擠壓膨化對(duì)大麥全粉理化特性的影響

肖 香,周玉蓉,楊華平,艾連中,熊 浩,王嘉馨,祝 瑩,*

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江南生物科技有限公司,江蘇丹陽(yáng) 212300;3.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

我國(guó)2016年5月發(fā)布的《中國(guó)居民膳食指南》提出,每天要攝入50～150 g的全谷物雜糧,有利于預(yù)防和改善肥胖癥、高血脂、糖尿病等為代表的代謝綜合征的發(fā)生和發(fā)展[1]。然而由于全谷物食品膳食纖維含量高,具有適口性差、難蒸煮等特性,目前市場(chǎng)上的全谷物食品仍不多見(jiàn)。大麥因其含有豐富的膳食纖維(β-葡聚糖)、蛋白質(zhì)、黃酮、多酚類化合物等多種活性成分,具有抗氧化、降血糖、降血脂、降低膽固醇的功能,是谷物食品中全價(jià)營(yíng)養(yǎng)食品之一[2]。開(kāi)發(fā)大麥全谷物健康食品,有效預(yù)防和控制以糖脂代謝紊亂為代表的代謝綜合征的發(fā)生與發(fā)展,具有重要的社會(huì)價(jià)值和健康意義。但目前大麥的開(kāi)發(fā)主要局限在全麥面包、面條、餅干等產(chǎn)品上[3-6],隨著人們生活節(jié)奏的加快,方便、快捷、營(yíng)養(yǎng)、安全的食品越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞。因此需選擇更合適的加工手段處理大麥粉,開(kāi)發(fā)方便、即食的大麥全谷物食品。

擠壓膨化作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型加工方式,以其生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品形狀多樣、產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)損失小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于谷物加工中,其獨(dú)特的口感也一直備受消費(fèi)者喜愛(ài)[7],但是加工過(guò)程會(huì)對(duì)谷物的理化特性產(chǎn)生一定影響,如:擠壓膨化會(huì)使黑米的流動(dòng)性和起泡高度減小,同時(shí)水溶指數(shù)、膨脹力以及黏度明顯增加,還原糖、淀粉與脂肪的含量均出現(xiàn)不同程度的減小[8];小米經(jīng)過(guò)擠壓膨化后,產(chǎn)生較多醛類、呋喃類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),脂肪含量和直鏈淀粉含量減少,多不飽和脂肪酸尤其是亞油酸含量增加[9]。

目前國(guó)外已有學(xué)者研究了擠壓膨化對(duì)大麥的影響,但主要關(guān)注擠壓膨化對(duì)裸大麥和拉直大麥營(yíng)養(yǎng)成分(主要是β-葡聚糖)及抗氧化性的影響:Jiang等研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化后會(huì)使大麥β-葡聚糖的溶解度下降;Sharma等研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化會(huì)降低多酚和黃酮的含量,對(duì)產(chǎn)品的抗氧護(hù)能力也有一定的影響[10-13]。但較少研究者關(guān)注擠壓膨化對(duì)稃大麥(有殼大麥)加工特性及產(chǎn)品理化特性的影響。考慮到不同大麥產(chǎn)品成分及結(jié)構(gòu)差異,基于此,本文采用雙螺桿擠壓膨化技術(shù)處理大麥全粉,在得到最佳擠壓膨化工藝條件后,研究擠壓膨化對(duì)大麥全粉主要營(yíng)養(yǎng)成分含量、吸水指數(shù)和水溶指數(shù)、糊化特性、微觀形態(tài)等理化特性的影響,以期既能保留大麥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,又可改善大麥的食用品質(zhì),為大麥產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大麥 揚(yáng)飼麥3號(hào),用流水清洗大麥表面灰塵、泥沙后,置于50 ℃鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥4 h后粉碎,過(guò)100目篩,得大麥全粉;淀粉測(cè)定試劑盒 愛(ài)爾蘭Megazyme公司;碘(I2)、碘化鉀(KI)、高峰氏淀粉酶(酶活力1.6 U/mg)、硫酸銅(Cu2SO4·5H2O)、硫酸鉀(K2SO4)、酒石酸鉀鈉(C4H4O6KNa·4H2O)、亞鐵氰化鉀(K4Fe(CN)6·3H2O)、亞甲藍(lán)(C16H18ClN3S·3H2O):指示劑、甲基紅(C15H15N3O2):指示劑、溴甲酚綠指示劑(C21H14Br4O5S) 均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

