胡薇薇, 張治國, 楊 開, 步婷婷, 吳衛(wèi)成

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所1,杭州 310021) (浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院2,杭州 310014)

1 全谷物及其營養(yǎng)組成

全谷物(Whole Grains, WGs)是指整?；蚱扑榈姆f果,包括胚乳、胚芽、皮層等組成部分,且各部分比例與完整的穎果一致。相比精加工谷物,全谷物保留了皮胚層,富含維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維等營養(yǎng)素。全谷物食品在國際上發(fā)展較早,但目前尚缺乏公認(rèn)的定義。美國谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)提出“制作谷物食品原材料(包含皮層、胚乳和胚)的相對比例與天然谷物籽粒構(gòu)成相當(dāng)時(shí)即可認(rèn)為是全谷物食品”[1]。

全谷物的主要成分為淀粉和蛋白質(zhì)。淀粉的營養(yǎng)特性與其消化率有關(guān)。其中,快速消化淀粉(RDS)可導(dǎo)致餐后血糖升高,從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,但慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)有利于控制餐后血糖[2]。谷物中的蛋白質(zhì)具有平衡的氨基酸組成,且易于人體消化和吸收。此外,全谷物還包含多種生物活性物質(zhì),例如膳食纖維(DF)主要存在于麩皮中,膳食纖維可吸水膨脹,在腸道內(nèi)產(chǎn)生容積作用,增強(qiáng)飽腹感;也可被腸道微生物組完全或部分發(fā)酵,改善腸道微生物群組成,預(yù)防便秘[3]。全谷物大量的膳食纖維還與改善心血管健康和胃腸道健康,以及維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)等多種健康益處相關(guān)[4]。全谷物中多酚的健康益處包括抗氧化和抗炎作用,以及對慢性病有預(yù)防作用[3]。植物源多酚作為自由基清除劑,具有較強(qiáng)的抗氧化活性,可以減少氧化應(yīng)激并抑制DNA和蛋白質(zhì)的氧化損傷[5]。全谷物在糊粉層部分含有大量B族維生素,可以改善維生素缺乏癥狀。常見的全谷物中營養(yǎng)成分如表1所示[6,7]。

《中國居民膳食指南(2022)》寫入了全谷物內(nèi)容,膳食寶塔的第1層也列出了該項(xiàng)目[8]。然而,皮層賦予全谷物豐富營養(yǎng)的同時(shí)也帶入了高含量的纖維素類成分,這些成分會(huì)造成全谷物食品口感粗糙,降低消費(fèi)者接受度[9]。因此,應(yīng)用物理、化學(xué)和生物處理被廣泛研究,如擠壓、水熱處理、超細(xì)研磨、發(fā)酵和酶技術(shù)等,以改善全谷物的質(zhì)地、口感和營養(yǎng)質(zhì)量。

2 擠壓技術(shù)概述

擠壓加工是指經(jīng)預(yù)處理(粉碎、均勻、調(diào)濕)后的物料,在機(jī)筒內(nèi)同時(shí)受到熱和機(jī)械作用,發(fā)生熔融變形,然后通過特定構(gòu)造的?？?形成具有一定形狀和組織結(jié)構(gòu)化制品的過程。擠壓兼具了輸送、混合、剪切、高壓、加熱等多種基礎(chǔ)操作單元,具有多重優(yōu)勢,多種操作單元一體化完成、混合效果強(qiáng)烈易于品質(zhì)調(diào)控、模頭形狀多樣可自由控制產(chǎn)品形狀和尺寸[10]。全谷物原料豐富,其可以單獨(dú)或與其他成分一起擠壓,然后進(jìn)一步加工或直接制成成品。

