孫志堅， 張 敏， 劉 明， 譚 斌， 殷 東， 高 樂， 孫菲菲

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.北京工商大學(xué)食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048；3.國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

青稞擠壓糊化粉的研制

孫志堅1， 張 敏2，*， 劉 明3， 譚 斌3， 殷 東1， 高 樂2， 孫菲菲2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；
2.北京工商大學(xué)食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048；
3.國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

以青棵粉為原料，采用雙螺桿擠壓改性方法加工速食營養(yǎng)粉，研究擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和物料水分對物料品質(zhì)的影響規(guī)律，并通過二次旋轉(zhuǎn)正交組合實驗（響應(yīng)面實驗），優(yōu)化營養(yǎng)粉工藝參數(shù).結(jié)果表明，物料水分、螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度對于青棵營養(yǎng)粉產(chǎn)品品質(zhì)影響顯著（P＜0.05）.響應(yīng)面試驗得出速食營養(yǎng)粉的較優(yōu)加工條件：螺桿轉(zhuǎn)速290 r/min，溫度165℃和水分含量16.5%.在此優(yōu)化條件獲得青棵預(yù)糊化粉的各項指標為：膨化度3.14，吸水指數(shù)5.92，容重0.53，碘呈色度5.44.

青棵；速食營養(yǎng)粉；雙螺桿擠壓；工藝參數(shù)；響應(yīng)面優(yōu)化

青棵（Hordeum vulgare L.var.nudum hook.f.）又稱元麥、淮麥、米大麥或裸大麥，是禾本科小麥族大麥屬大麥的一種特殊類型［1］.因其在收獲時內(nèi)外穎與穎果分離，籽粒裸露而得名裸大麥.青棵具有耐旱、耐痔薄、生育期短、適應(yīng)性強、產(chǎn)量穩(wěn)定、易栽培等優(yōu)異種性，目前，種植集中分布于青藏高原及內(nèi)蒙古等少數(shù)高寒冷涼地區(qū).青棵營養(yǎng)豐富，具有高蛋白、高纖維、高維生素、低脂肪、低糖等特點，其β-葡聚糖含量居全球大麥之冠，是小麥的50倍.青棵中的β-葡聚糖具有清腸、調(diào)節(jié)血脂、降低膽固醇、阻抗腫瘤、提高免疫力等生理功能［2］.目前，由于青棵食用品質(zhì)差等原因，其開發(fā)處于初級階段，產(chǎn)品單一，附加值低.

擠壓改性是在熱能和機械能的共同作用下，連續(xù)的擠壓、剪切、混合、蒸煮、物料塑性化的加工方式，具有高溫、短時等特點.擠壓改性能使青棵粉α化，改善口感和蛋白消化率，是改善品質(zhì)，提高營養(yǎng)價值的有效途徑.目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)深入研究了小麥［3-4］、大米［5-7］、小米［8］、玉米［9-10］等谷物的擠壓特性，但以純青棵粉擠壓加工特性研究的報道很少.本研究以青棵粉為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)，探討螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分含量、擠壓溫度等擠壓工藝參數(shù)對青棵粉的理化性質(zhì)影響，并以青棵速食營養(yǎng)粉的食用品質(zhì)為指標，優(yōu)化擠壓工藝條件，以期為青棵擠壓速食食品的開發(fā)奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青海西寧唐古風(fēng)商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的青棵粉；實驗室各種常規(guī)化學(xué)試劑均為分析純.

SLG30-IV型雙螺桿擠壓實驗機，濟南賽百諾科技開發(fā)有限公司；WF-20B型高效粉碎機，南京科益機械設(shè)備有限公司；Anke-TDL-5-A型臺式離心機，安亭科學(xué)儀器廠；SHZ-88型臺式水浴恒溫震蕩器，江蘇太倉市試驗設(shè)備廠；TU-1810型系列紫外可見光分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；DGG-9240B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信試驗儀器有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 擠壓實驗方案設(shè)計

實驗采用擠壓機，模孔直徑0.39 cm，長徑比為23∶1，擠壓前24 h測定青棵粉水分含量，根據(jù)物料水分含量要求計算加水量.擠壓機啟動30 min后，按設(shè)定的擠壓條件進行實驗，腔體溫度的Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)，Ⅲ區(qū)的溫度設(shè)定為40，70，100℃，Ⅳ區(qū)溫度分別為100，120，140，160，180，200℃，水分含量設(shè)置為13%，15%，17%，19%，21%，23%，螺桿轉(zhuǎn)速分別為160，200，22，260，300，340 r/min.

