用物理參數(shù)表征擠壓膨化后藜麥糊化度的探索研究

趙嘉祺，周學(xué)永，李 鵬，楊紅澎，高建強(qiáng)，付榮霞

(山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，太原 030000) (天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院2，天津 300384) (天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院3，天津 300384) (山西億隆藜麥開發(fā)股份有限公司4，忻州 034000)

藜麥作為一種新型谷物不僅營養(yǎng)價值高，且含有多種生物活性成分[1]，研究藜麥的深加工技術(shù)對我國藜麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。擠壓膨化技術(shù)集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、膨化及成型為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)一系列連續(xù)單元操作，已被廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)[2]。膨化產(chǎn)品的膨化狀態(tài)形成主要是靠原料中的淀粉完成的[3]，在擠壓膨化過程中由于高溫高壓的作用，淀粉分子之間的氫鍵被破壞，結(jié)晶度降低；同時螺桿的高速轉(zhuǎn)動使物料受到較強(qiáng)的機(jī)械剪切力作用，促使淀粉發(fā)生糊化和降解[4]。分子之間相互結(jié)合交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過擠出、膨脹、降溫、成型后，形成性能獨(dú)特的膨化產(chǎn)品[3]。

為研發(fā)藜麥速食產(chǎn)品，藜麥擠壓膨化逐漸受到了重視[5]。為了順利完成谷物的擠壓膨化，必須對藜麥擠壓膨化的程度進(jìn)行表征，常用的表征指標(biāo)主要有糊化度[6,7]和膨化度[8,9]兩種。目前，關(guān)于藜麥擠壓膨化各指標(biāo)之間的相關(guān)性研究較少，其他谷物擠壓膨化指標(biāo)相關(guān)性研究多集中于各物理參數(shù)之間[10,11]，與糊化度的相關(guān)性研究也較少。糊化度的測定方法主要包括傳統(tǒng)的碘呈色法、酶解法以及新型的差示掃描量熱分析法、快速黏度分析儀法、近紅外光譜分析法等[12,13]。傳統(tǒng)方法需要大量的試劑，耗時長，不利于生產(chǎn)時的即時性測定；新型儀器分析方法雖然有用樣量少、測定時間短的特點(diǎn)，但是對儀器性能的要求較高，一般都需要進(jìn)行參數(shù)矯正和預(yù)測，前期準(zhǔn)備工作較復(fù)雜。

由于糊化度的測定費(fèi)時、繁瑣且成本高，膨化度這一物理指標(biāo)開始被眾多研究者采用[8,9]。然而，膨化度與糊化度之間的相關(guān)關(guān)系并沒有被相關(guān)實驗所證實。本研究在前期探索中發(fā)現(xiàn)，在藜麥擠壓膨化后的膨化度與糊化度之間沒有顯著相關(guān)性，本研究采用3因素3水平正交實驗法對藜麥進(jìn)行擠壓膨化加工，共得到9個批次的產(chǎn)品，通過探索糊化度與膨化度、密度、水溶指數(shù)、吸水指數(shù)、色差和沉降率等物理參數(shù)之間的相關(guān)性，尋找新的可替代性的物理參數(shù)來表征藜麥的糊化程度，旨在為擠壓膨化后藜麥的品質(zhì)評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥；碘、碘化鉀、氫氧化鉀、鹽酸：分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DSE30-Ⅱ型雙螺桿實驗機(jī)，F(xiàn)S1000-1型高速粉碎機(jī)，CM-5型臺式高精度分光測色儀，UV1800PC型紫外可見分光光度計，217-064型游標(biāo)卡尺。

1.3 方法

1.3.1 技術(shù)路線

藜麥籽粒→粉碎→過篩(60目)→調(diào)節(jié)含水量(原藜麥的含水量為8%)→擠壓膨化→冷卻→密封冷藏→測定糊化度及物理參數(shù)。

1.3.2 正交實驗設(shè)計

在預(yù)實驗基礎(chǔ)上，通過單因素實驗，選定藜麥擠壓膨化正交實驗的加水量為10%～18%，設(shè)置擠壓膨化前三區(qū)的溫度分別為50、80、120 ℃，改變第四區(qū)溫度，選定為120～160 ℃，選定螺桿轉(zhuǎn)速為30～50 Hz。本研究通過3因素3水平正交實驗對藜麥擠壓膨化糊化度與各物理指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行探索，因素和水平見表1，正交實驗設(shè)計見表2。

