擠壓膨化制備嬰兒膨化營養米粉的工藝優化及其性質研究

曹家寶 范廣琦 林欣梅 梁雪梅 牛萌萌 康維良 鹿保鑫,2

(黑龍江八一農墾大學食品學院1，大慶 163319) (國家雜糧工程技術中心2，大慶 163319)

斷奶期的嬰兒由于攝入的斷奶食品營養不夠全面導致嬰兒營養不良，特別是在一些貧困地區，原料成本過高以及缺乏適當的加工技術，導致斷奶食品的價格偏高[1,2]。兒童發展綜合服務計劃(ICDS)和糧農組織(FAO)建議研發以廉價、易得的原材料(如谷物和豆類)為原料生產嬰兒斷奶食品，來改善貧困地區斷奶嬰兒的營養不良情況。

大米的蛋白質可消化率超過90%，其氨基酸組成配比合理，接近世界衛生組織認定的蛋白質氨基酸最佳配比模式，作為一種低過敏原的食物使其在嬰兒斷奶食品中被廣泛應用[3]。綠豆中的蛋白質不僅含量較高還具有很高的消化率和大量的最基本的氨基酸，此外，綠豆還含有大量的維生素。在國內綠豆很早就被應用于制備嬰兒斷奶食品，《嬰幼兒斷奶營養餐》中綠豆做為原料經簡單蒸煮后制備成斷奶食品，供斷奶期嬰兒食用[4]。在國外Imtiaz等[5]以綠豆和小麥為原料已經成功研制出營養全面的斷奶食品，在當地被廣泛推廣。谷類中具有豐富的含硫氨基酸，而豆類缺乏含硫氨基酸，因此，將大米與綠豆結合用來生產嬰兒斷奶食品既能降低生產成本又能提產品的營養質量[6]。

擠壓膨化技術被稱為是一種高溫短時殺菌工藝(HTST)[7]。它的優點包括通過淀粉的糊化、蛋白質的變性以及胰蛋白酶抑制劑等抗營養因子的失活來提高消化率。此外，膨化過程中的高溫保證了產品的衛生質量，由于加熱時間短，擠壓過程中食品營養物質的損失實現最小化，Njoki等[8]已成功地將擠壓膨化技術應用于研發斷奶食品。

目前，在我國擠壓膨化技術主要應用在休閑食品、方便食品的生產，研究對產品品質的影響，但運用擠壓膨化技術生產嬰兒膨化營養米粉并通過對產品理化性質的研究來確定最佳進料參數的報道很少。本研究以大米、綠豆為原料通過擠壓膨化技術生產嬰兒膨化營養米粉，并采用響應面分析法研究擠壓工藝條件對膨化產物主要理化性質的影響，來得到最優的擠壓工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

大米：龍粳31號，鶴崗市關東米業有限公司；綠豆：鸚哥綠，市售；綠豆配方營養米粉：市售。

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

1.2 主要儀器與設備

JMF-50振動式超微粉碎機；MB25水分分析儀；Quanta200環境掃描電鏡；E-1010離子濺射儀；SLG35-A型雙螺桿膨化機；DSC1型差示掃描量熱儀；Perten3100型旋風磨；TGL-16C型高速臺式離心機；DGG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱。

1.3 實驗方法

1.3.1 嬰兒膨化營養米粉的制備

分別將綠豆、大米進行篩選除雜磨粉過80目篩；按照綠豆粉、大米粉3∶7比例進行均勻配粉(在參考大量文獻以及在前期實驗的基礎上，該混合物的擠出物感官評分最高)調節至膨化時所需的水分要求；本實驗中擠壓膨化機進料速率為12～22 kg/h，一區至四區桶溫分別設為60、100、130、150 ℃；最終的膨化產物經超微粉碎得到嬰兒膨化營養米粉。重點研究螺桿轉速、五區桶溫及物料濕度對膨化產物品質的影響。

1.3.2 實驗設計

本實驗采用旋轉中心組合設計(CCRD)進行[9]。在預實驗以及查閱大量文獻得基礎上，以物料濕度12.6%～19.4%、螺桿轉速349～601 r/min、五區桶溫108～192 ℃為自變量；每個變量5個水平(-1.628，-1.000，0，1.000，1.628)，實驗總數為2K+2K+M，其中K為自變量總數，M為中心點實驗數。自變量Xi按式(1)進行編碼變換。

Xi=(xi-x0)÷Δxi

(1)

用標準多項式回歸方法，對實驗數據進行擬合，便得到一個二次多項式，該方程為描述響應值和自變量關系的經驗模型。模型可以描述為：

(2)

