加工條件對低能高纖食品理化特性的影響

王丹丹，張建友，丁玉庭

(浙江工業(yè)大學 生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310014)

利用食品加工的副產(chǎn)物如麥麩、豆腐渣、麥胚等高膳食纖維原料可加工成低能量、高纖維的食品。麥麩是小麥面粉廠的主要加工副產(chǎn)品，是麩皮和一定數(shù)量的胚乳與麥胚組成的混合物。麥麩中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、維生素 (B1、B2、E)、礦物質(zhì)、低聚糖、酶類 (β-淀粉酶、植酸酶、羧肽酶、脂酶)及酚類化合物等成分［1］。豆腐渣是生產(chǎn)豆制品的副產(chǎn)品，含有豐富的蛋白質(zhì)、纖維以及多種礦物質(zhì)及維生素，具有很高的食療價值，但目前加工生產(chǎn)中的大量豆腐渣被視為廢棄物未好好利用。麥胚和豆腐渣同樣具有很高的營養(yǎng)價值，是珍貴的保健食品。利用麥麩和豆腐渣加工成擠壓食品，它具有以下經(jīng)濟意義:低脂肪，是一種理想的減肥食品。因為其原材料，都是一些高蛋白，高纖維而低脂肪的材料，加工完成后不僅因為其中的高纖維有助于消化，而且因是低脂肪，更是一種高質(zhì)量的減肥食品。高營養(yǎng)，食品中富含人體所需的各種氨基酸，維生素，礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。易儲存。擠壓食品經(jīng)過膨化后，其中的水分含量只有6%～8%，不利于細菌的繁殖與生長，有利于食品的長期保存。采用雙螺桿擠壓加工方法，研究各操作參數(shù)對擠壓食品硬度、持水性及水溶性蛋白含量的影響，優(yōu)化最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥麩皮、小麥胚芽 (杭州恒天面粉集團有限公司)，豆腐渣 (杭州世紀聯(lián)華超市)，海藻酸鈉 (食品級 國藥集團化學試劑有限公司)，乳酸鈣(食品級 華東師范大學化工廠)。

1.2 設(shè)備

SLG32-Ⅱ雙螺桿擠壓機 (濟南賽百諾科技開發(fā)有限公司)，751-GW分光光度計 (上海第三分析儀器廠)，DHG-9070型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)，物性測定儀 (TAXT2i/50型，英國stable Microsystems)。

1.3 方法

試驗采用擠壓溫度 (X1)，螺桿轉(zhuǎn)速 (X2)，物料濕度 (X3)及粒度 (X4)4因素5水平。-2， -1，0，1，2代碼分別為 X1:130，140，150，160，170 ℃;X2:150， 200，250，300，350 r·min-1;X3:25%，30%，35%，40%，45%;X4:20目 (孔徑 0.84 mm)，40目 (孔徑0.42 mm)，60目 (孔徑0.25 mm)，80目 (孔徑0.177 mm)，100目 (孔徑0.149 mm)。

實施可旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計 (表1)，應(yīng)用響應(yīng)面分析，優(yōu)化最佳工藝參數(shù)。并用 Design-Expert7.1.6 Trial統(tǒng)計軟件，通過其響應(yīng)面回歸(RSREG)過程進行數(shù)據(jù)分析。

1.4 測定項目

硬度測定。擠出物烘干至水分含量為16%，擠出物的質(zhì)地特性用TA-XT2物性分析儀測定。采用TPA測試程序，2 mm的圓柱形探頭，測前速度:2.0 mm·s-1，測試速度:2.0 mm·s-1，測后速度:5.0 mm·s-1，壓縮比例:60%［2］。

持水性 (WAI)測定。稱取約0.5 g過80目篩的粉樣 (W1)放入已知質(zhì)量 (W2)的50 mL離心管內(nèi)，加入10 mL蒸餾水，將離心管置于30℃水浴鍋中，振蕩混合均勻，靜置30 min，4 500 r·min-1離心10 min，取出，倒出上層液體，稱重(W3)［3］。產(chǎn)品持水性 /(g·mL-1)=(W3-W2-W1)/W1×100。

水溶性蛋白測定。5 g擠壓產(chǎn)品室溫下于40 mL濃度為0.05 mol·L-1Tris-HCl的緩沖液 (p H值7.5)中攪拌水化2 h，然后于13 500 r·min-1離心15 min，獲得上清液。將上清液超濾后采用雙縮脲法測定蛋白質(zhì)含量 (以干基計)［4］。