表1 L9(33)正交實驗的因素和水平

表2 L9(33)正交實驗設(shè)計

1.3.3 糊化度的測定

參照Birch等[14]的方法略加改動，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，稱取0.2 g樣品粉末于98 mL蒸餾水中，加入10 mol/L的KOH溶液2 mL，在磁力攪拌器上攪拌5 min，將懸濁液以4 000 r/min離心10 min，取1 mL上清液，加入0.5 mol/L鹽酸0.4 mL，加蒸餾水至10 mL，最后加入0.1 mL碘液(1 g 碘和4 g碘化鉀溶于100 mL蒸餾水中)，混合均勻，于600 nm處測吸光度A1。將蒸餾水和氫氧化鉀溶液體積替換為95 mL和5 mL，鹽酸體積替換為1 mL，其余步驟相同，測得吸光度A2，糊化度按式(1)計算。

(1)

1.3.4 膨化度的測定

參考Ding等[15]的方法，隨機(jī)取擠壓膨化后的藜麥條10段，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測橫截面的直徑d，10次測量結(jié)果取平均值，膨化度按式(2)計算。

(2)

式中:d為膨化藜麥條橫截面的直徑/mm；D為擠壓機(jī)模口直徑/3.00 mm。

1.3.5 密度的測定

參考劉艷香[16]的方法略加改動，用石英砂置換的方法測定擠壓膨化藜麥的密度，取一定質(zhì)量的擠壓膨化藜麥條，放入量筒中，將石英砂緩慢倒入量筒并完全淹沒樣品，直至達(dá)到量筒最大刻度線，測量石英砂的體積，重復(fù)測量3次，每個樣品隨機(jī)取樣3次，密度按式(3)計算。

(3)

式中:m為擠壓膨化藜麥條的質(zhì)量/g；v0為量筒體積/100 mL；v為石英砂體積/mL。

1.3.6 色差的測定

參考金鐵等[17]的方法，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，利用臺式分光測色儀對擠壓膨化藜麥粉的L*值(明度值)、a*值(紅-綠值)、b*值(黃-藍(lán)值)及膨化前藜麥粉的L0、a0、b0進(jìn)行測定，按式(4)計算ΔE*(色差)，每個樣品重復(fù)測量3次。

(4)

1.3.7 吸水性指數(shù)與水溶性指數(shù)的測定

參考裴斐等[18]的方法，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，取2 g樣品粉末，質(zhì)量記為m0，倒入50 mL已知質(zhì)量m1的離心管中，加入20 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，使樣品粉末均勻分散為懸濁液，將懸濁液于30 ℃水浴中保溫30 min，每隔10 min振蕩1 min，水浴后4 000 r/min離心15 min，離心后將上清液倒入已知質(zhì)量m2的培養(yǎng)皿中，放入105 ℃烘箱烘干至恒重m3，并稱量離心管和沉淀的質(zhì)量m4，水溶性指數(shù)(water soluble index，WSI)和吸水性指數(shù)(water absorption index，WAI)按式(5)和式(6)計算。

(5)

(6)

1.3.8 沉降性的測定

參考劉靄莎等[9]的方法略加改進(jìn)，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，分別稱取1 g樣品粉末于25 mL具塞試管中，分別加入20 mL蒸餾水劇烈振蕩1 min，靜置30 min，觀察分層情況及界面下降高度，根據(jù)式(7)計算沉降率。

(7)

式中：h為上層液高度/mL；H為液體總高度/mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每次實驗重復(fù)3次，結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(顯著性水平設(shè)置為0.05)，用Duncan檢驗進(jìn)行多重比較分析差異顯著性。用Microsoft Office Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，計算相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓膨化后藜麥糊化度及各物理參數(shù)的正交實驗結(jié)果及方差分析

2.1.1 正交實驗結(jié)果

進(jìn)行正交實驗,藜麥經(jīng)擠壓膨化處理的糊化度、膨化度、密度、水溶性指數(shù)、吸水指數(shù)、色差、沉降率的結(jié)果見表3。

表3 正交實驗結(jié)果

2.1.2 方差分析

由表4可知，擠壓膨化3個因素對藜麥糊化度影響的順序為：第四區(qū)溫度>加水量>螺桿轉(zhuǎn)速，且加水量和第四區(qū)溫度對糊化度有顯著影響(P<0.05)，螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度影響不顯著(P>0.05)。擠壓膨化3個因素對藜麥膨化度影響的順序為：第四區(qū)溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>加水量，且第四區(qū)溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度有顯著影響(P<0.05)，加水量對膨化度影響不顯著(P>0.05)；擠壓膨化3個因素對藜麥沉降率影響的順序為：第四區(qū)溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>加水量，且第四區(qū)溫度對沉降率有顯著影響(P<0.05)，但加水量和螺桿轉(zhuǎn)速對沉降率影響不顯著(P>0.05)；擠壓膨化3個因素對密度、水溶性指數(shù)、吸水性指數(shù)、色差的影響均不顯著(P>0.05)。

