劉暢,孟倩楠,劉曉飛,王雨晴,楊春瑜,張娜
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150028)
水稻是世界三大糧食作物之一,世界水稻年產(chǎn)量約為6億噸,我國水稻年產(chǎn)量約為2億噸[1]。據(jù)國家糧油信息中心統(tǒng)計,2019年~2020年度我國水稻食用量為15 830萬噸[2]。全球超半數(shù)人口以稻米為主食;在中國,近六成人口將稻米作為主食。稻米口味清淡,具有低致敏率和高消化率等優(yōu)點(diǎn),在我國產(chǎn)量穩(wěn)定且極受歡迎。稻谷脫殼后得糙米,再經(jīng)過碾磨、拋光等加工程序得到精米粒俗稱大米。糙米的糠層中主要含有膳食纖維、礦物質(zhì)、酚類等營養(yǎng)物質(zhì),并隨碾磨等加工程序大量流失[3],損失達(dá)40%以上,且加工精度越高,營養(yǎng)成分損失越多,這導(dǎo)致市售的精米營養(yǎng)不均衡。若長期只食用精米會使人體營養(yǎng)平衡失調(diào),缺失多種營養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而罹患多種疾病,所以繼加碘食鹽、強(qiáng)化面粉后,重組米將成為我國營養(yǎng)素補(bǔ)充又一新型食品。
目前對大米進(jìn)行強(qiáng)化的技術(shù)主要有擠壓膨化工藝、營養(yǎng)粒添加工藝、霧化包膜工藝、浸泡營養(yǎng)素工藝和負(fù)壓營養(yǎng)素添加工藝[4]??紤]到加工、儲存、洗滌和蒸煮過程中重組米中營養(yǎng)素的穩(wěn)定性,以及成本等方面,擠壓膨化法更適用于重組米的工業(yè)規(guī)?;a(chǎn)。本文對擠壓重組米概況、生產(chǎn)工藝和擠壓工藝對重組米品質(zhì)特性影響進(jìn)行綜述,為重組米在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
擠壓重組米,是營養(yǎng)強(qiáng)化米的一種,也叫工程米、營養(yǎng)重組米[5],以碎米、米粉或其它淀粉基質(zhì)類物質(zhì)為原料,與其它營養(yǎng)素、改良劑等混合,經(jīng)過高溫、高壓擠壓過程,各物質(zhì)的原有結(jié)構(gòu)被破壞,物料變成熔融態(tài),制成類似天然米顆粒的米制品[6]。這種重組米因烹飪時間較短,也被稱為速食米。在美國、日本、西歐等國家已根據(jù)居民需要制成營養(yǎng)重組米,具有良好的食用和保健價值。
國外的擠壓重組米最早始于菲律賓。1948年,菲律賓針對大量流行的維生素B族和鐵缺乏癥而研制的強(qiáng)化米效果顯著[7]。Harrow A D等[8]率先以大米粉為原料,雜糧粉為營養(yǎng)強(qiáng)化劑,利用擠壓成型機(jī)制備出擠壓重組米。And A N K和Moretti D[9-10]等以大米粉為主要原料,F(xiàn)eSO4·7H2O、硫酸亞鐵、焦磷酸鹽為鐵營養(yǎng)強(qiáng)化劑,利用螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)出鐵強(qiáng)化重組米。
國內(nèi)重組米發(fā)展的較晚,20世紀(jì)90年代針對強(qiáng)化大米出臺了相關(guān)法規(guī),江、浙、滬等地區(qū)有少量銷售,但未形成規(guī)?;a(chǎn)。金增輝[11]簡要介紹了重組米及加工工藝的研制。丹東糧食機(jī)械所以薯類、碎米、玉米等為原料,利用擠壓成形機(jī)研制出重組米[12]。安紅周等[13]研究了機(jī)筒溫度對重組米理化性質(zhì)影響,發(fā)現(xiàn)其對糊化度、吸水指數(shù)等均有顯著性影響,外觀變化較大。程北根[14]簡要介紹擠壓重組米的生產(chǎn)工藝流程,主要生產(chǎn)設(shè)備和市場前景預(yù)測,但未探討重組米品質(zhì)特性。肖志剛等[15]對擠壓膨化技術(shù)進(jìn)行了大量研究和探索。
擠壓重組米的營養(yǎng)強(qiáng)化劑種類繁多,主要包括維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)及多者的混合物等,擠壓重組米營養(yǎng)強(qiáng)化劑種類見表1。
表1 擠壓重組米營養(yǎng)強(qiáng)化劑Table 1 Nutrient fortifier for extruded rice grains
擠壓膨化技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體,在實(shí)現(xiàn)一系列單元操作的同時可連續(xù)操作的加工技術(shù)[23]。食品擠壓膨化共包括5個階段[24]:物料從有序變無序;非均相形成氣核;彈性應(yīng)力釋放??谂蛎?;壓力驟降氣泡生長;氣泡生長停止與收縮。
