脫脂核桃粕擠壓膨化制備膳食營養(yǎng)粉加工工藝的研究

閆圣坤, 楊嘉鵬, 萬文瑜

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所1,烏魯木齊 830091)

(新疆工程學(xué)院2,烏魯木齊 830023)

在核桃仁中,除主要由核桃油和核桃蛋白組成外,還有一些酚類物質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)成分,因而核桃仁具有豐富的營養(yǎng)價值,深受廣大消費(fèi)者喜愛。而對于核桃仁的加工主要以核桃油和核桃蛋白為主。核桃油的營養(yǎng)價值較高,其中含有豐富的亞油酸、亞麻酸和花生烯酸等不飽和脂肪酸,可以有效改善記憶,同時還因其較好的油酸比也更適合于人體的吸收。核桃蛋白質(zhì)中含有18種氨基酸,其中包括的人體所必需氨基酸就有8種。因此核桃具有較高的開發(fā)利用價值。

關(guān)于核桃加工的產(chǎn)品主要有核桃蛋白粉、核桃油、核桃乳飲料等。長期以來,人們一直將核桃油作為核桃生產(chǎn)的主要產(chǎn)品,其營養(yǎng)價值高,是一種高級的食用油,而核桃在脫脂過程中所產(chǎn)生的核桃粕,僅少量被用于核桃蛋白粉的加工,更多則用于牲畜飼料和農(nóng)作物肥料,甚至有些加工工廠直接丟掉,使得資源過度浪費(fèi),同時還會造成環(huán)境的污染。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),核桃粕中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),如蛋白質(zhì)、各種礦物質(zhì)、維生素以及膳食纖維等,其蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更是高達(dá)53.89%,可以作為優(yōu)良的食品原料應(yīng)用于食品當(dāng)中。但到目前為止,國內(nèi)外學(xué)者對于核桃粕的應(yīng)用研究較少,對核桃粕沒有做到足夠的重視。

膳食營養(yǎng)粉是通過將不同原料在一起經(jīng)過粉碎并加工后,經(jīng)過相關(guān)比例混合制成的一種食品沖劑,其營養(yǎng)價值高,低熱量、低飽和脂肪酸、纖維豐富。通過焙烤、擠壓膨化等加工方法,使得營養(yǎng)粉與傳統(tǒng)烘焙相比,蓬松多孔,更有利于人體吸收[1-5]。本研究將基于核桃脫脂粕為原料,采用單因素實(shí)驗和響應(yīng)面優(yōu)化分析,通過考察脫脂核桃粕粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度和螺桿轉(zhuǎn)速這4因素對產(chǎn)品膨脹度、WSI、糊化度的影響,對核桃營養(yǎng)膳食粉制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,并對產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分進(jìn)行分析,以期開發(fā)一款營養(yǎng)價值高、口感與沖調(diào)性較好,滿足消費(fèi)者的日常營養(yǎng)需求,豐富核桃系列產(chǎn)品種類的核桃營養(yǎng)膳食粉。同時為核桃營養(yǎng)膳食產(chǎn)品的開發(fā)提供參考[6-9]。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃脫脂粕,玉米粉,蔬菜粉、大米粉,均購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場后實(shí)驗室粉碎。

1.2 儀器設(shè)備

BF-4拌粉機(jī),TSE65雙螺桿擠壓膨化機(jī),XQ-1旋切機(jī),KX-3-5干燥機(jī),HR-120電子分析天平,F-80多功能高速粉碎機(jī)。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 核桃膳食營養(yǎng)粉制作流程及方法

制作流程見圖1。將脫脂核桃粕粉碎并過80目篩,與玉米粉均勻混合得到核桃混合粉,在混合粉中加入一定量的純凈水并利用拌粉機(jī)攪拌至混合粉均勻,待擠壓膨化機(jī)預(yù)熱后按照一定的速度并保持穩(wěn)定一致將混合粉投至擠壓膨化機(jī)內(nèi),并調(diào)整機(jī)筒溫度分別在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)溫度,調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速,待混合粉膨化完成后,通過微波干燥,再粉碎后過80目篩并冷卻,得到擠壓膨化核桃混合粉。之后將制備好的核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉及小料按照一定比例調(diào)配混合,得到核桃膳食營養(yǎng)粉。

