膨化營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的擠壓制備工藝研究

鄭 志，王麗娟，楊雪飛，祁 斌，賴華楠，姜紹通,*

(1.合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230001)

膨化營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的擠壓制備工藝研究

鄭 志1,2，王麗娟1,2，楊雪飛1，祁 斌3，賴華楠1，姜紹通1,2,*

(1.合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230001)

分別以80目玉米粉、糙米粉、燕麥粉、麥麩粉作為營(yíng)養(yǎng)雜糧粉生產(chǎn)原料，研究物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)徑向膨化度、糊化度和吸水性指數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定擠壓技術(shù)制備膨化營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的最佳工藝參數(shù)為物料含水量15%、螺桿轉(zhuǎn)速130r/min、機(jī)筒溫度160℃，此時(shí)產(chǎn)品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數(shù)為491.8%。

膨化；營(yíng)養(yǎng)雜糧粉；擠壓工藝

雜糧是指除了稻谷、小麥等大宗糧食以外的種植面積相對(duì)較小的多種糧豆薯類總稱。我國(guó)雜糧資源豐富、品種甚多，具有相對(duì)低廉的成本優(yōu)勢(shì)，屬于天然無(wú)污染無(wú)公害的原料，還含有一些獨(dú)特的生理活性成分，形成了廣大老百姓所共知的雜糧食療功效。

過(guò)去，我國(guó)糧食加工的研究主要集中在大宗糧食的利用上，對(duì)雜糧食品的開(kāi)發(fā)利用缺乏深入的研究。同時(shí)，由于雜糧食品含有抗?fàn)I養(yǎng)因子，且適口性和消化性差，大大限制了雜糧的食用與消費(fèi)[1]。隨著人們對(duì)雜糧保健功能的深入認(rèn)識(shí)與對(duì)健康的關(guān)注，國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)“多樣化、營(yíng)養(yǎng)、健康、安全、方便”的雜糧健康食品的需求日益增強(qiáng)，對(duì)雜糧食品的研究與深度開(kāi)發(fā)引起了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的極大興趣。

雜糧的加工技術(shù)研究中，以粗粉碎分級(jí)利用、水提或乙醇浸提、高溫熟化、真空包裝等傳統(tǒng)技術(shù)為主。近年來(lái)，擠壓膨化技術(shù)、紅外線滅酶技術(shù)、微波提取技術(shù)、超微粉碎技術(shù)和超臨界流體萃取技術(shù)等食品高新技術(shù)已逐漸得到應(yīng)用[2]。擠壓膨化技術(shù)是一種高溫瞬時(shí)操作工藝，具有殺菌、鈍化不良因子，促使淀粉糊化，提高蛋白質(zhì)利用率的作用[3]，還可改善產(chǎn)品的組織狀態(tài)和口感，目前已廣泛應(yīng)用于玉米、小米、燕麥、大米[4-7]等食品加工領(lǐng)域，但很少應(yīng)用于混合雜糧粉的擠壓制備。

雙螺桿擠壓膨化設(shè)備是最常用的擠壓設(shè)備，它是一個(gè)多輸出系統(tǒng)，其影響因素可分為原料配方、系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)。工藝參數(shù)包括物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、加工溫度、喂料速度、?？谥睆?、原料特性等。不同原料，由于成分結(jié)構(gòu)的不同，工藝參數(shù)對(duì)其產(chǎn)品品質(zhì)特性的影響不同[8-9]。本實(shí)驗(yàn)以玉米、糙米、燕麥、麥麩混合粉為基質(zhì)原料，采用雙螺桿擠壓膨化技術(shù)研制營(yíng)養(yǎng)雜糧粉，從調(diào)整物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度分布等方面研究加工處理參數(shù)對(duì)擠壓營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的徑向膨化度、糊化度、吸水性指數(shù)等品質(zhì)特性的影響，為營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的擠壓生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米、糙米、燕麥 安徽燕之坊食品有限公司；小麥麩皮 市售。

