基于擠壓蒸煮的蕎麥粉加工品質(zhì)改良及其機(jī)制研究

張文蕾 李清清 姜 松 陳中偉 楊慶余 肖志剛 徐 斌,

(1. 沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034；2. 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

蕎麥主食品種繁多，具有強(qiáng)身健體、防治未病的功效[1]。但蕎麥中面筋蛋白含量低[2]，面團(tuán)粘結(jié)力弱，限制了其在工業(yè)化面制主食中的應(yīng)用。當(dāng)高含量添加到面條中時，在煮制過程中面條易出現(xiàn)斷條、蒸煮損失率高[3]等現(xiàn)象。

預(yù)糊化淀粉常被應(yīng)用于雜糧掛面加工品質(zhì)的改良，而擠壓蒸煮技術(shù)作為一種常見的原料預(yù)糊化處理方法，具有高效、可連續(xù)化等優(yōu)勢，可用于蕎麥掛面的工業(yè)化生產(chǎn)。研究表明，預(yù)糊化處理可以改善原料粉的吸水性指數(shù)和糊化特性[4-5]，同時提高蕎麥粉的凝膠品質(zhì)[6]19-20(具有高品質(zhì)凝膠特性的預(yù)糊化粉能夠彌補(bǔ)面筋蛋白的不足，保證高添加量雜糧面制品的加工性能)；添加預(yù)糊化蕎麥粉可以改善面團(tuán)流變性能[7]，增加蕎麥面團(tuán)的黏性，促進(jìn)面團(tuán)成型，同時提高面團(tuán)抗拉能力[8]；減少高添加雜糧面條斷頭率，縮短蒸煮時間。上述研究主要集中在擠壓工藝參數(shù)對預(yù)糊化粉理化性質(zhì)的影響以及對面團(tuán)、面條品質(zhì)的改善上，而關(guān)于擠壓蒸煮對雜糧粉加工適應(yīng)性的改良機(jī)理不明確。

本試驗擬采用擠壓蒸煮對蕎麥粉進(jìn)行加工適應(yīng)性改良，分析不同擠壓參數(shù)下所得預(yù)糊化蕎麥粉的加工特性，通過淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)分析，解釋其對面條加工特性的改善機(jī)理；同時優(yōu)化預(yù)糊化蕎麥粉在50%蕎麥掛面中的添加比例，為預(yù)糊化粉在高添加蕎麥掛面中的應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕎麥粉：普通蕎麥，山西雁門清高食業(yè)有限責(zé)任公司；

小麥粉：廣東佛山金禾面業(yè)有限公司；

總淀粉、直鏈淀粉試劑盒、糖化酶(3 260 U/mL)：美格茲密國際愛爾蘭有限公司；

中性蛋白酶：酶活≥ 3.5 U/mg，西格瑪化學(xué)試劑有限公司；

DMSO：色譜純，德國默克集團(tuán)(Merck KgaA)；

溴化鋰：99%，阿拉丁試劑有限公司；

Tricine緩沖液：≥99%，西格瑪化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓機(jī)：FNHE36-24型，湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；

體積排阻色譜：1100型，英國安捷倫科技公司；

物性儀：TA-XT Plus型，英國 Stable Micro System公司；

快速黏度分析儀：Tech-master型，波通瑞華科學(xué)儀器(北京)有限公司；

三維混合機(jī)：JHX4-DM型，浙江新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司；

真空和面機(jī)：500微型，江蘇自然愛食品有限公司；

制面機(jī)：SK-1240型，成都索拉泰克精密機(jī)械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

(1) 預(yù)糊化蕎麥粉的制備：采用雙螺桿擠壓機(jī)對蕎麥粉進(jìn)行預(yù)糊化處理，具體加工參數(shù)如表1。

(2) 面帶、面片的制備：參照劉淑一[9]36-37的方法，按照表2配方稱取各原輔料(500 g)。

表1 蕎麥粉擠壓加工參數(shù)