圖1 核桃膳食營養(yǎng)粉制作流程

1.3.2 擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉單因素實(shí)驗

擠壓膨化中脫脂核桃粕粉的膨脹度、WSI及糊化度決定了其脫脂核桃粕粉的沖調(diào)性。確定喂料速度 1 kg/min;核桃混合粉(脫脂核桃粕+玉米粉碎后制得)、蔬菜粉、大米粉、小料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(59.0%+8.0)%、27.5%、4.0%、1.5%。通過對脫脂核桃粕粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度和螺桿轉(zhuǎn)速這4因素研究對擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉的影響,擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉制備的不同因素條件見表1。

表1 擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉制備的不同因素條件

1.3.2.1 核桃混合粉中核桃粕粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ脫脂區(qū) 50 ℃、Ⅱ區(qū)150 ℃,Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度為 180 ℃,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,螺桿轉(zhuǎn)速1 100 r/min,核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、8%、10%、12%,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定物料喂料量。

1.3.2.2 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ區(qū)50 ℃、Ⅱ區(qū)150 ℃,Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度為180 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速1 100 r/min,核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以物料質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水分添加)分別為16%、18%、20%、22%,通過物料膨脹度、WSI、糊化度來確定物料中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2.3 Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

根據(jù)雙螺桿擠壓膨化機(jī)的特點(diǎn),固定膨化溫度Ⅰ區(qū)50 ℃、Ⅱ區(qū)150 ℃,選擇Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度分別為160、170、180、190 ℃,核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、螺桿轉(zhuǎn)速為1 100 r/min,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度。

1.3.2.4 螺桿轉(zhuǎn)速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ區(qū) 50 ℃、Ⅱ區(qū) 150 ℃,Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度為 180 ℃、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,螺桿轉(zhuǎn)速分別為800、1 000、1 200、1 400 r/min,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定螺桿轉(zhuǎn)速。

1.3.3 擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉正交實(shí)驗

根據(jù)對脫脂核桃粕粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度和螺桿轉(zhuǎn)速這4因素研究對擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉的影響的研究,進(jìn)一步采用響應(yīng)面分析法對擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉制備工藝優(yōu)化。基于中心組合實(shí)驗設(shè)計(CCD),選擇對膨脹度、WSI及糊化度有影響的4個主要因素:脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù) A、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù) B、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度 C、螺桿轉(zhuǎn)速 D進(jìn)行4因素3水平Box-Behnken響應(yīng)面分析實(shí)驗[10],擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉實(shí)驗因素與水平見表2。

表2 擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉實(shí)驗因素與水平

1.3.4 膨脹度的測定

通常用徑向膨化率來表示膨脹度。對每組樣品(20個/組)使用千分尺對擠出物料的橫截面直徑進(jìn)行測量并取平均值,徑向膨化率計算公式見式(1)。

(1)

1.3.5 水溶性指數(shù)(WSI)

稱取2 g樣品粉末(m0/g),放入離心管(m1/g)中,向離心管中加入20 mL蒸餾水,劇烈振蕩至樣品均勻分散。并將其置于30 ℃恒溫水浴保溫30 min,期間每隔10 min振蕩1次,之后將懸浮分散液在4 000 r/min的離心機(jī)中離心15 min。取上清液(m2/g),在105 ℃的烘干箱中烘干至恒重(m3/g)。WSI的計算公式見式(2)[11, 12]。

(2)

1.3.6 糊化度的測定

在m1、m2錐形瓶中分別稱取1 g樣品粉末,以m0/g錐形瓶做空白對照。分別向m1、m2和m0中加入50 mL蒸餾水并搖勻,將m1錐形瓶在電爐上加熱,為保持樣品糊化均勻且不燒干,需不斷搖晃錐形瓶,平衡保持微沸狀態(tài)20 min糊化后冷卻至室溫。分別向3個錐形瓶中加入稀釋的糖化酶5 mL,輕微振蕩至均勻混合,將其置于50 ℃恒溫水浴保溫1 h后取出,迅速向錐形瓶中加入1 mol/L的鹽酸2 mL,后定容至100 mL容量瓶后進(jìn)行過濾以備后續(xù)使用。分別移取10 mL濾液放入3個標(biāo)記碘量瓶中,加入0.05 mol/L的碘液10 mL及0.1 mol/L氫氧化鈉溶液18 mL,蓋好瓶塞后在避光處放置15 min,然后分別向碘量瓶中迅速加入體積分?jǐn)?shù)為10%的硫酸2 mL進(jìn)行反應(yīng),之后使用0.05 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定至無色,并記錄滴定所消耗的硫代硫酸鈉體積。糊化度[13]計算公式見式(3)。