硫代硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉(均為分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；糖化酶 無(wú)錫昌爾盛貿(mào)易有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

DS32-I雙螺桿擠壓機(jī) 濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司；LD-750A型高速多功能搖擺粉碎機(jī) 浙江永康市紅太陽(yáng)機(jī)電有限公司；AL104電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司；GL-20G-II型離心機(jī) 北京冠普佳科技有限公司；DHG-9240A恒溫干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 營(yíng)養(yǎng)雜糧粉的擠壓工藝流程

原料→粉碎→過(guò)80目篩→輔料混合→調(diào)制→水分平衡→擠壓膨化→冷卻→粉碎→過(guò)100目篩→膨化雜糧粉

1.3.2 單因素試驗(yàn)

前期研究確定原料配方為玉米粉6 0%、糙米粉30%、燕麥粉5%、麩皮粉5%，通過(guò)單因素試驗(yàn)研究物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度對(duì)產(chǎn)品徑向膨化度、糊化度和吸水性指數(shù)的影響。

物料含水量：固定機(jī)筒溫度160℃、螺桿轉(zhuǎn)速110r/ min，喂料速度對(duì)應(yīng)相應(yīng)的螺桿轉(zhuǎn)速，考察物料含水量分別為12%、15%、18%、21%、24%對(duì)產(chǎn)品上述指標(biāo)的影響。

螺桿轉(zhuǎn)速：固定機(jī)筒溫度1 6 0℃、物料含水量15%，考察螺桿轉(zhuǎn)速分別為90、110、130、150、170r/ min對(duì)產(chǎn)品上述指標(biāo)的影響。

機(jī)筒溫度：調(diào)整物料含水量15%，螺桿轉(zhuǎn)速110r/min，考察機(jī)筒溫度分別為140、150、160、170℃對(duì)產(chǎn)品上述指標(biāo)的影響。

1.3.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的法則，設(shè)計(jì)了3因素3水平共9組試驗(yàn)。由單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定各因素的變化范圍為：物料含水量15%～21%、螺桿轉(zhuǎn)速110～150r/min、機(jī)筒溫度150～170℃。營(yíng)養(yǎng)雜糧粉擠壓膨化正交試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1，選擇L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平表Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.4 分析測(cè)定方法

1.3.4.1 原料水分、糊化度和吸水性指數(shù)的測(cè)定

水分：GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測(cè)定》；糊化度：參照酶水解法測(cè)定[10]；吸水性指數(shù)：參照文獻(xiàn)[4]的方法。

1.3.4.2 半成品徑向膨化度的測(cè)定

用游標(biāo)卡尺測(cè)定樣品直徑，每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)定10次，取其平均值作為半成品平均直徑，除以模口直徑得半成品徑向膨化度[11]。

式中：d1為谷物半成品的直徑/cm；d0為擠壓機(jī)?？字睆?cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝參數(shù)的單因素試驗(yàn)

2.1.1 物料含水量對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

圖1 物料含水量對(duì)徑向膨化度和糊化度的影響Fig.1 Effect of water content in raw materials on radial expansion degree and gelatinization degree

谷物膨化是物料中水分瞬間汽化而造成。水在物料體系中是一個(gè)重要的組成部分，作為物料體系的潤(rùn)滑劑和聚合物的增塑劑，在擠壓過(guò)程中可以減少物料間的相互作用，降低剪切淀粉、蛋白質(zhì)等聚合物時(shí)所需要的機(jī)械能，是使食品形成多孔疏松結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品膨化質(zhì)量有著顯著的影響。從理論上講，物料含水量越大，膨化動(dòng)力越強(qiáng)，膨化效果越好，但圖1顯示，在相同擠壓條件下，隨著物料含水量的提高，產(chǎn)品的徑向膨化度呈先升后降的趨勢(shì)，產(chǎn)品的徑向膨化度在物料含水量為15%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)物料含水量較低時(shí)，水分不足膨化受到限制；物料含水量較高時(shí)，過(guò)量的水分為自由態(tài)和表面吸附態(tài)水，難以取代或占據(jù)結(jié)合態(tài)和膠體吸潤(rùn)態(tài)的水分子的原有的空間位置，這些間隙水往往不在密閉氣體小室中，難以引起物料的膨化[12]。

