低GI高膳食纖維谷物再制米工藝

高婷婷，劉靜雪*，李鳳林，謝天，姜麗冬，曾英男

1. 吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院（吉林 132101）；2. 吉林省釀造技術(shù)科技創(chuàng)新中心（吉林 132101）；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國(guó)家糖料加工技術(shù)研發(fā)分中心（吉林 132101）

玉米別名苞米、大蘆粟、玉茭等。玉米中含有大量的亞油酸、谷物醇、卵磷脂、維生素E、纖維素等，對(duì)人體的健康十分有益，具有降低血清膽固醇，防止其沉積于血管壁的作用[1-2]；莜麥別名油麥，是禾本科一年生植物。莜麥含有蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、鈣、磷、鐵、維生素、淀粉等[3]。莜麥含高蛋白低糖和大量亞油酸，對(duì)糖尿病或心血管疾病患者而言都是較好的選擇。蕎麥別名甜蕎、烏麥等，屬于一種傳統(tǒng)的農(nóng)作物[4]。蕎麥能減少人體內(nèi)脂肪的積累從而達(dá)到減肥瘦身的功效。糯米含有蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、鈣、磷、鐵、維生素B1、維生素B2、煙酸及淀粉等，營(yíng)養(yǎng)豐富，為溫補(bǔ)強(qiáng)壯食品，具有補(bǔ)中益氣，健脾養(yǎng)胃，止虛汗之功效，對(duì)食欲不佳，腹脹腹瀉有一定緩解作用[5]。菊芋別名洋姜等，其中菊糖具有抗癌、抗菌、降糖、降脂等效用，也能夠增強(qiáng)腸道蠕動(dòng)，促進(jìn)人體消化。碳水化合物主要為菊淀粉，是幾種可溶性膳食纖維之一[6-7]。試驗(yàn)利用玉米、莜麥、蕎麥、菊芋等通過雙螺桿擠壓膨化，將谷物粉重造粒生產(chǎn)出再制米，此產(chǎn)品還適用于腸胃消化不好、長(zhǎng)期便秘人士以及血糖不穩(wěn)定的三高人群，也適用于瘦身減肥女性人群。此次試驗(yàn)成果將提高低GI谷物資源的附加值，為社會(huì)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米改性粉、莜麥改性粉、蕎麥改性粉、菊芋改性粉、糯米粉。

1.2 儀器與設(shè)備

BZF-50型真空干燥箱（上海鼎科科學(xué)儀器有限公司）；FA-2204C型分析天平（上海佑科儀器有限公司）；MB-45型快速水分測(cè)定儀（美國(guó)奧豪斯儀器有限公司）；SLG-30型雙螺桿擠出機(jī)（濟(jì)南賽百諾科技開發(fā)有限公司）；TA-XT2i型物性測(cè)定儀（英國(guó)Stable Miero System公司）；LK1000A型粉碎機(jī)（上海隆拓儀器設(shè)備有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 低GI高膳食纖維谷物再制米工藝流程

加水↘

谷物營(yíng)養(yǎng)粉→混合拌料→喂料→擠出糊化、改性、重造粒→冷卻→干燥→低GI高膳食纖維谷物再制米→罐裝→成品

1.3.2 谷物再制米單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響

固定水分添加量25%、糊化溫度120 ℃、成型溫度75 ℃，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為16，18，20，22和24 Hz，以谷物再制米的感官評(píng)分作為考察標(biāo)準(zhǔn)，考察螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響。

1.3.2.2 水分添加量對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響

固定螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、糊化溫度120 ℃、成型溫度75 ℃，設(shè)定水分添加量為18%，20%，22%，24%和26%，以谷物再制米的感官評(píng)分作為考察標(biāo)準(zhǔn)，考察水分添加量對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響。

1.3.2.3 糊化溫度對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響

固定螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、水分添加量25%、成型溫度75 ℃，設(shè)定糊化溫度為110，115，120，125和130 ℃，以谷物再制米的感官評(píng)分作為考察標(biāo)準(zhǔn)，考察糊化溫度對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響。

1.3.2.4 成型溫度對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響

固定螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、水分添加量25%、糊化溫度120 ℃，設(shè)定成型溫度為65，70，75，80和85 ℃，以谷物再制米的感官評(píng)分作為考察標(biāo)準(zhǔn)，考察成型溫度對(duì)低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分的影響。

1.3.3 谷物再制米響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以低GI高膳食纖維谷物再制米產(chǎn)品的口感評(píng)分（Y）為考察值，以螺桿轉(zhuǎn)速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）作為因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，利用響應(yīng)面軟件設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的研究與分析，確定最優(yōu)工藝研究水平參數(shù)[8-10]。試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 因素水平表

1.3.4 谷物再制米米飯的感官評(píng)價(jià)指標(biāo)

