谷物組成對擠壓膨化產品品質的影響

劉超，賀稚非,2，李雪，曾令英，李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

擠壓膨化技術是集混合、攬拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體，能夠實現一系列單元同時并連續操作的現代加工技術[1]。擠壓膨化技術應用極為廣泛，可用于各種豆谷薯類的加工，也可用于生產各種膨化休閑食品[2]。擠壓膨化技術具有投資少、見效快、食品加工成本低、浪費少等優點[3-4]，制得的食品口感細膩、易消化吸收、營養成分損失少且貯藏時間長[5]。擠壓膨化是利用單個或一對螺桿迫使淀粉或蛋白質基材經過高溫高壓高剪切力的環境，使水分在物料噴出模口時瞬間汽化術，是一個短時的高溫、高壓的加工過程[6-7]。擠壓膨化機有多種分類方法，通常根據螺桿數量的多少而分為單螺桿擠壓膨化機、雙螺桿擠壓膨化機和多螺桿擠壓膨化機，目前應用最為廣泛的是雙螺桿擠壓膨化機[8]。影響膨化制品品質的因素包括溫度、螺桿轉速、進料水分含量、模具尺寸等[9-10]，原料組成也會對最終膨化制品品質產生一定的影響。

在擠壓膨化過程中，高溫高壓破壞了谷物中的有些有害因子、使淀粉糊化、脂肪含量降低、蛋白質降解，提高谷物的消化吸收率[11]。谷物原料中的淀粉、蛋白質、脂肪含量的不同，會對最終的擠壓膨化效果產生不同的影響。目前國內外針對谷物擠壓膨化后理化特性的改變及不同擠壓膨化工藝參數的研究較多[12-15]，而對于擠壓原料基本組成成分與擠壓膨化特性之間相關性的研究較少。由于缺乏對原料組成成分與擠壓膨化特性之間聯系的了解，因此在選擇優質擠壓膨化原料上會有一定的局限性，不利于開發新型膨化制品。

本實驗采用擠壓膨化技術，探究幾種谷物的基本組成成分與擠壓膨化特性之間的相關性。通過膨脹度、體積密度、水溶性指數、吸水性指數、質構等指標反映產品的膨化性能，與原料中淀粉、蛋白質、脂肪等成分含量進行相關性分析，找出膨化特性與組成成分的內在聯系，為選擇優質的擠壓膨化原料提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料

粳米、小麥、玉米、糯米、小米、燕麥,均購于重慶市北碚永輝超市，所有原料(均去除種皮)粉碎后過60目篩備用。

1.1.2 實驗試劑

碘、HCl、H2SO4、Na2S2O3(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；葡萄糖淀粉酶,博立生物制品有限公司；直鏈淀粉和支鏈淀粉標準品,Sigma公司。

1.1.3 實驗設備

RN32型雙螺桿擠壓膨化實驗機，濟南霖奧機械設備有限公司；TA-XT Plus型質構儀，英國Stable Micro Systems公司；TGL20MW型臺式高速冷凍離心機，湖南赫西裝備有限公司；FA214A型電子天平，上海豪晟科學儀器有限公司；DGG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 膨化參數的設定

物料粒徑,60目，物料加水量，10%，螺桿轉速35 Hz，喂料速率25 Hz，擠壓4區溫度分別為40、60、110、130℃。

1.2.2 基本成分含量的測定

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》；蛋白質含量的測定，參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》；粗脂肪含量的測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》；直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量測定參照雙波長測定的方法，總淀粉含量等于直鏈淀粉和支鏈淀粉含量之和。

1.2.3 膨脹度的測定

膨脹度用徑向膨化率表示。參照文獻[16]，用千分尺測量擠出物的橫截面直徑，每組測量20個樣品，求其平均值作為產品的平均直徑d/(mm)，d除以模口直徑(2 mm)，其商為徑向膨脹率，表示膨脹度。

