杜江美，張 暉，錢(qián)海峰，王 立，郭曉娜，齊希光

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

擠壓膨化是一種高溫短時(shí)的食品加工方法，該方法具有原料浪費(fèi)少、產(chǎn)量高、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、原料適用性廣、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于以淀粉為基質(zhì)的物料加工中。擠壓谷物可進(jìn)一步加工為休閑食品和早餐谷物等，是擠壓食品中最重要的一類，現(xiàn)已經(jīng)成為研究與加工的熱點(diǎn)。其中有關(guān)擠壓谷物的理化性質(zhì)的研究也很多，諸如Ilo S[2]研究了雙螺桿擠壓條件對(duì)玉米表觀粘度和特性的影響等。也有學(xué)者對(duì)原料成分與擠壓產(chǎn)品的理化性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，如Hoan[3]研究了淀粉、脂肪和水分含量對(duì)大米擠壓產(chǎn)品特性的影響，Singh B[4]研究了水分、溫度和豌豆添加量對(duì)大米擠壓產(chǎn)品性質(zhì)的影響。其中，研究原料成分與擠壓產(chǎn)品理化性質(zhì)之間的關(guān)系有助于選擇適合的原料作為產(chǎn)品的基料，對(duì)擠壓休閑食品和早餐谷物基料的選擇尤為重要。然而國(guó)內(nèi)外很少有系統(tǒng)地研究多種谷物原料成分與擠壓產(chǎn)品的理化性質(zhì)之間的相關(guān)性。

作者選擇了常見(jiàn)的9種谷物，包括米類、麥類及豆類，試圖探究物料成分與擠壓產(chǎn)品的理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)研究了理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，為休閑食品和早餐谷物加工基料的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米、小麥、大米、燕麥、大麥、小米、黑米、紅豆、綠豆：購(gòu)于無(wú)錫一袋米糧食公司；Taka淀粉酶，F(xiàn)luka 86247：西格瑪公司；中溫淀粉酶：無(wú)錫杰能科酶制劑公司；濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醚、無(wú)水乙醇、碘、硫代硫酸鈉：均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PTW24/25D雙螺桿擠壓機(jī)：Thermo Electron Corportion 生產(chǎn)，螺桿直徑 24 mm，長(zhǎng)徑比為 25∶1，模口直徑5 mm，配備Brabender雙螺桿喂料器（型號(hào)DDSR20N-PRISM）；TA-XT2i物性測(cè)定儀：英國(guó)Stable Micro System公司；離心機(jī)：長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)有限公司；分光光度計(jì)：無(wú)錫科達(dá)智能儀器廠；游標(biāo)卡尺：0～150 mm，杭州工具量具有限公司；HWS24型水浴鍋：上海一恒科技有限公司；消化爐：上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 主要成分分析 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：GB 5009.3-85；蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：GB/T 14489.2-2008；粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：GB/T 14772-2008；總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：GB/T 5514-2008；直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：參考Scott JM的方法[5]。

1.3.2 糊化度的測(cè)定 酶水解法，參考王肇慈的方法[6]。

1.3.3 吸水指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的測(cè)定

1）WAI：準(zhǔn)確稱取2.5 g磨碎的樣品，在30℃時(shí)與30 mL蒸餾水一起放入恒重的50 mL離心管中，攪動(dòng)30 min，然后3 000 g離心10 min。上清液轉(zhuǎn)入恒重的稱量皿中，稱量留下的膠體的質(zhì)量[7]，計(jì)算WAI：

式中：m1為離心管質(zhì)量，g；m2為盛有膠體的離心管質(zhì)量g；W為樣品質(zhì)量，g。

2）WSI：將上述WAI測(cè)定中的上清液蒸發(fā)后，測(cè)得溶解于上清液中的樣品的質(zhì)量，計(jì)算WSI。

式中：m1為蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；m2為上清液蒸發(fā)后蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；W 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.4 橫向膨脹度（CE）和縱向膨脹度（LE） 測(cè)量方法：從擠壓后的樣品中任意取20根40 mm長(zhǎng)度左右的樣品，用游標(biāo)卡尺測(cè)量各樣品的長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)[8-9]。