(3)

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(shù)下的樣品顆粒形貌。

1.3.8 核桃膳食營養(yǎng)粉品質(zhì)分析

依據(jù)擠壓膨化核桃混合粉最優(yōu)工藝,按照1.3.1核桃膳食營養(yǎng)粉制作工藝,將擠壓膨化核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉、小料按照一定比例調(diào)配混合,各自占比依次為59.0%、8.0%、27.5%、4.0%、1.5%,得到核桃膳食營養(yǎng)粉[14]。對產(chǎn)品的營養(yǎng)成分進(jìn)行分析,參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》對產(chǎn)品中脂肪進(jìn)行檢測[15];參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》對產(chǎn)品中蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測[16];參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》對產(chǎn)品中水分進(jìn)行檢測[17];參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測定》對產(chǎn)品中膳食纖維進(jìn)行檢測[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1.1 核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖2所示,隨著核桃混合粉中脫脂核桃粕粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,膨脹度、WSI、糊化度均先升高后降低,當(dāng)核桃混合粉中脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,膨脹度、WSI、糊化度達(dá)到最高,超過10%時,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度逐漸下降,這主要是因為脫脂核桃粕所占比例超過一定量時,高溫會導(dǎo)致膛體內(nèi)物料焦糊,造成膛內(nèi)擁堵,從而對核桃混合粉膨脹度、WSI、糊化度有一定影響[19, 20],因此選擇合適的核桃混合粉配比,可使產(chǎn)品的綜合品質(zhì)得到進(jìn)一步改善。

圖2 脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.2 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖3所示,膨化度隨著物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,呈先增加再降低的趨勢,在物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,其膨脹度、WSI、糊化度均達(dá)到最高。當(dāng)擠壓膨化的溫度保持不變,物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的原因,導(dǎo)致物料膛體溫度下降,壓力降低,以至于對物料的剪切力不夠,糊化度不高,從而對核桃混合粉膨脹度、WSI造成影響。

圖3 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.3 Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖4所示,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度隨著Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度的上升,呈先上升再下降的趨勢。當(dāng)Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度在180 ℃時,膨化度最高。而隨著Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度的繼續(xù)增高,膨化度降低,這是由于擠壓膨化膛體具有一定的傳導(dǎo)性,溫度、濕度和壓力等會對物料產(chǎn)生的剪切力有一定的影響,因此易產(chǎn)生糊化現(xiàn)象。在當(dāng)Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度達(dá)到一定時,由于Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)已向Ⅲ區(qū)發(fā)生熱量傳導(dǎo),Ⅲ區(qū)膛內(nèi)壓力和溫度均過高,以導(dǎo)致物料未充分膨化,提前產(chǎn)生糊化的現(xiàn)象,從而對產(chǎn)品的膨脹度、WSI、糊化度造成一定影響。

圖4 Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.4 螺桿轉(zhuǎn)速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖5所示,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大,呈先上升再下降的趨勢。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速在800～1 200 r/min時,核桃混合粉膨脹度、WSI、糊化度均隨著螺桿轉(zhuǎn)速的呈增加趨勢;當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min時,其膨脹度、WSI、糊化度轉(zhuǎn)而下降。由于螺桿轉(zhuǎn)速過快,導(dǎo)致膛內(nèi)推動力和剪切力過大,從而縮短了溫度和壓力對物料的作用時間,在物料未發(fā)生糊化就被提前擠出,從而導(dǎo)致核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度降低。

圖5 螺桿轉(zhuǎn)速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.2 擠壓膨化核桃混合粉加工工藝響應(yīng)面實(shí)驗結(jié)果與分析

實(shí)驗設(shè)計與結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗設(shè)計與結(jié)果

2.2.1 膨脹度模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到二次多項式回歸方程:

