沖調米粉酶解耦合擠壓膨化工藝優化及其產品性質分析

肖家喜, 段映羽, 鄒曉琴, 張名位, 張瑞芬, 劉 磊, 張 元, 馬 勤

(廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所;農業農村部功能食品重點實驗室;廣東省農產品加工重點實驗室1,廣州 510610) (長江大學生命科學學院2,荊州 4340001) (五邑大學生物科技與大健康學院3,江門 529020)

大米是全球一半以上人口的主食[1],在人們的日常生活中,主要以蒸、煮等方式將大米加工成米飯、米粥、米糕等產品來食用。隨著生活節奏的加快和生活水平的日益提高,米乳飲料、速食米粉等新型營養方便食品開始進入人們的生活,但是由于大米中淀粉含量高,由米粉加工而成飲料、沖調類產品存在黏度高、沖調分散性差、易回生等問題。

擠壓膨化作為一種新型食品加工技術,因其能耗低、連續生產、清潔衛生等優點,已被應用于膨化沖調米粉、速食米糊等米粉類產品的加工生產中[2]。擠壓膨化過程中,在擠壓膨化機高剪切力、高溫、高壓的作用下,米粉中部分的淀粉等大分子物質被降解成糊精、還原糖等小分子物質[3],能夠改善產品的沖調分散性。馬永軒等[4]研究發現在米粉水質量分數為20%時,擠壓膨化可以一定程度上提高大米粉的WSI為和WAI,改善了米粉的沖調性。然而,由于大米中淀粉含量較高,直接擠壓膨化制備的米粉依然存在沖調分散性差、產品黏度大等問題,影響了產品的食用品質。張冬媛等[5]研究發現在糙米粉水質量分數17%、擠出溫度134 ℃、螺桿轉速29.6 Hz、高溫α-淀粉酶添加量70 U/g的條件下,發芽-擠壓膨化-高溫α-淀粉酶協同處理后的糙米粉結塊率相較于直接擠壓膨化處理的糙米粉降低了84.2%,改善糙米粉的沖調性。張亮等[6]研究發現將糙米粉使用中溫α-淀粉酶和纖維素酶的混合酶液進行預酶解處理后擠壓膨化,制備的糙米粉WSI為81.54%。戴曉慧等[7]研究發現米粉蒸汽酶解調質處理后,在螺桿轉速240 r/min、擠出溫度138 ℃的條件下擠壓膨化處理,制備的米粉WSI顯著提高,WAI、結塊率和黏度顯著降低。這些研究表明,擠壓膨化前將大米進行發芽、酶解、蒸汽酶解調質等預處理可以有效降低產品黏度和改善產品的沖調分散性,但是此類工藝存在設備多、操作復雜、能耗高、耗時長等缺陷,導致生產成本較高[8]。酶解耦合擠壓膨化加工技術是將原料和酶液直接充分混合后擠壓膨化,該技術可使擠壓膨化和酶解反應同時進行,具有操作簡單、耗時短、能耗低等優點,降低了生產成本且可以改善產品的食用品質。

研究以大米為原料,探究酶解耦合擠壓膨化工藝參數對大米粉沖調性和黏度的影響,優化確定最佳加工工藝,并比較分析酶解耦合擠壓膨化處理和直接擠壓膨化處理對大米粉沖調分散性、糊化特性和主要營養成分的影響,旨在建立大米粉酶解耦合擠壓膨化加工技術,為大米等谷物類方便食品的生產加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米(水中鯉油粘米)、高溫α-淀粉酶(食品級、酶活150 000 U/mL)、考馬斯亮藍試劑盒;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器設備

FMHE36-24 雙螺桿擠壓膨化機,StarchMaster2 RVA快速黏度儀,HWS26 數顯恒溫水浴鍋,TD6 離心機,電熱恒溫鼓風干制箱,TECAN infinite 200酶標儀,MV-1000WX振蕩器。

1.3 實驗方法

1.3.1 不同粉碎度大米粉的制備

采用打粉機對大米進行碾磨粉碎,將粉碎后的米粉過20、40、60、80、100目標準篩,制備20～40、40～60、60～80、80～100目和大于100目不同粉碎度的米粉。