糊化度是衡量擠壓制品的重要指標(biāo)。由圖1可知，糊化度在物料含水量為15%～18%范圍內(nèi)較高，物料含水量過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使糊化度降低。當(dāng)物料含水量較低時(shí)，隨著物料濕度的增加，淀粉和蛋白質(zhì)吸水增加，同時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生變性，導(dǎo)致物料的黏稠度增大，物料與擠壓機(jī)構(gòu)件間的摩擦力增大，在機(jī)筒停留時(shí)間增加，糊化度升高[13]；物料含水量高時(shí)，隨著物料濕度的繼續(xù)增加，由于物料中水分的潤(rùn)滑劑作用，減弱了物料與擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)壁、螺桿和模口之間的摩擦，降低了熔融體的黏度，另一方面，水分在?？谔幤?，吸收大量的汽化潛熱，降低了機(jī)筒及?？谔幍臏囟群蛪毫?，難以在模口處形成高溫高壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致糊化度的降低。

圖2 物料含水量對(duì)吸水性指數(shù)的影響Fig.2 Effect of water content in raw materials on water-absorbing capacity

由圖2可知，吸水性指數(shù)隨著物料含水量的增加而逐步減小。因?yàn)?，雜糧粉在擠壓膨化過(guò)程中，蛋白質(zhì)受熱分解且發(fā)生變性，一部分淀粉糊化，一部分降解為低分子質(zhì)量的葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖及麥芽糊精等低分子量產(chǎn)物[14]，且雜糧粉中的部分膳食纖維受擠壓斷裂，分解為小分子質(zhì)量的片斷，導(dǎo)致水溶性物質(zhì)含量增加。隨著物料含水量的增加，水分子在物料中分布更加均勻，通過(guò)高溫?cái)D壓膨化作用后產(chǎn)生的水溶性物質(zhì)量相應(yīng)增加[15]，從而使膨化雜糧粉的吸水能力下降、吸水性指數(shù)減小。

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

螺桿轉(zhuǎn)速是影響擠壓效果的一個(gè)重要工藝參數(shù)。擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的變化決定了螺桿對(duì)物料的剪切與摩擦作用以及物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間。由圖3可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，產(chǎn)品徑向膨化度呈先增大后減小的趨勢(shì)，產(chǎn)品的徑向膨化度在螺桿轉(zhuǎn)速為150r/min時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，物料在擠壓機(jī)內(nèi)受到的剪切作用小，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)筒內(nèi)的剪切作用、壓力、溫度相應(yīng)的增加[11]，部分較大的直鏈淀粉變成短鏈的糊精和還原糖，分子的氫鍵作用被削弱，分子骨架的自由空間增大，水分子容易滲入而發(fā)生溶脹，產(chǎn)生更為疏松的組織，使產(chǎn)品的徑向膨化度增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較高時(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，扭矩降低，物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間縮短[1]，來(lái)不及從機(jī)筒壁吸收足夠的熱量就被擠出擠壓腔，從而使產(chǎn)品的徑向膨化度降低。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)徑向膨化度和糊化度的影響Fig.3 Effect of screw speed on radial expansion degree and gelatinization degree

圖3顯示，螺桿轉(zhuǎn)速與產(chǎn)品的糊化度呈拋物線型關(guān)系。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，擠出物的糊化度較低，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的不斷增加，物料受到的剪切作用增加，吸收機(jī)械能較高，擠出物的糊化度不斷增加，在130r/min達(dá)到最大值后糊化度又開(kāi)始下降。這是由于物料未能充分的混合、相互摩擦，其熔融體在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間大大減少，受熱時(shí)間變短[16]，來(lái)不及反應(yīng)就被擠出，因此糊化效果較差。

