小米擠壓粉與小米生粉理化性質與營養品質的差異比較

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(1.北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京工商大學食品與健康學院,北京 100048;2.中國農業大學食品科學與營養工程學院,國家果蔬加工工程技術研究中心,植物蛋白與谷物加工北京市重點實驗室,北京 100083)

小米起源于我國的黃河流域,是中華民族的哺育作物,至今已有8000年的歷史[1]。與其他糧食作物相比,小米具有抗旱、抗病蟲害、生長周期短等優勢[2],是亞洲、非洲東部以及歐洲南部等干旱半干旱地區的主要糧食作物,對糧食安全起著十分重要的作用,近年來更是由于其眾多潛在的營養價值和食療保健功效而受到越來越多的關注[3]。對于小米等淀粉質食品原料而言,擠壓膨化技術已成為原料預處理方式的重要一種[4-5]。許多研究已表明,預糊化淀粉質原料的吸水性、保水性、粘彈性以及凍融穩定性均較好,有利于食品成型、延緩老化和穩定食品內部結構[6-7]。通過在食品原料中預先混入一定量的擠壓膨化粉來制作高含量雜糧食品的方法正逐漸被應用于雜糧食品行業[8],且取得良好成果。有關小米擠壓膨化的研究亦不斷被報道,如蔣長興等優化了擠壓膨化小米粉制備的工藝參數[9],鞏敏等分析了小米籽粒性狀及理化性質對小米膨化后品質特性的影響[10],趙學偉等探究了小米擠壓膨化產品的吸濕動力學和干燥動力學[11],沈靜等[8]將小米擠壓粉與小米生粉按照1∶1預先混合后,成功制作出口感、品質均較好的純小米面條。

風味是食品品質評價的一項重要指標,Sides等研究認為,除了原料本身的香味外,熱處理是谷物類風味成分的主要來源[12]。與未處理燕麥片相比,微波和蒸煮處理后的燕麥片均產生了更多的醛類,分別占總揮發性成分的62.05%和80.65%,而焙烤處理的燕麥片除了產生了較多醛類(33.95%),還產生了較多的吡嗪類(38.82%)與嘧啶類(20.12%),呈現出濃郁的烤香味[13]。擠壓膨化是小米等淀粉質食品加工過程的一種熱處理方式,然而目前有關擠壓膨化處理對小米粉風味特性的影響未見報道。

鑒于此,本研究全面探究了擠壓膨化處理對小米粉粒徑、色澤、密度、風味以及營養組分的影響,以期為小米擠壓粉的基礎理論研究和生產應用提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

東方亮小米(市售) 山西東方物華農業科技有限責任公司;硫酸銅、氫氧化鉀、無水乙醚等實驗用所有化學試劑 國藥集團化學試劑北京有限公司。

AR5120電子天平 美國奧斯豪有限公司;HY-04A高速粉碎機 北京環亞天元機械技術有限公司;SYSLG30-IV雙螺桿擠壓機 濟南賽百諾科技開發有限公司;10A-VP高效液相色譜儀 日本島津公司;7890A-5975C氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司;L-8900氨基酸分析儀 日本日立公司;SC-80C全自動色差儀 北京康光光學儀器廠;RVA快速粘度分析儀 波通瑞華科學儀器北京有限公司;LS230激光粒度分析儀 美國貝克曼庫爾特有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米生粉和擠壓粉的制備 將小米粉碎后,過80目篩(直徑0.2 mm),得到小米生粉。將小米生粉調節水分含量至16%后,加入雙螺桿擠壓膨化機中進行擠壓膨化,其中螺桿轉速為30 r/min,一區至四區溫度分別為60、90、120和175 ℃。膨化后的物料重新粉碎后,過80目篩,得到小米擠壓粉。

1.2.2 小米生粉和小米擠壓粉粒徑測定 分別將0.4 g的小米生粉和小米擠壓粉混入20 mL無水乙醇中,180 W/40 kHz超聲震蕩10 min以使物料顆粒分散均勻,按照粒徑分析儀操作指南,在1800 r/min的轉速下依次測定小米生粉和小米擠壓粉的粒徑。