1.2.2 樣品處理方法

擠壓產(chǎn)品室溫放置5 min后，放置于40℃烘箱干燥24 h，取部分產(chǎn)品測其膨化度，容重，其余產(chǎn)品經(jīng)粉碎過60目篩后裝入自封袋中，測定水分含量，置于4℃保存.

1.2.3 產(chǎn)品理化特性的測定

1.2.3.1 水分含量的測定

采用AACC44-19方法測量物料水分含量［11］.

1.2.3.2 膨化度的測定

用游標卡尺測量擠壓樣品的直徑，每個樣品隨機測定3次，求其平均值作為產(chǎn)品的平均直徑D（mm）.膨化度用式（1）表示.

式（1）中為擠壓產(chǎn)品平均直徑（mm）；d為模口直徑（3.9 mm）.

1.2.3.3 容重的測定

取一定量的樣品置于洗凈烘干稱重為M1的量杯中，使其與某一水平刻度線對齊，記下該體積V，稱取其重量M2.容重用式（2）表示.

式（2）中，M1為量杯的質(zhì)量（g）；M2為盛有樣品的量杯質(zhì)量（g）；V為樣品的體積（mL）.

1.2.3.4 吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)的測定

取8支經(jīng)洗凈干燥的離心管，分別標號為A，a，B，b，C，c，D，d（大小寫之間的離心管之間互為同一試樣的兩個平行實驗），用千分之一的分析天平準確稱取各離心管的重量，記為M1.然后，分別向A， B，C，D四個管中各稱取0.500 g的四個樣品，a，b，c，d分別為A，B，C，D的平行實驗.接著，用移液槍向各離心管中加入10.0mL的蒸餾水，在室溫下靜置30min，并每隔5 min振蕩一次.然后，將各離心管置于離心機中采用3 000 r/min離心30min.離心結(jié)束后，將離心管中的上清液倒入已洗凈烘干稱重為mL的鋁盒中，并置于烘箱中在135℃下烘干至恒重［12］（約5 h），然后稱重，記為m2.將離心管的剩余部分（連同離心管）再次稱重，記為M2.吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)的計算式見式（3）和式（4）.

式（3）和式（4）中，M1為離心管的質(zhì)量（g）；M2為去上清后離心管的質(zhì)量（g）；m1為鋁盒的質(zhì)量（g）；m2為干燥后鋁盒的質(zhì)量（g）.

1.2.3.5 碘呈色度的測定

參考方便面行業(yè)標準（LS/T3211—1995）中碘呈色度的測定方法［13］.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用“平均數(shù)±標準差”表示實驗數(shù)據(jù)，t值進行顯著性分析，應(yīng)用Spss軟件進行差異性分析.響應(yīng)面試驗采用Design-Expert 8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 單個工藝參數(shù)對青稞特性的影響