表2 預(yù)糊化蕎麥粉—小麥粉混合面團(tuán)配方

1.3.2 基本成分測定

(1) 水分含量：按AACC 44-15A執(zhí)行。

(2) 總淀粉含量：按AACC 76-13執(zhí)行。

(3) 直鏈淀粉含量：按Megazyme試劑盒的方法執(zhí)行。

(4) 膳食纖維含量：按AACC 32-07執(zhí)行。

1.3.3 淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)測定 淀粉經(jīng)異淀粉酶脫分支后，鏈長分布測定參考Li等[10]的方法進(jìn)行。試驗數(shù)據(jù)的處理參照Castro等[11]的方法。

1.3.4 預(yù)糊化蕎麥粉加工特性測定

(1) 凝膠特性：參考GB 6783—2013并略作改進(jìn)。待測樣品(干基)配成0.12 g/mL的溶液，攪拌均勻后倒入標(biāo)準(zhǔn)凝膠杯中，保持高度一致；4 ℃冰箱中放置24 h，采用質(zhì)地分析儀進(jìn)行穿刺試驗。測試模式：Return to start；參數(shù)：探頭P/0.5，測試速度1.00 mm/s，下壓距離10 mm，觸發(fā)力5 g。結(jié)果以凝膠強(qiáng)度(4 mm處的力)表示。

(2) 室溫黏度(25 ℃)：采用快速黏度測定儀，參照Majzoobi等[12]的方法進(jìn)行測定。

1.3.5 面帶質(zhì)地測定 參考劉淑一[9]38-39的方法。試驗結(jié)果以抗拉能力、黏附能力表示。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法 采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS中的One-Way ANOVA程序進(jìn)行方差分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，以95%置信水平(P<0.05)來說明數(shù)據(jù)間差異顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓蒸煮對蕎麥粉基本成分的影響

由表3可知，蕎麥粉經(jīng)擠壓蒸煮后，總淀粉含量降低0.4%～36.0%，直鏈淀粉含量降低13%～24%，粗脂肪含量降低79%～86%。蕎麥粉在擠壓過程中，隨著擠壓溫度的增加，總淀粉含量降低，直鏈淀粉無顯著變化，粗脂肪含量無大幅變化；隨著水分的增加，總淀粉先降低后增加，直鏈淀粉無顯著變化，粗脂肪含量先不變化后增加；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，總淀粉、直鏈淀粉、粗脂肪含量均無顯著變化。

物料在擠壓腔中螺桿、螺旋的推動下，淀粉分子發(fā)生糊化，部分淀粉被降解為葡萄糖、麥芽糖等小分子物質(zhì)，導(dǎo)致擠壓預(yù)糊化處理后總淀粉含量減少，與前人[6]16結(jié)論一致。有研究[13]表明擠壓對淀粉的降解作用主要發(fā)生在支鏈淀粉部分的α-1,6糖苷鍵位置，類似于普魯蘭酶的作用，少數(shù)發(fā)生在直鏈淀粉部分[14]。擠壓蒸煮處理能夠促進(jìn)脂肪發(fā)生部分水解，生成單甘油和游離脂肪酸，這兩種產(chǎn)物與直鏈淀粉、蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，從而大幅降低擠出物中游離粗脂肪含量，與前人[15]結(jié)論一致。

表3 預(yù)糊化蕎麥粉基本成分分析?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

隨著擠壓溫度的增加，物料在腔體內(nèi)所受作用力增大，更容易被高剪切所降解，導(dǎo)致T3淀粉含量降低，達(dá)36%。在擠壓過程中水分起到潤滑[16]和促進(jìn)糊化的作用，隨著水分的增加，淀粉完全糊化，更有利于被降解；但在水分過高時，物料在腔體內(nèi)所受作用力降低，淀粉的降解減弱，導(dǎo)致淀粉含量隨水分的升高先減少后增加。同時可能是擠壓蒸煮主要作用于支鏈淀粉部位，改變擠壓溫度、水分、螺桿轉(zhuǎn)速等擠壓工藝參數(shù)對蕎麥粉的直鏈淀粉含量影響較小。