1.3.2 大米粉酶解耦合擠壓膨化處理工藝流程

吸取一定量的高溫α-淀粉酶,將其與定量的蒸餾水混合搖勻,后以邊噴淋邊攪拌的方式與定量的大米粉混合均勻待用。將混合好的大米粉送入擠壓膨化機進行擠壓膨化處理,待擠壓膨化機穩定出樣后,收集擠出樣品。待樣品自然冷卻后,粉碎過60目篩,所制得樣品放置于干燥器中儲藏備用。相同條件下,未添加高溫α-淀粉酶直接進行擠壓膨化處理的米粉樣品作為對照組。

1.3.3 單因素實驗

1.3.3.1 擠出溫度對大米粉沖調性和黏度的影響

固定擠壓膨化機前4個溫區溫度(二區溫度60 ℃、三區溫度100 ℃、四區溫度130 ℃、五區溫度140 ℃),設定擠壓膨化機末端溫區溫度梯度為140、150、160、170、180 ℃。固定高溫α-淀粉酶的添加量為300 U/g、原料粉碎度40～60目、水質量分數16%、喂料量16 kg/h、螺桿轉速180 r/min。

1.3.3.2 原料粉碎度對大米粉沖調性和黏度的影響

大米粉的原料粉碎度梯度設定為20～40、40～60、60～80、80～100、>100目。固定高溫α-淀粉酶的添加量為300 U/g、擠出溫度160 ℃、水質量分數16%、喂料量16 kg/h、螺桿轉速180 r/min。

1.3.3.3 喂料量對大米粉沖調性和黏度的影響

喂料量梯度設定為8、12、16、20、24 kg/h。固定高溫α-淀粉酶的添加量為300 U/g、原料粉碎度40～60目、水質量分數16%、擠出溫度160 ℃、螺桿轉速180 r/min。

1.3.3.4 螺桿轉速對大米粉沖調性和黏度的影響

螺桿轉速梯度設定為140、160、180、200、220 r/min。固定高溫α-淀粉酶的添加量為300 U/g、原料粉碎度40～60目、水質量分數16%、擠出溫度160 ℃、喂料量16 kg/h。

1.3.3.5 物料水質量分數對大米粉沖調性和黏度的影響

水質量分數梯度設定為8%、12%、16%、20%、24%。固定高溫α-淀粉酶的添加量為300 U/g、原料粉碎度40～60目、螺桿轉速為180 r/min、擠出溫度160 ℃、喂料量16 kg/h。

1.3.3.6 酶添加量對大米粉沖調性和黏度的影響

高溫α-淀粉酶的添加量梯度設定為150、300、450、600、750 U/g。螺桿轉速為180 r/min、原料粉碎度40～60目、水質量分數16%、擠出溫度160 ℃、喂料量16 kg/h。

1.3.4 優化實驗

綜合單因素實驗的結果,確定原料粉碎度為80～100目、高溫α-淀粉酶的用量為600 U/g,選取了擠出溫度(140、150 、160 ℃)、水質量分數(12%、16%、20%)、喂料量(16、20、24 kg/h)、螺桿轉速(140、160、180 r/min)的3個較優水平,以WSI為響應值,設計L9(34)正交實驗,以確定大米粉最佳的擠壓膨化工藝條件。

表1 正交實驗因素水平編碼

1.3.5 沖調分散性的測定

1.3.5.1 WSI和WAI的測定

參考Anderson等[9]的方法稍加修改,準確稱取2.50 g大米粉于50 mL離心管中,加入30 mL去離子水,充分混勻后以275 r/min的速率在室溫下振蕩30 min,然后4 500 r/min離心15 min,分離上清液和沉淀物質,上清液倒入預先干燥至恒重的小鋁盒中,105 ℃蒸發至干燥、恒重。WSI和WAI的計算公式:

1.3.5.2 結塊率的測定

參考劉靜波等[10]的方法稍加修改,稱取5.00 g大米粉置于250 mL燒杯中,加入100 mL 70 ℃的去離子水,緩慢攪拌30 s,使用20目篩網對其進行過濾,用蒸餾水漂洗結塊物1次,后放置于105 ℃干燥箱干燥、恒重。結塊率的計算公式:

