擠壓膨化技術(shù)對早餐谷物營養(yǎng)的影響

魏學(xué)明，張 光，劉琳琳，陳鳳蓮，楊春華

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150076）

擠壓膨化技術(shù)對早餐谷物營養(yǎng)的影響

魏學(xué)明，張 光，劉琳琳，陳鳳蓮，*楊春華

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150076）

擠壓膨化技術(shù)是現(xiàn)代食品工程高新技術(shù)之一。近年來，谷物早餐食品得到人們的廣泛認(rèn)可。通過介紹擠壓膨化技術(shù)的過程機(jī)理與優(yōu)點(diǎn)、擠壓膨化技術(shù)及谷物早餐的研究進(jìn)展，綜述了擠壓膨化技術(shù)對食物營養(yǎng)及其消化吸收率的影響。

擠壓膨化技術(shù)；谷物早餐；營養(yǎng)成分；消化吸收率

0 引言

中國居民膳食結(jié)構(gòu)中谷物占有較大比例，谷物中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，能滿足人體大部分生理需求。應(yīng)用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)谷物方便早餐，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、原料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，能保留谷物中絕大多數(shù)營養(yǎng)成分。營養(yǎng)方便早餐食品的生產(chǎn)既滿足了人們的營養(yǎng)需求，也方便了人們的生活，因此擠壓膨化營養(yǎng)方便早餐擁有廣闊的市場前景。

1 擠壓膨化技術(shù)及其研究進(jìn)展

擠壓膨化技術(shù)是將物料的混合、破碎、蒸煮、殺菌、膨化及成型等加工過程合為一體，實(shí)現(xiàn)一系列單元的同時進(jìn)行連續(xù)操作的現(xiàn)代加工技術(shù)［1］。

1.1 擠壓膨化過程機(jī)理

擠壓膨化是通過熱能、剪切和壓力等綜合作用，使水分在噴出?？跁r瞬間汽化，對食品進(jìn)行膨化的一種技術(shù)，是一個短時高溫、高壓的加工過程。擠壓機(jī)內(nèi)螺桿、螺旋不斷轉(zhuǎn)動，當(dāng)物料進(jìn)入擠壓機(jī)后，隨著螺桿、螺旋的轉(zhuǎn)動被向前輸送，由于螺桿與機(jī)筒、物料與機(jī)筒、物料之間的強(qiáng)烈摩擦以及擠壓機(jī)套筒外加的熱量使物料處于高溫、高壓環(huán)境呈熔融狀態(tài)，當(dāng)物料進(jìn)入模頭前，熔融態(tài)的物料完全呈流體狀態(tài)，最后由模孔被擠出瞬間到達(dá)常溫常壓狀態(tài)，物料的體積也瞬間膨化，致使食品內(nèi)部淀粉體爆出許多微孔，體積急劇膨脹，形成質(zhì)構(gòu)疏松的膨化食品［2］。

1.2 擠壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

擠壓技術(shù)應(yīng)用范圍廣，可用于加工各種豆類、谷類、薯類等，也可以生產(chǎn)各種膨化食品和休閑食品［3］。擠壓設(shè)備往往具有良好的連續(xù)工作性能，生產(chǎn)效率高，從而降低了生產(chǎn)成本；可以改善食品原料的質(zhì)構(gòu)特性、密度、復(fù)水性等，從而改善產(chǎn)品口感和風(fēng)味，有利于粗糧細(xì)做，使粗糧更容易被人們接受［4］。改變原料種類或改變擠壓設(shè)備模頭，即可生產(chǎn)出多種不同口味、形狀的產(chǎn)品。生產(chǎn)過程中幾乎無廢棄物排出，只在開機(jī)和停機(jī)時排出少量原料，減少了物料的浪費(fèi)。擠壓過程是一種短時的加工過程［5］，物料短時間受熱，能最大限度保存原料的營養(yǎng)。擠壓加工時，由于淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)的降解，有利于人體的消化吸收。物料在模頭擠出時，閃蒸掉部分水分，使α化定型，不易回生，也延長了食品的貨架期［6］。