2.2 擠壓蒸煮對蕎麥淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可以看出，蕎麥淀粉的SEC圖譜出現(xiàn)3個峰，其中前2個峰為支鏈淀粉，后1個峰為直鏈淀粉。未經(jīng)處理的蕎麥支鏈淀粉的鏈長分布為DP 1～70，其中短支鏈淀粉的最高峰位于DP 5～6處，長支鏈淀粉的最高峰位于DP 20左右；直鏈淀粉的鏈長分布范圍為DP 71～10 000，最高峰位于DP 571。經(jīng)過擠壓處理后，支鏈淀粉的鏈長分布范圍縮小為DP 1～50，最高峰的位置未發(fā)生變化，DP 6～50的支鏈淀粉含量降低，而W1樣品無顯著變化；直鏈淀粉的長鏈部分減少。經(jīng)過預(yù)糊化處理后，DP 51～10 000 的直鏈淀粉含量增加，可能是原料中總淀粉以及支鏈淀粉的降解，導(dǎo)致生成的小分子糖在樣品制備過程中被洗去，同時由于擠壓類似于普魯蘭酶的作用，支鏈淀粉的主鏈部分轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉，從而導(dǎo)致DP 51～10 000的直鏈淀粉含量增加。

圖1 脫分支預(yù)糊化蕎麥淀粉的鏈長分布

Figure 1 Distribution of chain length of debranching pregelatinized buckwheat starch (n=3)

由圖1和表4可知，隨著擠壓溫度的增加，直鏈淀粉的鏈長縮短，T3時直鏈淀粉降解明顯，DP 1 200～10 000的鏈長缺失；隨著溫度的增加，支鏈淀粉的鏈長也發(fā)生降解，DP 6～50的支鏈淀粉含量降低；隨著水分的增加，直鏈淀粉DP 5～60的鏈長部分降低，在W2時直鏈淀粉降解最顯著，主要由于充足的水分使樣品充分糊化，其在外力作用下更容易被降解，而當(dāng)水分過高時，會起到潤滑作用，從而降低了對淀粉的作用；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，直、支鏈淀粉鏈長分布未發(fā)生明顯變化。

因此，蕎麥粉經(jīng)擠壓蒸煮后，淀粉團(tuán)粒破裂，直、支鏈淀粉發(fā)生不同程的降解，部分處理條件下，DP 1 200～10 000 的直鏈淀粉與DP 50～70的支鏈淀粉缺失；同時DP 6～50的支鏈淀粉也發(fā)生不同程度的降解，W1條件下的降解作用較小。

2.3 擠壓蒸煮對蕎麥粉加工特性的影響

2.3.1 凝膠特性 使用穿刺試驗測定不同擠壓蒸煮參數(shù)下預(yù)糊化蕎麥粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性，結(jié)果如圖2所示。隨著擠壓溫度增加，擠出物凝膠強(qiáng)度顯著增大；隨著擠壓水分從18%升高到22%，擠出物的凝膠強(qiáng)度顯著降低，在26%又有顯著升高的趨勢；隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，擠出物的凝膠強(qiáng)度增加，但變化不顯著。

表4脫分支預(yù)糊化蕎麥淀粉的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)?

Table4Structuralcharacteristicparametersofdebranchingpregelatinizedbuckwheatstarch(n=3)%

樣品編號DP6～50(支鏈淀粉)DP51～10000(直鏈淀粉)S22.0±1.2a26.0±1.4cT115.3±1.2g51.5±0.7aT219.5±0.1cd39.0±0.0bT317.8±0.0ef30.0±0.0cW121.2±0.1ab42.5±2.1bW217.8±0.0ef30.0±0.0cW316.3±0.2fg45.5±1.4bR118.3±0.5de44.5±0.7bR219.5±0.1cd39.0±0.0bR320.3±0.2bc39.5±0.7b

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

擠壓預(yù)糊化過程中，物料在高溫、高壓、高剪切作用下，淀粉顆粒溶脹，直鏈淀粉分子從團(tuán)粒中滲出，規(guī)則的膠束結(jié)構(gòu)被破壞，最終淀粉解體。直鏈淀粉的析出是淀粉凝膠形成的必要條件之一[17]。其中，直鏈淀粉以雙螺旋形式互相纏繞，形成凝膠網(wǎng)絡(luò)[18]，而支鏈淀粉作為分散相充填于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