表4 方差分析表

2.2 擠壓膨化后藜麥的糊化度與各物理參數(shù)的相關(guān)性分析

根據(jù)線性相關(guān)系數(shù)r的臨界值表[19]，自由度為7時，當(dāng)α=0.05，r=0.666 4；當(dāng)α=0.01，r=0.797 7。表5是以藜麥擠壓膨化后的糊化度為橫坐標(biāo)，分別以各物理參數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖得到的相關(guān)方程與相關(guān)系數(shù)。

表5 藜麥擠壓膨化糊化度與各物理參數(shù)的相關(guān)方程與相關(guān)系數(shù)

2.2.1 糊化度與膨化度的相關(guān)性

由表5可知，糊化度與膨化度的相關(guān)系數(shù)為r=0.403 2<0.666 4，即糊化度與膨化度之間無顯著相關(guān)性(P>0.05)。通過正交實驗結(jié)果可知，藜麥糊化度和膨化度均受溫度的顯著影響(P<0.05)，而螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度有顯著影響(P<0.05)而對糊化度沒有顯著影響(P>0.05)。對于谷物糊化而言，溫度和水分是必需因素[20,21]，因為淀粉只有在加熱條件下吸水膨脹才能形成淀粉糊。雖然藜麥的糊化溫度只有70 ℃左右[22]，但適當(dāng)提高溫度可以加快分子運(yùn)動速率，加快糊化進(jìn)程。螺桿轉(zhuǎn)速的高低影響物料在擠壓膨化機(jī)內(nèi)的內(nèi)停留時間，轉(zhuǎn)速慢則物料停留時間延長，機(jī)腔壓力增大[23]。在本研究中140～180 ℃高溫條件下，只要水分合適，藜麥就能迅速完成糊化，因此螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度影響不大。

然而對于膨化度而言，直接的影響因素是物料的均勻液化和強(qiáng)大的壓差[24]，當(dāng)水分和溫度能夠保障藜麥實現(xiàn)均勻液化的前提，壓差就成了物料被膨化成結(jié)構(gòu)疏松、多孔酥脆產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。由于螺桿轉(zhuǎn)速影響物料在擠壓膨化機(jī)內(nèi)的內(nèi)停留時間，進(jìn)而影響到物料的溫度和壓力，一般呈現(xiàn)出螺桿轉(zhuǎn)速增大、膨化度降低，螺桿轉(zhuǎn)速減小、膨化度增大的規(guī)律[24]。

由于擠壓膨化工藝參數(shù)對糊化度與膨化度的影響趨勢不盡相同，導(dǎo)致二者之間不一定存在相關(guān)性。此外，淀粉在糊化過程中所發(fā)生的成分轉(zhuǎn)化，也可能成為糊化度與膨化度之間缺乏相關(guān)性的一個因素。有報道認(rèn)為，淀粉在糊化過程中由于切斷了淀粉中的α-1,6糖苷鍵，導(dǎo)致部分支鏈淀粉轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉[20]，使直鏈淀粉含量提高[25]。前期研究認(rèn)為，支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例影響谷物的膨化性能[26]，支鏈淀粉含量增高，有利于提高產(chǎn)品的膨化度；而直鏈淀粉含量增高，則會降低產(chǎn)品的膨化度。由于谷物糊化導(dǎo)致的直鏈淀粉升高有可能影響到膨化性能，因此，糊化與膨化之間也可能會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

2.2.2 糊化度與密度的相關(guān)性

由表5可知，糊化度與密度的相關(guān)系數(shù)為r=0.082 5<0.666 4，即糊化度與密度之間無顯著相關(guān)性(P>0.05)。這是因為密度的大小由擠壓膨化產(chǎn)品的含水量以及體積共同決定。實驗結(jié)果表明，加水量對密度的影響遠(yuǎn)大于溫度和螺桿轉(zhuǎn)速(表4)，這就意味著物料的含水量較高，擠出物的含水量也高，密度也較大。杜雙奎[11]在研究擠壓膨化對玉米膨化特性的影響中也發(fā)現(xiàn)，擠壓膨化后產(chǎn)品的含水量與密度有顯著相關(guān)性(P<0.05)，且膨化前物料的含水量對產(chǎn)品的密度有極顯著影響(P<0.01)。