1.3 擠壓膨化技術(shù)的研究進(jìn)展

18世紀(jì)末，Jarsen等人［7］首先使用以活塞驅(qū)動的擠壓裝置來生產(chǎn)鉛管，這是擠壓技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)上最早的例子。1856年，沃德首次申請了關(guān)于食品擠壓技術(shù)的專利，這也是食品擠壓技術(shù)的最早文獻(xiàn)［8］。1869年用于生產(chǎn)香腸的第1臺雙螺桿擠出機(jī)被生產(chǎn)出來，大大方便了香腸的生產(chǎn)［9］。此后，擠壓技術(shù)的優(yōu)越性逐漸突顯，到1935年被較廣泛地應(yīng)用于焙烤、糖果等食品工業(yè)［7］。20世紀(jì)50年代初，擠壓蒸煮技術(shù)得到了迅速發(fā)展，由于擠壓加工較焙烤加工更加省時省力，所以當(dāng)時的餅干焙烤加工很大程度上被擠壓技術(shù)所取代。這段時期，擠壓技術(shù)首次被應(yīng)用于寵物膨化食品加工。擠壓機(jī)也由單一功能向多功能發(fā)展。20世紀(jì)60年代中期，擠壓快餐食品得到迅速發(fā)展，擠壓加工技術(shù)也由單純生產(chǎn)谷物食品，發(fā)展到生產(chǎn)飼料和組織蛋白等。1970年，Arkinsion［10］發(fā)現(xiàn)擠壓機(jī)可以使生物聚合物組織化，剪切應(yīng)力使生物聚合物組織重新排列，彼此發(fā)生反應(yīng)，形成新的組織結(jié)構(gòu)。1980年以來，擠壓機(jī)作為一種生化反應(yīng)器，在食品工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域也得到不斷拓展［11］。20世紀(jì)90年代后，美國、意大利、德國、法國等多個國家的不同食品擠壓機(jī)生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)出各種系列的食品擠壓機(jī)。時至今日，擠壓膨化技術(shù)作為一種成熟的食品加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，擠壓產(chǎn)品遍及世界各地，僅擠壓膨化食品年產(chǎn)值達(dá)十幾億美元。現(xiàn)在，已研制出多種不同類型擠壓機(jī)，可生產(chǎn)出多種顏色、風(fēng)味各異的食品。擠壓機(jī)模頭得到進(jìn)一步改進(jìn)，擠壓機(jī)作用機(jī)理也有很大進(jìn)步。

2 谷物早餐

谷物早餐食品是以玉米、大米、小麥、燕麥等谷物為主要原料加工而成，加入牛奶或稍煮沸片刻就可食用的早餐食品［12］。谷物早餐食品的發(fā)展起源于100多年前的美國，可分為2種類型：一是在食用前需燒煮或加沸水（即熱食），如燕麥粥、速煮麥片粥等；二是完全加工好、隨時可食用的谷物，如玉米片。谷物早餐含有豐富的營養(yǎng)，不含添加劑，能基本滿足人們對營養(yǎng)的需求。近年來，谷物早餐食品逐漸被人們接受和重視。

19世紀(jì)末，美國的Will Kellogg第一次加工谷物早餐食品。此后，谷物早餐食品在世界各國發(fā)展起來?，F(xiàn)在在美國，谷物早餐食品是消費(fèi)量最大的一種早餐食品，以其食用方便、品種多樣和營養(yǎng)豐富的特點(diǎn)深受人們喜愛。1997年，美國早餐谷物食品的總產(chǎn)值達(dá)到92億美元，并以每年3%的增長率持續(xù)增長［13］。國內(nèi)關(guān)于谷物早餐的研究，近年來才逐漸成為熱點(diǎn)。王亮［14］研究了擠壓參數(shù)以及物料組成成分對早餐谷物質(zhì)構(gòu)特性的影響，擠壓參數(shù)包括擠壓機(jī)套筒溫度、擠壓轉(zhuǎn)速、進(jìn)料水分；物料組成成分包括淀粉、蛋白質(zhì)及脂肪含量。同時以螺桿轉(zhuǎn)速、四區(qū)溫度及進(jìn)料水分為自變量，以脆性、保脆性、碘價、過氧化值以及綜合指標(biāo)為因變量，通過響應(yīng)面法研究分析了各擠壓參數(shù)間的相互影響和內(nèi)在聯(lián)系。吳衛(wèi)國［15］開發(fā)了以五谷雜糧為基礎(chǔ)原料，采用雙螺桿擠壓生產(chǎn)方式生產(chǎn)的谷物早餐食品，并就擠壓過程中原料不同成分之間的相互作用和各擠壓操作參數(shù)對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，以及擠壓早餐谷物各品質(zhì)指標(biāo)之間的相互聯(lián)系等方面進(jìn)行了研究。文新華［16］通過分析原料的成分，并根據(jù)擠壓產(chǎn)品的感官指標(biāo)，確定了谷物早餐的配方，探討了擠壓工藝最優(yōu)條件，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)谷物早餐食品的完整技術(shù)。

