王瑞斌 李 明 蘇笑芳 魏益民

（中國農業(yè)科學院農產品加工研究所/農業(yè)農村部農產品加工重點實驗室 北京 100193）

蕎麥作為一種食藥兩用的雜糧作物，富含類黃酮、必需氨基酸等營養(yǎng)物質，具有豐富的營養(yǎng)和保健價值。有學者指出，蕎麥的營養(yǎng)效價為80～92，遠高于玉米、馬鈴薯、小麥等谷物[1]。擠壓膨化作為一種新型的食品加工技術，與傳統(tǒng)蒸煮工藝相比，在很大程度上能夠保留蕎麥的營養(yǎng)及保健功能成分[2]。

蕎麥經擠壓膨化處理，因熱效應和剪切效應，故其淀粉和蛋白質等大分子發(fā)生糊化、降解、變性。擠壓膨化產品的理化特性與物料含水量、加工溫度、喂料速率、螺桿轉速和原料特性等密切相關[3-4]。前人研究發(fā)現(xiàn)，隨著物料含水量增加，溫度升高，螺桿轉速降低，蕎麥擠壓膨化產品的徑向膨化率減小，可溶性成分減少[5-7]，水溶性指數、熔融體黏度降低。若物料含水量過低或加工溫度過高，徑向膨化率反而降低。這可能是由于淀粉顆粒完全糊化、過度降解所致。Launay等[6]還發(fā)現(xiàn)膨化率與熔融體的黏彈性密切相關。蕎麥粉與玉米粉等谷物混合后，隨著蕎麥粉添加量增加（0～100%），膨化產品的水溶性指數增加，L*減小，b*、ΔE增大[8-9]，這與高溫條件下美拉德反應、焦糖化反應有關。郝彥玲等[10]將蕎麥與黑米、薏米以40∶45∶15的比例混合后擠壓，膨化效果更好。蕎麥淀粉與玉米、紅薯淀粉混合后擠壓處理，淀粉顆粒的形貌和質地結構被極大地改變，擠出物質地更加疏松[11]。在高水分條件下擠壓西米淀粉，發(fā)現(xiàn)高水分會限制淀粉的降解和相變（糊化），水溶性較低可能是由淀粉結晶結構殘留或結構重排所致[12]。淀粉在擠壓膨化過程中的降解、糊化等能顯著影響產品的水溶性、色澤、黏度等理化特性。

前人對蕎麥擠壓膨化的研究主要集中于操作參數和物料組成對擠壓膨化產品特性的影響，而擠壓過程中淀粉分子結構變化的研究相對較少，對擠壓膨化產品理化特性變化的原因缺少試驗驗證。本文系統(tǒng)分析操作參數對擠壓膨化產品理化特性的影響，進一步明確系統(tǒng)參數與產品特性的關系，從淀粉分子結構變化角度初步解釋蕎麥擠壓膨化產品特性變化的原因，為蕎麥擠壓膨化產品的開發(fā)和用途提供理論指導和應用建議。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

選用市售脫殼蕎麥米（購自本地超市）作為試驗材料，經超速離心粉碎儀（ZM 200，Retsch，德國）粉碎（篩網直徑0.5 mm），制備蕎麥粉。蕎麥粉各組分含量如下：蛋白質15.00%（干基），總淀粉71.66%（干基），脂質 2.32%（干基），纖維素 0.37%（干基），灰分2.00%（干基）。

雙螺桿擠壓機（DSE-25），德國 Brabender；超離心粉碎儀（ZM 200），德國 Retsch；冷凍干燥機（ALPHA 1-2 LD plus），德國 CHRIST；冷凍離心機（3-30K），德國 SIGMA；色彩色差儀（CR-400），日本 Minolta；流變儀（Physica MCR 301），奧地利Anton Paar；SEC 系 統(tǒng)，Agilent Technologies，Waldbronn，德國。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計在資料分析和預試驗的基礎上，選取物料含水量、加工溫度、螺桿轉速進行三因素五水平二次旋轉中心組合試驗（Design-Expert.8.05b 軟件，Stat-Ease，美國），因素水平編碼表如表1。試驗方案設計見表2。