式中：d為測(cè)量的樣品的直徑，mm；D為模頭直徑，mm。

式中：l為樣品的長(zhǎng)度，cm；m為對(duì)應(yīng)樣品的質(zhì)量，g。

1.3.5 硬度的測(cè)定 采用TA-XT2i物性測(cè)定儀，探頭類型HPB/3PB，壓縮模式，距離40 mm，前進(jìn)速度為2 mm/s，斷裂速度為2 mm/s，后進(jìn)速度為5 mm/s，最大力峰值即為硬度[10]。

1.3.6 脆性和保脆性的測(cè)定 采用TA-XT2i物性測(cè)定儀，條件同上，以線性距離（Linear Distance）表示為脆性。將樣品在常溫蒸餾水中浸泡5 min后測(cè)其脆性，以此來(lái)表示保脆性。

1.3.7 工藝流程 原料→粉碎過(guò)40目→調(diào)整水分，均質(zhì)→雙螺桿擠壓膨化→55℃烘箱干燥2 h→成品

雙螺桿擠壓膨化的工藝條件：水分含量 （24±1）%，喂料速度 1.6（35 r/min），四段螺桿溫度從Ⅰ區(qū)到Ⅳ區(qū)依次為70、90、120、140℃，螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min。

1.3.8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析采用DPS v7.05版中的相關(guān)分析程序；采用Microsoft Office Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料成分分析

所選用的谷物主要組成成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 原料的主要成分Tab.1 Proximate composition of raw materials

2.2 擠壓谷物的理化性質(zhì)

擠壓谷物的理化性質(zhì)，主要包括糊化度、吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)、膨脹度、硬度、脆性和保脆性。

2.2.1 糊化度 擠壓是一個(gè)高溫高壓的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，淀粉主要發(fā)生兩種變化：糊化和降解。淀粉經(jīng)高溫蒸煮，顆粒中淀粉大分子之間的氫鍵削弱，造成淀粉顆粒的部分解體，形成網(wǎng)狀組織，粘度上升，發(fā)生糊化。擠壓過(guò)程中淀粉的糊化程度與擠壓過(guò)程中幾乎所有的參數(shù)都有關(guān)：擠壓溫度、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)等，除此之外，原料的化學(xué)成分諸如直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有重要影響。

由圖1可以看出，擠壓處理之后除了紅豆的糊化度在83%之外，其他谷物的糊化度都達(dá)到了90%以上。這說(shuō)明擠壓加工可以較大幅度地提高淀粉的糊化度，進(jìn)而提高淀粉的消化率，這是擠壓工藝較傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢(shì)之一。

圖1 擠壓谷物的糊化度Fig.1 Gelatinization degree of extruded grains

2.2.2 吸水指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI） 吸水指數(shù)是淀粉在水中分散吸水能力的指標(biāo)，也是淀粉溶脹能力的指標(biāo)。它取決于親水基團(tuán)的可利用性及大分子形成凝膠的能力。糊化和斷裂導(dǎo)致淀粉破壞程度的提高，吸水指數(shù)也隨即提高[11]。

由圖2可以看出，擠壓后谷物的吸水指數(shù)都有較大幅度的提高，其中小米、小麥和大麥擠壓后的吸水指數(shù)是擠壓前的3倍左右，玉米、大米和燕麥?zhǔn)菙D壓前的2倍左右。這主要是因?yàn)樵跀D壓之后淀粉糊化膨脹，形成多孔疏松的結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)導(dǎo)致水分容易進(jìn)入，與親水基團(tuán)結(jié)合，吸水指數(shù)隨之增大。

圖2 谷物擠壓前后的吸水指數(shù)Fig.2 WAI of grains before and after extrusion

水溶性指數(shù)通常作為大分子物質(zhì)降解的指標(biāo)，衡量在擠壓過(guò)程中淀粉大分子降解成可溶性多糖的數(shù)量[12]。較高的水溶性指數(shù)可以增加產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)素和能量的可利用性[13]。