螺桿擠壓是常用的高效擠壓技術(shù)形式。螺桿擠壓中,可塑性的物料在擠壓機(jī)中受螺桿推力及機(jī)筒內(nèi)器具的阻滯作用,使筒內(nèi)物料發(fā)生高溫高壓剪切并最終從桶端模具擠出,產(chǎn)品固形[11]。根據(jù)螺桿數(shù)量的不同,常用的螺桿擠壓機(jī)可以分為單螺桿和雙螺桿[12]。單螺桿擠出機(jī)在金屬筒中只有一個(gè)螺桿,主要依靠螺桿和筒壁的摩擦產(chǎn)生推力。物料在進(jìn)料段不發(fā)生變化,但在過渡段被壓縮和加熱。由于剪切和混合,物料發(fā)生一系列熔化、捏合和組織化變化。當(dāng)物料被輸送到模具時(shí),壓力突然釋放,水分迅速蒸發(fā),導(dǎo)致產(chǎn)品膨脹。單螺桿擠壓機(jī)操作簡易、造價(jià)低廉,但其成品及其特性的控制流暢性低、機(jī)動(dòng)性和加工原料范圍有限。雙螺桿擠壓機(jī)由2個(gè)共同旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)的螺桿組成[11]。與單螺桿擠壓機(jī)相比,雙螺桿擠壓機(jī)具有混合物料更徹底、適宜高水分和高黏性物料輸送并減少停滯時(shí)間、參數(shù)(時(shí)間、溫度和螺桿速度等)控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。但存在設(shè)備及生產(chǎn)成本高、機(jī)械復(fù)雜的不足。此外,螺桿擠壓機(jī)還可作為一個(gè)預(yù)處理過程,以消除不良風(fēng)味、滅酶、預(yù)糊化和改性淀粉等[13],具有廣泛的加工應(yīng)用前景。

3 擠壓處理對全谷物理化性質(zhì)的影響

3.1 基本營養(yǎng)成分

在擠壓過程中,全谷物淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、膳食纖維等組成的理化性質(zhì)均有不同程度的改變。首先,擠壓過程中淀粉的分解會(huì)使總淀粉含量降低,而由于還原糖的釋放使得碳水化合物含量增加。陳鳳香等[14]發(fā)現(xiàn)擠壓膨化后藜麥粉直鏈淀粉含量有所提高,其原因可能為支鏈淀粉被降解,支鏈淀粉部分側(cè)鏈斷裂導(dǎo)致較短的直鏈淀粉比例增加。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)擠壓后小麥麩皮粉顆粒的破損,粒徑降低,顆粒表面粗糙,證明了擠壓處理對淀粉顆粒的裂解作用[15]。在蛋白質(zhì)和脂肪方面,張婷等[16]采用擠壓膨化改性藜麥粉并分析其品質(zhì),發(fā)現(xiàn)膨化后藜麥粉蛋白質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15.09%降低至12.44%,氨基酸組成未改變,但各氨基酸含量有不同程度的下降。這可能是由于擠壓膨化過程中受高溫、高壓、高剪切力的綜合作用,蛋白質(zhì)分子間氫鍵和二硫鍵等次級鍵部分?jǐn)嗔?導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性;同時(shí)氨基酸與原料中一些還原糖等化合物發(fā)生反應(yīng),造成氨基酸損失。類似地,擠壓過程通常會(huì)導(dǎo)致脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。擠壓燕麥和高粱的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從8.78%、3.08%降至7.75%、0.40%[17]。其主要原因是高溫高壓作用下脂肪存在氧化、氫化作用,易與淀粉聚集形成復(fù)合物淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物,以及固體脂質(zhì)的熔融流失。維生素A、維生素E、維生素C、硫胺素(B1)和葉酸(B9)對高溫敏感,而維生素D、維生素K、B2、B6、B12、煙酸和泛酸在擠壓過程中基本穩(wěn)定。因此,使用溫和的擠壓溫度(<80 ℃)可以有效地保留不耐熱的維生素,并減少維生素?fù)p失[18]。總膳食纖維(TDF)含量的變化取決于全谷物的類型和擠出條件。例如,大麥的TDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在加工前為17.84%,經(jīng)機(jī)筒及蒸煮擠壓后分別降至13.96%～14.21%和13.86%～14.46%[19]。相反,Rashid等[20]觀察到,在機(jī)筒溫度130 ℃、水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%,螺桿轉(zhuǎn)速為400 r/min的加工條件下時(shí),麥麩的不可溶性膳食纖維含量減少,可溶性膳食纖維含量增加,總膳食纖維含量顯著增加。一方面,由于擠壓過程的剪切機(jī)械作用,高剪切和低含水量破壞了谷物富含纖維的細(xì)胞壁,使得不可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄陨攀忱w維的,從而減少了不可溶性膳食纖維的含量。另一方面,可溶性膳食纖維的降解溶出也會(huì)導(dǎo)致其含量在不同原料類型及擠出條件下產(chǎn)生不規(guī)則變化[21]。