隨著溫度的升高，淀粉的降解作用增大，長直鏈淀粉減少(DP 1 200～10 000鏈長缺失)，適宜形成凝膠的直鏈淀粉含量增加，同時DP 6～50鏈長的增加，分散相的結(jié)構(gòu)更加緊密，凝膠強(qiáng)度增加。低水分下，剪切作用增加，但可能是淀粉的不完全糊化，對其降解程度降低，其DP 6～50的鏈長部分顯著大于高水分下的淀粉；同時由于蛋白質(zhì)在高水分條件下加熱發(fā)生變性，產(chǎn)生絮狀沉淀或形成凝膠結(jié)構(gòu)，使W1的凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，淀粉的鏈長未顯著變化，其凝膠強(qiáng)度無顯著變化。因此，可以發(fā)現(xiàn)淀粉凝膠的形成，不僅與直鏈淀粉的含量有關(guān)，還需要特定鏈長的支鏈與直鏈淀粉。擠壓導(dǎo)致淀粉分子降解，產(chǎn)生了適宜淀粉凝膠形成的特定鏈長，其中DP 6～50的鏈長與淀粉的凝膠強(qiáng)度呈正相關(guān)。W1中DP 6～50的支鏈淀粉含量較高，以及直鏈淀粉適宜程度的降解，使其具有較高的凝膠強(qiáng)度，更有利于掛面加工品質(zhì)的提高。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 2 Effects of extrusion processing parameters on gel properties of pre-gelatinized buckwheat (n=3)

2.3.2 室溫黏度 采用RVA測定不同預(yù)糊化處理條件下蕎麥預(yù)糊化粉的室溫黏度，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)預(yù)糊化處理后，蕎麥粉的室溫黏度顯著提高。這是由于擠壓機(jī)內(nèi)強(qiáng)大的剪切作用以及高溫使蕎麥粉中淀粉的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞，暴露更多的游離羥基，在冷水中易與水結(jié)合而使淀粉分子膨脹，形成具有一定黏度的均勻乳液[19]。同時蕎麥粉中含有4.7%的膳食纖維，擠壓會使其中可溶性戊聚糖的含量升高[20-21]，水溶性戊聚糖在水中可自由伸展成螺旋狀的棒狀結(jié)構(gòu)，可提高水溶液的黏度。

由圖3(a)所示，隨著擠壓溫度升高，蕎麥粉的室溫黏度剛開始變化不明顯，而后顯著升高。這是由于溫度升高，蕎麥粉中水溶性戊聚糖含量升高，從而導(dǎo)致水溶液中黏度增大。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 3 Effects of extrusion processing parameters on viscosity of pre-gelatinized buckwheat at 25 ℃ (n=3)

由圖3(b)所示，隨著水分含量升高，蕎麥粉的室溫黏度顯著增加。這是由于水分增加，剪切作用減弱，對淀粉團(tuán)粒的破壞程度降低，淀粉吸水程度增大，從而使得預(yù)糊化粉的室溫黏度增加[22]。

由圖3(c)所示，螺桿轉(zhuǎn)速為180～220 r/min時，蕎麥粉室溫黏度顯著降低，之后變化不顯著。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，溶脹的淀粉顆粒受到的剪切降解作用越強(qiáng)烈，但當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，物料在機(jī)筒內(nèi)所受剪切作用的時間縮短，淀粉團(tuán)粒破壞程度降低，導(dǎo)致樣品的黏度上升。

2.4 50%蕎麥粉的面帶質(zhì)地分析

在高添加雜糧掛面的加工中，淀粉形成的凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)，加工品質(zhì)越好。因此選擇在W1條件下生產(chǎn)的預(yù)糊化蕎麥粉，進(jìn)行面帶的質(zhì)地分析。首先基于面帶質(zhì)地評價優(yōu)化面帶的水分含量；然后在最適水分條件下，研究不同添加量對面帶質(zhì)地的影響，尋找其在50%蕎麥掛面中的最適添加量。