1.3.5.3 分散時間的測定

參考許牧丹等[11]的方法稍加修改,準確稱取2.50 g大米粉,通過漏斗(直徑7.55 cm,下端出口距液面12.00 cm)加入到70 ℃熱水中并緩慢磁力攪拌,記錄樣品加入到漏斗中直至粉體在熱水中分散至均勻狀態所需時間,該時間即為分散時間,重復5次。

1.3.6 黏度的測定

參考 GB/T 24852—2010 的快速黏度儀法測定大米粉的糊化特性,選取峰值黏度作為樣品工藝優化的黏度。

1.3.7 糊化特性的測定

參考 GB/T 24852—2010 的快速黏度儀法測定樣品的糊化特性。

1.3.8 基本成分的測定

1.3.8.1 淀粉含量的測定

酶水解法,參照GB/T 5009.9—2016。

1.3.8.2 總蛋白的測定

凱氏定氮法,參照GB/T 5009.5—2016。

1.3.8.3 還原糖含量的測定

參考文偉等[12]的方法稍加修改,準確稱取2.00 g大米粉放置于100 mL的試管中,加入30 mL去離子水,在室溫下以275 r/min的速率振蕩30 min,4 000 r/min離心10 min,取上清液定容至50 mL,DNS比色法測定其還原糖含量。

1.3.8.4 可溶性蛋白的測定

使用考馬斯亮藍試劑盒進行測定。

1.4 數據統計與分析

實驗平行測定3次,數據表示為平均值±標準差;實驗數據采用SPSS 20.0統計軟件中單因素方差分析(Duncan檢驗、顯著性水平為P<0.05)和獨立樣本T檢驗分析;采用Origin作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 擠出溫度對大米粉沖調性和黏度的影響

WSI、WAI和結塊率是衡量粉體沖調性的重要指標。WSI越高,說明米粉淀粉降解程度越高、可溶性物質越多;WAI越高,說明米粉淀粉降解程度越低、淀粉分子鏈保持越完整,吸水溶脹性成膠性越好[13];結塊率越高,說明米粉溶于水后結塊現象越嚴重。黏度越高,說明米粉中淀粉降解程度越低、米粉中淀粉分子鏈越完整,淀粉分子間接觸和氫鍵作用越強,淀粉分子間結合力和脫附阻力越強。由圖1可知,隨著擠出溫度的升高,大米粉的WSI先升高后降低,WAI、結塊率和黏度先降低后升高。當溫度升高到150 ℃時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值。這可能是當擠出溫度低于150 ℃時,隨著溫度的升高,淀粉分子間緊密的膠束結構被破壞,機筒內淀粉糊化度升高,淀粉酶更易進入淀粉分子間發生作用,酶解作用增強,淀粉等大分子物質降解程度增加,還原糖等小分子可溶性物質增多,淀粉分子形成凝膠的能力減弱,故WSI逐漸升高,WAI、結塊率和黏度逐漸降低。而當溫度高于150 ℃時,隨著溫度的升高,淀粉酶逐漸受熱失活,對淀粉的降解程度減少,而且在高溫條件下淀粉易發生焦化反應,阻礙了淀粉等大分子的降解[14],故WSI降低,WAI、結塊率和黏度升高。

2.1.2 原料粉碎度對大米粉沖調性和黏度的影響

由圖2可知,隨著原料粉碎度的增加,大米粉的WSI逐漸升高,WAI、結塊率、黏度逐漸降低。當原料粉碎度為80～100目時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值這可能是隨著大米粉粉碎目數的增加,物料的顆粒度減小,大米粉的比表面積增加,大米粉顆粒與機筒內壁接觸面積增加,大米粉在機筒內受到剪切和擠壓作用增強,淀粉更易受熱糊化[15],淀粉分子緊密的結構被破壞,淀粉酶與大米粉顆粒接觸反應更充分,淀粉酶作用加強,淀粉降解程度加大,水溶性物質增加,淀粉分子間形成凝膠作用力減弱,故WSI逐漸升高,WAI、結塊率和黏度降低。當原料粉碎度大于80目時,隨著原料粉碎度的增加,WSI、WAI、結塊率和黏度并未顯著變化。由于,加工顆粒度越小的米粉原料所需碾磨加工的時間越多,為了節省成本,后續選擇過80～100目篩大米粉進行優化實驗。