1.2.4 體積密度的測定

參考文獻[17]，樣品烘干粉碎后，過60目篩，準確稱取12 g樣品與100 mL量筒中，輕輕振蕩至樣品高度維持不變，讀取樣品體積。取5個樣品進行平行試驗，去平均值，如公式(1)所示:

(1)

式中：ρ,膨化制品體積密度，g/cm3；m,樣品質量，g；V,樣品體積，cm3。

1.2.5 水溶性指數和吸水性指數的測定

參考文獻[18]，將擠壓膨化前后的原料和樣品粉碎過60目篩，取2 g左右的篩下物，記為M0，放入已知質量M1的離心管中，加入20 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，直至樣品完全分散為懸浮液體系。將懸浮液體系在30 ℃水浴中保溫30 min，每間隔10 min振蕩1次，水浴后4 000 r/min離心15 min。將上清液緩慢倒入已知質量M2的培養皿中，105℃烘干至恒重M3，同時稱取離心管和沉淀物總重M4。水溶性指數(water soluble index，WSI)和吸水性指數(water absorption index，WAI)的計算公式如公式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

1.2.6 糊化度的測定

將樣品粉碎過60目篩。 參考文獻方法[19]，稱取1 g樣品，分別放入2個錐形瓶中(W1、W2)，另取錐形瓶(W0)，不加樣品做空白對照。于3個錐形瓶中分別加入50 mL蒸餾水，輕輕振蕩至充分混合，將W1錐形瓶在電爐上保持微沸糊化20 min，不要讓其燒干并不斷搖晃，然后冷卻至室溫。在3個錐形瓶中分別加入稀釋的糖化酶5 mL，充分混勻，50 ℃恒溫水浴1 h，及時取出加入2 mL HCl(1 mol/L)終止反應，將反應物定容至100 mL，過濾備用。移取濾液各10 ml分別放入3個標記碘量瓶中，并且加入 10 mL碘液(0.05 mol/L)及18mL NaOH(0.1 mol/L)溶液，蓋塞，在暗處放置15 min，然后迅速加入2 mL H2SO4(10%)，用Na2S2O3(0.05 mol/L)溶液滴定至無色，記錄Na2S2O3消耗的體積，計算公式如式(4)：

(4)

1.2.7 硬度和脆度的測定

參考文獻方法[20]，使用TA-XT plus 質構儀，探頭選用P/36R型，程序參數設置：測前速度3.00 mm/s，測試速度1.00 mm/s，測后速度10.00 mm/s。每個品種隨機抽取10個樣品，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 原料基本成分的測定

不同谷物之間的水分含量、蛋白質、粗脂肪、總淀粉以及直鏈、支鏈淀粉等基本成分含量都有著明顯差異。相較于其他谷物，粳米以及糯米中的總淀粉與支鏈淀粉含量最高，而粗脂肪以及蛋白質含量處于較低水平，這種基本成分含量的差異會顯著影響材料的膨化效果。在擠壓膨化過程中，膨化狀態的形成主要依靠的是淀粉，淀粉顆粒在高溫高壓以及高剪切力的作用下發生熔融糊化，淀粉分子之間形成相互交聯的網狀結構，熔體離開磨具后，由于壓力差的存在，產生蒸汽閃蒸現象，大量水蒸氣蒸發，在熔體內部形成大量空隙，當溫度下降到玻璃態轉變溫度(Tg)以下，熔體凝固，形成擠出物。因此，原料淀粉含量對產品的擠壓膨化效果起到關鍵作用，原料中淀粉含量極低，則基本上不產生膨化效果。有研究表明[21]，支鏈淀粉含量越高，越有利于提高產品的膨化性能；而用直鏈淀粉含量高的淀粉如玉米和燕麥制成的膨化產品，其膨化度較低，硬度較大。因此，總淀粉、支鏈淀粉含量以及支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例，對膨化制品的膨化性能、質構有著密不可分的關系。