SLG-雙螺桿擠壓膨化機(jī) 濟(jì)南大彤機(jī)械設(shè)備有限公司;JP-高速多功能粉碎機(jī) 上海力箭實(shí)業(yè)有限公司;HB43-S型鹵素水分快速測(cè)定儀 瑞士Mettler Toledo公司;RVA-TecMaster快速粘度分析儀 波通瑞華科學(xué)儀器(瑞典);S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本日立公司;差示掃描量熱儀 美國(guó)TA公司;UltraScan PRO分光測(cè)色儀 美國(guó)Hunterlab公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓膨化工藝的優(yōu)化 結(jié)合前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果基礎(chǔ),選取螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、套筒溫度、原料含水量為實(shí)驗(yàn)因素,以糊化度為參考標(biāo)準(zhǔn),采用正交試驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)試驗(yàn),設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn),從中選出最優(yōu)組作為大麥全粉擠壓膨化的工藝條件。因素水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

1.2.2 主要化學(xué)成分分析方法 水分的測(cè)定:鹵素水分快速測(cè)定儀測(cè)定;粗脂肪的測(cè)定:按GB/T 5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》測(cè)定;蛋白質(zhì)的測(cè)定:按GB/T 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》(凱氏定氮法)測(cè)定;淀粉含量的測(cè)定:按GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的測(cè)定》(酶水解法)測(cè)定;直鏈和支鏈淀粉含量測(cè)定:淀粉測(cè)定試劑盒。

1.2.3 水溶指數(shù)(WSI)和吸水指數(shù)(WAI)的測(cè)定方法 稱取2.5 g待測(cè)樣品放入離心管中,加入30 mL蒸餾水后機(jī)械勻漿,于30 ℃水浴鍋中水浴30 min,每隔5 min攪拌一次,4000 r/min離心15 min,將上清液倒入蒸發(fā)皿中,105 ℃烘箱中烘干后稱重,同時(shí)對(duì)離心管及沉淀的凝膠進(jìn)行稱重。其中,吸水性指數(shù)(WAI)%=沉淀的凝膠質(zhì)量/樣品干重×100;水溶性指數(shù)(WSI)%=上清液干重/樣品干重×100

1.2.4 微觀形態(tài)觀察方法 將掃描電子顯微鏡的載物臺(tái)貼上雙面膠,用牙簽粘取少量的待測(cè)樣品,在雙面膠上涂抹均勻,切片樣品則直接粘在雙面膠上,放入表面處理機(jī)中噴碳鍍金30 min。取出載物臺(tái),放入發(fā)射掃描電子顯微鏡中觀察,選取具有代表性的顆粒形貌和孔隙結(jié)構(gòu)并拍照[14]。

1.2.5 色度測(cè)量方法 色度測(cè)量采用PRO分光測(cè)色儀。色澤指標(biāo)為L(zhǎng)*、a*和b*。L*值表示黑-白(亮)度,值越大則越白,a*值表示綠-紅色,值越大則越紅,b*值表示藍(lán)-黃色,值越大則越黃。以(L*-b*)值為顏色指標(biāo)[15]。

1.2.6 糊化特性分析方法 測(cè)定樣品的糊化特性,參考GB/T 24853-2010來(lái)測(cè)定。首先使用RVA測(cè)定儀的專用鋁筒稱取3 g樣品(濕重,按14%的水分含量計(jì)算;水分含量不等于14%時(shí),應(yīng)進(jìn)行換算求出要稱取的樣品質(zhì)量),向鋁筒中加入蒸餾水至28 g,放入旋轉(zhuǎn)葉片,上下攪動(dòng)5次,使樣品均勻分散,將鋁筒卡入測(cè)量槽,啟動(dòng)測(cè)定程序,進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)樣品測(cè)定3次,取平均值[16]。

1.2.7 熱特性的測(cè)定方法 熱特性分析采用差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定條件是:稱取9 mg樣品置于不銹鋼盒中,將盒子密封,以一定的加熱速率使盒內(nèi)樣品溫度從10 ℃上升到140 ℃,升溫速率10 ℃/min,測(cè)定糊化起始溫度T0、結(jié)束溫度Tc、峰值Tp和焓ΔH[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化工藝的優(yōu)化