2.1.1 擠壓溫度對物料理化特性的影響

膨化度和容重是表征產(chǎn)品膨化程度的指標，圖1、圖2為擠壓溫度對膨化度、容重影響的測定值.由圖1和圖2可以看出膨化度和容重的趨勢相反.在圖1中，隨著擠壓溫度的上升，膨化料的膨化度呈上升趨勢.升高溫度加快物料熔融，在螺桿攪拌、剪切作用下，淀粉顆粒遭到破壞，物料容易被膨化［14］；從圖2中可以看出，隨著擠壓溫度的上升，物料容重呈下降趨勢，原因可能是單位物料吸收的熱能增加，物料發(fā)生焦糖化反應(yīng)，導(dǎo)致容重降低［15］.吸水指數(shù)可以代表淀粉的糊化程度，水溶性指數(shù)可以代表淀粉的降解程度［16］.圖3是擠壓溫度對吸水指數(shù)和水溶指數(shù)影響的測定值.從圖3中可以看出，隨著擠壓溫度的升高，吸水指數(shù)整體呈上升趨勢，而水溶指數(shù)則呈現(xiàn)下降趨勢；在160℃左右時，吸水指數(shù)達到最高值，水溶指數(shù)達到最低值.這說明，在低于160℃擠壓過程中，隨著溫度的升高，大分子的淀粉糊化程度提高，吸水指數(shù)增加；當(dāng)溫度高于160℃時，在高溫、高剪切作用下，淀粉部分降解，分子量降低，持水力下降，吸水指數(shù)降低，水溶性指數(shù)增加；200℃高溫下焦糖化反應(yīng)加速，導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品的水溶性指數(shù)又有所降低［17］.圖4為擠壓溫度對碘呈色度影響的測定值.碘呈色度是衡量方便面熟化性的重要量化指標，碘呈色度越高，方便面復(fù)水性好，口感好［18］.，孫平等在研究中用碘呈色度表征糊化度，研究發(fā)現(xiàn)，碘呈色度與糊化度有良好的線性關(guān)系［19］，因此，本實驗中采用碘呈色度表征淀粉糊化程度.由圖4實驗數(shù)據(jù)可見，隨著擠壓溫度的升高，碘呈色度先下降后上升，在160℃時達到最低，說明此時小分子的物質(zhì)含量較少，直鏈淀粉還有相當(dāng)一部分未分解出來［20］.

圖1 擠壓溫度對膨化度的影響Fig.1 Impact of extrusion temperature on puffing degrees

圖2 擠壓溫度對容重的影響Fig.2 Impactof extrusion temperature on density

圖3 擠壓溫度對吸水指數(shù)和水溶指數(shù)的影響Fig.3 Impactof extrusion temperatures on waterabsorption and water soluble abilities

2.1.2 水分含量對物料理化特性的影響

圖4 擠壓溫度對碘呈色度的影響Fig.4 Impact of extrusion temperature on IOD

圖5 水分含量對膨化度的影響Fig.5 Impact ofmaterialmoisture contents on puffing degrees

圖6 水分含量對容重的影響Fig.6 Impact ofmaterialmoisture contents on density

圖5、圖6分別為水分含量對膨化度和容重影響的測定值.由圖5、圖6顯示，膨化度和容重隨著水分含量的增加，變化趨勢相反.隨著水分含量的上升膨化度是呈現(xiàn)下降趨勢，容重則呈現(xiàn)上升趨勢.降低物料水分，膨化度增加，提高物料水分，容重增大，這與Ding等［21］和魏益民等［22］的研究結(jié)果相一致.圖7為水分含量對吸水性和水溶性影響的測定值.從圖中可以看出，隨著水分含量的增加，物料的水溶性指數(shù)下降，而吸水性指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢.分析原因，可能是由于水分的增加，使水分在物料和腔內(nèi)壁之間的潤滑作用增加，物料在擠壓機腔內(nèi)停留時間縮短，其受到的剪切作用減弱，有機大分子的裂解減少，產(chǎn)生的水溶性物質(zhì)減少，造成擠壓膨化物的水溶性指數(shù)降低，吸水性指數(shù)上升，這個結(jié)果與魏益民等［22］的研究結(jié)論相近.圖8為水分含量對碘呈色度影響的測定值.從圖8中可以看出，水分含量小于17%，碘呈色度變化不大，當(dāng)水分含量大于17%時，碘呈色度總體呈現(xiàn)降低的趨勢.