表1 因素水平編碼表Table 1 Code for different factor levels

表2 二次旋轉中心組合試驗設計表Table 2 Table of three-factor and five-level experimental design

1.2.2 擠壓 采用雙螺桿擠出機（DSE-25，Brabender，德國），螺桿長徑比（L/D）為 20∶1。模頭直徑5 mm。擠壓參數設定如下：喂料速度35 g/min；物料含水量14%～19%；加工溫度140～180℃；螺桿轉速100～200 r/min。擠壓后，冷凍干燥器（ALPHA 1-2 LD plus，CHRIST，德國）對樣品干燥，待用。

1.2.3 產品特性測定

1）截面膨化率 將樣品截成20 cm長條，用游標卡尺測定樣品直徑，重復測15次，計算截面膨化率，求平均值。

2）水溶性指數和吸水性指數 參照Anderson 等[13]的方法，取 1.6～2.0 g（干基）樣品（W0），放入已知質量的離心管（W1）中，加入25 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，直至膨化物被完全分散成懸浮液體系。將其置于30℃水浴保持30 min，間隔10 min振蕩一次。待水浴完成后，4 200 r/min離心15 min；最后，將上清液倒入已經恒重過的500 mL燒杯（W2）中，105 ℃烘至恒重（W3）。同時，對離心管及沉淀的凝膠質量（W4）進行稱量，計算WSI和WAI。

3）色澤 擠出物磨粉，利用色彩色差儀（CR-400，Minolta，日本）測定其 L*值、a*值和b*值。每個樣品重復5次。計算總色差ΔE：

其中，Ls*，as*，bs*為標準白色板的測定值，分別為 97.13，0.21，1.87。

4）黏度 本研究所測黏度為蕎麥擠壓膨化物冷卻后的黏度。通過流變儀（Physica MCR 301，Anton Paar，奧地利）測定。探頭選取50 mm平板，改性蕎麥粉與水按2∶15混合。參數設定如下：應力 1.0%，溫度 25℃，頻率 0.1～20 Hz，間距 2 mm。含淀粉物料擠出物多為假塑性流體，因此可使用黏度冪率方程（5）來描述擠壓膨化產品的流變特性，對得到的黏度曲線計算k*和n*值[14-15]：

其中，η*——黏度（Pa·s）；k*——黏度系數；γ——頻率（Hz）；n*——冪律指數。k*和n*可從雙線圖中直線的截距和斜率分別確定。

5）淀粉分子尺寸分布 參照Li等[16]的方法：使用配備有GRAM 30和3 000分析柱（PSS）和折射率（RI）檢測器（RID-10A，Shimadzu Corp，日本）的Agilent 1100系列SEC系統(tǒng)（Agilent Technologies，Waldbronn，德國）測定淀粉分子的結構。將淀粉分子尺寸分布繪制為質量分布Wbr（logRh）對流體動力學體積Vh（SEC的分離參數）或等效成流體動力學半徑 Rh，Vh=4/3πRh3。

用已知分子質量的普魯蘭標準品繪制SEC洗脫體積和多糖分子的Vh之間的標準曲線，根據Mark-Houwink方程（6）求出所測淀粉的分子大小及分布。由于不同測定過程中溫度或溶劑濃度波動的原因，本研究采用Rh而非洗脫時間表示分析物的分子大小，Rh表示淀粉平均分子半徑。

其中，NA為Avogadro的常數；K和α為淀粉的Mark-Houwink方程的參數，其值分別為2.424×10-4dL g-1和0.68（80 ℃，DMSO/LiBr溶液）。

6）統(tǒng)計分析 利用Design-Expert.8.05b軟件分析試驗結果的差異（P<0.05）并進行響應面回歸，利用SPSS 18.0軟件分析各指標相關性。