低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評(píng)定在結(jié)合了谷物自身特點(diǎn)的同時(shí)，也參照了GB/T 15682—2008中對(duì)米飯的感官評(píng)分規(guī)則[11-12]，同時(shí)邀請(qǐng)了10位相關(guān)專家對(duì)谷物再制米米飯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分及評(píng)定，具體的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 低GI高膳食纖維谷物再制米米飯感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.5 谷物再制米米飯的物性測(cè)定

將制得的低GI高膳食纖維谷物再制米產(chǎn)品和市場(chǎng)銷售五常大米采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)試比較。將低GI高膳食纖維谷物再制米、五常大米與水按照2∶3比例放入電飯鍋蒸煮30 min，蒸熟后使用質(zhì)構(gòu)儀在TPA模式下進(jìn)行測(cè)定。低GI高膳食纖維谷物再制米的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)有硬度、彈性、咀嚼性、內(nèi)聚性、黏著性。具體操作步驟為：分別取5 g低GI高膳食纖維谷物再制米飯和5 g熟制五常大米米飯，并確保米粒平整且不留空隙地平放在測(cè)試臺(tái)中間位置。平行試驗(yàn)5次，取其平均值。測(cè)定參數(shù)：測(cè)前速度1.00 mm/s；測(cè)試速度0.5 mm/s；壓縮比90.0%；2次壓縮間隔時(shí)間5.00 s；探頭型號(hào)SMSP[13]。50

2 結(jié)果與分析

2.1 谷物再制米工藝單因素試驗(yàn)

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)谷物再制米感官評(píng)分的影響

由圖1可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提升，低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評(píng)分分值先變大后變小，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到20 Hz時(shí)米飯的感官評(píng)分分?jǐn)?shù)最高。出現(xiàn)感官評(píng)分低的情況可能是在水分添加量、糊化溫度、擠出溫度一定的情況下，當(dāng)使用較低的螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)，谷物粉擠壓得不徹底，使得低GI高膳食纖維谷物再制米擠出膨化的效果較差，感官評(píng)分低。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較高時(shí)，擠出膨化的速度過快，時(shí)間相對(duì)較短，感官評(píng)分降低。因此，適宜的螺桿轉(zhuǎn)速為20 Hz。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)感官評(píng)分的影響

2.1.2 水分添加量對(duì)谷物再制米感官評(píng)分的影響

由圖2可以看出，逐漸增加水分添加量，低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分分值先增大后減小，當(dāng)水分添加量為22%時(shí)，感官評(píng)分最高，效果較好。在螺桿轉(zhuǎn)速、糊化溫度、擠出溫度條件一定時(shí)，出現(xiàn)低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評(píng)分低的情況可能是當(dāng)添加水分量較少時(shí)，淀粉糊化不夠完全，當(dāng)水分添加量較多時(shí)，谷物粉的組織狀態(tài)被改變，擠出機(jī)內(nèi)水分較高，從而影響了再制米的整體品質(zhì)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)水分添加量為22%時(shí)，效果較好再制米米飯口感較好。

圖2 水分添加量對(duì)感官評(píng)分的影響

2.1.3 糊化溫度對(duì)谷物再制米感官評(píng)分的影響

由圖3可以看出，隨著糊化溫度的升高，低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評(píng)分分值先增大后減小，當(dāng)糊化溫度為120 ℃時(shí)，效果最好。在螺桿轉(zhuǎn)速、水分添加量、擠出溫度條件一定時(shí)，當(dāng)糊化溫度過低，谷物粉部分無法從固態(tài)變成熔融狀態(tài)，使得再制米擠壓膨化效果不好，感官評(píng)分值較低；當(dāng)糊化溫度較高時(shí)，谷物粉發(fā)生爆裂現(xiàn)象，粘在擠出機(jī)內(nèi)壁，導(dǎo)致再制米米粒光澤度差，感官評(píng)分下降。因此確定糊化溫度為120 ℃。

圖3 糊化溫度對(duì)感官評(píng)分的影響

2.1.4 成型溫度對(duì)谷物再制米感官評(píng)分的影響

由圖4可以看出，隨著成型溫度的升高，低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分分值先增大后減小，當(dāng)成型溫度為75 ℃時(shí)，感官評(píng)分分?jǐn)?shù)最高，效果最好。原因是成型溫度較低，導(dǎo)致谷物原料擠出膨化效果不好；成型溫度過高，導(dǎo)致谷物原料焦糊，影響到最終產(chǎn)品的適口性，使再制米的口味有焦糊味道，且米的色澤發(fā)暗。感官分值隨之下降。因此，確定成型溫度最適為75 ℃。

2.2 低GI高膳食纖維谷物再制米工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，以螺桿轉(zhuǎn)速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）作為單因素，以低GI高膳食纖維再制米感官評(píng)分分值（Y）為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容及其結(jié)果如表3所示。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3進(jìn)行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗(yàn)，得到以再制米感官評(píng)分分值Y為目標(biāo)函數(shù)，關(guān)于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=95.74-1.21A+1.05B+1.13C-1.09D+2.15AB-2.45AC-1.38AD+1.20BC-0.35BD+0.95CD-3.09A2-2.05B2-3.22C2-4.21D2