圖2 原料粉碎度對米粉WSI、WAI、結塊率和黏度的影響

2.1.3 喂料量對大米粉沖調性和黏度的影響

由圖3可知,隨著喂料量的增加,大米粉的WSI先升高后降低,WAI、結塊率和黏度先降低后升高。當喂料量增加到20 kg/h時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值。這可能是當喂料量低于20 kg/h時,隨著喂料量的增加,物料自身和機筒腔體間擠壓和摩擦作用加大,物料受熱增加,淀粉糊化程度增大[16],淀粉酶作用能力增加,故WSI逐漸升高,WAI、結塊率和黏度逐漸降低。當喂料量大于20 kg/h時,單位時間內機筒被過度填充,內部壓力增大,擠出速度加快,單位質量物料在機筒中停留時間縮短,物料在機筒內吸收的熱量減少,淀粉糊化不完全,淀粉酶不能充分發揮作用,淀粉等大分子物質無法充分降解[17],生成可溶性物質含量減少,導致WSI降低,WAI、結塊率和黏度升高。

圖3 喂料量對大米粉WSI、WAI、結塊率和黏度的影響

2.1.4 螺桿轉速對大米粉沖調性和黏度的影響

由圖4可知,隨著螺桿轉速的增加,大米粉的WSI先升高后降低,WAI、結塊率和黏度先降低后升高。當螺桿轉速增加到160 r/min時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值。這可能是當螺桿轉速低于160 r/min時,螺桿轉速過低,物料受螺桿的剪切作用及物料與腔體之間的摩擦產熱不充分,淀粉顆粒裂解和糊化不完全[18],淀粉酶作用能力受限,淀粉降解破壞程度較小,可溶性物質生成較少故WSI較低,WAI、結塊率和黏度較大。當螺桿轉速超過160 r/min,隨著螺桿轉速升高,擠出速度加快,物料在機筒內停留時間減少,單位質量內物料在腔體內吸收熱量不充分,淀粉糊化不完全[19],且淀粉和淀粉酶間的作用時間縮短,物料中的淀粉等大分子物質降解不充分,可溶性物質生成較少,淀粉分子形成凝膠能力增強,故WSI逐漸降低,WAI、結塊率和黏度逐漸升高。

圖4 螺桿轉速對大米粉WSI、WAI、結塊率和黏度的影響

2.1.5 水質量分數對大米粉沖調性和黏度的影響

由圖5可知,隨著水質量分數的增加,大米粉的WSI先升高后降低,WAI、結塊率和黏度先降低后升高。當水質量分數增加到16%時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值。這可能是當水質量分數小于16%時,機筒內物料中水質量分數較低,淀粉無法充分吸水糊化,淀粉酶酶解作用能力受限,故WSI較低,WAI、結塊率和黏度較高。當水質量分數大于16%時,由于水分的潤滑作用,物料與螺桿和腔體間摩擦作用減小,物料受剪切和受熱作用減弱,導致物料中的淀粉無法充分糊化[20],淀粉等大分子物質降解程度降低,生成水溶性物質減少,淀粉分子形成凝膠能力增強,故WSI降低,WAI、結塊率和黏度升高。

圖5 水質量分數對大米粉WSI、WAI、和結塊率和黏度的影響

2.1.6 酶添加量對大米粉沖調性和黏度的影響

由圖6可知,隨著高溫α-淀粉酶添加量的增加,大米粉的WSI逐漸升高,WAI、結塊率和黏度逐漸降低。當高溫α-淀粉酶添加量為600 U/g時,大米粉的WSI達到最大值,WAI、結塊率和黏度達到最小值。隨著酶添加量的增加,物料中的淀粉被降解的程度逐漸加大,糊精、還原糖等可溶性物質含量逐漸增加,淀粉分子鏈變短,形成凝膠的能力減弱,故WSI逐漸升高,WAI、結塊率和黏度逐漸降低。當高溫α-淀粉酶添加量超過600 U/g時,隨著酶添加量的增加,WSI并未顯著提高,WAI、結塊率和黏度并未顯著降低,這說明在該條件下,淀粉酶酶解作用能力達到了飽和。因此從節約成本的角度考慮,采用600 U/g的高溫α-淀粉酶添加量進行優化實驗。

