營養(yǎng)谷物粉擠壓工藝優(yōu)化及對其理化特性研究

王玉彤，馬慧明，張浩，杜月嬌，姜冶，孟祥敏，文連奎

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130118）

營養(yǎng)谷物粉擠壓工藝優(yōu)化及對其理化特性研究

王玉彤，馬慧明，張浩，杜月嬌，姜冶，孟祥敏，文連奎*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130118）

采用雙螺桿擠壓工藝處理制得營養(yǎng)谷物粉。在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法研究擠壓工藝條件對谷物粉理化特性的影響，分析其主要理化特性。結(jié)果表明：螺桿轉(zhuǎn)速為154.22 r/min，添加水分為18.72%，擠壓溫度為134.89℃、喂料速度12 kg/h條件最佳，其吸水性指數(shù)（WAI）為354.059%。谷物粉經(jīng)擠壓后可溶性膳食纖維（SDF）和糊化度分別提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白質(zhì)分別降低19.30%、13.78%。

谷物粉；擠壓；理化特性

谷物主要包括稻米、谷子、大豆、玉米、小麥、蕎麥和燕麥等[1]，經(jīng)擠壓膨化、微膠囊化等工藝處理后可加工成營養(yǎng)粉、速食粥、固體飲料等。擠壓加工技術(shù)集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等為一體，在食品生產(chǎn)中主要用于谷物加工，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[2-3]。淀粉和蛋白質(zhì)作為谷物的主要成分，在擠壓過程中各種理化特性發(fā)生變化[2-4]。本文以谷物粉為原料，采用響應(yīng)而分析法優(yōu)化擠壓工藝，并分析其主要理化特性，為谷物產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與設(shè)備

1.1 原料與試劑

谷物粉（大豆、小米、玉米、燕麥、薏仁、蕎麥），均為食品級：市售；單硬脂酸甘油酯，食品級：北京化工有限公司；糖化酶（≥100 U/mg）、淀粉酶（2 000 IU/g），生物試劑：湖南尤特爾生化有限公司；酒石酸鉀鈉、硫代硫酸鈉、丙酮、石油醚、三羥甲基氮基甲烷、2-嗎啉乙磺酸（2-N-Morpholino ethanesulfonic acid，MES），均為分析純：廣東西隴化工股份有限公司。

1.2 主要儀器

FMHE36-24雙螺桿擠壓機(jī)：湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；YP4002電子天平：上海佑科儀器有限公司；SFY-60A紅外線快速水分測定儀：深圳冠亞電子科技有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱、FW100高速粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；CT15RT多功能高速低溫離心機(jī)：上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司；T6紫外分光光度計：北京普希通用儀器有限責(zé)任公司。

2 方法

2.1 谷物粉擠壓工藝

2.1.1 工藝流程

谷物粉過80目篩→按質(zhì)量比混勻（添加單硬脂酸甘油酯）→水分調(diào)整→擠壓膨化→烘干（水分≦5%）→粉碎過篩→膨化谷物粉

2.1.2 操作要點

1）將過篩后的谷物粉按大豆粉30%、小米粉25%、玉米粉25%、燕麥粉10%、薏仁粉5%、蕎麥粉5%按質(zhì)量比混合并添加0.15%單硬脂酸甘油酯（以混合谷物粉為基量）。

2）水分調(diào)整：水分含量通過水分測定儀測定，調(diào)整水分含量[5]。

3）通過雙螺桿擠壓機(jī)操作工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，物料經(jīng)一系列復(fù)雜的連續(xù)化處理，在極短的時間內(nèi)使淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，使物料由生變熟。