3 擠壓膨化技術(shù)對早餐谷物營養(yǎng)成分的影響

擠壓過程因其高溫高壓的特性，可破壞谷物中的有害因子。大豆制品的豆腥味是由于大豆中含有脂肪氧化酶催化脂肪發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生不愉快的味道，高溫擠壓過程可以將脂肪氧化酶破壞，從而避免了不良風(fēng)味的產(chǎn)生。另外，谷物中的一些天然毒性物質(zhì)（如胰蛋白酶抑制因子等）在擠壓過程中也同樣可以被破壞掉，大豆原料經(jīng)過高濕擠壓后，蛋白質(zhì)的體外消化率提高了12.1%，達(dá)到94.6%［17］。除此之外，谷物在擠壓機(jī)內(nèi)經(jīng)過混合、攪拌、摩擦積累能量達(dá)到高溫高壓，原料受到熱能、機(jī)械剪切和壓力等綜合作用，促使?fàn)I養(yǎng)成分發(fā)生變化，可提高谷物的消化吸收率。

3.1 擠壓膨化技術(shù)對淀粉的影響

淀粉是一種天然的植物多糖，是人類碳水化合物的主要來源之一［18］。在各類擠壓膨化食品中，淀粉質(zhì)食品占最主要部分。淀粉是谷物食品中的主要組成成分，天然谷物中淀粉吸水性很小、口感差，不易被淀粉酶分解，難以被人體消化吸收；淀粉糊化后，吸水性變大，易受淀粉酶作用，提高了在人體內(nèi)的消化吸收率。淀粉是谷物中的主要成分，因此淀粉的糊化在谷物食品加工過程中是最重要的變化。早餐谷物在擠壓過程中，淀粉粒解體，淀粉被充分糊化，在擠出瞬間蒸發(fā)掉部分水分，使α化定型，不易回生，形成膨化食品的骨架，也延長了食品貨架期［19-20］。擠壓過程中淀粉發(fā)生糊化，其糊化程度與擠壓機(jī)操作參數(shù)有密切關(guān)系。隨著物料水分含量的增加、加工溫度的升高、螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速度的協(xié)同改變，膨化度和糊化度均呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢［21］。楊銘鐸［8］對谷物淀粉通過不同方法實(shí)現(xiàn)的糊化等進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)淀粉經(jīng)擠壓膨化實(shí)現(xiàn)的糊化較蒸煮實(shí)現(xiàn)的糊化更徹底、更穩(wěn)定。在擠壓過程中，淀粉受到高溫高剪切作用，淀粉鏈被切斷，形成小分子的寡糖，淀粉得到一定程度的降解。研究表明，較高的擠壓機(jī)模頭溫度和較低的喂料水分可以加大淀粉的降解程度。在一定范圍內(nèi)，隨螺桿轉(zhuǎn)速的提高，淀粉降解程度增加，而螺桿轉(zhuǎn)速過高，反而會使淀粉降解程度降低。

3.2 擠壓膨化技術(shù)對脂肪的影響

擠壓膨化過程中，脂肪會與淀粉和蛋白質(zhì)形成組織緊密、難被水解的復(fù)合物，從而使脂肪含量減少；不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸之間的比例降低，反式脂肪酸會有所增加，膨化后谷物中總脂肪含量降低。脂肪復(fù)合體的生成，使脂肪受到淀粉和蛋白質(zhì)的保護(hù)，有利于防止脂肪的氧化，延長谷物早餐食品的貨架期。

3.3 擠壓膨化技術(shù)對蛋白質(zhì)的影響

谷物早餐進(jìn)行擠壓膨化過程中，由于高溫、高壓、高剪切力以及熱能的作用，破壞了蛋白質(zhì)的三、四級結(jié)構(gòu)，使大分子的蛋白質(zhì)發(fā)生降解成為小分子的肽和氨基酸，氨基酸極易與早餐谷物中的糖類發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量減少［21］。在擠壓過程中，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)由折疊狀伸展為直線狀，發(fā)生變性。研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)變性程度隨擠壓機(jī)套筒溫度降低、喂料水分增大、螺桿轉(zhuǎn)速升高而降低。擠壓膨化過程中蛋白質(zhì)分子發(fā)生變性，更容易受到酶的作用，蛋白質(zhì)分子降解，從而提高了蛋白質(zhì)的消化率。擠壓加工也可以破壞谷物中干擾蛋白質(zhì)消化的化合物，從而提高蛋白質(zhì)的消化吸收率。

擠壓加工也會降低某些蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值。在擠壓過程中物料中淀粉降解產(chǎn)生的還原糖及其他羰基化合物，會與物料中的游離氨基酸及擠壓過程中蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生的游離氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，從而限制了某些氨基酸的吸收，降低了蛋白質(zhì)的效價。