圖7 水分含量對吸水性和水溶性的影響Fig.7 Impactofmaterialmoisture contents on water absorption and water soluble abilities

圖8 水分含量對碘呈色度的影響Fig.8 Impact ofmaterialmoisture contenton IOD

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對物料理化特性的影響

圖9、圖10為螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度和容重影響的測定值.由圖9、圖10可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，膨化度指標增大，容重下降.原因可能是在低轉(zhuǎn)速下，物料受到的剪切作用較弱，產(chǎn)品容重大，膨化度小.隨著轉(zhuǎn)速的提高，螺桿及腔體對物料的摩擦作用和剪切力增加，部分支鏈淀粉發(fā)生裂解，淀粉分子間的氫鍵作用被削弱，分子骨架的自由空間加大，膨化度高，容重?。?3］.圖11為螺桿轉(zhuǎn)速對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)影響的測定值，從圖11中可以看出，吸水性指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；水溶性指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢.這應(yīng)該與部分物質(zhì)（淀粉、蛋白質(zhì)等）在螺桿高速旋轉(zhuǎn)時，受到較大的剪切作用發(fā)生局部裂解，造成水溶性的物質(zhì)含量增多，吸水性物質(zhì)含量減少［22］密切相關(guān).圖12為螺桿轉(zhuǎn)速對碘呈色度影響的測定值，從圖12中可以看出，碘呈色度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，碘呈色度先增加后減小，在240 r/min達到最大值，在320 r/min后急劇上升.

圖9 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度的影響Fig.9 Impact of screw speeds on puffing degrees

2.2 三因素三水平響應(yīng)面實驗

圖10 螺桿轉(zhuǎn)速對容重的影響Fig.10 Impact of screw speeds on density

圖11 螺桿轉(zhuǎn)速對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響Fig.11 Impact of screw speeds on water absorption and water soluble abilities

圖12 螺桿轉(zhuǎn)速對碘呈色度的影響Fig.12 Impact of screw speeds on IOD

根據(jù)響應(yīng)面實驗的中心組合設(shè)計原理，綜合以上實驗結(jié)果，選取擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量三個因素，采用三因素的響應(yīng)面分析方法優(yōu)化工藝.設(shè)計中心組合實驗因素水平編碼，如表1.根據(jù)表1，設(shè)計青棵預(yù)糊化粉的擠壓響應(yīng)面試驗，并測定膨化度、吸水指數(shù)、水溶指數(shù)、容重和碘呈色度等指標，實驗結(jié)果見表2.

表1 中心組合實驗因素水平編碼表Tab.1 Factors and levels of central composite experimental

表2 青棵預(yù)糊化粉的擠壓響應(yīng)面數(shù)據(jù)Tab.2 Results of response surfacemethodology about squeeze processing of pre-gelatinized barley flour

計算容重指標回歸方程的方差分析和擠壓各因 素對容重顯著性分析，見表3.

表3 容重回歸方程方差分析表Tab.3 Regression variance analysis table of density

利用Design-Expert8.0.6軟件分析實驗數(shù)據(jù)，建立容重的二階響應(yīng)模型，從而找到最優(yōu)響應(yīng)因子水平.得到響應(yīng)值Y1（容重）和各因子（A、B、C）之間的回歸擬合方程：Y1=0.61-0.018A-0.038B+ 0.020C-0.010AB+4.250×10-3AC-7.500×10-4BC-0.021A2-0.016B2-0.020C2.回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.938 5，離回歸標準差=0.8595.從表3可以看出，模型中F=11.87，“Pr＞F”=0.001 8＜0.05，表明得到的回歸方程擬合程度較好，回歸效果顯著，而失擬項P=0.117 2＞0.05，說明回歸方程差異性不顯著.因此，可以應(yīng)用此方程來模擬容重與各因素的關(guān)系.

分別固定擠壓溫度、物料含水量和螺桿轉(zhuǎn)速三個參數(shù)，容重隨其他兩個參數(shù)的變化趨勢見圖13至圖15.從圖13中可看出，擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對容重的影響程度相近，但都不夠顯著.從圖14中可看出，水分含量的影響程度大于螺桿轉(zhuǎn)速，隨著水分含量的增加，容重增加，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，容重先緩慢上升在下降.從圖15中可以看出，水分含量增加，容重增加；擠壓溫度升高，容重先緩慢升高再下降.