4）將擠壓膨化的物料烘干粉碎過篩，得到膨化谷物粉。

2.2 試驗設(shè)計

2.2.1 單因素試驗設(shè)計

固定擠壓溫度為140℃，喂料速率為12 kg/h，添加水分為19%，考察螺桿轉(zhuǎn)速對膨化粉理化性質(zhì)的影響，轉(zhuǎn)速梯度設(shè)定為：110、130、150、170、190 r/min；固定螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min，喂料速率為12 kg/h，添加水分為19%，考察擠壓溫度對膨化粉理化性質(zhì)的影響，溫度梯度設(shè)定為：120、130、140、150、160 ℃；固定螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min，喂料速率為12 kg/h，擠壓溫度140℃，考察添加水分含量對膨化粉理化性質(zhì)的影響，水分梯度設(shè)定為：15%、17%、19%、21%、23%；固定螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min，擠壓溫度140℃水分含量17%，考察喂料速率對膨化粉理化性質(zhì)的影響，喂料速率設(shè)定為：10、11、12、13、14 kg/h。

2.2.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

單因素試驗確定擠壓參數(shù)的合適范圍。采用Design-expert8.0中的Box-Behnken Design中心組合試驗設(shè)計，確定谷物粉擠壓工藝的響應(yīng)面設(shè)計表，總共17組試驗，最終確定谷物膨化粉擠壓工藝的最優(yōu)工藝組合條件。

2.3 擠壓產(chǎn)品理化性質(zhì)的測定

2.3.1 吸水性指數(shù)（water absorption index，WAI）

準(zhǔn)確稱取2.5 g磨碎的樣品在30℃時與30 mL蒸餾水一起放入恒重的50 mL離心管中，攪動30 min，然后3 000 r/min離心10 min。上清液轉(zhuǎn)入恒重的稱量皿中，稱量留下的膠體的重量，計算WAI：

式中：m1為離心管重量，g；m2為盛有膠體的離心管重量，g；W為樣品重量，g。

2.3.2 水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）

將2.3.1 WAI測定中的上清液蒸發(fā)后，測得溶解于上清液中的樣品的重量，計算WSI：

式中：m1為蒸發(fā)皿重量，g；m2為上清液蒸發(fā)后蒸發(fā)皿重量，g；W為樣品重量，g。

2.3.3 成分測定方法

蛋白質(zhì)測定：參照GB 5009.5-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》；淀粉測定：參照GB/T 5009.9-2008《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測定》；糊化度測定：參照酶水解法，采用王肇慈的方法；水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）測定：參照GB 5009.88-2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測定》。

3 結(jié)果與分析

3.1 擠壓膨化工藝單因素試驗結(jié)果與分析

3.1.1 螺桿轉(zhuǎn)數(shù)對吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響

螺桿轉(zhuǎn)速在110 r/min～190 r/min之間時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）先減少后增大，其水溶性指數(shù)（WSI）先增大后減少，在轉(zhuǎn)速為150 r/min時呈現(xiàn)最高值與最低值。吸水性指數(shù)（WAI）的大小與物料中大分子物質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)的親水性和成膠能力有關(guān)[6-7]。螺桿轉(zhuǎn)速對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響見圖1。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響Fig.1 Effect of screw speed of water absorption index and water solubility index

圖1表明在螺桿轉(zhuǎn)速較低時，在物料受到的剪切力較小時物料改性不完全，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加時，物料受到較大剪切力作用，導(dǎo)致淀粉、蛋白質(zhì)發(fā)生局部裂解，淀粉糊化及降解現(xiàn)象明顯，水溶性物質(zhì)增多，吸水性物質(zhì)減少[8]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過大時，物料在機(jī)筒內(nèi)停留時間相對較短，物料改性不完全。因此螺桿轉(zhuǎn)數(shù)取值范圍選取 130、150、170 r/min。

3.1.2 擠壓溫度對吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響

擠壓溫度在120℃～160℃之間時，隨著擠壓溫度的升高擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）先減少后緩慢增大，在溫度為140℃時呈現(xiàn)最低值，其水溶性指數(shù)（WSI）呈顯著上升趨勢，擠壓溫度對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響見圖2。

圖2表明隨著擠壓溫度升高時，物料吸收熱量增加，使水分子動能增加淀粉糊化和裂解程度加劇，纖維素降解加大，蛋白質(zhì)變性以及分解程度隨之加強(qiáng)，因而表現(xiàn)為水溶性物質(zhì)增多，吸水性物質(zhì)減少。但溫度過高，會使擠出物中的美拉德反應(yīng)加劇[9]，且對擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）影響不顯著，因此擠壓溫度取值范圍選取130、140、150℃。

