王 慶,張 光,楊春華,呂銘守,劉琳琳,王尚杰,石彥國

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

擠壓膨化對大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響

王 慶,張 光,楊春華,呂銘守,劉琳琳,王尚杰,石彥國*

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

以大米粉為原料,采用擠壓膨化法研究擠壓膨化對大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響,通過單因素及正交實驗分析了物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、第五區(qū)溫度對大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響,分析得出擠壓膨化大米粉的最佳參數(shù)為:物料含水量為18%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃;在此實驗條件下進行驗證實驗,糊化度為90.72%,蛋白質(zhì)體外消化率為82.80%,擠壓膨化后大米粉蛋白質(zhì)體外消化率比未經(jīng)擠壓處理的大米粉蛋白質(zhì)體外消化率提高了10.31%。本研究為大米精深加工提供一定的參考。

大米粉,擠壓膨化,糊化度,蛋白質(zhì)體外消化率

大米又稱“稻米”,是我國人民的主要糧食作物之一。大米中含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)及微量元素[1],為人體生命活動提供能量和營養(yǎng)。目前,大米的主要食用方式為蒸、煮[2],產(chǎn)品形式單一,大米食品的營養(yǎng)物質(zhì)在加工過程中會隨時間的增加而流失[3-4],容易出現(xiàn)“回生”的現(xiàn)象而影響到口感[5-6],此外,大米蛋白中含有較多的二硫鍵及表面疏水的氨基酸殘基[7],這對大米制品的精深加工及應(yīng)用都造成了一定的不利影響。

擠壓膨化技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成本低、生產(chǎn)種類多、物料浪費少、營養(yǎng)損失少、易消化吸收、有利于長期儲存等特點[8-10]。經(jīng)過預(yù)處理的原料在機腔內(nèi)部的高溫、高壓、高剪切力的條件下,淀粉發(fā)生糊化、裂解,糊化度會明顯提高[11],糊化度越高越易被人體中的酶水解,有利于消化吸收[12];蛋白質(zhì)發(fā)生變性及重組,蛋白質(zhì)體外消化率也會隨工藝參數(shù)的改變而變化[13-14],Prudencio-ferreira和Fischer分別通過擠壓膨化對大豆分離蛋白擠出物及小麥蛋白擠出物中的二硫鍵含量進行測定,得出擠壓膨化可以降低原料中的二硫鍵含量[15-16],主要是由于擠壓過程中的機械剪切作用破壞了蛋白質(zhì)分子間的二硫鍵及疏水的表面氨基酸殘基,使原來被包裹住易被酶解的位點暴露出來,進而提高消化率[17]。當(dāng)物料從?？讎姵龅乃查g,由強大壓力差及第五區(qū)溫度的作用下,水分快速閃蒸,物料發(fā)生膨化,在外觀形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變,從而達到擠壓膨化的目的[18]。

本研究采用擠壓膨化技術(shù)處理大米粉,在不同工藝參數(shù)條件下得到擠壓產(chǎn)品,分析其糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率隨工藝參數(shù)條件改變的變化規(guī)律,在保證較高蛋白質(zhì)體外消化率的條件下,以提高大米粉的糊化度,為大米精深加工提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

東北五常香米 哈爾濱億鴻達米業(yè)有限公司;硫酸鉀 分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司;硫酸銅 分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;硫酸、硫代硫酸鈉 分析純,天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司;氫氧化鈉 分析純,天津市禹明化學(xué)試劑廠;鹽酸 分析純,北京化工試劑廠;硼酸 分析純,上?；瘜W(xué)試劑采購供應(yīng)五聯(lián)化工廠;碘 分析純,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;碘化鉀 分析純,上海展云化工有限公司;糖化酶(酶活1∶100000)、胃蛋白酶(酶活1∶10000)、胰蛋白酶(酶活1∶250) 均為生化試劑,北京博奧拓達科技有限公司。