圖6 酶添加量對大米粉WSI、WAI、結塊率和黏度的影響

2.2 正交優化實驗

單因素實驗中,采用WSI、WAI、結塊率和黏度4個指標考察了酶解耦合擠壓膨化工藝對大米粉沖調性的影響,通過進一步分析WSI與WAI、結塊率和黏度之間的相關性可知,WSI與WAI、結塊率和黏度均呈顯著的負相關關系。因此,本實驗選取WSI作為正交優化實驗單一評價指標。

2.2.1 正交實驗結果

大米粉酶解耦合擠壓膨化處理工藝正交實驗的結果如表2所示,以WSI為評價指標,通過極差分析可以得到,各因素影響的主次順序為:擠出溫度>喂料量>螺桿轉速>水質量分數,大米粉酶解耦合擠壓膨化處理的最優工藝條件為:原料粉碎度80～100目、高溫α-淀粉酶的用量600 U/g、擠出溫度150 ℃、喂料量24 kg/h、螺桿轉速160 r/min、水質量分數16%。

表2 WSI正交實驗結果

由表3方差分析可知,擠出溫度、喂料量和螺桿轉速均對樣品的WSI有顯著性影響,水質量分數對WSI無顯著影響。

表3 實驗結果方差分析表

2.2.2 驗證實驗

為了進一步驗證實驗的可靠性,將正交實驗得到的最佳工藝參數:原料粉碎度80～100目、高溫α-淀粉酶的用量600 U/g、擠出溫度150 ℃、喂料量24 kg/h、螺桿轉速160 r/min、水質量分數16%,進行驗證實驗,重復測量3次。在此工藝條件下,制備的酶解耦合擠壓膨化大米粉的WSI為66.30%,優于正交優化實驗中所有組別,因此確定此工藝條件為大米粉酶解耦合擠壓膨化處理最佳工藝條件。

2.3 酶解耦合擠壓膨化制備的沖調米粉品質分析

2.3.1 沖調分散性

由表4可知,與直接擠壓膨化處理的大米粉相比,酶解耦合擠壓膨化處理的大米粉WSI提高了168.10%,WAI、結塊率和分散時間分別降低了71.27%、87.80%和27.42%,這可能是酶解耦合擠壓膨化過程中,在高溫、剪切以及高溫α-淀粉酶的催化作用下,米粉中部分淀粉被降解成糊精、還原糖等可溶性物質,導致WSI升高;同時,米粉中淀粉分子間α-1,4糖苷鍵被水解,淀粉分子鏈長變短,淀粉形成凝膠結構的能力變弱,小分子親水物質含量增加,從而導致WAI、結塊率和分散時間降低[21]。這說明酶解耦合擠壓膨化處理工藝可以顯著改善大米粉的沖調分散性。Xu等[22]研究發現高溫α-淀粉酶輔助擠壓膨化處理制備的精米和糙米粉相對于直接擠壓膨化的樣品相比,WSI增加、WAI減少,與本研究一致。本研究酶解耦合擠壓膨化大米粉的WSI高于趙志浩等[23]預酶解-擠壓膨化普通糙米粉WSI的55.93%和張冬媛等[24]發芽-酶解-擠壓膨化糙米的42.06%;WAI低于趙志浩等[23]預酶解-擠壓膨化普通糙米粉的1.96和張冬媛等[24]發芽-酶解-擠壓膨化糙米的3.78;結塊率低于趙志浩等[23]預酶解-擠壓膨化普通糙米粉的18.03%;分散時間高于趙志浩等[23]預酶解-擠壓膨化普通糙米粉的8.48 s,這是由于本實驗中所使用漏斗相對較小,米粉通過漏斗時間過長造成的。綜合來看,酶解耦合擠壓膨化處理工藝對大米粉沖調分散性的改善更加顯著。