圖2 擠壓溫度對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響Fig.2 Effect of extrusion temperature on water absorption index and water solubility index

3.1.3 添加水分對吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響

添加水分在15%～23%之間時，隨著水分含量的升高擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）先增大后減少，在添加水分為19%時呈現(xiàn)最高值，其水溶性指數(shù)（WSI）呈顯著下降趨勢，添加水分對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響見圖3。

圖3 添加水分對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響Fig.3 Effect of Adding Water to water absorption index and water solubility index

圖3表明隨著水分含量的升高，水分起到的潤滑作用顯著，使物料在機(jī)器內(nèi)停留時間減少，致使物料受到的剪切作用弱，淀粉、纖維素降解程度低，蛋白質(zhì)變性程度減弱，因而表現(xiàn)為吸水性物質(zhì)增多，水溶性物質(zhì)減少。但水分含量過高時，對擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）影響不顯著，因此擠壓溫度取值范圍選取17%、19%、21%。

3.1.4 喂料速度對吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響

喂料速度在10 kg/h～14 kg/h之間時，隨著喂料速度的增大擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）呈現(xiàn)緩慢增大后趨于緩和的趨勢，其水溶性指數(shù)（WSI）呈現(xiàn)緩慢下降后趨于緩和的趨勢。

圖4表明在喂料速度加快時，物料量充足，受到的剪切力作用和摩擦力作用較大，淀粉糊化及降解現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致水溶性物質(zhì)增多，吸水性物質(zhì)減少。但當(dāng)喂料速度過大時，導(dǎo)致物料過量，堆積機(jī)腔，使其改性不完全。故由單因素試驗結(jié)果表明，喂料速度以12 kg/h為最佳。

圖4 喂料速度對吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響Fig.4 Effect of feeding speed of water absorption index and water solubility index

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化谷物粉擠出工藝條件結(jié)果與分析

綜合單因素試驗結(jié)果以螺桿轉(zhuǎn)速（A），擠壓溫度（B）、添加水分（C）三因素為響應(yīng)而面分析對象，吸水性指數(shù)（WAI）作為響應(yīng)值，確定谷物粉擠壓工藝的響應(yīng)面設(shè)計如表1。

表1 雙螺桿擠壓膨化工藝的響應(yīng)面設(shè)計及試驗結(jié)果Table 1 Design and test results of a twin screw extrusion process response surface

3.2.1 回歸方程的建立

利用Design-expert 8.0對表1試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到雙螺桿擠壓膨化工藝對螺桿轉(zhuǎn)速、添加水分、擠壓溫度的二次多項回歸方程：

表2 響應(yīng)面試驗回歸方程的方差分析Table 2 Response surface analysis of variance test of regression equation

表2顯示，回歸模型P＜0.000 1，說明二次回歸方程模型差異極顯著，且A2、B2的影響都極顯著。模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.981 7，校正決定系數(shù)R2Adj=0.958 3，模型實際值與預(yù)測值擬合良好，失擬項P=0.117 6＞0.05，不顯著，說明試驗誤差較小。因此，可以利用此回歸方程確定雙螺桿擠壓膨化工藝工藝結(jié)果。

3.2.2 通過Design-Expert軟件進(jìn)行分析

由二次回歸方程得出各因素的相互作用，從響應(yīng)面的最高點和等高線圖可以看出，在所選范圍內(nèi)存在極值，極值為響應(yīng)面的最高點。通過對雙螺桿擠壓膨化工藝響應(yīng)面優(yōu)化圖及其等高線圖的分析，可看出螺桿轉(zhuǎn)速、添加水分、擠壓溫度3個因素間的相互作用程度。