擠壓機(jī)的膨化機(jī)理可從兩方面分析[25],第一,氣體膨脹做功;第二,水汽化做功。物料進(jìn)入擠壓套筒被螺桿推動前進(jìn),由于物料顆粒大小、密度、形狀、表面摩擦力等差異而產(chǎn)生前進(jìn)速率差異,使物料混合;螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動,物料產(chǎn)生壓縮,通過壓延效應(yīng)和吸收機(jī)筒外部所加熱量以及物料在螺桿與套筒間的強(qiáng)烈攪拌、混和、剪切等作用而產(chǎn)生的高溫、高壓[26],物料呈現(xiàn)熔融狀態(tài),此時物料由于高熱、高壓可能發(fā)生以下變化:蛋白質(zhì)的水合與變性、淀粉的水合與糊化、脂質(zhì)與蛋白質(zhì)及淀粉結(jié)合、氨基酸與還原糖的褐變、抗?fàn)I養(yǎng)因子與酶的失活等。當(dāng)熔融態(tài)物料進(jìn)入??浊暗母邷馗邏簠^(qū)時,呈完全的流態(tài)狀,最后隨??妆粩D出到達(dá)常溫常壓狀態(tài),物料因壓力的驟降迅速膨脹,其中溶膠淀粉體積也瞬間膨化,致使食品內(nèi)部爆裂出許多微孔。擠壓過程溫度較高、時間短,可殺死大多數(shù)食源性細(xì)菌,生產(chǎn)的產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量得到保障、其營養(yǎng)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)最小損失化[27]。
擠壓后的物料要進(jìn)行干燥處理,從而達(dá)到工藝完整性,不同的干燥方式對重組米的品質(zhì)有較大影響。馬文等[28]研究生產(chǎn)重組米的5種干燥方式中最佳方式對重組米的影響。結(jié)果表明,電熱真空干燥在真空度0.025 MPa、干燥溫度35℃、干燥時間2.5 h時,重組米的適口性、質(zhì)構(gòu)特性、感官評價及蒸煮特性最優(yōu)。韓基明等[29]生產(chǎn)富γ-氨基丁酸雜糧重組米,采用遠(yuǎn)紅外干燥箱,在溫度50℃,風(fēng)速4.5m/s時生產(chǎn)的重組米外觀和感官均較好。Palamanit A等[30]研究干燥條件對姜黃重組米品質(zhì)特性的影響,結(jié)果表明,比功率為0.588 W/g的微波與熱風(fēng)干燥相結(jié)合,有助于提高水分?jǐn)U散速率且對重組米的顏色、質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)影響較小。
重組米在干燥過程中,前期速率大于后期,這是因?yàn)橹亟M米在干燥初期表面水分較高,后期大部分表面水分已除去,內(nèi)層水分緩慢滲透到表面,導(dǎo)致干燥速度較低。綜上所述,重組米的干燥方式以電熱真空干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波與熱風(fēng)干燥相結(jié)合較好,對重組米品質(zhì)特性影響較小,可結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件自行選擇。
擠壓重組米與天然米的品質(zhì)仍有差距,主要區(qū)別為重組米蒸煮后會產(chǎn)生粘連結(jié)塊等現(xiàn)象,極大地影響其食用品質(zhì)。一般可添加少量品質(zhì)改良劑,使其品質(zhì)更穩(wěn)定。章麗琳[31]將單甘酯、海藻酸鈉、瓜爾豆膠作為改良劑生產(chǎn)馬鈴薯重組米,其最佳添加量為0.3%、0.4%、0.4%,且重組米綜合評分大大提高。劉菊芬等[32]制備速煮重組米,研究發(fā)現(xiàn)添加劑單甘酯、硬脂酰乳酸鈣鈉、SE-15、卵磷脂、復(fù)合磷酸鹽、焦磷酸鈉的添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.6%、0.15%、0.15%時,重組米的品質(zhì)特性較好。李迪等[33]制備馬鈴薯重組米,研究發(fā)現(xiàn)卵磷脂和瓜爾豆膠可減緩重組米蒸煮損失。
