig.3 The relationship between screw speed and degree of expansion

圖4 喂料速度和膨化度的關(guān)系Fig.4 The relationship between feed rate and degree of expansion

由圖4可以看出，當喂料速度較低時，物料在機筒內(nèi)受到的壓力較低，不能產(chǎn)生很好的膨化效果。隨著喂料速度的增加膨化度逐漸增加。當喂料速度為40 Hz時，青稞棒膨化度最大。當喂料速度大于40 Hz時，青稞棒膨化度隨著喂料速度的增加而減小。這是由于喂料速度過大，青稞粉由于受熱不均，部分青稞粉在機筒內(nèi)得不到及時膨化，局部出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，使得產(chǎn)品的膨化度降低，同時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2.2 青稞棒加工工藝的優(yōu)化

2.2.1 正交試驗結(jié)果與分析

正交試驗因素水平表根據(jù)單因素試驗結(jié)果，分別選加水量18%、擠壓溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速348 r/min、喂料速度40 Hz為最優(yōu)參數(shù)，正交試驗結(jié)果與分析見表3。

表3 正交試驗結(jié)果與分析Table 3 The orthogonal experimental results and analysis

本試驗結(jié)果分析采用方差分析法，首先進行F檢測，方差分析結(jié)果見表4。

由表4可以看出，本試驗研究的4個因素對產(chǎn)品的影響的主次順序為：加水量>擠壓溫度>喂料速度>螺桿轉(zhuǎn)速。其中 A2、B2、C3、D2分別為最適條件，即加水量為18%，擠壓溫度為180℃，螺桿轉(zhuǎn)速為377 r/min，喂料速度為40 Hz時，青稞棒產(chǎn)品最優(yōu)品質(zhì)。由方差分析得加水量對青稞棒的感官品質(zhì)影響最為顯著[15]。

2.2.2 驗證性試驗

驗證性試驗結(jié)果見表5。

表4 正交試驗方差分析結(jié)果Table 4 The analysis of orthogonal test variance results

表5 驗證試驗結(jié)果Table 5 Verifies the experimental results

由表5驗證的實驗結(jié)果可以看出，在加水量18%，擠壓溫度180℃，螺桿轉(zhuǎn)速377r/min，喂料速度為40Hz時，得到的青稞棒的感官評定的得分最高。該條件下得到的青稞棒表面光滑無斷裂，口感松脆不黏牙，色澤較均勻，并且組織結(jié)構(gòu)呈致密多孔狀，無大空洞出現(xiàn)，同時伴有濃郁的青稞麥香味。

2.3 擠壓膨化對青稞粉理化指標的影響

2.3.1 擠壓膨化對青稞粉基本組分的影響

在最佳工藝條件下擠壓膨化后，對擠壓膨化前后青稞粉內(nèi)水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉和膳食纖維含量進行測定，測定結(jié)果如表6所示。

表6 擠壓膨化對青稞粉內(nèi)營養(yǎng)品質(zhì)含量的影響Table 6 Effect of extrusion on the content of inner nutrition of highland barley powder %

由表6可知，青稞粉經(jīng)過擠壓膨化處理，水分含量下降，盡管在擠壓膨化前需要給樣品添加一定水分，但擠壓膨化過程中的高溫使大量水分蒸發(fā)，使擠壓膨化后的青稞粉水分含量更低，較低的水分含量使產(chǎn)品口感更加酥脆，并提升了產(chǎn)品的貯藏時間。蛋白質(zhì)含量相比之前稍有減少，可能是在高溫高壓和剪切力處理下使得蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，發(fā)生伸展、重組，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。擠壓膨化后脂肪含量減少，可能是高溫高壓擠壓作用下甘油三酯部分水解，產(chǎn)生單甘油和游離脂肪酸的原因。擠壓膨化后膳食纖維含量顯著增加，這與Bjorck等[16]研究結(jié)果一致，這主要是由于高溫、高壓、高剪切的作用使纖維分子間化學(xué)鍵裂解，導(dǎo)致分子的極性發(fā)生變化[17]。青稞粉淀粉含量明顯減少，這是因為在擠壓過程中淀粉鏈間的氫鍵斷裂，淀粉粒解體，淀粉被充分α化，降解成低分子碳水化合物造成的[18]。

2.3.2 擠壓膨化對青稞粉糊化特性的影響

對擠壓膨化前后青稞粉糊化特性進行測定，測定結(jié)果如表7所示。

由表7可知，青稞粉的糊化溫度為89.8℃，但RVA測定的糊化溫度是指淀粉黏度剛開始升高的溫度，通常所測糊化溫度偏高[19]。崩解值反映了淀粉的熱糊穩(wěn)定性，青稞粉的崩解值為306.67 cp，明顯小于小米淀粉的崩解值3 925 cp和大米淀粉崩解值2 092 cp～3 602 cp[17]，說明青稞粉有很好的熱糊穩(wěn)定性。青稞經(jīng)擠壓處理之后，回生值明顯減少，青稞淀粉冷糊穩(wěn)定性得到增加，這可能是因為淀粉糊化后直鏈淀粉的減少，凝膠中空間障礙變大而更難老化[20]。其峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、峰值時間均比原料不同程度降低。通過RVA結(jié)果可看出，在受到擠壓膨化的高溫高壓處理后，青稞粉得到較高程度熟化，淀粉穩(wěn)定性提到提升。

2.3.3 擠壓膨化對青稞粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

質(zhì)構(gòu)是反映產(chǎn)品感官特性的指標，在食品品質(zhì)及加工方面具有指導(dǎo)意義。對擠壓膨化前后青稞粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性測定，結(jié)果如表8所示。

表7 擠壓膨化對青稞粉糊化特性的影響Table 7 Effect of extrusion on the gelatinization characteristics of barley powder

表8 擠壓膨化對青稞粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 8 Effect of extrusion on the texture properties of barley gel

粉質(zhì)的凝膠特性是實際生產(chǎn)的重要依據(jù)，擠壓膨化處理后的青稞硬度下降，受到擠壓后青稞淀粉容易發(fā)生破裂，易剪切稀化[21]。黏著性下降，處理后青稞粉恢復(fù)到原來分離狀態(tài)所需要的力減少。咀嚼性與硬度相關(guān)性很高，二者都能反應(yīng)堅實度大小，處理后青稞粉咀嚼性降低，說明處理后青稞粉口感變酥脆軟綿。回復(fù)性反映了試樣在受到一次壓縮后迅速恢復(fù)變形的能力，處理后的青稞粉回復(fù)性增加，且存在顯著性差異。可能是由于處理后的青稞粉粉質(zhì)變的疏松，導(dǎo)致回復(fù)性較好。

3 結(jié)論

本試驗研究得出，青稞棒擠壓膨化的最佳工藝條件為，加水量為18%、螺桿的轉(zhuǎn)速為377 r/min、擠壓溫度為180℃、喂料速度為40 Hz，且4個因素對產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響的主次順序為：加水量>擠壓溫度>喂料速度>螺桿轉(zhuǎn)速。與未處理青稞粉相比，擠壓膨化處理顯著提高了青稞棒膳食纖維含量，提升了青稞的保健功能特性；青稞棒淀粉糊化穩(wěn)定性更好，改善了膨化青稞產(chǎn)品的貯藏及食用性能；青稞棒的硬度和咀嚼性降低，有利于口感酥脆無渣感。本試驗得到了一種青稞膨化食品新工藝，并對其品質(zhì)特性進行了分析，為青稞的精深加工利用提供了參考依據(jù)。