1.2.3 小米生粉和小米擠壓粉表觀密度測定 參照GB/T 6373-2007給定體積稱量法,在相同情況下使小米生粉和小米擠壓粉自由下落并裝滿一個10 mL量筒,計算占有1 mL體積的重量即為表觀密度(g/mL)。

1.2.4 小米生粉和小米擠壓粉靜止角測定 分別讓小米生粉和擠壓粉從20 cm處自由落到水平面上,測定所形成的圓錐體母線與底平面的夾角[14]。

1.2.6 小米生粉和小米擠壓粉風味測定 采用頂空固相微萃取收集小米生粉和小米擠壓粉的揮發性風味成分,將CAR/AB/PDMS萃取頭在氣相色譜(GC)進樣口250 ℃老化1 h。取5 g待測粉、0.5 mg氯化鈉、5 mL去離子水和4 μL濃度為2 μg/mL的丙酸丙酯置于15 mL頂空瓶中,用封口膜封好,置于60 ℃水浴中平衡20 min。萃取針頂空吸附40 min后拔出萃取針,迅速插入GC進樣口進行分析。

使用 DB-Wax極性毛細管柱(15 m×320 μm×0.25 μm),進樣口溫度為250 ℃,載氣為氦氣,流速為1.0 mL/min,不分流。柱箱起始溫度均為50 ℃,保持3 min,以5 ℃/min 的速率升高到160 ℃,保持3 min,然后再以10 ℃/min的速率升高到240 ℃,保持10 min。質譜接口溫度為250 ℃,電離方式為EI,轟擊電子能量為70 eV,離子源溫度為 230 ℃,總離子流強度為110 mA。根據GC-MS總離子流圖中的出峰時間和對各峰的離子掃描,進行NIST08.L譜庫檢索,僅計算匹配度大于80%的成分[16]。

1.2.7 小米生粉和小米擠壓粉營養成分測定 蛋白質含量測定時首先加入硫酸銅溶液,生成沉淀,然后按照國標GB 5009.5-2010方法測定沉淀中的含氮量,直鏈淀粉含量的測定采用雙波長碘藍比色法,其余所有營養成分測定均按照國家標準方法進行,水分:GB 5009.3-2010;脂肪:GB/T 5009.6-2003;碳水化合物:GB/Z 21922-2008;維生素A:GB/T 5009.82-2003;維生素E:GB/T 5009.82-2003;硫胺素:GB/T 5009.84-2003;核黃素:GB/T 5009.85-2003;鈣:GB/T 5009.92-2003;磷:GB/T 5009.87-2003;鉀:GB/T 5009.91-2003;氨基酸:GB/T 5009.124-2003;脂肪酸:GB/T 22223-2008。

表1 小米生粉和小米擠壓粉的物理性質比較Table 1 Comparison of the physical properties of raw and extruded foxtail millet flour

注:*代表兩樣本間有顯著差異P<0.05,**代表兩樣本間有極顯著差異P<0.01。

1.3 數據處理

所有理化性質相關的指標均進行三次平行測定,結果以Mean±SD的形式表示;所有營養成分和風味相關指標均進行兩次平行測定,結果以平均值的形式表示。采用SPSS Statistics 20.0 配對樣本t-檢驗進行顯著性差異分析,并以P<0.05表示有顯著性差異,P<0.01表示有極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 小米生粉和小米擠壓粉的物理性質比較

擠壓膨化后,小米粉的粒徑極顯著增大、密度極顯著減小(表1,P<0.01),這與擠壓膨化過程中物料的宏觀理論變化過程相一致,即呈溶融狀態下的物料在壓力釋放的瞬間,水分急劇汽化、體積迅速膨大,形成結構蓬松的多孔海綿狀結構[17],類似變化可見于燕麥全粉、鷹嘴豆淀粉等[6,18]。如沈丹等發現,擠壓膨化后原本分散的鷹嘴豆淀粉顆粒粘連聚集成大的多孔顆粒,粒徑變大,密度變小[6]。小米擠壓粉的靜止角極顯著大于小米生粉(表1,P<0.01),這可能是由于擠壓膨化后的小米粉吸水性增強,顆粒間易粘連,而且表面光滑度下降,顆粒間摩擦力增加。此外,擠壓膨化過程中,淀粉、蛋白質等的內部結構在高溫、高壓、高剪切力的作用下發生劇烈變化,亦可造成小米擠壓粉的粒徑增加、靜止角增大以及流動性變差[19-21]。具體而言,蛋白質變性、高級結構被破壞、內部疏水基團外露,導致蛋白質分子間通過疏水作用而形成分子量較大的聚集體[19-20],直觀表現為粒徑增大。淀粉顆粒糊化,小分子溶出物質增多[21],導致擠壓粉顆粒間的粘連性增加。