2.4.1 面帶水分含量優(yōu)化 由表5可知，隨著水分的增加，面帶的抗拉能力先增大后變小，黏附能力逐漸增加。這是由于面團(tuán)是一個極其復(fù)雜的體系。一方面，面團(tuán)是一個多組分的體系。在面團(tuán)形成過程中，隨著機(jī)械攪拌的作用，面團(tuán)體系中水分與其他組分發(fā)生復(fù)雜的相互作用，因此水分對面制品的質(zhì)構(gòu)特性具有很大的影響[23]。面帶的抗拉能力可以表征面團(tuán)內(nèi)部結(jié)合力的大小。當(dāng)面團(tuán)水分含量較低時，面筋蛋白由于吸水不足，無法形成良好的面筋組織，導(dǎo)致面帶抗拉能力降低；隨著水分含量的增加，面筋蛋白吸水逐漸充分，形成致密的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時面帶抗拉能力達(dá)到最大；但面團(tuán)水分含量過高時，面筋易發(fā)生水化，導(dǎo)致面團(tuán)內(nèi)部分子間作用力變?nèi)酰鎺Э估芰档?。因此，面帶的抗拉能力隨面團(tuán)水分含量先增大后減小。另一方面，面團(tuán)是一個具有黏彈性的膠體及流變學(xué)體系。面帶的黏附能力可以表征面團(tuán)的表面黏度，黏附能力越大，面片與接觸面剝離時所做的功也越大，易造成面帶粘輥。面帶的黏附能力隨水分含量的增大而增大，是因為水分含量會影響面團(tuán)中水分的分布[24]，進(jìn)而破壞面帶中面筋與淀粉凝膠間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)和面加水量不足時面帶松散不易成型，加水量過多時面帶易發(fā)黏，面團(tuán)水分過高或過低均會影響掛面加工品質(zhì)。

在面帶黏附適中情況下，面帶抗拉能力可以表征面帶加工性能。綜合考慮，對于S1、E1、E2、E3的面團(tuán)最適含水量為36%，35%，35%，36%。

2.4.2 面帶質(zhì)地分析 從表5可知，在面帶抗拉能力達(dá)到最大時的水分條件下，隨著預(yù)糊化蕎麥粉添加量的增加，面帶的抗拉能力先增大后減小，面帶的黏附能力逐漸增大。這是由于預(yù)糊化蕎麥粉添加量低時，其形成的凝膠作用較弱，不足以將原料黏結(jié)在一起；當(dāng)含量過多時，稀釋了面筋蛋白的含量，導(dǎo)致抗拉能力下降。蕎麥粉經(jīng)過擠壓處理后，淀粉破裂，分子發(fā)生降解，產(chǎn)生的小分子物質(zhì)使面帶的黏附能力增加。

因此，在預(yù)糊化蕎麥粉添加量為10%，面團(tuán)水分含量為36%時，面帶的抗拉能力最佳，黏附能力適中，最適合制作50%添加量的蕎麥掛面。

表5 預(yù)糊化蕎麥粉—小麥粉混合面帶質(zhì)地分析?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論

本試驗將蕎麥粉進(jìn)行擠壓蒸煮后，其常溫水中可形成凝膠，室溫下黏度增大。在主區(qū)溫度200 ℃，水分含量18%，螺桿轉(zhuǎn)速220 r/min的條件下，預(yù)糊化淀粉中特定鏈長的支鏈淀粉分子(DP 6～50)最多，且凝膠品質(zhì)改善最為明顯。當(dāng)預(yù)糊化蕎麥粉添加量為10%時，面帶抗拉能力最佳，黏附能力適中，更有利于50%蕎麥掛面的壓延加工。因此，預(yù)糊化蕎麥淀粉中特定鏈長的支鏈淀粉分子(DP 6～50)與其凝膠強(qiáng)度呈正相關(guān)，且適度添加可提高50%蕎麥掛面的加工性能。下一步研究將從預(yù)糊化粉的凝膠品質(zhì)與其加工掛面品質(zhì)建立聯(lián)系的角度出發(fā)，進(jìn)一步驗證預(yù)糊化粉凝膠特性作為其改善掛面品質(zhì)的主要評判指標(biāo)，從而完善預(yù)糊化處理改善蕎麥粉加工掛面品質(zhì)的機(jī)制，同時為研究者快速選取高品質(zhì)預(yù)糊化粉提供新的思路。