3.2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速和添加水分的交互作用

圖中顯示在擠壓溫度一定時，螺桿轉(zhuǎn)速和添加水分的等高線圖和響應(yīng)面見圖5。

由圖5可以看出，在螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min～170 r/min、添加水分17%～21%時，吸水性指數(shù)（WAI）呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，等高線扁平并且明顯呈橢圓形，橢圓形表示兩因素間的交互作用較強(qiáng)，圓形則表示兩因素間交互作用較弱[10-11]。且吸水性指數(shù)（WAI）降低時的變化較快，變化越快表示坡度越大，即對試驗結(jié)果的影響較大。螺桿轉(zhuǎn)速越高，添加水分較少時物料的大分子裂解程度越高，大分子持水能力下降，從而引起吸水性指數(shù)（WAI）降低。由此可知螺桿轉(zhuǎn)速和添加水分有明顯的交互作用。

圖5 螺桿轉(zhuǎn)速和添加水分交互作用對吸水性指數(shù)的影響Fig.5 Screw speed and add water interactions on water absorption index

3.2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度的交互作用

圖中顯示在添加水分一定時，螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度的等高線圖和響應(yīng)面見圖6。

由圖6可以看出，在螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min～170 r/min、擠壓溫度130℃～150℃時隨著螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度的升高擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）先減少后緩慢增大的趨勢，響應(yīng)面的坡度平緩而且等高線較稀疏，說明擠壓溫度對膨化粉WAI的交互作用較弱。故擠壓溫度的設(shè)置應(yīng)該綜合考慮，在保證物料膨化反應(yīng)順利進(jìn)行的前提下，擠壓溫度設(shè)置的盡量低。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度交互作用對吸水性指數(shù)的影響Fig.6 Screw speed and extrusion temperature interactions on water absorption index

3.2.2.3 添加水分和擠壓溫度的交互作用

圖中顯示在螺桿轉(zhuǎn)速一定時，添加水分和擠壓溫度的等高線圖和響應(yīng)面見圖7。

圖7 添加水分和擠壓溫度交互作用對吸水性指數(shù)的影響Fig.7 Add moisture and extrusion temperature interactions on water absorption index

由圖7可以看出，水分和溫度對膨化粉WAI的交互作用較為明顯。在添加水分17%～21%、擠壓溫度130℃～150℃時響應(yīng)面曲面的坡度較陡且等高線較密集，吸水性指數(shù)（WAI）呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，從等高線和響應(yīng)面的變化趨勢看，添加水分的影響大于擠壓溫度，故可適當(dāng)提高添加水分含量。

最佳工藝參數(shù)的確定及驗證試驗：通過上述響應(yīng)面的結(jié)果分析，得到雙螺桿擠壓膨化谷物粉工藝的響應(yīng)面分析優(yōu)化最佳工藝條件為：螺桿轉(zhuǎn)速為154.22 r/min，添加水分為18.72%，擠壓溫度為134.89℃在此條件下重復(fù)進(jìn)行驗證試驗3次，得到膨化粉的吸水性指數(shù)（WAI）為354.059%，較單因素試驗結(jié)果有明顯提高，說明響應(yīng)面法對雙螺桿擠壓膨化谷物粉工藝條件的優(yōu)化是可靠的。

3.3 擠壓膨化對谷物粉其他理化特性的影響

螺桿轉(zhuǎn)速為154.22 r/min，添加水分為18.72%，擠壓溫度為134.89℃，喂料速度12 kg/h研究擠壓膨化對谷物粉其他理化特性的影響，結(jié)果見表3。

表3 谷物粉及其膨化物的理化特性Table 3 Physical and chemical properties and puffed cereal flour thereof

從表3可以看出，谷物粉經(jīng)擠壓后可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和糊化度均明顯提高，分別提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白質(zhì)分別降低19.30%、13.78%。谷物粉的理化特性得到有效改善。