2 結果與分析

2.1 操作參數對蕎麥擠壓膨化產品特性的影響

由表3可知，物料含水量（x1）、加工溫度（x2）、螺桿轉速（x3）對蕎麥擠壓膨化產品特性具有顯著或極顯著影響（P<0.01），回歸方程中部分二次項（x12、x22、x32）和交互項（x1×x2、x1×x3、x2×x3）的影響也達到顯著或極顯著水平。操作參數與淀粉平均分子半徑線性相關，而對截面膨化率、水溶性指數、吸水性指數、色澤、黏度、淀粉重均分子質量的影響無線性相關關系。回歸模型中，所有響應變量與自變量之間關系極顯著，且R2都大于0.80，模型擬合程度較好，即可采用二次多項式建立回歸模型，并根據回歸模型作響應面圖，分析操作參數對產品特性的影響。

2.1.1 截面膨化率在試驗范圍內，蕎麥擠壓膨化產品的截面膨化率在1.14～3.11之間（變異系數24.2%）。截面膨化率受物料含水量一次項，加工溫度一次項、二次項，以及物料含水量與加工溫度、加工溫度和螺桿轉速交互項的影響，其中加工溫度和螺桿轉速的交互作用影響極顯著（表3）。隨著加工溫度升高、螺桿轉速增大，截面膨化率先增大后減小，加工溫度在160℃附近時截面膨化率最大（圖1a）。隨著加工溫度升高、物料含水量增大，截面膨化率減??；在較低溫度時，物料含水量對截面膨化率的影響大于高溫下物料含水量的影響（圖1b）。螺桿轉速對截面膨化率影響不顯著。該結果與杜雙奎等[17]的研究結果一致。

表3 操作參數對蕎麥擠壓膨化產品理化特性影響Table 3 Effect of processing parameters on the physicochemical characteristics of buckwheat extrudates

圖1 不同操作參數下截面膨化率的響應面圖Fig.1 Response surface of sectional extrusion index under different processing parameters

2.1.2 吸水性指數和水溶性指數 蕎麥擠壓膨化產品的吸水性指數在2.1～6.5之間（變異系數20.5%），未擠壓蕎麥粉的吸水性指數為2.8。除物料含水量的二次項外，其他操作參數的一次項、二次項和交互項均對擠壓膨化粉的吸水性指數有顯著或極顯著影響，其中加工溫度的影響最大（表3）。加工溫度升高，螺桿轉速增大，吸水性指數降低；螺桿轉速較大時，加工溫度對吸水性指數的影響大于低螺桿轉速下加工溫度的影響（圖2a）。螺桿轉速較大或溫度較高時，物料含水量對吸水性指數的影響比螺桿轉速較低或溫度較小時的影響更大，且隨著物料含水量增加，吸水性指數顯著增大（圖2b、圖2c）。

蕎麥擠壓膨化產品的水溶性指數在17.6%～72.2%之間（變異系數51.8%），遠高于未擠壓蕎麥粉（8.4%）。螺桿轉速對水溶性指數的影響最大，螺桿轉速和加工溫度對水溶性指數影響為正效應，物料含水量對水溶性指數影響為負效應（表3）。隨著螺桿轉速增加，加工溫度升高，水溶性指數明顯增大。這與Sarawong等[18]的研究結果一致。加工溫度為180℃時，水溶性指數隨螺桿轉速增大而增長較劇烈（圖2d）。

圖2 不同操作參數下吸水性指數和水溶性指數的響應面圖Fig.2 Response surface of water absorption index and water solution index under different processing parameters

2.1.3 色澤 擠壓膨化產品的總色差（ΔE）在30.9～41.4之間（變異系數8.1%），遠大于未擠壓蕎麥粉（14.4），擠壓處理使物料色澤變暗，與淀粉降解、高溫下美拉德反應等有關[19]。表3表明，物料含水量、加工溫度、螺桿轉速的一次項對色差有極顯著影響；顯著性順序依次為螺桿轉速＞物料含水量＞加工溫度。螺桿轉速減小，物料含水量增加，擠壓膨化物色差減小；加工溫度降低，螺桿轉速減小時，也能得到相似的結果（圖3a、圖3b）。這與Sgaramella等[19]結果一致。

圖3 不同操作參數下色差的響應面圖Fig.3 Response surface of ΔE under different processing parameters