重組米生產(chǎn)出以后,它的貯藏期問題值得研究。闞建全等[34]以實(shí)驗(yàn)室自制重組米為原料,研究其貯藏條件及營養(yǎng)物保留率。結(jié)果表明,在4℃、罐裝貯藏180 d,重組米中維生素C、維生素D3的保留率達(dá)80%以上,維生素B達(dá)95%以上。黃艷斌等[35]將重組米在4℃、常溫、37℃下貯藏180 d,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),真空包裝和馬口鐵罐裝對重組米的維生素、酸價、水分含量保留相對較好。Kuong K等[36]研究發(fā)現(xiàn)隨著重組米貯藏時間的延長,鐵和鋅損失量小于10%,而維生素A保留度顯著受貯藏和制作預(yù)混料的影響。綜上所述,重組米采用真空、低溫、罐藏,基礎(chǔ)營養(yǎng)物質(zhì)保留較好,且營養(yǎng)強(qiáng)化劑穩(wěn)定,保留率可達(dá)90%左右。
蒸煮方式對重組米營養(yǎng)強(qiáng)化劑和保留率有較大影響。Silveira C M M等[37]研究發(fā)現(xiàn)富維生素B1和葉酸重組米,利用微波爐烹飪后的硫胺素含量最高為0.97 mg/kg,保持率為65.4%;在餐飲服務(wù)中煮制和炒制葉酸保持率最高為96.11%。在不同蒸煮方法中,葉酸穩(wěn)定性較維生素B1高。
擠壓加工中可操控的技術(shù)因素有:擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、設(shè)備類型等,生產(chǎn)擠壓重組米一般采用雙螺桿擠壓機(jī),因?yàn)殡p螺桿使物料混合更均勻,得到的熱量及時、均勻,熟化程度加快,使產(chǎn)品品質(zhì)得以提升[38]。原料可控因素有:原料目數(shù)、原料含水率、營養(yǎng)強(qiáng)化劑種類等,原料含水率的影響主要取決于擠出機(jī)溫度、料筒內(nèi)壓力和擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速引起的剪切效應(yīng)[39]。
利用雙螺旋擠壓膨化機(jī)加工稻米原料時,一般要求擠壓筒內(nèi)原料溫度達(dá)到120℃~180℃。喂料速度應(yīng)均衡,使原料穩(wěn)定、連續(xù)的被加入到擠壓膨化機(jī)內(nèi)。螺桿轉(zhuǎn)速對擠出產(chǎn)量影響很大,轉(zhuǎn)速提高,產(chǎn)量增加,生產(chǎn)重組米的螺桿轉(zhuǎn)速一般在200 r/min。原料含水率一般在20%~30%之間。擠壓機(jī)的操作條件和原料特性極大地影響產(chǎn)品質(zhì)量,優(yōu)化工藝參數(shù),為生產(chǎn)出品質(zhì)特性良好的擠壓重組米提供理論依據(jù)。
擠壓重組米的物理性質(zhì)是衡量產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的指標(biāo),一般將擠壓重組米與天然米進(jìn)行比較。李學(xué)琴[40]采用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)茯苓雜糧重組米,測定其物理性質(zhì)結(jié)果表明,雜糧重組米糊化度增加,復(fù)水時間均縮短,說明重組米的消化性和復(fù)水性得到改善。消化性、復(fù)水性和質(zhì)構(gòu)得到改善,淀粉回生度增大,V型晶體的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)。質(zhì)構(gòu)結(jié)果表明,硬度增大,咀嚼性、彈性、黏附性及內(nèi)聚性有所下降。郭世龍等[41]利用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)富硒芋艿頭重組米,最優(yōu)工藝參數(shù)為機(jī)筒溫度140℃、喂料速度20 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min。對重組米品質(zhì)、結(jié)構(gòu)和消化特性進(jìn)行測定表明,富硒營養(yǎng)重組米顆粒不完整,產(chǎn)生V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu),黏聚性和彈性增強(qiáng)。感官品質(zhì)和消化特性得以改善。Beck S M等[42]生產(chǎn)擠壓豌豆蛋白、纖維重組米。測定其膨化特性和微觀結(jié)構(gòu)表明,蛋白質(zhì)和纖維素含量居中時,重組米膨脹率顯著增加;蛋白質(zhì)含量為42%時,蛋白質(zhì)和淀粉呈薄層狀分布,斷面膨脹指數(shù)下降,這可能是導(dǎo)致淀粉變性的主要原因。