由圖3可以看出，除了小麥和大麥之外，其它谷物的水溶性指數(shù)都有提高。其中大米擠壓后的水溶指數(shù)是擠壓前的11倍。這主要是因?yàn)榇竺椎矸壑兄ф湹矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，支鏈淀粉在擠壓后多降解為多糖、寡糖等，進(jìn)而水溶性指數(shù)提高。玉米擠壓后水溶性指數(shù)提高到擠壓前的6倍左右，小米和黑米提高了4倍左右。水溶性指數(shù)高，對(duì)于提高產(chǎn)品的消化率有重要意義。

圖3 谷物擠壓前后的水溶性指數(shù)Fig.3 WSI of grains before and after extrusion

2.2.3 膨脹度 膨脹度是擠壓產(chǎn)品最重要的指標(biāo)之一。膨脹度分為橫向膨脹度（CE）和縱向膨脹度（LE）兩種。橫向膨脹度為樣品直徑和?？字睆街鹊钠椒?，反映樣品的橫向膨脹情況?？v向膨脹度為樣品長(zhǎng)度和質(zhì)量之比，即單位質(zhì)量樣品的長(zhǎng)度。

由圖4可以看出，小麥和大麥的橫向膨脹度明顯高于其他樣品，這可能與這兩個(gè)樣品的淀粉和直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高有關(guān)，亦可能因?yàn)樗仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，較適合小麥和大麥的擠壓膨化。淀粉是膨化的主要物質(zhì)，也有研究表明，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以內(nèi)與膨脹度呈正相關(guān)，之后為負(fù)相關(guān)[14]。通?？v向膨脹度和橫向膨脹度呈負(fù)相關(guān)，圖4也反映了這個(gè)趨勢(shì)。

圖4 擠壓谷物的膨脹度Fig.4 The expansion ratio of extruded grains

2.2.4 硬度 硬度也是擠壓產(chǎn)品重要的指標(biāo)之一。Brncic等研究了擠壓條件對(duì)全小麥粉擠出物硬度的影響，發(fā)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速、溫度和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)擠出物的硬度都有顯著影響[15]。由圖5可以看出，除燕麥外其它谷物的硬度都較高，其中小麥的硬度最大。這與不同的谷物擠壓后產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如何使擠壓產(chǎn)品具有適宜的硬度，需要進(jìn)一步研究。

圖5 擠壓谷物的硬度Fig.5 Hardness of extruded grains

2.2.5 脆性和保脆性 脆性是擠壓休閑食品的重要指標(biāo)，保脆性是谷物早餐食品的重要指標(biāo)。王亮[16]研究了原料特性對(duì)谷物早餐保脆性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，保脆性明顯降低，隨著脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，保脆性增大。

圖6反映了擠壓谷物的脆性和保脆性?？梢钥闯?，脆性和保脆性呈現(xiàn)了一致的變化趨勢(shì)，即脆性大則保脆性也較大。圖6也可以看出，玉米、大米、小麥、大麥和燕麥的脆性和保脆性較大，而小米、黑米、紅豆和綠豆的脆性和保脆性較小。

圖6 擠壓谷物的脆性和保脆性Fig.6 Crispness and bowl life of extruded grains

2.3 原料成分與理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

關(guān)于原料特性和理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析，有很多研究者進(jìn)行過(guò)類似的研究。Chinnaswamy等[14]研究了玉米淀粉中直鏈淀粉與擠壓膨化特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到50%時(shí)，膨脹度從8增加到16.4，隨著直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)再增加，膨脹度反而下降。Hoan等[3]研究發(fā)現(xiàn)：脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8.2%時(shí)，大米膨脹度最?。欢矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%增加到70%的過(guò)程中，膨脹度越來(lái)越大；淀粉的糊化度隨著淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；吸水指數(shù)取決于淀粉、脂肪和水分因素的綜合作用。

表2反映了原料成分與擠壓后產(chǎn)品理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系。由表2可以看出：糊化度與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（42.91%～81.36%）呈顯著正相關(guān)，與蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（6.86%～21.49%）呈極顯著負(fù)相關(guān)。糊化度與淀粉呈正相關(guān)，與前人的研究結(jié)果一致。蛋白質(zhì)與糊化度之間本沒(méi)有直接關(guān)系，但本次試驗(yàn)卻顯現(xiàn)出了極顯著的負(fù)相關(guān)性。原因可能是蛋白質(zhì)和淀粉為谷物的主要成分，所以蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)多則淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)就少，糊化度就低。