2.1.4 黏度 蕎麥擠壓膨化產品的黏度系數（k*）與黏度直接相關。k*受物料含水量、螺桿轉速一次項、二次項、加工溫度一次項的影響，其中物料含水量對k*影響極顯著，是影響?zhàn)ざ鹊淖钪匾蛩兀ū?）。圖4a、圖4b表明，物料含水量在14%～16.5%，加工溫度較高（160～180℃）、或螺桿轉速較大（150～200 r/min）時，k*無顯著變化。物料含水量由16.5%增加到19.0%，加工溫度降低，螺桿轉速減小，k*顯著增大，表現(xiàn)為黏度增加。在高水分、低溫度下擠壓，擠壓膨化產品的黏度最大；在高水分、低轉速或低水分、低轉速或高水分、高轉速條件下擠壓也能得到相似的結果。

圖4 不同操作參數下黏度系數的響應面圖Fig.4 Response surface of viscosity under different processing parameters

2.1.5 淀粉分子結構在試驗范圍內，擠壓膨化后的淀粉平均分子半徑在26.7～35.8 nm之間（變異系數8.6%），遠小于未擠壓蕎麥粉的淀粉平均分子半徑（75.1 nm），表明擠壓處理使淀粉分子降解。表3表明，淀粉平均分子半徑受物料含水量、螺桿轉速、加工溫度的一次項的影響，其中物料含水量、螺桿轉速對其影響極顯著。螺桿轉速減小，淀粉平均分子半徑隨物料含水量降低而減小。這與Li等[20]的研究結果一致。物料含水量一定，加工溫度對淀粉平均分子半徑影響不顯著（圖5a、圖5b）。

淀粉重均分子質量在4.2×106～9.7×106之間（變異系數23.2%），遠低于未擠壓蕎麥粉（6.1×107）。物料含水量對淀粉重均分子質量影響最大（表3）。物料含水量或加工溫度升高，螺桿轉速減小，重均分子質量增加。在低螺桿轉速下，加工溫度對淀粉重均分子質量的影響大于高螺桿轉速下加工溫度的影響（圖5c、圖5d）。

圖5 不同操作參數下淀粉平均分子半徑、重均分子質量的響應面圖Fig.5 Response surface of average radius and molecular weight of buckwheat starch under different processing parameters

2.2 擠壓膨化產品特性間的相關關系

擠壓膨化產品特性的相關性分析結果（表4）表明，水溶性指數與色差呈極顯著正相關，與吸水性指數（r=-0.939）、黏度系數、淀粉分子半徑呈顯著或極顯著負相關；色差與黏度系數、淀粉分子半徑、淀粉重均分子質量呈顯著或極顯著負相關；黏度系數與淀粉分子半徑、淀粉重均分子質量呈顯著正相關；淀粉分子半徑與淀粉重均分子質量呈極顯著正相關（r=0.962）；截面膨化率與其它產品特性無顯著相關性。

表4 擠壓膨化產品理化特性間的相關關系Table 4 Correlation among different physicochemical characteristics of extrudates

水溶性指數和吸水性指數，淀粉平均分子半徑和重均分子質量均具有較高的線性相關性，其線性回歸方程分別為：

由于R2＞0.85，可由擠壓膨化產品的水溶性指數來估測吸水性指數，淀粉平均分子半徑來估測淀粉重均分子質量。

3 討論

3.1 蕎麥擠壓膨化產品的理化特性

擠壓膨化技術通過熱和剪切作用使淀粉結構發(fā)生變化，并最終影響產品的膨化率、吸水性、水溶性等理化特性。本研究發(fā)現(xiàn)加工溫度和螺桿轉速的交互作用對截面膨化率影響極顯著，而杜雙奎等[17]對玉米擠壓膨化發(fā)現(xiàn)，加工溫度和螺桿轉速的交互作用對膨化率無顯著影響。造成差異的原因可能是蕎麥、玉米中淀粉的含量和結構不同。蕎麥淀粉含量較低，糊化溫度低于玉米淀粉，溫度和螺桿轉速更易影響蕎麥粉的膨化。