式中：Y為預測響應值；β0為截距；βi為線性系數；βii為平方系數；βij為交互作用系數。

以BD、WSI、DG為因變量，分別表示塊密度、吸水性指數、水溶性指數、糊化度。自變量分別為物料濕度、螺桿轉速、機桶溫度，對應的編碼值為X1、X2、X3。因此，本實驗K值為3，另外，旋轉中心組合設計中心點上的重復實驗可以對實驗偏差起到評估作用，對于三因素實驗，中心點實驗數建議取為6組，所以，本實驗中M0值為6，具體編碼情況見表1。

表1 旋轉中心組合設計自變量及其編碼水平

1.3.3 水分的測定

由快速水分測定儀測定。

1.3.4 膨化嬰兒營養米粉體積密度及其測定

體積密度(BD)可以判斷擠出物中氣體所占擠出物總體積的大小，氣腔壁厚度，以及氣腔排列的密集程度[10]。膨化產品氣腔壁越薄，體積密度越小，氣腔壁越產品質地越松軟，相反，膨化產品氣腔壁越厚，體積密度越大，氣腔壁越產品質地越硬。有研究表明，體積密度的變化可能與支鏈淀粉有關，支鏈淀粉具有促進擠壓制品膨化的作用，致使產品體積密度減少。趙明杰等[11]指出由于雙螺桿擠壓膨化機的高壓、高溫、強剪切改變了蛋白質結構及功能特性，從而影響了產品的品質。斷奶期的嬰兒消化機能尚未成熟，咀嚼能力和消化能力都很弱，質地較硬的食品容易引起代謝功能紊亂、消化不良、腹瀉等問題，因此，本研究中應做到理想狀態下體積密度的最小化。

采用莊海寧等[12]的方法測定擠出物的體積密度。準確稱取粉碎后的膨化產物樣品5 g置于100 mL玻璃量筒中，輕敲實驗臺直至體積恒定;根據式1計算出樣品質量與樣品體積之比:

(3)

式中：m為粉碎后的膨化產物(5 g)；V為玻璃量筒中被膨化產物取代的體積/mL。

1.3.5 膨化嬰兒營養米粉水溶性指數及其測定

水溶性指數(WSI)可以衡量淀粉大分子降解成為可溶性多糖的程度與淀粉的降解程度。水溶性指數升高產品的營養價值也相應提高[13，14]。擠壓膨化提高了產品的WSI，從而提高了膨化斷奶食品的消化率和營養的有效性[15]。

采用Yagci等[16]的方法測定擠出物的體水溶性指數。稱量粉碎后的膨化產物2.5g溶于30mL蒸餾水，在30 ℃水浴中攪拌30 min，在此期間輕輕攪拌，然后以3 000 r/min離心15min。將上清倒入重量已知的蒸發皿中，放入110 ℃的烤箱中加熱至恒重。得到上清液中水溶物的質量，同時計算離心后膠體的重量。WSI的計算公式為：

(4)

式中：m1為水溶物質量/g；m2為米粉的質量(2.5 g)。

1.3.6 膨化嬰兒營養米粉糊化度及其測定

糊化度(DG)是膨化產品重要的品質指標之一[17]。糊化后的淀粉更容易被人消化，有利于處于斷奶階段消化系統未發育完全的嬰兒。擠壓膨化有利于直鏈淀粉的浸出，從而引發DG的增加[18]。因淀粉的消化率隨DG的增加而增加;所以較高糊化度的擠出物適合生產速溶嬰兒斷奶食品。

糊化度參照Kraus等[19]的方法采用DSC儀測定，糊化度按式(5)計算。

DG=[1-(ΔHextrudate)+ΔHraw]×100%

(5)

式中：ΔHextrudate為膨化產物的焓/J/g；ΔHraw為未經加工原料的焓/J/g。

1.3.7 掃描電鏡

將樣品放置于載物臺上，利用離子濺射儀噴金后，5.0 kV的加速電位拍攝圖像，觀察2 000～5 000倍數下的樣品顆粒形貌。

1.3.8 產品淀粉的體外消化速率分析

消化速率、消化率采用謝巖藜等[20]的方法分別取1.5 g熱水沖泡后吸干水分的膨化嬰兒營養米粉和市售嬰兒營養米粉，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。平均消化速率按式(6)計算，繪制消化速率曲線。

(6)

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質量/mg；V為上清液的總體積/mL；f為稀釋倍數。

(7)

式中:m為樣品質量/g；d為物料初始淀粉質量分數/%；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)。

1.4 統計分析

每組實驗做3次平行實驗。采用SPSS 18軟件對數據進行差異顯著性分析；采用Origin8.5軟件作圖；采用Design-Expert軟件進行響應面數據分析及方差分析。