表2 擠壓谷物原料成分與理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between the composition of grains and physicochemical properties of extruded products

由表2同樣看出，吸水指數(shù)與蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，水溶性指數(shù)與蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與淀粉和直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（6.37%～48.27%）呈極顯著負(fù)相關(guān)。淀粉在擠壓過(guò)程中發(fā)生降解，進(jìn)而增加吸水指數(shù)。水溶性指數(shù)與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，此結(jié)果與前人的研究結(jié)論一致。水溶性指數(shù)與直鏈淀粉呈極顯著負(fù)相關(guān)，原因?yàn)橹ф湹矸墼跀D壓加工中遭到破壞，降解為可溶性多糖，水溶性提高，而直鏈淀粉無(wú)顯著變化。關(guān)于保脆性與原料成分之間關(guān)系的研究至今未見(jiàn)報(bào)道，而在本研究中發(fā)現(xiàn)保脆性和直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，原因可能是直鏈淀粉在擠壓中變化較小，而支鏈淀粉則降解為可溶性多糖，致使產(chǎn)品浸泡之后容易溶解，保脆性下降。

綜上所述，做休閑食品和早餐谷物可以選擇膨脹度和脆性都較高，而硬度較小的玉米、大米、大麥為基料。早餐谷物也可以通過(guò)添加直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的原料來(lái)提高產(chǎn)品的保脆性。

2.4 理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

擠壓谷物的理化性質(zhì)之間存在復(fù)雜的關(guān)系，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究。任嘉嘉[17]研究了擠壓燕麥產(chǎn)品特性之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品硬度與脆性、吸水指數(shù)之間存在極顯著負(fù)相關(guān)，產(chǎn)品脆性和吸水指數(shù)之間存在顯著正相關(guān)。

表3顯示了擠壓谷物理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系。由表3可以看出，水溶性指數(shù)和糊化度之間呈顯著負(fù)相關(guān)，和吸水指數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)閿D壓膨化過(guò)程中淀粉發(fā)生的兩種變化——糊化和降解，是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。吸水指數(shù)可以間接反映淀粉的糊化程度，而水溶性指數(shù)又代表了淀粉的降解程度，所以兩者呈負(fù)相關(guān)。橫向膨脹度和縱向膨脹度之間為顯著負(fù)相關(guān)，這可由兩者的定義推斷出。硬度和橫向膨脹度之間呈顯著的正相關(guān)，說(shuō)明產(chǎn)品膨脹的越好，硬度越大，需要兩者兼顧才能得到最佳產(chǎn)品。脆性和保脆性之間是呈極顯著正相關(guān)，這說(shuō)明浸泡前后產(chǎn)品的脆性和保脆性變化一致。

表3 擠壓谷物理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between the physical and chemical properties of extruded grains

3 結(jié)語(yǔ)

擠壓后谷物的許多理化性質(zhì)都得到了較好的改善，糊化度得到較大幅度的提高，吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)得到不同程度的提高，這些都有利于產(chǎn)品的消化吸收。擠壓谷物的理化性質(zhì)和原料成分之間也存在極其復(fù)雜的關(guān)系，其中糊化度與蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（6.86%～21.49%）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（42.91%～81.36%）呈顯著正相關(guān)；吸水指數(shù)與蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與淀粉呈極顯著正相關(guān)；水溶性指數(shù)與蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與淀粉和直鏈淀粉（6.37%～48.27%）呈極顯著負(fù)相關(guān)；保脆性和直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)。對(duì)于做擠壓休閑食品和早餐谷物，可以選擇膨脹度和脆性都較高而硬度較小的玉米、大米、大麥為基本原料。而早餐谷物也可以多添加直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的原料，以提高保脆性。除此之外，理化性質(zhì)各指標(biāo)之間也存在一定的相關(guān)性，其中水溶性指數(shù)和糊化度之間呈顯著負(fù)相關(guān)，與吸水指數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)；橫向膨脹度和縱向膨脹度之間為顯著負(fù)相關(guān)，與硬度呈顯著正相關(guān)；脆性和保脆性呈極顯著正相關(guān)。

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