2 結(jié)果與討論

實施可旋轉(zhuǎn)中心組合的試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗設(shè)計方案和試驗結(jié)果

2.1 硬度

硬度是質(zhì)構(gòu)探頭第1次穿過擠壓物時所需的最大壓力，能夠反映該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)狀態(tài)［5-6］。有研究表明［7］，硬度的變化主要取決于擠壓物膨化度及容積密度，高容積密度、低膨化度的擠壓物硬度高。

通過產(chǎn)品 (擠壓物)硬度的方差分析，可得硬度的數(shù)學模型:Y1=3 550.63+533.20X1-120.21X2-930.43 X3+731.68 X4+53.99 X1X2+94.38 X1X3- 374.43X1X4- 535.26 X2X3-854.79X2X4-357.15 X3X4+593.10X12+106.72 X22+178.92 X32+468.68 X42。

由方差分析結(jié)果可看出，X3及X4對硬度影響顯著 (F=66.48*和F=41.11*)，X1對硬度影響極顯著 (F=21.83＊＊)，而 X1X1、X4X4對硬度影響顯著 (F=7.30*和 F=4.56*)，X2對硬度影響較小 (F=1.11)。

回歸方程可信度分析，決定系數(shù)為91.83%，表明91.83%的數(shù)據(jù)可以用該模型進行解釋，說明方程可靠性較高。離回歸標準差為11.581，說明回歸的擬合程度較好，變異系數(shù)為7.3%，較低，說明實驗操作可信。分析表明該回歸方程為優(yōu)化低能量高纖維產(chǎn)品硬度工藝條件的一個良好模型。

2.1.1 套筒末端溫度對硬度的影響

由圖1-3可知，產(chǎn)品的硬度隨著機筒末端溫度的增加而增加。這主要是因為當溫度較低時，隨機筒溫度的增加，物料在機筒內(nèi)不斷熔融，產(chǎn)品組織化形成［8］，硬度不斷升高。當溫度較高時，物料在機筒內(nèi)已充分熔融，溫度過高，蛋白質(zhì)會發(fā)生“美拉德(Maillard)”反應(yīng)，膨化度降低，硬度過高。

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對硬度的影響

由圖4和5可看出，在低螺桿轉(zhuǎn)速時，硬度隨物料粒度的大小的變化更為敏感。原因是在低轉(zhuǎn)速條件下，物料在機筒內(nèi)停留時間較長，樣品的粒度越小結(jié)合得越緊密，使得擠壓后的產(chǎn)品硬度增大。在高轉(zhuǎn)速時，物料在機筒內(nèi)停留時間縮短，產(chǎn)品組織化程度較低。

2.1.3 物料濕度對產(chǎn)品硬度的影響

由圖2、圖4及圖6可以看出，隨著物料水分的增加，產(chǎn)品硬度明顯降低。由圖1可知，在低溫條件下，物料在機筒中未達到充分的熔融狀態(tài)，隨著水分含量的增加擠壓腔體內(nèi)壓力和機械能耗降低，產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)松散，產(chǎn)品硬度不斷降低且易斷裂。在溫度較高時，物料各組分在機筒內(nèi)達到充分熔融，水分含量增加導(dǎo)致膨化度增加，因此產(chǎn)品硬度略為下降［9-10］。

圖1 末端溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對硬度的影響

圖2 末端溫度和物料濕度對硬度的影響

圖3 末端溫度和物料粒度對硬度的影響

2.1.4 物料粒度對產(chǎn)品硬度的影響

由圖3、圖5及圖6可以看出，隨著物料粒度的減小硬度增大。原因在于粒徑過大，在同樣的溫度、壓力和剪切力作用下，原料與水和機筒內(nèi)壁接觸面積較小，受熱較慢，同時，較大的顆粒不易被水充分濕潤［11］，產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)較為松散。隨著粒度的減小，原料間靜電作用加大，樣品在擠壓腔里結(jié)合緊密，硬度增大。

2.2 持水性

產(chǎn)品持水性的方差分析結(jié)果可以得出持水性的數(shù)學模型:Y2=5.49+0.26 X1+0.043 X2-0.31 X3-0.47X4+0.23 X1X2-0.41 X1X3-0.58X1X4-0.020 X2X3-0.040 X2X4+0.37 X3X4-0.37 X12-0.38 X22-0.072 X32+0.059 X42。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速和物料濕度對硬度的影響