由圖4可知，螺桿轉(zhuǎn)速也是影響吸水性指數(shù)的一個(gè)重要因素。結(jié)果顯示：產(chǎn)品吸水性指數(shù)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小。螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，物料在擠壓機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，水分損失較多，擠壓作用明顯，使得吸水性指數(shù)增大；螺桿轉(zhuǎn)速較高時(shí)，物料在擠壓腔內(nèi)停留時(shí)間縮短，水分損失較少，使得產(chǎn)品的吸水性指數(shù)相應(yīng)減小。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)吸水性指數(shù)的影響Fig.4 Effect of screw speed on water-absorbing capacity

2.1.3 機(jī)筒溫度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

圖5 機(jī)筒溫度對(duì)徑向膨化度和糊化度的影響Fig.5 Effect of barrel temperature on radial expansion degree and gelatinization degree

機(jī)筒溫度是保證擠壓膨化效果的重要因素。在擠壓過(guò)程中物料所吸收的熱量有兩個(gè)來(lái)源，一是機(jī)筒壁傳導(dǎo)的熱量，二是物料在機(jī)筒內(nèi)受剪切和摩擦作用產(chǎn)生的熱量。由圖5可知，隨著機(jī)筒溫度的升高，產(chǎn)品徑向膨化度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。機(jī)筒溫度較低時(shí)，隨著溫度上升，淀粉晶體熔融，物料黏度下降，同時(shí)支鏈淀粉分子氫鍵的斷裂速度加快，支鏈體解離，成為線狀分子，也使得壓模內(nèi)外物料間的溫差增大，出模瞬間水分氣化程度加劇[17]，致使徑向膨化度不斷提高，在160℃時(shí)達(dá)到最大值后，隨溫度的進(jìn)一步升高，分子的降解程度增加，物料黏度降低，對(duì)氣體的束縛能力減弱，使氣泡塌陷或收縮，致使徑向膨化度降低[18]。

物料中淀粉的糊化是在適當(dāng)?shù)臏囟炔⑽兆銐驘崃康臈l件下進(jìn)行的。從理論上講，機(jī)筒溫度越高，物料的糊化效果越好，但圖5顯示，隨著機(jī)筒溫度的升高，糊化度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。在機(jī)筒溫度較低的情況下，物料所吸收的熱量少，水分子運(yùn)動(dòng)不劇烈，不易滲透到淀粉中未膨化的晶體空間結(jié)構(gòu)內(nèi)，導(dǎo)致擠出物的糊化度較低。隨著機(jī)筒溫度不斷增加，擠出物的糊化度也相應(yīng)增大。當(dāng)在160℃達(dá)到最大值后，隨著機(jī)筒溫度的繼續(xù)增加，糊化度反而緩慢下降。原因是：一方面機(jī)筒溫度過(guò)高，物料中水分過(guò)早地蒸發(fā)致使水分太低，淀粉在低水分時(shí)不易糊化，且物料中的蛋白質(zhì)與淀粉降解的糖在高溫下發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致部分淀粉焦炭化，并結(jié)成硬塊，阻礙了淀粉糊化[1]；另一方面機(jī)筒溫度過(guò)高，淀粉分子的降解程度增大，使能夠糊化的淀粉含量減少，從而造成糊化度的降低。

圖6 機(jī)筒溫度對(duì)吸水性指數(shù)的影響Fig.6 Effect of barrel temperature on water-absorbing capacity

由圖6可知，在其他條件不變的情況下，隨著機(jī)筒溫度的變化，吸水性指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。原因可能是：溫度較低時(shí)，擠壓腔內(nèi)物料的降解作用明顯，水溶性物質(zhì)增加，導(dǎo)致吸水性指數(shù)相應(yīng)減??；溫度過(guò)高時(shí)，部分裂解物發(fā)生焦化反應(yīng)，且物料中的水分大量蒸發(fā)，半成品中水分相對(duì)減少，從而使吸水性指數(shù)增大。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，較少的物料含水量、較高的機(jī)筒溫度獲得了較高的徑向膨化度和糊化度，適宜的螺桿轉(zhuǎn)速，有利于提高產(chǎn)品的徑向膨化度和糊化度。物料含水量和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)吸水性指數(shù)的影響存在顯著的差異，吸水性指數(shù)隨物料含水量的升高而降低，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而先增大后減小。因此，優(yōu)化擠壓食品加工工藝時(shí)，要保證較高的機(jī)筒加工溫度，同時(shí)考慮較低的物料含水量和適宜的螺桿轉(zhuǎn)速。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇物料含水量15%～21%、螺桿轉(zhuǎn)速110～150r/min、機(jī)筒溫度150～170℃進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析見(jiàn)表2。