由表1可以看出，燕麥蛋白質以及粗脂肪含量分別為15.30%和7.29%，顯著高于其他谷物，這可能會影響到最終擠出物的膨化性能，包括膨化度、硬度、脆度等。玉米以及小米中粗脂肪含量分別達到3.35%、3.75%，脂肪含量高可能會對擠出物的膨化性能有不利影響。粳米以及糯米的總淀粉含量分別為76.86%、75.97%，顯著高于其他4種谷物，且糯米中支鏈淀粉含量最高，達到74.45%。原料中淀粉含量越高，尤其是支鏈淀粉含量越高，越有利于擠壓膨化。

表1 不同谷物原料基本成分的含量Table 1 Content of basic components of differentcereal materials

注：同列不同字母代表差異顯著(P<0.05)。

2.2 膨脹度的比較

膨脹度是衡量擠壓膨化制品膨化性能的重要指標之一。由圖1可以看出，6種谷物的膨脹度分別為粳米2.62、小麥2.19、糯米2.62、玉米1.66、小米1.48、燕麥1.22，其中燕麥的膨脹度相較于其他谷物來說較低，原因可能是原料中的淀粉含量較低，而膨化狀態的形成主要依靠的是淀粉。淀粉含量與擠壓膨化物的膨脹度呈顯著正相關，淀粉含量越高，越有利于擠壓后達到體積增大的狀態。趙林華等[22]指出蛋白質含量與擠壓膨化物的膨脹度呈現負相關，蛋白質含量高會降低膨化制品的膨脹度。因此，燕麥(蛋白質含量15.30%)膨化制品低膨脹度的另一個原因可能就是其原料蛋白質含量較高。在擠壓膨化過程中，蛋白質與淀粉在高溫高壓以及高剪切力的環境下相互作用，影響淀粉的相互交聯作用，對其網狀結構的形成有一定抑制作用，最終影響膨化制品的膨脹度。相較于其他谷物，糯米中支鏈淀粉含量高，達到74.45%，因此其膨化制品膨脹度高。影響膨脹度的因素較多，包括蛋白質、總淀粉、支鏈淀粉含量以及支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例，因此需要多方面考慮，找出影響膨化制品膨脹度的主要因素。

圖1 擠壓后不同谷物的膨脹度Fig.1 Swelling degree of different cereals after extrusion

2.3 體積密度的比較

膨化制品的體積密度可用來衡量膨化制品中氣體所占空間大小，氣腔壁厚度以及排列的密集程度[23]。體積密度與擠壓膨化后產品內部的空隙有關，膨化制品內部氣孔越多，說明其質地疏松，體積密度越低，而質地堅硬的產品其體積密度也高。由圖2可以看出，玉米以及小米的體積密度要高于其他谷物，分別達到1.07和1.08 g/cm3，顯著高于其他谷物，這說明這2種膨化制品的內部氣孔較少，孔與孔之間的壁較厚，產品較為致密、不夠疏松，硬度較高。將膨脹度圖與體積密度圖進行比較，膨脹度與體積密度呈現出一種相反的趨勢，膨脹度高的產品體積密度低，膨脹度低的產品體積密度高。CLAUDIA等[24]發現支鏈淀粉能夠促進擠壓制品的膨化，降低產品的體積密度。因此，支鏈淀粉含量較高的粳米(55.31%)、小麥(50.76%)和糯米(74.45%)淀粉，其體積密度也較低。