表4 沖調分散性

2.3.2 糊化特性

由表5可知,與直接擠壓膨化處理的大米粉相比,酶解耦合擠壓膨化處理的大米粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值分別降低了72.03%、36.25%、48.96%和94.73%,在糊化過程中,其黏度隨溫度變化的幅度較小且糊化特性曲線趨于平直,這可能是酶解耦合擠壓膨化過程中,高溫α-淀粉酶破壞了淀粉分子間的α-1,4糖苷鍵,大量直鏈淀粉和支鏈淀粉分子側鏈被水解,淀粉分子鏈長變短,淀粉分子鏈完整性被破壞,使得淀粉分子間的作用力減弱[25],不利于米粉沖調后凝膠結構的形成,導致米粉的黏度降低、熱穩定性好;同時,由于淀粉分子排列成序性降低,原本的有序結構被破壞,淀粉分子間重新締合成緊密的淀粉分子微晶束的能力減弱,導致米粉回生值降低[26]。這說明酶解耦合擠壓膨化處理工藝可以顯著降低米粉的黏度且制備的米粉熱穩定性好、不易老化回生。陳彩雯等[27]研究發現相對于直接擠壓膨化處理,加酶擠壓處理的小麥淀粉黏度顯著降低,其糊化特性曲線起伏變化不大,與本研究結果相一致。

表5 糊化特性

2.3.3 淀粉、總蛋白、可溶性蛋白和還原糖含量

酶解耦合擠壓膨化處理對大米粉中淀粉、總蛋白、可溶性蛋白和還原糖含量的影響如表6所示。與直接擠壓膨化處理的大米粉相比, 酶解耦合擠壓膨化處理的大米粉淀粉質量分數降低了21.64%,總蛋白含量無顯著變化,可溶性蛋白質量分數降低了72.95%,還原糖質量分數提高了97.12%,在酶解耦合擠壓膨化過程中,淀粉被高溫α-淀粉酶的催化作用下,部分淀粉分子鏈被水解切割成還原糖等小分子物質,所以米粉中淀粉含量降低,還原糖含量升高;在直接擠壓膨化和酶解耦合擠壓膨化過程中,不涉及氮元素的降解與生產,米粉中總氮含量并未發生變化,所以總蛋白含量變化不顯著;而可溶性蛋白含量的降低,與淀粉水解生產還原糖有間接的關系,在高溫、高壓、剪切的作用下,部分大分子蛋白降解成游離氨基酸等可溶性蛋白,部分游離的氨基酸與酶解淀粉生成的還原糖發生美拉德反應,導致可溶性蛋白質的降低[28]。總體來說,酶解耦合擠壓膨化處理工藝可以有效改善大米的預消化性。劉磊等[29]等研究發現,相對于直接擠壓膨化,預酶解-擠壓膨化處理的玉米全粉淀粉質量分數降低了5.86%,還原糖含量升高了1.39倍,與本研究結果一致。

表6 淀粉、總蛋白、可溶性蛋白和還原糖含量

3 結論

以大米為原材料,采用單因素正交實驗,優化建立了酶解耦合擠壓膨化處理工藝,并對在最佳工藝條件下制備的大米粉的品質進行分析。結果顯示酶解耦合擠壓膨化工藝制備大米粉的最優工藝條件為:原料粉碎度80～100目、高溫α-淀粉酶的添加量為600 U/g、擠出溫度150 ℃、喂料量24 kg/h、水質量分數16%、螺桿轉速160 r/min。在此工藝條件下,與直接擠壓膨化制備的大米粉相比,酶解耦合擠壓膨化處理工藝可以顯著提高大米粉的沖調分散性和預消化性,降低大米粉的黏度且大米粉不易老化回生。在實際應用中,酶解耦合擠壓膨化工藝可以應用于大米等谷物方便食品的生產,無需增加額外工藝,具有成本低、操作簡單的優點。本研究為谷物基質粉的擠壓膨化加工制備提供了參考。然而本研究僅探究了酶解擠壓膨化對大米粉沖調分散性的影響,尚需進一步研究淀粉分子的結構變化以及與蛋白等分子的相互作用來明確其影響機制。