而糊化度同時受加水量和第四區(qū)溫度的顯著影響(P<0.05)，當(dāng)加水量低時(10%)，產(chǎn)品糊化度和密度均較小；當(dāng)加水量提高到14%時，產(chǎn)品平均糊化度由81.44%提高到86.47%，產(chǎn)品平均密度由0.11 g/mL提高到0.32 g/mL，糊化度與密度呈同步增加的趨勢；當(dāng)加水量提高到18%時，由于物料含水量已經(jīng)超過淀粉糊化所需要的含水量，產(chǎn)品平均糊化度基本保持不變(86.48%)，而產(chǎn)品平均密度則繼續(xù)提高到0.42 g/mL(圖1)。通過分析可知，當(dāng)含水量不足時，糊化度與密度的變化趨勢具有一定的一致性；而當(dāng)物料含水量達(dá)到淀粉糊化所需要的水量時，二者之間的一致性就會被打破，導(dǎo)致糊化度與密度之間的相關(guān)性不再顯著(P>0.05)。

圖1 加水量對糊化度和密度的影響

2.2.3 糊化度與水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)的相關(guān)性

由表5可知，糊化度與水溶性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.666 4

2.2.4 糊化度與色差的相關(guān)性

由表5可知，糊化度與色差的相關(guān)性系數(shù)為r=0.540 8<0.666 4，即糊化度與色差之間無顯著相關(guān)性(P>0.05)。在擠壓膨化過程中，由于高溫高壓的作用，物料中的淀粉會發(fā)生糊化，從而使整個擠出物的顏色變?yōu)辄S褐色[33]。但研究發(fā)現(xiàn)物料在擠壓過程中會發(fā)生美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)，也會導(dǎo)致產(chǎn)品色澤發(fā)生改變[33，34]，如高溫會導(dǎo)致物料發(fā)生焦糊結(jié)成硬塊，內(nèi)部的淀粉無法吸水受熱糊化，糊化度就會降低[7]，但物料的顏色會變深。而且由于物料加水量的不同會導(dǎo)致擠出物的含水量不同，這也會對色澤產(chǎn)生一定影響[11]，因此，藜麥擠壓膨化后的色澤不僅與淀粉糊化相關(guān)，是多種因素共同作用的結(jié)果。

2.2.5 糊化度與沉降率的相關(guān)性

由表5可知，糊化度與沉降率的相關(guān)性系數(shù)為r=0.892 0>0.797 7，即糊化度與沉降率之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。沉降率可反映懸濁液的穩(wěn)定性，由于經(jīng)擠壓膨化后，物料中的淀粉、蛋白質(zhì)等大分子被破壞，發(fā)生降解后生成許多小分子，分散懸浮在水中不容易發(fā)生沉降[35]。淀粉糊化吸水溶脹，分子結(jié)構(gòu)舒展，受外圍的支鏈淀粉的束縛減弱，內(nèi)部的直鏈淀粉被釋放，使懸浮液的黏度增大，穩(wěn)定性升高[36，37]。而且擠壓膨化后的物料形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，吸水后占據(jù)更大位置，沉降率降低[9]。綜上，淀粉的糊化和降解是導(dǎo)致加壓膨化后產(chǎn)品粉末懸濁液穩(wěn)定性升高的主要原因，因此，糊化度和沉降率會呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

2.3 驗證實驗

糊化度與沉降率之間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，糊化度與水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)之間均存在顯著正相關(guān)(P<0.05)。為驗證該實驗結(jié)果的可靠性，設(shè)定不同于正交實驗的實驗組，隨機(jī)挑選膨化效果較好的3組進(jìn)行糊化度與沉降率、水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)的驗證實驗，具體實驗結(jié)果如表6～表8所示。不同工藝參數(shù)下擠壓膨化藜麥粉的糊化度與沉降率、水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)的關(guān)系與正交實驗的相關(guān)性分析一致，實測糊化度與預(yù)測糊化度相對偏差較小，沉降率對糊化度的預(yù)測相對偏差小于2%，水溶性指數(shù)對糊化度的預(yù)測相對偏差小于4%，吸水性指數(shù)對糊化度的預(yù)測相對偏差小于6%。

表6 沉降率表征糊化度的驗證實驗結(jié)果

表7 水溶性指數(shù)表征糊化度的驗證實驗結(jié)果

表8 吸水性指數(shù)表征糊化度的驗證實驗結(jié)果

3 結(jié)論

藜麥經(jīng)擠壓膨化后淀粉發(fā)生糊化，粉末的水溶性、吸水性及沉降性得到改善，沖調(diào)性能提升，可用來加工各種藜麥粉糊類沖泡產(chǎn)品。本研究通過正交實驗對擠壓膨化后藜麥的糊化度和各物理參數(shù)進(jìn)行測定，分析糊化度與各物理指標(biāo)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)糊化度與水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)之間均存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，糊化度與沉降率之間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，并通過驗證實驗驗證了這一結(jié)果的可靠性。因此，在實際生產(chǎn)中，吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)和沉降率可作為簡單的物理參數(shù)來表征藜麥擠壓膨化后的糊化度，與化學(xué)法相比具有簡便快捷的特點(diǎn)。