圖2 擠壓后不同谷物的體積密度Fig.2 Bulk density of different cereals after extrusion

2.4 水溶性指數和吸水性指數的比較

水溶性指數能反映在擠壓過程中受高溫高壓以及高剪切力作用淀粉大分子降解成可溶性多糖的程度。因此，水溶性指數越高，代表產品中可溶性營養素也越高[19]。吸水性指數能反映淀粉在水中的吸水能力，取決于淀粉分子中親水基團的作用。在擠壓膨化過程中，淀粉糊化導致淀粉斷裂程度高，從而增加膨化制品中可溶性物質含量，有利于提高產品營養價值。 由圖3、圖4可以看出，在擠壓條件相同的情況下，6種谷物的水溶性指數和吸水性指數都有明顯的提高，粳米粉從0.47%提高到14.59%，小麥粉從5.60%提高到17.03%，玉米粉從3.60%提高到15.30%，糯米粉從0.58%提高到33.50%，小米粉從2.03%提高到24.34%，燕麥粉從1.58%提高到13.51%。由圖3可看出，在擠壓前后，粳米粉以及糯米粉的水溶性指數有著顯著提高，尤其是糯米粉，提高接近70倍，這說明擠壓操作對糯米粉的膨化性能有著較為顯著的影響，產品中可溶性營養素含量也得到顯著提高。擠壓后小麥粉以及玉米粉的水溶性指數雖然也有所提高，但變化幅度相比較而言不大，說明小麥粉以及玉米粉的性質比較穩定，在高溫高壓以及高剪切力的作用下，淀粉斷裂程度不高，淀粉大分子降解不充分，也代表這2種膨化制品中的可溶性營養素含量不高。由圖看出中，粳米粉(從2.27提高到5.66)、小麥粉(從1.72提高到6.35)、玉米粉(從2.34提高到5.45)、小米粉(從2.13提高到4.99)以及燕麥粉(從2.15提高到5.06)在擠壓后產品的吸水性指數相較于擠壓前提高了2～3倍，這說明在擠壓過程中，物料受到的剪切作用減弱，支鏈淀粉減少慢，吸水性物質增加。糯米粉擠壓前后吸水性指數提高不顯著，原因可能是物料在擠壓過程中受到剪切作用強烈，淀粉晶體的結構遭到破壞，水溶性物質增加，吸水性物質減少，因此糯米粉擠壓后水溶性指數顯著提高，而吸水性指數差值較小。擠壓膨化操作對于谷物的水溶性指數和吸水性指數都有著不同程度的改善，有利于提高產品的膨化性能和營養成分。

圖3 擠壓膨化對不同谷物水溶性指數的影響Fig.3 Effect of extrusion on water solubility index of different cereals

圖4 擠壓膨化對不同谷物吸水性指數的影響Fig.4 Effect of extrusion on water absorption index of different cereals

2.5 糊化度的比較

糊化度是衡量谷物食品熟化程度的指標，它來源于淀粉的形態改變。糊化的本質是淀粉中晶質與非晶質態的淀粉分子間的氫鍵斷開，微晶束分離，形成一種間隙較大的立體網狀結構，淀粉顆粒中原有的微晶結構被破壞[25]。膨化制品中淀粉糊化度越高，越有利于消化吸收。由圖5可看出，擠壓膨化條件相同的情況下，粳米粉和糯米粉的糊化度較高，分別為97.6%、95.7%，原因可能是總淀粉含量高，在擠壓過程中糊化解體。燕麥粉的糊化度最低，為85.7%，不僅是因為燕麥粉中總淀粉含量低，也有可能與燕麥粉中蛋白質以及粗脂肪含量高有關。

圖5 擠壓后不同谷物的糊化度Fig.5 Gelatinization degree of different cereals after extrusion

2.6 硬度和脆度的比較

硬度和脆度是衡量膨化制品膨化性能的重要指標，硬度小且脆度小的產品口感更佳。由圖6可以看出，玉米粉以及小米粉膨化制品的硬度較大，硬度大的產品其口感也會相對較差，玉米粉膨化制品的硬度與脆度分別為28 256 g和11 987 g，小米粉膨化制品的硬度和脆度分別為31 886 g和9 825 g，因此玉米和小米為不適用于擠壓膨化的主要原料。這兩種谷物中直鏈淀粉含量(玉米為25.10%，小米為26.37%)都比較高，可推測產品硬度與直鏈淀粉含量有著密切的關系。粳米粉(硬度17 908 g)、小麥粉(硬度14 790 g)以及糯米粉(硬度2 010 g)膨化制品的硬度較低，粳米可考慮作為擠壓膨化的主體原料。由圖7可知，糯米粉膨化制品的脆度最小，為882 g，脆性最好，其次是燕麥粉、小米粉、粳米粉、小麥粉、玉米粉膨化制品，分別為4 367、9 825、9 940、11 988、13 199 g，玉米粉脆度值最大，脆性相較于其他原料較差。綜合考慮硬度和脆度，粳米粉、小麥粉以及糯米粉膨化性能較好，可用作膨化產品的主要原料。