2 結果與討論

2.1 模型的建立及顯著性分析

可旋轉中心組合設計實驗結果見表2。

表2 旋轉中心組合實驗設計與結果

2.1.1 體積密度模型的建立及顯著性分析

體積密度BD通過Design Expert軟件對表2實驗結果進行分析，建立二次響應面回歸模型。

表3 回歸模型的方差分析表

2.1.2 水溶性指數模型的建立及顯著性分析

水溶性指數(WSI)通過Design Expert軟件對表2實驗結果進行分析，建立二次響應面回歸模型。

表4 WSI回歸模型的方差分析表

2.1.3 糊化度模型的建立及顯著性分析

糊化度DG通過Design Expert軟件對表2實驗結果進行分析，建立二次響應面回歸模型如下。

表5 DG回歸模型的方差分析表

2.2 最優條件的確定及驗證

應用響應面尋優分析方法對回歸模型進行分析，確定最優工藝條件為：物料濕度13.98%、螺桿轉速549.92 r/min及機桶溫度174.97 ℃，體積密度(BD)為0.065 9、水溶性指(WSI)數為31.705 2、糊化率(DG)為91.356 2。

為適應生產需求將處理工藝參數優化：物料濕度14.00%，螺桿轉速545 r/min，機桶溫度175 ℃經過實驗驗證在此條件處理下，嬰兒膨化營養米粉的體積密度(BD)為0.064 7、水溶性指數(WSI)為31.225 0、糊化度(DG)為91.363 2，與預測值接近。

2.3 掃描電鏡圖對比

分析掃描電鏡圖(圖1a)可發現原物料顆粒呈現橢圓形、表面光滑。從圖1b、圖1c中發現經過不同加工工藝處理后院物料橢圓形顆粒消失，形成了大量的膜狀氣腔，可以看出膨化嬰兒營養米粉的膜狀氣腔大于市售嬰兒營養米粉的膜狀氣腔；膜狀氣腔大說明產品膨化度高，膨化效果較好。膨化嬰兒營養米粉的氣腔壁厚度明顯低于市售嬰兒營養米粉。

圖1b與圖1c對比可發現，嬰兒膨化營養米粉表面粗糙度明顯高于市售嬰兒營養米粉。這種現象產生的主要原因為在擠壓機的高溫、高壓、高剪切力組合作用下，物料受熱膨脹，其原有淀粉晶體在高溫、高壓及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[21，22]。因此，膨化嬰兒營養米粉具有較高的膨化度的同時，其產品口感也較為松軟，與市售嬰兒營養米粉相對比，更適合消化機能尚未成熟，咀嚼能力和消化能力都很弱的斷奶期嬰兒。

圖1 三種物料樣品的掃描電鏡圖片

2.4 淀粉體外消化速率分析

通過圖2可以看出膨化嬰兒營養米粉的消化速率高于市售嬰兒營養米粉，因為物料在擠壓膨化機中受到高溫、高壓、高剪切力的作用，使其大部分淀粉發生降解生成糊精以及還原糖，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[23，24]。隨時間的延長，受試底物的濃度不斷下降，二者的消化速率均呈現下降的趨勢；膨化嬰兒營養米粉和市售嬰兒營養米粉的消化速率差距隨著時間的增加不斷減小，這可能因為擠壓膨化產生的糊精和還原糖等被消耗殆盡，剩余化合物與酶類的反應速率差別變小。

圖2 兩種樣品在淀粉酶作用下的消化速率曲線

從表6可知膨化嬰兒營養米粉與市售嬰兒營養米粉的消化速率分別為91.37%、88.14%，經消化后的消化速率差異顯著(P<0.05)。由此可知，膨化嬰兒營養米粉的消化速率、消化率均高于市售嬰兒營養米粉，對比可見，嬰兒膨化營養米粉更適用于斷奶期的嬰兒。

表6 兩種樣品淀粉的體外消化率

注： a、b表示數據差異顯著。

3 結論

以大米-綠豆為原料，運用擠壓膨化技術制備嬰兒膨化營養米粉，通過對嬰兒膨化營養米粉理化性質的研究來確定最優的制備工藝。制備嬰兒膨化營養米粉最優條件：物料濕度14%、螺桿轉速545 r/min、機桶五區溫度175 ℃經過實驗驗證在此條件處理下，嬰兒膨化營養米粉的體積密度(BD)為0.064 7、水溶性指數(WSI)為31.225 0、糊化度(DG)為91.363 2，與預測值接近。通過掃面電鏡圖,以及體外消化速率分析結果可知嬰兒膨化營養米粉更適用于斷奶期的嬰兒。