DSE-25型雙螺桿擠壓機 德國Brabender公司;ALC-210.2型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;DHG-9203A型電熱恒溫干燥箱、HWS24型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;FW135型中草藥粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;DGB/20-002型臺式干燥箱 中華人民共和國重慶實驗設(shè)備廠制造;KDY-9820型凱氏定氮儀 上海洪紀(jì)儀器公司;TDZ4-WS型臺式低速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大米粉擠壓膨化研究的技術(shù)線路 大米→粉碎(過40目篩)→調(diào)節(jié)水分→擠壓膨化→冷卻→密封保存→測定糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率

1.2.2 大米粉的擠壓膨化單因素實驗 在大量預(yù)實驗的基礎(chǔ)上確定了前四個區(qū)溫度和喂料速度,不當(dāng)?shù)墓に噮?shù)會造成雙螺桿擠壓機無法正常進行膨化。因此在進行擠壓膨化實驗前,設(shè)定擠壓膨化機的前四個區(qū)溫度依次為90、110、140、160 ℃,保持喂料速度為35 r/min。

1.2.2.1 物料含水量對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 改變物料含水量依次為12%、15%、18%、21%、24%,設(shè)定第五區(qū)溫度為200 ℃;螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min,進行實驗,測定樣品的糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率。

1.2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 改變螺桿轉(zhuǎn)速依次為170、180、190、200、210 r/min;物料含水量為18%。設(shè)定第五區(qū)溫度為200 ℃,進行實驗,測定樣品的糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率。

1.2.2.3 第五區(qū)溫度對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 改變第五區(qū)溫度依次為170、180、190、200、210 ℃;物料含水量為18%。螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min,進行實驗,測定樣品的糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率。

1.2.3 大米粉的擠壓膨化正交實驗 為了分析物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速及第五區(qū)溫度之間交互作用對糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響,在單因素實驗的基礎(chǔ)上,設(shè)計正交實驗,實驗因素和水平見表1。

表1 L9(34)正交實驗的因素和水平Table 1 Factors and levels of L9(34)orthogonal experiment

1.2.4 大米粉擠壓膨化后糊化度的測定 采用糖化酶法測定糊化度[19]。

1.2.5 大米粉擠壓膨化后蛋白質(zhì)體外消化率的測定 蛋白質(zhì)體外消化率的測定方法參考甄紅敏[20]的方法,并做出適當(dāng)改進。具體操作如下:準(zhǔn)確稱取1.0000 g的樣品分散于25 mL磷酸緩沖溶液(pH=6.0,0.1 mol/L),加入10 mL HCl(0.2 mol/L)置于37 ℃水浴中預(yù)熱5 min,加入由0.01 mol/L HCl配制的胃蛋白酶,在37 ℃恒溫振蕩器上反應(yīng)120 min,用1 mol/L的NaOH 調(diào)節(jié)pH7.0 終止消化反應(yīng),以酶:底物為1∶100加入胰蛋白酶,消化120 min后4000 r/min離心15 min棄去上清液。采用凱氏定氮法(GB/T 5009.5-2010)測定殘渣中的氮含量,體外消化率的計算公式如下:

式(1)

其中:X-蛋白質(zhì)體外消化率,%;M-樣品中的氮,g;m-未消化的氮,g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件及SPSS 17.0 軟件對實驗結(jié)果進行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 大米粉的擠壓膨化單因素實驗結(jié)果

2.1.1 物料含水量對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 由圖1可知,大米粉經(jīng)過擠壓膨化后糊化度、蛋白質(zhì)體外消化率隨物料含水量的增加均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,當(dāng)大米粉的含水量12%～21%范圍內(nèi)時,擠壓膨化后的糊化度可以達到85%以上。蛋白質(zhì)體外消化率在大米粉的含水量為12%～18%的范圍內(nèi)呈增加趨勢,蛋白質(zhì)體外消化率保持在80%以上。當(dāng)物料含水量超過18%時,水分的潤滑作用增強,大米粉在機筒內(nèi)受到的剪切、摩擦作用減弱[21],導(dǎo)致大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率顯著下降。

圖1 物料含水量對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響Fig.1 Effect of material moisture on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 由圖2可知,螺桿轉(zhuǎn)速為170～190 r/min范圍內(nèi),大米粉糊化度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加,當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時,糊化度下降。螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切作用對大米粉中的淀粉結(jié)構(gòu)進行機械破裂而引起糊化,當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過190 r/min時,大米粉在機腔內(nèi)的停留時間變短,進而使糊化度下降。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響Fig.2 Effect of screw speed on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