表1 常見全谷物的營養(yǎng)成分

3.2 水合特性

擠出物的水合特性反映了淀粉的溶脹能力、持水能力以及淀粉顆粒內(nèi)部的相互結(jié)合能力,通常用水溶性指數(shù)(WSI)、吸水性指數(shù)(WAI)、膨脹勢(SP)來表征。表2總結(jié)了在不同全谷物擠壓后WAI、WSI、SP值的變化。水合特性受多種因素影響,包括原料類型、含水量、擠出溫度和其他因素等。擠壓小米的水合特性隨著物料含水量的增加,其WAI增加、SP降低。這可能是因?yàn)檩^高的含水量在擠壓過程中起到了一定的潤滑作用,減弱了物料在機(jī)筒內(nèi)的剪切作用,淀粉的糊化和降解程度降低,故WAI增加、WSI降低[22]。在擠壓參數(shù)方面,申瑞玲等[7]發(fā)現(xiàn)擠壓出料模頭溫度180 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為220 r/min,導(dǎo)致了青稞粉較高水合能力。而Sandrin等[23]發(fā)現(xiàn),在一定溫度范圍內(nèi),WAI隨溫度升高而升高,但溫度進(jìn)一步升高會(huì)導(dǎo)致WAI降低。前者可歸因于青稞粉中較高的蛋白含量水分子被保留在聚集體中。后者的部分原因是可溶性蛋白質(zhì)或淀粉的高溫解聚變性。類似地,李云龍等[24]也觀察到擠壓導(dǎo)致的淀粉糊化和親水基團(tuán)暴露,水分子通過氫鍵與游離羥基結(jié)合,使得WAI、SP增大。此外,擠壓糯小麥的WSI(30%～60%)高于擠壓天然小麥(<20%),這可能是由于糯小麥的支鏈淀粉含量較高。與直鏈淀粉相比,支鏈淀粉更易溶于水,在擠出過程中更容易分解[25]。淀粉在擠壓過程中被破壞,導(dǎo)致破碎的淀粉顆粒中具有羥基的有序分子相易于與水結(jié)合,因此,擠壓全谷物面粉的持水能力通常高于其未處理原面粉。

3.3 糊化特性

擠壓加工對淀粉糊化特性具有促進(jìn)作用,具體表現(xiàn)在淀粉黏度、糊化溫度、崩解值以及糊化焓的改變等方面。表2總結(jié)了在不同全谷物擠壓后糊化特性值。Ramirez等[17]比較了擠壓剪切作用對不同種類全谷物的影響,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)谷物(如大米、藜麥)的峰值黏度在擠壓后與它們的原始形態(tài)相比消失了。擠壓導(dǎo)致淀粉顆粒分解和破碎,從而影響加熱條件下的膨脹能力。擠壓燕麥粉仍可顯示出高峰值黏度,但其值比未處理燕麥粉低2.8倍。擠壓燕麥粉峰值黏度的存在可能與擠壓后未凝膠化淀粉有關(guān)。燕麥粉中的油脂成分和淀粉成分經(jīng)擠壓處理形成了脂質(zhì)-淀粉復(fù)合物,抑制淀粉糊化,導(dǎo)致擠壓物中存在未膠凝淀粉。此外,擠壓處理還影響全谷物在初始和冷卻階段的黏度。王盼等[26]發(fā)現(xiàn)隨擠壓溫度升高,擠壓苦蕎粉的谷值黏度、回生值降低;隨螺桿轉(zhuǎn)速升高,谷值黏度、衰減值稍降低,但均高于未擠壓苦蕎。Sandrin等[23]發(fā)現(xiàn)冷卻后擠壓混合燕麥-米粉的黏度低于未處理燕麥粉、米粉。這主要是由于分解的淀粉鏈在冷卻后會(huì)逐漸形成部分有序結(jié)構(gòu),而該結(jié)構(gòu)與天然淀粉顆粒結(jié)構(gòu)差異較大。