圖13 擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對容重的影響Fig.13 Impact of extrusion temperature and screw speed on the density

圖14 水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速對容重的影響Fig.14 Impact ofmaterialmoisture content and screw speed on the density

圖15 水分含量和擠壓溫度對容重的影響Fig.15 Impact ofmaterialmoisture content and extrusion temperature on the density

2.3 擠壓條件的優(yōu)化

通過響應(yīng)面分析獲得的螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和物料含水量各因素之間的影響規(guī)律，綜合考慮Design-Expert軟件給出最優(yōu)的條件：螺桿轉(zhuǎn)速290 r/min，溫度165℃和水分含量16.50%.預(yù)測實驗結(jié)果為：膨化度3.11，吸水指數(shù)6.13，容重0.50，碘呈色度5.53.在此優(yōu)化條件下進行三次驗證試驗，獲得青棵預(yù)糊化粉的各項指標為：膨化度3.14，吸水指數(shù)5.92，容重0.53，碘呈色度5.44，實驗結(jié)果與預(yù)測差別不顯著（膨化度相差0.96%，P1=0.53＞0.05差異不顯著.吸水指數(shù)相差3.4%，P2=0.32＞0.05差異不顯著.容重相差6%，P3=1.00＞0.05差異不顯著.碘呈色度相差1.7%，P4=0.354＞0.05差異不顯著）.說明所獲得的回歸模型與實際擬合較好.

3 結(jié) 論

螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和物料的水分含量對產(chǎn)品的膨化度、容重、吸水性指數(shù)、碘呈色度、水溶性指數(shù)影響顯著（P＜0.05）.

螺桿轉(zhuǎn)速的增加，產(chǎn)品的膨化度增加，容重、吸水性指數(shù)降低.碘呈色度呈先增加后降低的趨勢，水溶性指數(shù)呈先降低后上升的趨勢.螺桿轉(zhuǎn)速在240～280 r/min時，各項指標綜合評價較好；產(chǎn)品的碘呈色度、吸水指數(shù)、膨化度等指標隨著擠壓溫度的升高，均呈下降趨勢，容重先緩慢上升再下降.擠壓溫度在140～160℃時，各項指標綜合評價較好；隨著物料水分含量的增加，產(chǎn)品的容重先緩慢上升再下降，膨化度先升高后降低，吸水指數(shù)增加.物料含水量在17%時，各項指標綜合評價較好.

以膨化度、容重、吸水指數(shù)、水溶指數(shù)、碘呈色度為響應(yīng)值，最終得到最優(yōu)的擠壓條件為：螺桿轉(zhuǎn)速：290 r/min，擠壓溫度：165℃，物料水分含量：16.5%，在此優(yōu)化條件下進行3次驗證實驗，獲得青棵預(yù)糊化粉的各項指標為，膨化度3.14，吸水指數(shù)5.92，容重0.53，碘呈色度5.44，實驗結(jié)果與預(yù)測差別不顯著.

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Developm ent of H ighland Barley Powder Extrusion Gelatinization

SUN Zhi-jian1， ZHANGMin2，*， LIU Ming3， TAN Bin3， YIN Dong1， GAO Le2， SUN Fei-fei2
（1.Food College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；
2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；
3.Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037，China）

Using the twin-screw extrusion modification methods to process instant nutrition powder，the technological parameters：extrusion temperature，materialmoisture content，screw speed on the physicochemical properties of the product quality characteristicswere studied.The results indicated thatmaterial moisture content，screw speed，and extrusion temperature significantly affected（P＜0.05）the quality of barley nutrition powder product.The response surface experiment showed that the optimum processing conditions of instant nutrition powder were screw speed of 290 r/min，temperature of 165℃，and moisture content of16.5%.The indicators of barley pre-gelatinized flour obtained under the optimal conditions were expanded degrees 3.14，injectivity index 5.92，density 0.53，and IOD 5.44.

barley；instant nutrition powder；twin-screw extrusion；process parameters；response surface optimizing

李 寧）

TS211.3

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.01.006

2095-6002（2014）01-0027-07

孫志堅，張敏，劉明，等.青棵擠壓糊化粉的研制.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2014，32（1）：27-33. SUN Zhi-jian，ZHANG Min，LIU Ming，et al.Development of highland barley powder extrusion gelatinization.Journal of Food Science and Technology，2014，32（1）：27-33.

2013-12-17

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAD34B05）.

孫志堅，男，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工；*張 敏，女，教授，主要從事糧食、油脂與植物蛋白工程方面的研究.通訊作者.