膨脹度=4.688 76-0.005 376 69A-0.004 179 74B+0.068 745 6C-0.065 225 4D+0.094 783 5AB+0.027 895 5AC+0.004 475 9AD-0.041 846 5BC+0.045 901 4BD-0.060 020 2CD-0.135 204A2-0.150 398B2-0.129 896C2-0.100 639D2

表4 膨脹度擬合回歸方程的方差分析結(jié)果

2.2.2 WSI模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到二次多項式回歸方程:

WSI=16.817 8-0.320 079A+0.035 302 8B+0.194 661C+0.439 364D-0.055 058 8AB-0.121 141AC+0.277 717AD-0.033 041 9BC-0.176 442BD-0.236 595CD-0.774 763A2-0.138 301B2-0.708 595C2-0.621 231D2

表5 WSI擬合回歸方程的方差分析結(jié)果

2.2.3 糊化度模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到二次多項式回歸方程:

糊化度=92.943 9+0.217 07A+0.654 247B-0.000 436 536C-0.236 662D-0.115 141AB+0.761 524AC+0.721 263AD+0.452 444BC-0.121 138BD+0.142 793CD-1.072 71A2-1.219 31B2-0.769 301C2-1.045 91D2

表6 糊化度擬合回歸方程的方差分析結(jié)果

2.2.4 最優(yōu)工藝條件實(shí)驗驗證

在脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等因素共同影響下的最優(yōu)處理工藝為:脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.927%、物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.237%、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度181.499 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速1 194.457 r/min,在此條件下模型預(yù)測的膨脹度、WSI、糊化度分別為4.694%、16.833%、92.988%。

通過單因素和響應(yīng)面分析,取脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度182 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速1 200 r/min為條件進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗,得平均膨脹度、WSI、糊化度分別為4.73%、16.85%、93.24%,與模型預(yù)測結(jié)果接近,驗證Box-Behnken響應(yīng)面模型對擠壓膨化核桃營養(yǎng)粉最有工藝方法的有效可行。

2.2.5 掃描電鏡對比分析

脫脂核桃粕樣品掃描電鏡圖片如圖6所示,分析掃描電鏡圖可發(fā)現(xiàn)原物料顆粒呈現(xiàn)圓球形狀、表面光滑,但現(xiàn)經(jīng)過膨化、混合等處理后,核桃粕膳食營養(yǎng)粉樣品掃描電鏡圖片如圖7所示,原物料圓球形狀顆粒消失,形成了粗糙不平的膨脹表面,表面粗糙度明顯高于脫脂核桃粕樣品,這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因就是通過擠壓膨化高溫、高壓、高剪切的作用下,物料受熱膨脹,然后顆粒破碎然后重組,造成表面粗糙度提高,用水沖調(diào)后口感也較為綿軟,更適合消化。

圖6 脫脂核桃粕樣品掃描電鏡圖片

圖7 核桃粕膳食營養(yǎng)粉樣品掃描電鏡圖片

2.2.6 核桃膳食營養(yǎng)粉品質(zhì)分析

對核桃膳食營養(yǎng)粉成分品質(zhì)進(jìn)行分析,核桃膳食營養(yǎng)粉品質(zhì)分析見表7。

表7 核桃膳食營養(yǎng)粉品質(zhì)分析

3 結(jié)論

通過單因素和中心組合實(shí)驗設(shè)計(CCD)響應(yīng)面分析,得到最優(yōu)工藝條件為當(dāng)脫脂核桃粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、Ⅲ區(qū)擠壓膨化溫度182 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速1 200 r/min時,擠壓膨化脫脂核桃粕膨脹度、WSI、糊化度分別為4.73、16.85、93.24,在此基礎(chǔ)上,確定了將擠壓膨化核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉、小料按照一定比例調(diào)配混合,各自占比依次為59.0%、8.0%、27.5%、4.0%、1.5%,得到核桃膳食營養(yǎng)粉。本實(shí)驗制得的核桃膳食營養(yǎng)粉營養(yǎng)豐富、口感較好、蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,通過工藝條件優(yōu)化、營養(yǎng)價值提高以及提升產(chǎn)品沖調(diào)性等方面對核桃膳食營養(yǎng)粉品質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化,從而滿足消費(fèi)者需求,同時進(jìn)一步促進(jìn)核桃系列產(chǎn)品種類的豐富。