選定影響大麥全粉擠壓膨化的關(guān)鍵因素套筒溫度、原料含水量、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速這4個(gè)因素為自變量,以糊化度Y為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),編制實(shí)驗(yàn)方案,共有9個(gè)試驗(yàn)組合。

由極差和方差分析可知,影響因素中套筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)大麥擠壓有明顯的影響,而物料含水量和喂料速度對(duì)其的影響較小。由極差分析,4個(gè)因素的主次順序?yàn)?A(套筒溫度)>C(螺桿轉(zhuǎn)速)>B(物料含水量)>D(喂料速度)。通過(guò)比較k值可確定各因素的最優(yōu)水平為A2B3C3D3。即套筒溫度:140 ℃、物料含水率:20%、螺桿轉(zhuǎn)速:45 Hz、喂料速度:35 Hz。

2.2 大麥全粉主要化學(xué)成分分析結(jié)果

由表3可知,大麥全粉經(jīng)擠壓膨化以后,總淀粉含量、粗脂肪含量及蛋白質(zhì)含量分別從62.94%、1.85%、8.53%降為56.05%、0.39%、7.15%。這主要是因?yàn)閿D壓膨化過(guò)程中淀粉發(fā)生部分降解,形成糊精和小分子的寡糖[17-18],而物料中的脂肪在擠壓膨化加工中與蛋白質(zhì)、淀粉形成了復(fù)雜的復(fù)合物[19-20],蛋白質(zhì)在套筒內(nèi)受熱和剪切力的綜合作用發(fā)生變性,造成原本封閉在分子內(nèi)部的氨基酸殘基暴露在表面,這樣更容易與還原糖及其它的成分發(fā)生反應(yīng)[16]。

表3 大麥全粉及大麥膨化粉的主要化學(xué)成分對(duì)比(干基)

從表3中可以看出,擠壓膨化后的大麥全粉支鏈淀粉的比例從42.42%下降到36.37%,而直鏈淀粉的比例則從20.53%減少到19.68%。淀粉在擠壓機(jī)筒內(nèi)受熱時(shí),降解大部分都是發(fā)生在淀粉空間結(jié)構(gòu)的支鏈位置。同樣有研究表明,支鏈淀粉含量高的原料在擠壓膨化過(guò)程中淀粉的降解主要表現(xiàn)為支鏈淀粉,而直鏈淀粉降解很少,擠壓對(duì)支鏈淀粉的降解類似于普蘭酶的作用[21]。擠壓膨化后淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量有所變化,經(jīng)裂解后淀粉發(fā)生變化,變?yōu)辂溠刻堑刃》肿咏Y(jié)構(gòu)的物質(zhì),這些變化促使淀粉在常溫下具有好的溶解性能,而物料的組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一系列復(fù)雜變化[22]。

2.3 擠壓膨化前后大麥全粉水溶指數(shù)及吸水指數(shù)的變化

由表4可以看出,擠壓膨化后的大麥全粉水溶性指數(shù)從8.73%增長(zhǎng)到16.71%幾乎增加了1倍(P<0.05),溶解度提高了91%。溶解性的變化反映了分子降解或破壞的程度,經(jīng)過(guò)擠壓后,物料的淀粉和蛋白質(zhì)都有一定程度的降解;另一方面淀粉充分糊化,蛋白質(zhì)發(fā)生變性,同時(shí)擠壓產(chǎn)品具有疏松、多孔的結(jié)構(gòu)[23]。經(jīng)過(guò)膨化后的大麥粉的吸水指數(shù)大幅增大(從190.00%上升到531.01%)。主要原因一方面是在擠壓膨化的高溫高壓下,物料被強(qiáng)烈的擠壓、攪拌、剪切,使得物料組分發(fā)生較大的變化,大分子的物質(zhì)被切割許多小分子的物質(zhì),吸水能力增強(qiáng)。另一方面,由于物料的膨化使物料的密度,孔隙率發(fā)生變化,進(jìn)而使得物料的吸水指數(shù)增大[8]。有其他研究證明,大米和糙米擠壓膨化后其水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)顯著提高,大米分別提高了13.9倍和1.32倍,糙米分別提高了5.4倍和1.45倍[24]。