溫度對吸水性指數影響最大，溫度升高，吸水性指數降低。這與Miladinov等[21]研究結果一致。當溫度升高時，由于熔融體黏度降低，可能使有效膨脹體積減小，孔隙度減小[21]。而擠壓膨化產品的孔隙度與吸水性密切相關[22]。

水分的潤滑和增塑作用有利于[23]減緩在高溫或高螺桿轉速條件下物料所受的強剪切效應，使淀粉適度糊化、降解。因此，物料含水量增加，水溶性指數降低；而適度糊化、降解的淀粉在室溫下保水能力增加，溶脹程度增大，吸水性指數增加[18，24]。物料含水量除影響水溶性、吸水性等理化特性外，也是影響k*的最重要因素。k*與擠壓改性蕎麥粉的黏度直接相關，k*越大，黏度越大；物料含水量增加，黏度增大。這可能由于較高水分含量下淀粉分子的降解程度較小所致（表4）。

3.2 蕎麥擠壓膨化產品的理化特性與淀粉分子結構的關系

淀粉平均分子半徑直接反映了淀粉擠壓后的降解程度。淀粉分子半徑越小，降解程度越高。本研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理使淀粉分子半徑、重均分子質量顯著減小，這與Li等[20]的研究結果一致，表明機械剪切是導致淀粉分子降解的主要原因。

淀粉平均分子半徑與水溶性指數、色差呈顯著負相關，與吸水性指數、黏度、淀粉重均分子質量呈顯著正相關（表4）。擠出物中降解程度越高，水溶性指數越大；而降解后的分子越小，持水能力越弱，吸水性指數越小。剪切效應加劇，擠壓膨化粉的降解程度越高，支鏈淀粉被降解成小片段的直鏈淀粉或更小的支鏈淀粉，淀粉分子半徑減小，其黏度也越低，降解后生成的小分子糖導致的美拉德反應也相應增多，使得ΔE增大。

3.3 蕎麥擠壓膨化產品的理化特性與膨化食品

蕎麥擠壓膨化產品的膨化率較小，水溶性、吸水性較高，黏度較小。如希望獲得高膨化率產品，可根據截面膨化率研究結果并對其優(yōu)化。建議操作參數為：物料含水量較低（如15%）、加工溫度較高（如 151℃）、螺桿轉速較快（如 162 r/min）。當考慮其作為早餐谷物成分時，若希望產品浸于水或牛奶中不會馬上變成糊狀，要求保持形狀的相對時間較長，制品脆性較好時，需考慮產品具有較小的吸水性指數。這是由于吸水性指數是衡量耐泡時間的重要指標。而速溶營養(yǎng)粉需要較高的水溶性以保證其沖調性[26]。建議食品生產者應降低物料含水量（如15%），提高加工溫度（如172℃）和螺桿轉速（如180 r/min）。對于蕎麥面條生產者，為克服蕎麥粉難以形成面筋網絡結構的不足，蕎麥擠壓膨化粉可能需要較高的黏度，建議生產中提高物料含水量（18%～19%），降低加工溫度（140～150℃）和螺桿轉速（約 100 r/min）。

4 結論

1）加工溫度、螺桿轉速是影響截面膨化率、水溶性指數、吸水性指數重要因素；水分含量、螺桿轉速是影響?zhàn)ざ取⒌矸燮骄肿影霃?、重均分子質量的重要因素。水溶性指數可用于估測吸水性指數，淀粉平均分子半徑可用于估測淀粉重均分子質量。

2）蕎麥擠壓膨化產品的水溶性指數、吸水性指數、色澤、黏度與淀粉分子結構顯著相關。螺桿轉速越大，加工溫度越高，物料含水量越低，則剪切效應越強，淀粉平均分子半徑越小，使得擠壓膨化物的吸水性指數、黏度降低，水溶性指數、色差增大。

3）擠壓改性技術可改善蕎麥粉的水溶性、吸水性、黏度、色澤等理化特性，可根據產品用途，通過調節(jié)操作參數，改善蕎麥擠壓膨化食品的質量特性。