擠壓膨化后,小米粉的L*值顯著減小(P<0.05)和b*值極顯著減小(P<0.01),即與小米生粉相比,小米擠壓粉亮度減小、色澤變暗、黃色減弱、紅色增強、肉眼可觀察到色澤的差異(表1)。這可能與高溫高壓作用下,淀粉、蛋白質等大分子物質降解,產生小分子還原糖[22-23]與游離氨基酸,并發生美拉德反應或焦糖化反應有關[24]。

2.2 小米生粉和小米擠壓粉的特征風味比較

小米生粉中共檢測到19種揮發性成分(表2),其中僅十甲基環五硅氧烷、十二甲基環六硅氧烷、(E)-2-庚烯醛、十五烷和正十五酸5種物質同時存在于小米生粉(相對質量分數共占28.41%)和小米擠壓粉(相對質量分數共占8.58%)中。小米生粉中揮發性物質種類較少且以雜環類物質——甲苯含量最高(相對質量分數高達32.82%),但甲苯通常被認為是貯藏肉以及魚類產生不愉快氣味的原因[25],其次是一般不具有明顯香味且閾值較高的飽和烷烴類物質。小米生粉中可檢測到正己醇和糠醇2種醇類物質,含量雖略高于擠壓粉,但均為閾值較高的飽和醇[26],因此可能對風味的貢獻并不大。此外,小米生粉中并未檢測到酮類物質。上述幾點可能是小米生粉無明顯香味的主要原因。

經擠壓膨化后,小米擠壓粉中共檢測到30種揮發性成分(表2),種類明顯增多。醛類物質一般閾值較低且具有清香、果香和脂香等令人愉悅的氣味[27]。徐興鳳等在分析了4種不同秈米米飯的風味成分后認為醛類化合物是影響秈米風味的主要物質[28]。本研究中小米擠壓粉的揮發性風味物質同樣以醛類為主,相對質量分數高達52.34%。雖然小米擠壓粉中不飽和醛類物質的含量明顯低于飽和醛,但其閾值亦明顯低于飽和醛,因此對風味的貢獻不容忽視。劉瑩瑩等將研究認為己醛、辛醛、(E)-2-壬烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、1-辛烯-3-醇、間二甲苯和 2-戊基呋喃等8種物質為谷子的特征風味物質,且(E,E)-2,4-癸二烯醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛對整體風味貢獻最大,貢獻率達到94.46%[29]。小米擠壓粉中同樣也存在己醛、壬醛和(E,E)-2,4-癸二烯醛等揮發性風味物質,尤其是己醛,其相對質量分數高達34.58%。據此推測,醛類,尤其是己醛,可能是小米擠壓粉的主要風味貢獻物質。酮類物質一般具有良好的水果香味,可能是蒸煮小米的重要風味貢獻者[16]。但小米擠壓粉中僅檢測到少量酮類物質,這一結果與其他研究數據一致[30],表明酮類物質并不是小米擠壓粉的主要風味來源。小米擠壓粉中的雜環類物質以呋喃、吡嗪類為主,這兩類物質是熱加工食品香味的主要來源[31]。擠壓膨化過程中,小米粉在高溫高壓的作用下發生美拉德反應產生吡嗪類物質,發生焦糖化反應產生呋喃類物質。綜上所述,擠壓膨化處理賦予小米擠壓粉更加豐富的令人愉悅的氣味,在小米制品的加工過程中,將一定量的小米擠壓粉添加到小米生粉中,將大大改善成品風味。

表2 小米生粉和小米擠壓粉的特征風味物質比較Table 2 Comparison of the volatile flavor compound profiles of raw foxtail millet flour and extruded millet flour