由表2極差分析可知，各因素對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)的影響程度不同，影響徑向膨化度和糊化度的因素程度依次是物料含水量＞機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速，最佳組合均為A1B2C2，即物料含水量15%、螺桿轉(zhuǎn)速130r/min、機(jī)筒溫度160℃；影響產(chǎn)品吸水性指數(shù)的因素程度為機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速＞物料含水量，最佳組合為A1B1C3，即物料含水量15%、螺桿轉(zhuǎn)速110r/min、機(jī)筒溫度170℃。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Orthogonal array design protocol and corresponding results

由表2可知，從3個(gè)指標(biāo)來(lái)看，都是以A1為最佳水平，所以選取A1，即物料含水量為15%；因素B，徑向膨化度和糊化度兩個(gè)指標(biāo)取B2較好，而對(duì)于產(chǎn)品吸水性指數(shù)，B為次要的因素，綜合考慮指標(biāo)的重要程度和多數(shù)傾向選取B2，即螺桿轉(zhuǎn)速為130r/min；因素C，徑向膨化度和糊化度兩個(gè)指標(biāo)取C2較好，而對(duì)于產(chǎn)品吸水性指數(shù)，C雖為主要影響因素，但取C2水平和C3水平相差不大，為降低能耗，綜合考慮選取C2為較優(yōu)水平，即機(jī)筒溫度為160℃。

綜合上述分析，最優(yōu)組合條件為A1B2C2，即物料含水量15%、螺桿轉(zhuǎn)速130r/min、機(jī)筒溫度160℃，此時(shí)產(chǎn)品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數(shù)為491.8%。

3 結(jié) 論

由單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其分析結(jié)果獲得，營(yíng)養(yǎng)雜糧粉最佳擠壓工藝參數(shù)為物料含水量15%、螺桿轉(zhuǎn)速130r/min、機(jī)筒溫度160℃，此時(shí)產(chǎn)品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數(shù)為491.8%。

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Preparation of Nutritional Coarse Grain Powder by Twin-Screw Extrusion

ZHENG Zhi1,2，WANG Li-juan1,2，YANG Xue-fei1，QI Bin3，LAI Hua-nan1，JIANG Shao-tong1,2,*
(1. School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2. Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, Hefei 230009, China；3. Anhui Yanzhifang Food Company, Hefei 230001, China)

Nutritional coarse grain powder was developed using twin-screw extrusion technology with mixed powder of corn, unpolished rice, oat and wheat bran. The effects of water content in raw materials, screw speed and barrel temperature on quality indices including radial expansion degree, gelatinization degree and water-absorbing capacity of extruded powder were investigated. An orthogonal array design was used to determine the optimal process parameters for the preparation of nutritional coarse grain powder as follows: water content in raw materials of 15%, screw speed of 130 r/min, and barrel temperature of 160 ℃. The radial expansion degree, gelatinization degree and water-absorbing capacity of the obtained product were 3.26, 91.87% and 491.8%, respectively.

expansion；nutritional coarse grain powder；extrusion processing

TS201.1

A

1002-6630(2012)18-0118-05

2011-08-04

安徽省科技計(jì)劃項(xiàng)目(11010302149)

鄭志(1971—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。E-mail：zhengzhi@hfut.edu.cn

*通信作者：姜紹通(1954—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。E-mail：jiangshaotong@yahoo.com.cn