表2 不同全谷物擠壓后水合、糊化特性的變化

3.4 質(zhì)構(gòu)特性

擠壓過程顯著影響擠壓全谷物食品的硬度、附著力、嚼勁、脆度和彈性[33]。在硬度方面,研究發(fā)現(xiàn)全蕎麥面[34]和米-蕎麥意面[35]的制備中高溫和螺桿速度的增加會(huì)顯著提高擠出物硬度。這可能是因?yàn)殡S著溫度和螺桿速度的增加,物料和機(jī)筒之間的摩擦隨之增加,進(jìn)一步促進(jìn)了淀粉的糊化和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,從而限制了淀粉的膨脹。孫周亮等[27]在雙螺桿擠壓膨化糙米粉中也發(fā)現(xiàn)了類似的硬度增加現(xiàn)象。同時(shí),硬度也會(huì)隨著物料含水量的增加而發(fā)生劣變。過高的水分會(huì)使得擠壓產(chǎn)品含水量增多,物料流出?？跁r(shí)不成型,從而影響擠出物的品質(zhì)[36]。此外,不同組分的含量也是影響硬度的關(guān)鍵因素。膳食纖維含量與擠出物的硬度呈正相關(guān),而蛋白質(zhì)和脂肪含量與擠出物的硬度呈負(fù)相關(guān)[37,38]。在脆度方面,Shukri等[39]發(fā)現(xiàn)添加交聯(lián)玉米淀粉(交聯(lián)度為1%)會(huì)顯著降低燕麥粉混合擠出物的斷裂強(qiáng)度,擠出物顯示出較大的空隙和較高的脆度。在黏彈性方面,楊庭等[29]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臄D壓條件可以使糙米面團(tuán)內(nèi)部形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)全麥面條強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性。

3.5 形貌特征

擠壓全谷物制品的形貌特征包括微觀結(jié)構(gòu)以及外觀顏色。圖1顯示了不同擠出物的顯微電鏡圖[40-42]。擠壓前的不同原料粉質(zhì)表面光滑、平實(shí)、顆粒分散、規(guī)則,而擠壓處理后多呈現(xiàn)表面粗糙、富有層次感、并且存在空穴。這可能是因?yàn)槲锪戏墼诟邷?、高壓及剪切?lián)合作用下形成一種凝膠狀態(tài),當(dāng)突然釋放至常壓時(shí),凝膠狀態(tài)物料內(nèi)部的水分突然汽化散失,體積迅速膨脹變大,使物料形成疏松多孔的海綿。同時(shí),擠出物粉末表面的這種結(jié)構(gòu)有利于水分吸收和滲透,也使得物料中有效成分的溶解溢出,改善有效成分的傳質(zhì)方式和速率。在外觀顏色方面,較高的擠壓溫度會(huì)促進(jìn)美拉德反應(yīng)和色素氧化,導(dǎo)致小麥粉L*(亮度)降低,紅色和黃色增加;而螺桿速度的增加,會(huì)減少物料在機(jī)筒中的滯留時(shí)間,減少能量接受量,從而降低了顯色反應(yīng),增加了L*值[43, 44]。此外,顏色還與全谷物的組成相關(guān)。例如,玉米-蕎麥混合擠出物的a*值(紅色-綠色)隨著蕎麥比例的增加而增加[45]。在小麥-玉米混合擠出物中,隨著全麥粉比例的增加,擠出物的L*值降低,a*值增加,這可能是由于麥麩中多糖含量高,促進(jìn)了美拉德反應(yīng)[46]。

圖1 擠壓全谷物制品的微觀結(jié)構(gòu)