圖5 螺桿轉(zhuǎn)速和物料粒度對硬度的影響

圖6 物料濕度和物料粒度對硬度的影響

X3及X4對WAI影響顯著 (F=6.10*和 F=14.47*)，而 X1、X1X4對 WAI影響也顯著 (F=4.17*和 F=3.66*)，X2對持水性影響較小 (F=0.12)。

2.2.1 套筒末端溫度對產(chǎn)品持水性的影響

由圖7-9可知，擠壓溫度的上升使得產(chǎn)品的持水性先增加后減少。且在150℃左右時達到最大值。溫度是影響蛋白質(zhì)變性和熱機械強度的重要因素，因此是影響產(chǎn)品持水性的重要因素［12-13］。粒徑較大時 (20～60目)，持水性隨溫度的變化趨勢較大。高溫度易導(dǎo)致物料發(fā)生焦糖化，持水性下降，擠壓溫度主要通過影響產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)而影響產(chǎn)品的持水性。

2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品持水性的影響

圖7 末端溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對WAI的影響

圖8 末端溫度和物料濕度對WAI的影響

圖9 末端溫度和物料粒度讀WAI的影響

由圖7、圖10-11可知，持水性隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加先增加后減小，原因可能是在螺桿轉(zhuǎn)速較低時，原料在擠壓機內(nèi)停留時間長，水分損失多，擠壓作用明顯，持水性相應(yīng)增大;而在螺桿轉(zhuǎn)速較高時，物料在擠壓機內(nèi)停留時間短，水分損失少，持水性相應(yīng)減小。故螺桿轉(zhuǎn)速可以影響物料水分從而影響 持水性［14］。

2.2.3 物料濕度對產(chǎn)品持水性的影響

由圖8、圖10及圖12可以看出，隨著物料水分含量的增加，產(chǎn)品持水性先增后減。水在擠壓過程中具有增加聚合物鏈段的分子運動性、增塑性、降低扭矩和機械能耗等作用［15］。在低水分條件下，分子間運動能力弱，蛋白質(zhì)之間反應(yīng)較少，不易形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，持水性低。隨著水分含量的增加，分子之間作用增強及水蒸氣的產(chǎn)生均促進了擠壓物空間結(jié)構(gòu)的形成，持水性能升高。但較高的物料水分使得擠壓過程中扭矩和機械能耗降低，物料在擠壓過程的摩擦減少，蛋白質(zhì)之間相互作用較少，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為致密，持水性降低。

2.2.4 物料粒度對產(chǎn)品持水性的影響

圖10 螺桿轉(zhuǎn)速和物料濕度對WAI的影響

圖11 螺桿轉(zhuǎn)速和物料粒度對WAI的影響

圖12 物料濕度和物料粒度對WAI的影響

由圖9、圖11及圖12可以看出，隨著物料粒徑的減小持水性降低。試驗表明，在粒徑為40～60目范圍內(nèi)的物料，其擠壓產(chǎn)品表面光滑、平整，口感細膩，既能保持適當?shù)挠捕群途捉蓝龋揖哂辛己玫慕M織化結(jié)構(gòu)。

2.3 水溶性蛋白含量

由產(chǎn)品水溶性蛋白的方差分析結(jié)果可以得出水溶性蛋白的數(shù)學模型:Y3=3.18-0.38X1-0.52 X2-0.083 X3-0.43 X4+0.100 X1X2+0.20X1X3-0.20 X1X4-0.050 X2X3+0.25 X2X4+0.050X3X4-0.94 X12-0.89X22-0.39X32-0.84X42。

X1、X2及 X4對水溶性蛋白影響顯著 (F=16.79*，F(xiàn)=30.84*和 F=21.69*)，X3對水溶性蛋白影響較小 (F=0.80)。

2.3.1 套筒末端溫度對產(chǎn)品水溶性蛋白含量的影響

由圖13-15可知，溫度與水溶性蛋白含量之間呈拋物線關(guān)系，且有最大值，水溶性蛋白的含量先略有增加后減少。這可能是由于在溫度低于160℃時，隨溫度的增加，淀粉的糊化度增加，物料處于熔融狀態(tài)，流動性隨溫度的升高而增加，導(dǎo)致物料在機筒內(nèi)的時間相對縮短，所以蛋白質(zhì)變性減少。而在溫度超過160℃時，高溫加劇了美拉德反應(yīng)，蛋白質(zhì)損失，水溶性蛋白降低。