表4 大麥全粉與大麥膨化粉水溶指數(shù)、吸水指數(shù)的對(duì)比

2.4 擠壓膨化前后大麥全粉微觀形態(tài)變化

2.5 擠壓膨化對(duì)大麥全粉色度的影響

物料經(jīng)過(guò)擠壓膨化機(jī)高溫高壓處理發(fā)生了一系列物理化學(xué)變化。這直接導(dǎo)致膨化產(chǎn)物相對(duì)于大麥全粉色度上發(fā)生了很大的變化。L*值表示黑-白(亮)度,值越大則越白;a*值表示綠-紅色,值越大則越紅;b*值表示藍(lán)-黃色,值越大則越黃。由表5可以看出,相比較于大麥全粉,大麥膨化粉的L*值從95.27下降到91.97,a*值從0.20增加到0.68,b*值從1.94上升到2.66。說(shuō)明擠壓膨化后的物料亮度下降,黃度和紅度增加。這是由于在擠壓膨化過(guò)程中,由于高溫高壓的作用,致使淀粉發(fā)生糊化,從而使整個(gè)擠出物的顏色變?yōu)辄S褐色,顏色變深[9]。

圖1 掃描電鏡顯微照片(600×)

表5 大麥全粉與大麥膨化粉的色度

2.6 擠壓膨化對(duì)大麥全粉糊化特性的影響

大麥全粉和大麥膨化粉糊化特性參數(shù)如表6所示。由表可以看出,擠壓膨化后的大麥膨化粉相較于大麥全粉,糊化特性參數(shù)均顯著下降,其中,峰值粘度由5732.00 cp下降至1799.01 cp;最低粘度由3433.03 cp下降至396.10 cp;回生值由2404.02 cp下降至197.21 cp;衰減值、峰值時(shí)間及糊化溫度分別下降了695.03 cp、3.80 s及19.38 ℃。有研究表明,最低粘度越高,則熟化度越低;衰減值反映了淀粉的熱糊穩(wěn)定性,衰減值越小,則熱糊穩(wěn)定性越好;回生值反映了淀粉冷糊的穩(wěn)定性和老化趨勢(shì),回生值越小,則冷糊穩(wěn)定性越好,淀粉越不易老化;回生值與峰值粘度的比值越小,口感越好[25]。這可能是因?yàn)閿D壓膨化處理已使得大麥全粉中的淀粉幾乎完全糊化,未糊化的淀粉較大麥全粉少。這也進(jìn)一步說(shuō)明擠壓膨化能使大麥全粉較充分糊化并且使得口感更好,更有利于利用大麥開(kāi)發(fā)全谷物健康食品。

表6 大麥全粉與大麥膨化粉的糊化特性參數(shù)

2.7 擠壓膨化對(duì)大麥全粉熱特性的影響

由圖2可知,大麥全粉有一個(gè)糊化的過(guò)程,其糊化的起始溫度為59.32 ℃,峰值溫度TP是65.10 ℃和終止溫度TC為78.85 ℃,熱焓值為5.85 J/g。而大麥膨化粉幾乎沒(méi)有糊化過(guò)程,其原因是大麥全粉經(jīng)過(guò)擠壓膨化后,淀粉在高溫高壓下大部分已經(jīng)發(fā)生糊化。有研究表明在擠壓膨化過(guò)程中,物料借助螺桿的推動(dòng)向前擠壓,同時(shí)受到混合、攪拌、摩擦以及高剪切力作用,使得淀粉發(fā)生糊化和降解,使糊化度增加,這與本研究結(jié)果類似[27]。

圖2 大麥全粉和大麥膨化粉的糊化特性曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙螺桿擠壓膨化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳工藝條件,探究擠壓膨化工藝對(duì)大麥全粉理化性質(zhì)的影響。研究表明,擠壓膨化的最佳工藝條件為螺桿轉(zhuǎn)速45 Hz、喂料速度35 Hz、套筒溫度140 ℃、原料水分含量20%,大麥全粉經(jīng)擠壓膨化處理后,其水分含量、淀粉的含量、粗脂肪的含量、蛋白質(zhì)的含量分別下降至7.62%、56.05%、0.39%、7.15%,吸水指數(shù)和水溶指數(shù)均顯著升高;擠壓膨化處理還能使大麥淀粉充分的糊化,淀粉顆粒發(fā)生破碎且相互粘連團(tuán)聚呈片狀結(jié)構(gòu)。本研究?jī)?nèi)容可為大麥擠壓膨化食品的研發(fā)提供理論依據(jù)和參考價(jià)值,同時(shí)又能豐富大麥新型食品的種類。