圖6 擠壓后不同谷物的硬度Fig.6 Hardness of different cereals after extrusion

圖7 擠壓后不同谷物的脆度Fig.7 Brittleness of different cereals after extrusion

2.7 原料基本成分與谷物膨化特性相關性分析

相關性分析是反映不同因素之間相關關系和密切水平的一種數學分析方法[26]。由表2可以看出，膨脹度與總淀粉、支鏈淀粉含量呈顯著正相關，與蛋白質含量呈負相關，與粗脂肪含量呈顯著負相關。總淀粉及支鏈淀粉有利于膨化，提高產品膨化度；原料中粗脂肪的存在會對擠壓膨化的效果產生不良影響，粗脂肪含量越高，膨化制品的膨脹度越低。體積密度與蛋白質含量呈正相關，與總淀粉含量呈負相關。蛋白質會影響淀粉糊化，不利于在產品內部形成氣孔，膨化制品較為致密，體積密度提高。水溶性指數與蛋白質含量呈極顯著正相關，原因可能是蛋白質在擠壓膨化過程中發生降解，游離氨基酸含量增加，從而提高蛋白消化率。水溶性指數與支鏈淀粉含量呈現正相關，支鏈淀粉在擠壓膨化過程中可降解為可溶性多糖，提高水溶性指數。而水溶性指數與總淀粉含量呈極顯著負相關，可能受到直鏈淀粉含量的影響。直鏈淀粉的水溶性較差，其含量越高，可能導致膨化產品的水溶性指數下降。吸水性指數與總淀粉含量呈極顯著正相關，可能原因是淀粉分子在擠壓膨化過程中降解，吸水性物質增多，吸水性指數提高，淀粉含量越高，降解生成的吸水性物質越多。糊化度與總淀粉含量呈極顯著正相關，與蛋白質、粗脂肪含量呈極顯著負相關。淀粉大分子在擠壓膨化過程中受到高溫高壓高剪切力作用，淀粉顆粒解體，發生糊化，因此總淀粉含量與糊化度呈極顯著正相關。蛋白質在物料擠壓膨化過程中會與淀粉形成一定的網狀結構[27]，影響淀粉糊化，同時蛋白質含量高也會影響到總淀粉比例，也不利于淀粉糊化。

表2 基本組分含量與谷物膨化特性相關性分析Table 2 Correlation analysis of chemical components andextrusion properties

注：*,0.05 水平上顯著，P<0.05；**,0.01 水平上極顯著，P<0.01。

3 結論

本實驗研究了粳米、小麥、玉米、糯米、小米以及燕麥6種谷物原料的基本組成成分與擠壓膨化特性之間的相關性。結果表明，粳米、小麥以及糯米的膨化特性要優于玉米、小米以及燕麥，其中糯米在膨脹度、體積密度、水溶性指數、糊化度、硬度以及脆度方面都表現較為優異，膨化性能最好。相關性分析表明，膨脹度與總淀粉、支鏈淀粉含量呈顯著正相關，與蛋白質含量呈負相關，與粗脂肪含量呈顯著負相關；水溶性指數與蛋白質含量呈極顯著正相關，與總淀粉含量呈極顯著負相關；糊化度與總淀粉含量呈極顯著正相關，與蛋白質、粗脂肪含量呈極顯著負相關，說明原料的基本組成成分與產品的膨化性能有著密切的關系。其中重點應聚焦于蛋白質含量對擠壓膨化特性的影響，將膨化制品中的蛋白質含量控制在合理的范圍之內。