圖13 末端溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對水溶性蛋白的影響

圖14 末端溫度和物料濕度對水溶性蛋白的影響

圖15 末端溫度和物料粒度對水溶性蛋白的影響

2.3.2 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品水溶蛋白含量的影響

由圖13、圖16和圖17可知螺桿轉(zhuǎn)速和水溶性蛋白含量之間呈拋物線關(guān)系。這可能是在低轉(zhuǎn)速的情況下，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料在腔體的停留時間縮短，物料的受熱時間減少，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性相對減少。在轉(zhuǎn)速較高時，剪切力增大，并造成物料間相互摩擦產(chǎn)生大量熱量，雖然高轉(zhuǎn)速時物料在腔體內(nèi)停留時間短，但不足以彌補因物料間相互摩擦以及剪切力增大而造成的蛋白質(zhì)變性，因此蛋白質(zhì)含量降低。

2.3.3 物料濕度對產(chǎn)品水溶性蛋白含量的影響

圖16 螺桿轉(zhuǎn)速和物料濕度對水溶性蛋白的影響

圖17 螺桿轉(zhuǎn)速和物料粒度對水溶性蛋白的影響

圖18 物料濕度和物料粒度對水溶性蛋白的影響

由圖14、圖16及圖18可以看出水分含量與水溶性蛋白含量之間呈拋物線關(guān)系，且有一最大值。在低水分條件下，分子間運動能力弱，蛋白質(zhì)之間和蛋白質(zhì)—多糖之間的交聯(lián)不能充分進行［16］，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化相對較少。隨著水分含量的增加，分子運動性和塑性增強，反應(yīng)物之間交聯(lián)加劇，蛋白質(zhì)變性程度增加。隨著水分含量的進一步增加，即高于X3=0(35%)時，由于淀粉水解的糖類與蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)加劇，蛋白質(zhì)損失。所以在水分含量高于35%時，水溶性蛋白呈減少趨勢。

2.3.4 物料粒度對產(chǎn)品水溶性蛋白含量的影響

由圖15、圖17及圖18可以看出，物料粒度與水溶性蛋白含量之間呈拋物線關(guān)系，且有一最大值。在粒度20～60目范圍內(nèi)，水溶性蛋白含量隨著粒度的增加而增加，當粒度為60目時，水溶性蛋白含量達到最大值，但粒度超過60目時，水溶性蛋白含量又開始下降。當粒徑較大時，在同樣的溫度、壓力和剪切力作用下，原料與水和機筒內(nèi)壁接觸面積較小，受熱較慢，蛋白質(zhì)變性程度較低，所以水溶性蛋白含量較高;當粒度較細時，由于原料間靜電作用加大，機筒內(nèi)物料之間的交聯(lián)作用增加，尤其是蛋白質(zhì)與淀粉之間的美拉德反應(yīng)加劇，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性程度增加，水溶性蛋白含量減少。

3 小結(jié)

以麥麩、豆渣及麥胚為主要原料生產(chǎn)低能量高纖維產(chǎn)品時，工藝參數(shù)的選擇對產(chǎn)品特性有重要影響。試驗結(jié)果表明，在擠壓組織化過程中，擠壓溫度、物料水分含量及粒徑對產(chǎn)品擠壓組織化、產(chǎn)品質(zhì)量的影響最顯著，其次是螺桿轉(zhuǎn)速。擠壓溫度是原料是否可以組織化的關(guān)鍵因素，物料水分含量則影響著產(chǎn)品能否形成較好組織化結(jié)構(gòu)的重要因素，物料粒度影響擠壓產(chǎn)品的組織化結(jié)構(gòu)和感官質(zhì)量，螺桿轉(zhuǎn)速主要影響物料在擠壓機內(nèi)的滯留時間和螺桿對物料的剪切作用。

擠壓產(chǎn)品的硬度隨著末端溫度增加而增加，隨著物料濕度及粒度的增大降低;擠壓產(chǎn)品的持水性隨著末端溫度及物料濕度的增加先增大后減小，隨著物料粒度的增大而增大，螺桿轉(zhuǎn)速對硬度及持水性的影響不明顯;擠壓產(chǎn)品的水溶性蛋白隨著末端溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料濕度及物料粒度的增加先增大后減小。

綜合考慮物料水分、機筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速及?？字睆綄Ξa(chǎn)品質(zhì)構(gòu)、持水性、水溶性蛋白含量等的影響，本試驗得出低能量高纖維產(chǎn)品擠壓組織化的最優(yōu)參數(shù)組合為:物料水分為30%，機筒溫度為150℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 200 r·min-1，物料粒度為40目。

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