蛋白質(zhì)體外消化率在螺桿轉(zhuǎn)速為170～190 r/min范圍內(nèi)增加,當(dāng)超過190 r/min時,蛋白質(zhì)體外消化率降低。這主要是由于在較低螺桿轉(zhuǎn)速下,大米粉在腔體內(nèi)所停留時間較長,吸收的熱量使蛋白質(zhì)由大分子分解成小分子,大米粉的蛋白質(zhì)體外消化率得到了提高;當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過190 r/min時,物料由于在腔體內(nèi)停留時間縮短,導(dǎo)致蛋白變性程度低，進而蛋白質(zhì)體外消化率下降[22]。從圖中還可看出,在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下(≥190 r/min)時的蛋白質(zhì)體外消化率明顯高于低轉(zhuǎn)速下(<190 r/min)的蛋白質(zhì)體外消化率,這可能與產(chǎn)生的剪切力作用的強度有關(guān),其剪切力的強度影響了大米粉中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),低轉(zhuǎn)速的條件下,剪切力強度小,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)未被完全展開,部分蛋白質(zhì)的反應(yīng)位點暴露的少,不利于酶解反應(yīng),也導(dǎo)致了蛋白質(zhì)體外消化率降低。

2.1.3 第五區(qū)溫度對大米粉擠壓膨化后糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響 由圖3可知,大米粉經(jīng)過擠壓膨化后，糊化度隨著第五區(qū)溫度的升高先增加后降低。隨著第五區(qū)溫度的升高(170～200 ℃),大米粉吸收熱量從而使糊化度逐漸增加,當(dāng)?shù)谖鍏^(qū)溫度為200 ℃時,糊化度達到了最大值,再繼續(xù)升高第五區(qū)溫度,糊化度降低,可能是因為過高的溫度導(dǎo)致淀粉分子發(fā)生降解,使可以發(fā)生糊化的淀粉含量減少,進一步導(dǎo)致糊化度的降低,部分?jǐn)D壓后的樣品出現(xiàn)了焦糊,可能與淀粉分子發(fā)生降解有關(guān)。楊銘鐸在谷物膨化機理的研究中,通過分析谷物擠壓前后的淀粉、糊精以及還原糖的含量變化,也得出了在谷物膨化的過程中淀粉發(fā)生了降解的結(jié)論[23]。在玉米擠壓膨化過程中糊化度可從13.4%提高到81.55%,淀粉發(fā)生糊化的同時也會發(fā)生降解反應(yīng),生成葡萄糖、麥芽糖等小分子物質(zhì)[24]。

圖3 第五區(qū)溫度對大米粉擠壓膨化后及蛋白質(zhì)體外消化率的影響Fig.3 Effect of the fifth zone temperature on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

當(dāng)?shù)谖鍏^(qū)溫度從170 ℃增加到190 ℃時,蛋白質(zhì)體外消化率增加,當(dāng)?shù)谖鍏^(qū)溫度超過190 ℃后,蛋白質(zhì)體外消化率降低。隨著溫度的升高,維持蛋白質(zhì)的三、四級結(jié)構(gòu)的結(jié)合力變?nèi)?分子間氫鍵、二硫鍵等部分發(fā)生斷裂,使原來呈折疊狀的肽鏈伸展而導(dǎo)致蛋白質(zhì)最終變性,其結(jié)構(gòu)發(fā)生了延伸、重組,易被消化酶酶解的位點暴露出來,提高了蛋白質(zhì)的體外消化率。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時,蛋白質(zhì)容易形成大分子的聚集體,其中的二硫鍵也會在高溫條件下重新發(fā)生交聯(lián),最終使蛋白質(zhì)體外消化率下降。除此之外,溫度升高時有利于發(fā)生美拉德反應(yīng),有利于生成風(fēng)味化合物[25],當(dāng)溫度超過某一溫度時,容易發(fā)生焦糊現(xiàn)象而產(chǎn)生“焦糊味”,口感變差。