圖4 成型溫度對(duì)感官評(píng)分的影響

表3 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對(duì)此模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，可得到方差分析見表4，模型的可信度分析見表5。

由表4和表5可知，模型的p＜0.000 1，遠(yuǎn)小于0.01，說明此模型極顯著，回歸模型與實(shí)際測(cè)定數(shù)值能夠很好地?cái)M合，試驗(yàn)誤差較小，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可以用線性回歸方程進(jìn)行代替，R2=96.96%，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有很高的相關(guān)性，表示回歸方程可以代替真實(shí)值。在回歸模型中，A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、A2、B2、C2，D2對(duì)響應(yīng)值影響極顯著，CD對(duì)響應(yīng)值感官評(píng)分影響顯著，而BD對(duì)響應(yīng)值影響不顯著。影響產(chǎn)品感官評(píng)分因素由大到小依次為螺桿轉(zhuǎn)速＞糊化溫度＞成型溫度＞水分添加量。

表4 回歸方程方差分析表

表5 回歸模型的可信度分析

2.2.2 各因素的交互作用對(duì)再制米感官評(píng)分分值影響

響應(yīng)面圖是響應(yīng)值低GI高膳食纖維再制米感官評(píng)分與螺桿轉(zhuǎn)速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）四個(gè)因素所構(gòu)成的可直觀反映各因素的交互作用的三維空間曲面圖。固定其中任意三個(gè)因素，對(duì)模型進(jìn)行降維分析，考察各個(gè)因素間的交互作用對(duì)低GI高膳食纖維再制米感官評(píng)分分值的影響。由Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得響應(yīng)面及其等高線見圖5。等高線可以使我們能夠直接觀察出各個(gè)因素的交互作用和對(duì)響應(yīng)值的影響情況。螺桿轉(zhuǎn)速（A）與水分添加量（B）之間的交互作用極顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖呈明顯的橢圓形，螺桿轉(zhuǎn)速度（A）與糊化溫度（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形，而螺桿轉(zhuǎn)速（A）與成型溫度（D）之間的交互作用顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖幾乎呈現(xiàn)出橢圓形。水分添加量（B）與糊化溫度（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形，水分添加量（B）與成型溫度（D）之間的交互作用不顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖幾乎呈現(xiàn)處圓形，糊化溫度（C）與成型溫度（D）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形。

圖5 各兩因素交互作用響應(yīng)面及等高線圖

2.2.3 優(yōu)化谷物再制米工藝參數(shù)

為精準(zhǔn)確定最佳工藝參數(shù)，對(duì)擬合的回歸方程分別求一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其為0，得到四元一次方程如下：

求解得：A=-0.213，B=0.235，C=0.290，D=-0.071，即此試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)為螺桿轉(zhuǎn)速19.15 Hz、水分添加量22.94%、糊化溫度122.9 ℃、成型溫度74.29 ℃，此參數(shù)下制得的低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分為96.20分。為了方便實(shí)驗(yàn)室中的操作，將優(yōu)化后工藝參數(shù)修正為螺桿轉(zhuǎn)速19 Hz、水分添加量23%、糊化溫度123 ℃、成型溫度74 ℃。采用修正后的工藝參數(shù)進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，制得低GI高膳食纖維谷物再制米感官評(píng)分為95.78分。

2.3 物性測(cè)定結(jié)果

低GI高膳食纖維谷物再制米和五常大米的物性測(cè)定結(jié)果見表6。低GI高膳食纖維谷物再制米米飯?jiān)谟捕取椥浴⒕捉佬浴?nèi)聚性方面均與五常大米無明顯差異性，說明低GI高膳食纖維谷物再制米和五常大米物性基本一致。

表6 物性測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

低GI高膳食纖維谷物營(yíng)養(yǎng)粉制得的再制米的最佳工藝參數(shù)為：螺桿轉(zhuǎn)速19 Hz、水分添加量23%、糊化溫度123 ℃、成型溫度74 ℃。此條件下谷物再制米感官評(píng)分為95.78分。對(duì)谷物再制米感官評(píng)分因素為螺桿轉(zhuǎn)速＞糊化溫度＞成型溫度＞水分添加量。質(zhì)構(gòu)儀分析結(jié)果顯示，最優(yōu)工藝條件制得的低GI高膳食纖維谷物再制米，在硬度、彈性、咀嚼性、凝聚性、黏著性等理化指標(biāo)上符合米飯標(biāo)準(zhǔn)，與五常大米米飯相比硬度較低，彈性較好，說明低GI高膳食纖維谷物再制米食用品質(zhì)較佳。