4 討論與結(jié)論

試驗中發(fā)現(xiàn)，由于谷物中的蛋白質(zhì)是以基質(zhì)蛋白的形式存在，在擠壓過程中受到熱和剪切力作用，使蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆變性，改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和溶解性。在高溫、高剪切力的條件下會造成氨基酸損失，特別是賴氨酸損失較大，致使蛋白質(zhì)消化率下降。由于對于蛋白質(zhì)分子的高級結(jié)構(gòu)在擠壓過程中的變化仍處于理論猜測階段，因此，研究蛋白質(zhì)在擠壓加工中的變化，保證蛋白質(zhì)含量變化較小仍是重要的研究方向。

本試驗利用雙螺桿擠壓膨化混合谷物粉，通過單因素試驗確定各因素對膨化谷物粉的影響，利用響應(yīng)面建立二次多項回歸方程，分析其模型、主要作用、以及交互作用。通過結(jié)果分析得到最佳工藝參數(shù)，經(jīng)修正得到最佳工藝條件為：螺桿轉(zhuǎn)速為154.22 r/min，添加水分為18.72%，擠壓溫度為134.89℃，喂料速度12kg/h得到膨化粉的吸水性指數(shù)（WAI）為354.059%，該試驗條件下谷物粉可溶性膳食纖維（SDF）和糊化度分別提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白質(zhì)分別降低19.30%、13.78%，且耗能少，更利于實際生產(chǎn)操作。

[1]孟晶巖,劉森,梁霞,等.不同因素對玉米粉沖調(diào)性的影響[J].食品工程,2012(2)：13-15

[2]朱永義,趙仁勇,林利忠.擠壓膨化對糙米理化特性的影響[J].中國糧油學(xué)報,2003,18(2)：14-16

[3]張裕中,土景.食品擠壓加工技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,1998：56-79

[4]黃誠,周長春,尹紅,等.玉米產(chǎn)品擠壓膨化特性的影響因素[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2007,33(4)：91-93

[5]廖威,楊如鋼.玉米大米營養(yǎng)型復(fù)合膨化食品的研制[J].廣西輕工業(yè),2008,9(3)：3-5

[6]高福成.現(xiàn)代食品工程高新技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,1997

[7]Gomez M H,Aguilera J M.Changes in the starch fraction during extrusion cooking of corn[J].Journal of Food Science,1983,48：374-379

[8]趙思明,熊善柏,張聲華.淀粉糊物系及其老化特性研究[J].中國糧油學(xué)報,2001(2)：26-27

[9]Reyes-Moreno C,Milan-Carrillo J,Gutierrez-Dorado R,et al.Instant flour from quality protein maize(Zea may L)Optimization of extrusion process[J].Lebensm Wiss Technol,2003,36：685-695

[10]陸勤豐.大米營養(yǎng)強(qiáng)化工藝研究[J].糧食加工,2007,32(6)：40-43

[11]Annadurai G,Sheeja R Y.Use of Box-Behnken design of experiments for the adsorption of verofix red using biopolymer[J].Bioprocess engineering,1998,18(6)：463-466

Optimization of Extrusion Process of Nutritional Grain Powder and Its Physico-chemical Properties

WANG Yu-tong，MA Hui-ming，ZHANG Hao，DU Yue-jiao，JIANG Ye，MENG Xiang-min，WEN Lian-kui*

（College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China）

The nutritive cereal flour was prepared by twin-screw extrusion process.Based on the single factor test，the influence of extrusion process conditions on the physical and chemical properties of corn flour was studied by response surface analysis.The main physical and chemical properties were analyzed.The results showed that the screw speed was 154.22 r/min，the moisture content was 18.72%，the extrusion temperature was 134.89 ℃，the feed rate was 12 kg/h，the water absorption index（WAI）was 354.059%.Grain powder after extrusion of soluble dietary fiber（SDF）and gelatinization degree were increased by 83.96%，349.33%；starch、protein were decreased by 19.30%，13.78%.

cerealflour；extrusion；physicaland chemicalproperties

2016-10-25

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.026

王玉彤（1990—），女（漢），在讀碩士，研究方向：谷物食品科學(xué)與副產(chǎn)物高值化利用。

*通信作者：文連奎（1962—），男，教授，博士，研究方向：長白山野生資源開發(fā)。