3.4 擠壓膨化技術(shù)對維生素的影響

膨化加工對部分維生素的影響較大，研究表明隨著擠壓溫度的升高、螺桿轉(zhuǎn)速的降低、擠壓原料含水量的降低及模頭孔徑的減小，維生素含量的損失量增大。研究發(fā)現(xiàn)，VA，VE，VC，VB1和葉酸對膨化加工敏感；與此相反，其他B族維生素，如VB2，VB6，VB12，泛酸和生物素等在擠壓過程中變化不明顯。

3.5 擠壓膨化技術(shù)對礦物質(zhì)的影響

擠壓膨化過程對礦物質(zhì)的影響較小，礦物質(zhì)含量基本沒有損失，但是鐵強(qiáng)化擠壓膨化食品會影響食品色澤的劣變，還會加快脂肪氧化。

3.6 擠壓膨化技術(shù)對風(fēng)味物質(zhì)的影響

在擠壓膨化過程中，物料中某些呈味物質(zhì)會發(fā)生化學(xué)變化，還有一些香氣成分隨水蒸氣蒸發(fā)而逸散，導(dǎo)致氣味劣化。另一方面，由于還原糖與含氮化合物發(fā)生的美拉德反應(yīng)，為擠壓食品提供了焦煳香味。擠壓膨化后的糊化淀粉和蛋白質(zhì)對香氣成分也有一定的保護(hù)作用，提高食品貯藏過程中風(fēng)味的保存。

4 結(jié)論

應(yīng)用擠壓技術(shù)加工谷物早餐，其高溫高壓過程破壞了谷物中的一些有害因子，使淀粉糊化、脂肪含量降低、蛋白質(zhì)降解，提高谷物的消化吸收率，還可以賦予谷物早餐一些熟谷物的香味。擠壓膨化技術(shù)瞬時加工的方法能最大程度保留谷物的營養(yǎng)物質(zhì)，但對谷物營養(yǎng)也存在不良影響，擠壓膨化技術(shù)使不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例增加，反式脂肪酸含量增加，降低了脂肪的效價；也因美拉德反應(yīng)的發(fā)生，限制了某些必需氨基酸的吸收，降低了蛋白質(zhì)的效價；谷物中的香氣成分也隨水蒸氣的閃蒸而有所損失?？傮w而言，擠壓膨化技術(shù)在谷物早餐中的應(yīng)用較其他加工方法有較大的優(yōu)勢，對谷物早餐的工業(yè)化生產(chǎn)也提供了最大的方便性，是一種具有長久應(yīng)用價值的早餐谷物生產(chǎn)方法。

5 展望

我國是一個谷物生產(chǎn)大國，但大眾對于谷物的加工食用多處于原始的家庭式加工，對方便谷物早餐的認(rèn)識較少，一定程度上影響早餐谷物的發(fā)展；我國谷物早餐食品的市場基本被外企壟斷，國內(nèi)僅南方人家、中糧等個別企業(yè)生產(chǎn)，價格偏高，不為大眾所接受。我國谷物資源豐富，生產(chǎn)玉米、大米、燕麥、小米等各種五谷雜糧，谷物中缺乏賴氨酸，加入豆類會使氨基酸組成更合理，利于吸收，各種谷物復(fù)配會使?fàn)I養(yǎng)更加全面均衡，因此谷物早餐的復(fù)配將會是未來的發(fā)展趨勢。

擠壓膨化技術(shù)作為一種新型的食品加工技術(shù)，在我國得到了迅猛發(fā)展。我國是糧食生產(chǎn)大國，我國谷類食物種類繁多，合理搭配并通過擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)谷物早餐不僅使我國豐富的谷類食物充分利用，而且其營養(yǎng)豐富、安全衛(wèi)生、搭配均衡，同時也豐富了人們的生活，使糧食類作物保質(zhì)期延長，因此應(yīng)大力推廣通過擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)的谷物早餐。

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The Influence of Extrusion Technology on Food Nutrition

WEI Xueming，ZHANGguang，LIU Linlin，CHEN Fenglian，*YANG Chunhua
（Key Laboratory of Food Science and Engineering Colleges and Universities in Heilongjiang Province，F(xiàn)ood and Engineering College，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China）

Extrusion expansion technology is one of the high technology of modern food engineering.In recent years，cereal breakfast food has been widely recognized.The process mechanism and the advantages of extrusion technology，the research progress of extrusion technology and the research progress of the cereal breakfast，the influence of extrusion technology on the food nutrition，the digestion and absorption rate are introduced in this paper.

extrusion expansion technology；cereal breakfast；nutrient component；digestion and absorption rate

TS213.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.04.017

1671-9646（2016）04a-0055-03

2016-02-26

魏學(xué)明（1990— ），女，碩士，研究方向?yàn)楣任锘瘜W(xué)與糧油食品。

*通訊作者：楊春華（1972— ），女，博士，副教授，研究方向?yàn)楣任锘瘜W(xué)與糧油食品。