續表

表3 小米生粉和小米擠壓粉的營養成分比較(干基)Table 3 Comparison of the nutritional composition of raw and extruded foxtail millet flour(dry basis)

2.3 小米生粉和小米擠壓粉的營養成分比較

小米生粉和小米擠壓粉的營養成分比較如表3所示。擠壓膨化過程中,當熔融狀態的物料沖出模頭時,溫度和壓力瞬間急劇下降,水分子體積膨脹汽化,從而造成小米擠壓粉水分含量的下降[4]。碳水化合物、蛋白質、脂肪是小米的三大主要營養成分,它們的含量和組成也是影響擠壓膨化效果的重要因素。谷物原料及淀粉在高溫高壓及強大剪切力的作用下,不僅會發生淀粉的糊化,而且會發生淀粉的降解,即淀粉在擠壓腔內各種機械力的作用下,氫鍵斷裂,導致大分子淀粉顆粒降解呈小分子的還原糖和糊精等[32-33]。雖然有研究表明,淀粉的降解發生在支鏈部分的幾率高于直鏈部分[34],但本研究數據顯示,小米擠壓粉的淀粉含量,包括直鏈淀粉含量,均略低于小米生粉。

經擠壓膨化處理后,小米粉中的蛋白質含量下降,這與其它膨化谷物產品的變化類似。陳建寶等[35]研究發現,擠壓膨化后麥麩的水溶性蛋白、鹽溶性蛋白和不溶蛋白含量減少,但醇溶性蛋白和堿溶性蛋白含量增加;擠壓后,麥麩中的淀粉和蛋白質的體外消化率都有所提高。這一方面可能是由于擠壓膨化過程中部分蛋白質發生降解,蛋白氮轉變成了非蛋白氮[36];另一方面,變性蛋白質的疏水羥基外露,彼此間通過二硫鍵或疏水鍵結合形成更加穩定的結構,或與脂質結合形成復合物,從而影響蛋白質的測定[37]。

與大米、小麥等常規谷物相比,小米中的脂肪含量較高,擠壓膨化過程中可見明顯脂滴外流現象。此外,擠壓過程中,與直鏈淀粉、蛋白質形成復合物也是擠壓粉脂肪含量下降的原因[38]。與之相對應的是脂溶性維生素E,尤其是γ-維生素E含量的極顯著下降。食品中碳水化合物的含量是由整體減去水分、灰分、蛋白質和脂肪含量而得到的,因此上述物質含量的減少造成了碳水化合物的相對增加。此外,擠壓膨化對小米粉中鈣、磷、鉀的含量影響不大。

雖然擠壓膨化過程中部分蛋白質降解產生氨基酸,但整體而言,小米擠壓粉的總氨基酸含量減少,這可能主要是由于淀粉降解產生的大量還原糖與氨基酸之間發生美拉德反應[39]。需要注意的是,氨基酸的減少并非按比例進行。Ilo等[40]發現賴氨酸、胱氨酸和蛋氨酸在玉米擠壓膨化過程中損失較多。本研究中小米擠壓粉的脯氨酸、亮氨酸和谷氨酰胺等損失較多,表明擠壓膨化過程中具體氨基酸的變化與原料種類密切相關。

對擠壓膨化前后小米粉的脂肪酸組成進一步分析可知,小米擠壓粉的飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸含量減少,多不飽和脂肪酸含量增加,其中亞油酸增加19.92%、亞麻酸增加63.40%。這可能與擠壓過程中過氧化物酶、脂肪氧化酶的失活有關[5]。

3 結論

擠壓膨化使得小米擠壓粉的密度極顯著低于小米生粉(P<0.01),粒徑和靜止角極顯著高于小米生粉(P<0.01),產生較多閾值較低,風味貢獻較大的醛類(尤其是己醛)、呋喃類和吡嗪類揮發性風味物質,使得小米擠壓粉的風味顯著優于小米生粉。但擠壓膨化處理并未造成小米擠壓粉營養成分的大幅度改變。因此,在小米類食品加工過程中,將小米擠壓粉添加到小米生粉中,在保證營養的同時可以增強成品風味、改善成品口感、提高成品質量。對小米擠壓粉與小米生粉理化性質和營養品質的差異分析為后期小米類制品的開發提供了理論基礎,具有實際指導意義。