4 擠壓處理對全谷物功能特性的影響

4.1 減肥降糖

肥胖、糖尿病等代謝性疾病高發(fā),全谷物在碳水化合物攝入方面至關(guān)重要。通常而言,擠壓加工對全谷物減肥降糖功能特性的影響主要通過餐后血糖反應(yīng)的程度,即血糖生成指數(shù)(GI)進(jìn)行調(diào)控[47];其具體作用方式包括2個(gè)途徑:1)擠壓處理影響淀粉結(jié)構(gòu)以及不同消化特性淀粉含量。Brahma等[48]發(fā)現(xiàn)300 r/min的螺桿速度導(dǎo)致擠壓燕麥SDS含量增加和RDS含量降低,低含水量也導(dǎo)致其RS含量增加。在低濕度下,淀粉的碎裂程度增加,較短的淀粉聚合物在冷卻后由于分子流動(dòng)性增加而重新結(jié)合,從而抑制酶水解,有利于降低GI值。Fu等[49]用擠壓蕎麥替代部分大米,發(fā)現(xiàn)擠壓蕎麥-大米產(chǎn)物的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)從32%增加到59%,并且隨著蕎麥質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到60%,預(yù)測GI從85減少到67。推測高直鏈淀粉含量促進(jìn)了擠壓過程中RS的形成,直鏈淀粉分子之間通過氫鍵形成淀粉網(wǎng)絡(luò),以抵抗酶水解并減緩消化和吸收。2)擠壓處理影響全谷物中酚類、膳食纖維等組分,這些組會(huì)通過抑制α-糖苷酶和胰淀粉酶(水解淀粉的酶)進(jìn)一步產(chǎn)生降血糖作用[50]。Gong等[51]將與全玉米粉中游離多酚和結(jié)合多酚的活性相比,發(fā)現(xiàn)膨化-發(fā)芽玉米擠出物中游離多酚的抗α-葡萄糖苷酶活性分別增加了221%和40%,抗α-淀粉酶活性分別增加105%和108%。De Sousa等[52]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究了高脂肪飲食(HFD)中擠壓高粱粉(ESF)對肝臟脂肪生成的影響。結(jié)果顯示擠壓過程可以將高分子質(zhì)量原花青素轉(zhuǎn)化為具有更高生物利用度的低分子質(zhì)量化合物。低分子量的原花青素與碳水化合物和蛋白質(zhì)結(jié)合形成不易吸收的復(fù)合物,有助于減少飲食熱量,從而降低大鼠的肝臟總質(zhì)量和體重指數(shù)?；羧鸬萚28]制備了燕麥-玉米擠壓膨化粉,通過組分分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過擠壓加工處理后,原料中脂肪含量和快消化淀粉含量顯著降低。馮進(jìn)等[53]通過消化特性研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化可以促進(jìn)不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變,降低原料粉的碳水化合物水解指數(shù)(HI)、預(yù)估血糖生成指數(shù)(EGI)、預(yù)估血糖負(fù)荷指數(shù)(EGL)指標(biāo),使擠出物達(dá)到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),延長飽腹感。此外,擠壓全谷物制品也可模擬脂肪口感,作為脂肪替代品,從而減少脂肪攝入。例如,擠壓小麥粉可以部分替代蛋糕中的油,或作為蛋黃醬中的脂肪替代品,降低這些產(chǎn)品的脂肪含量[54]。

4.2 其他功能特性

由于全谷物保留了皮層和胚,富含膳食纖維、維生素、酚類物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)和植物化學(xué)素,具有其他多種功能活性。其中,天然酚類和黃酮類化合物可以清除羥基初始自由基,并將初級氧化產(chǎn)物分解成非自由基產(chǎn)物。擠壓加工可將抗氧化物質(zhì)釋放到全谷物基質(zhì)食品中,起到增加抗氧化能力作用[55]。Cattaneo 等[56]發(fā)現(xiàn)擠壓膨化處理后黑麥、燕麥、大麥籽粒的體外消化產(chǎn)物的抗氧化(ABTS 和 FRAP)活性顯著上升。Julieta等[57]報(bào)道擠壓增加了高粱麩中增加了總酚和肉桂酸的含量,這對其抗氧化能力和抑制生巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的一氧化氮產(chǎn)生有積極的影響。擠壓全谷物還表現(xiàn)出抗炎、抑制癌細(xì)胞增長的功能,擠壓高粱粉主要通過酚類物質(zhì)改善高脂飲食肥胖大鼠的腸道微生物群,減少炎癥和氧化應(yīng)激,從而減少肥胖大鼠的炎癥;擠壓處理后的黑小麥麩中酚類化合物促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡的作用顯著增強(qiáng)[58]。

5 總結(jié)與展望

擠壓技術(shù)在全谷物制品的生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。擠壓處理可以調(diào)整全谷物制品的感官特性,包括擠出物的膨脹程度、質(zhì)地和顏色;還可以改善其營養(yǎng)品質(zhì)特性,包括調(diào)節(jié)RDS含量、降低產(chǎn)品的GI,以及通過降低脂肪含量可以降低熱值。然而,熱不穩(wěn)定的維生素可能在擠壓過程中被高溫破壞。這主要?dú)w因于原料的種類、成分和擠壓處理的擠出參數(shù)(如螺桿速度、溫度和進(jìn)料含水量)控制。因此,后續(xù)研究可集中在調(diào)整擠出參數(shù)以生產(chǎn)具有所需性質(zhì)的產(chǎn)品。其次,優(yōu)化工藝參數(shù)及擠壓原料本身的性質(zhì),以生產(chǎn)高品質(zhì)且具有高附加值的新型擠壓產(chǎn)品。最后,還可以探索結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系,研究原料和加工條件對產(chǎn)品風(fēng)味的影響及其機(jī)理。