2.2 擠壓膨化對大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的正交實驗及方差分析

通過單因素實驗分析了大米粉擠壓膨化后糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率的影響,以糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率為考察指標(biāo),利用 L9(34)正交實驗研究物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速和第五區(qū)溫度三個因素對擠壓膨化后大米粉的糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率的影響,如表2所示,方差分析結(jié)果見表3、表4。

表3 擠壓條件對大米粉糊化度的方差分析Table 3 Analysis of variance for gelatinization degree of rice flour with various extrusion conditions

表4 擠壓條件對大米粉蛋白質(zhì)體外消化率的方差分析Table 4 Analysis of variance for protein digestibility of rice flour with various extrusion conditions

從表2、表3和表4可以看出:擠壓膨化大米粉過程中,對糊化度影響最大的是螺桿轉(zhuǎn)速,物料含水量次之,第五區(qū)溫度的影響最小,螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響顯著,物料含水量和第五區(qū)溫度對糊化度的影響不顯著,最優(yōu)組合為A2B1C2,即物料含水量為18%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃。對蛋白質(zhì)體外消化率影響最大的是螺桿轉(zhuǎn)速,第五區(qū)溫度次之,物料含水量的影響最小,物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速及第五區(qū)溫度對蛋白質(zhì)體外消化率影響均不顯著,最優(yōu)組合為A3B1C2,即物料含水量為21%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃。

在此實驗條件下進行驗證實驗,當(dāng)物料含水量為18%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃,大米粉糊化度為90.72%,蛋白質(zhì)體外消化率為82.80%;當(dāng)物料含水量為21%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃,大米粉糊化度為86.40%,蛋白質(zhì)體外消化率為82.68%;未經(jīng)過擠壓處理的大米粉糊化度為0%,蛋白質(zhì)體外消化率為75.06%,可見最優(yōu)方案為:物料含水量為18%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃。

3 結(jié)論

通過擠壓膨化對大米糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率的影響研究表明,螺桿轉(zhuǎn)速對大米粉糊化度及蛋白質(zhì)體外消化率均有較大的影響,通過L9(34)正交實驗確定了擠壓膨化大米粉的最佳參數(shù)為:物料含水量為18%,螺桿轉(zhuǎn)速為190 r/min,第五區(qū)溫度為190 ℃。在此實驗條件下進行驗證實驗,擠壓膨化后的大米粉糊化度為90.72%,蛋白質(zhì)體外消化率為82.80%,未經(jīng)過擠壓膨化處理的大米粉蛋白質(zhì)體外消化率為75.06%,擠壓膨化后大米粉蛋白質(zhì)體外消化率比未經(jīng)擠壓膨化處理的大米粉蛋白質(zhì)體外消化率提高了10.31%,為大米精深加工提供一定的參考。

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Effect of extrusion on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

WANG Qing,ZHANG Guang,YANG Chun-hua,LV Ming-shou,LIU Lin-lin,WANG Shang-jie,SHI Yan-guo*

(Key Laboratory of Food Science and Engineering,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076，China)

Rice flour was chosen as raw material to study the effect of extrusion on gelatinization degree and protein digestility. The effect of material moisture content,screw rotation speed and the fifth area temperature on gelatinization degree and protein digestility of rice flour were investigated through single factor experiment and orthogonal experiment. Based on these above,the results showed the best parameters of rice expansion food was material moisture content of 18%,screw rotation speed of 190 r/min,the fifth area temperature of 190 ℃.Under this experiment conditions,gelatinization degree was 90.72%,protein digestility was 82.80%,which was improved by 10.31% in comparison with the protein digestility without extrusion. The study offered certain reference for deep processing of rice.

rice flour;extrusion;gelatinization dgree;protein digestibility

2016-10-24

王慶(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：稻米食品加工，E-mail：wang201010620151@163.com。

*通訊作者:石彥國(1960-)，男，碩士，教授，研究方向：谷物與大豆化學(xué)及加工原理，E-mail：yanguosh@163.com。

2014年黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃課題(GA14B201)；黑龍江省科技廳應(yīng)用技術(shù)項目(G013B203)。

TS213.3

B

1002-0306(2017)07-0230-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.037