擠壓重組米原料還可選擇糙米。白曉蓉[43]以糙米為原料,運(yùn)用擠壓膨化技術(shù)研究擠壓產(chǎn)品膨化度,測定結(jié)果為產(chǎn)品膨化度5.33,分析發(fā)現(xiàn)膨化溫度對產(chǎn)品膨化度影響最大。高揚(yáng)等[44]采用自行研制的雙螺桿擠壓機(jī),以糙米為原料,研究擠壓前后工程米質(zhì)構(gòu)和復(fù)水率變化。試驗(yàn)結(jié)果為,復(fù)水率82.8%,質(zhì)構(gòu)綜合評分75.6。綜上所述,擠壓膨化工藝對擠壓重組米的各項(xiàng)物理性質(zhì)均有所改變,與精米和糙米相比,感官評價更好,質(zhì)構(gòu)特性、復(fù)水性均得到改善,微觀結(jié)構(gòu)測定顆粒不完整,產(chǎn)生V-型結(jié)構(gòu)。
Ayoub A等[45]采用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)富維生素、礦物質(zhì)重組米,在螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min,喂料速度70 kg/h,水分含量33%條件下生產(chǎn)出重組米品質(zhì)特性最好。重組米飯的感官評價優(yōu)于天然米飯,且蒸煮更快;重組米淀粉在不過多分解的條件下米粒達(dá)到最大程度糊化度。陳怡岑等[46]研究工藝參數(shù)對雜糧重組米糊化度和可溶性固形物的影響,結(jié)果表明,最佳參數(shù)為擠壓溫度149℃、原料含水率25%、螺桿轉(zhuǎn)速183 r/min、進(jìn)料速度175 g/min,此時的糊化度80.53%,可溶性固形物23.92 mg/mL。李鍇[47]采用擠壓膨化技術(shù),以糙米為原料,研究擠壓后糙米營養(yǎng)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)特性的變化。結(jié)果表明,擠壓膨化后的糙米發(fā)生不可逆的α化作用,蛋白質(zhì)變性,游離脂肪酸和植酸含量降低,膳食纖維含量增加,膨脹度8.83,糊化度90.6%。
糙米較精米雖營養(yǎng)豐富,但其加工時間長、吸水性差、不易消化,不宜大量食用。以上文獻(xiàn)結(jié)果表明,擠壓膨化技術(shù)對精米和糙米的營養(yǎng)和蒸煮特性均有所改善,擠壓重組米中淀粉、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,膳食纖維含量增加;淀粉糊化度增加,消化性得以改善,米飯蒸煮時間更短。以糙米為原料既能豐富重組米營養(yǎng)成分,又能改變糙米不良品質(zhì)特性。
擠壓重組米生產(chǎn)目的就是減少地方性營養(yǎng)缺乏癥和疾病的發(fā)生,滿足不同人群的需求。Ward E等[48]生產(chǎn)富鐵重組米,通過檢測小鼠的肝臟、血液,小鼠骨密度和身體成分評估鐵的生物利用度。Khov K等[49]以柬埔寨的1 950名青少年為研究對象,進(jìn)行6個月的富鋅和葉酸重組米試吃,結(jié)果表明,食用重組米兒童的血清中葉酸和鋅的濃度均高于食用天然米的兒童。該重組米明顯改善柬埔寨鋅和葉酸缺乏癥的高患病率,可考慮列入學(xué)校膳食中。Della L C M等[50]評估強(qiáng)化鐵、鋅、葉酸和硫胺素的重組米對學(xué)前兒童營養(yǎng)狀況的影響。以99名兒童為研究對象,食用營養(yǎng)重組米4個月后,兒童體內(nèi)鋅、硫胺素、葉酸、平均紅細(xì)胞血紅蛋白和平均紅細(xì)胞血紅蛋白濃度均提高,且重組米可接受性良好。Losso J N等[51]初步研究使用鐵強(qiáng)化重組米治療女性缺鐵,以15名婦女為研究對象,結(jié)果表明,鐵強(qiáng)化重組米增加了缺鐵性貧血婦女的血紅蛋白和紅細(xì)胞比容。由以上文獻(xiàn)可知,長期食用功能性營養(yǎng)重組米,對于營養(yǎng)缺乏癥或疾病有顯著的改善作用。
擠壓重組米可彌補(bǔ)天然米缺乏維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)缺陷,補(bǔ)充其在加工、食用過程的營養(yǎng)素?fù)p失。生產(chǎn)重組米的核心技術(shù)是擠壓膨化,能提高營養(yǎng)重組米的生物利用率、破壞抗?fàn)I養(yǎng)因子、縮短烹飪時間,可作為速煮米,食用方便的同時適口性良好;針對營養(yǎng)缺乏癥具有良好的功能特性。綜上所述,擠壓營養(yǎng)重組米具有多種優(yōu)點(diǎn),本文從多方面對其進(jìn)行總結(jié),為未來生產(chǎn)研究提供了一定理論基礎(chǔ)。
營養(yǎng)重組米還存在一些問題:1)人們普遍認(rèn)為重組米是人工再造米,不如天然米綠色健康,企業(yè)與政府應(yīng)給予相應(yīng)正確的宣傳。2)加工技術(shù)不成熟,最普遍的擠壓膨化法沒有形成專業(yè)的工廠生產(chǎn)線。3)營養(yǎng)重組米價格比天然米高,普通群眾消費(fèi)有困難。政府和企業(yè)應(yīng)該加大對其推廣力度,讓更多的普通民眾了解接受重組米。