豆基雜糧米稀擠壓膨化工藝優(yōu)化

劉淑婷 王 穎,2,3 沈 琰 孫躍如 佐兆杭

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2. 國家雜糧工程技術(shù)研究中心， 黑龍江 大慶 163319；3. 黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319)

雜糧中含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，在調(diào)節(jié)血脂、延緩衰老、提高免疫力等方面具有積極作用[1]。豆渣是豆奶或豆腐加工過程中的副產(chǎn)物，研究[2]發(fā)現(xiàn)豆渣中含有50%～70%膳食纖維，膳食纖維具有降糖降脂、預(yù)防腸道疾病及控制體重等功效，已經(jīng)成為一種新的功能性食品來源；但由于豆渣存在質(zhì)地粗糙，適口性差，不易消化等問題，豆渣類產(chǎn)品缺乏多樣性，目前主要應(yīng)用于餅干、蛋糕等焙烤類食品，在與雜糧復(fù)配的沖調(diào)飲品中缺乏系統(tǒng)性的研究。

擠壓膨化技術(shù)通過螺桿、物料以及機(jī)筒間相互強(qiáng)烈的機(jī)械摩擦和剪切作用及壓力轉(zhuǎn)變，使物料急速膨脹形成多孔隙結(jié)構(gòu)[3]，將不利于人體吸收的大分子物質(zhì)裂解、細(xì)化成小分子營養(yǎng)物質(zhì)，具有提高物料香味，促進(jìn)消化吸收，改善產(chǎn)品口感等優(yōu)勢[4-5]。目前，擠壓膨化工藝制備谷物沖調(diào)食品的研究主要集中在產(chǎn)品的沖調(diào)穩(wěn)定性，如李雪帆[6]研究了擠壓膨化對燕麥麩皮沖調(diào)粉吸水指數(shù)的影響；許亞翠[7]研究了擠壓膨化對谷物早餐粉溶解度和結(jié)塊率的影響；張琳等[8]研究了擠壓膨化技術(shù)對黑豆沖調(diào)粉膨化度的影響等。而在產(chǎn)品的沖調(diào)消化性方面，前人[9-10]的研究主要集中在對單一原料沖調(diào)消化特性的影響，缺少擠壓膨化技術(shù)對多種雜糧原料復(fù)配的沖調(diào)類食品消化性的研究。試驗(yàn)擬以豆渣為主要原料，復(fù)配雜糧及藥食同源食材，以物料糊化度作為沖調(diào)消化性表征指標(biāo)，探究擠壓膨化技術(shù)對豆基雜糧營養(yǎng)米稀的最佳工藝參數(shù)，旨在提高豆渣的利用率，改善豆渣和雜糧復(fù)配后適口性差、不易消化等問題，為豆基雜糧類沖調(diào)食品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆渣：實(shí)驗(yàn)室自制；

藜麥、黑米、蕓豆、小米、燕麥、糙米、黃芪、山楂、枸杞等原料：市售；

硫酸鉀、硫酸銅、酒石酸鉀鈉等：分析純，遼寧泉瑞試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓膨化機(jī)：DS32系列實(shí)驗(yàn)型，濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司；

電子天平：YP1200型，上海麥聚瑞電子儀器有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：DK-S22型，上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

超微粉碎機(jī)：FDV型，北京環(huán)亞天元機(jī)械技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豆基雜糧米稀的制備

原料挑選→清洗浸泡→瀝干→粉碎過篩(80目)→混合配比→水分調(diào)節(jié)→擠壓膨化→超微粉碎→指標(biāo)測定→包裝成品

以營養(yǎng)均衡為首要條件，在前期研究的基礎(chǔ)上確定原料種類及配比為：豆渣(30%)、糙米(15%)、藜麥(15%)、蕓豆(10%)、燕麥(10%)、薏米(10%)、栗子(2%)、黑棗(2%)、黑芝麻(2%)、枸杞(2%)、核桃(2%)。調(diào)節(jié)混勻的物料水分，雙螺桿擠壓膨化過程細(xì)化、均化物料，膨化物冷卻至室溫后超微粉碎機(jī)粉碎得到精細(xì)粉狀成品。

1.3.2 擠壓膨化單因素試驗(yàn) 選取物料加水量為8%，10%，12%，14%，16%，Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度為145，155，160，165，170 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為280，300，320，340，360 r/min，經(jīng)單因素試驗(yàn)確定不同條件對物料糊化度的影響。擠壓膨化機(jī)分三段式加熱，即喂料區(qū)(Ⅰ區(qū))、擠壓區(qū)(Ⅱ區(qū))和膨化區(qū)(Ⅲ區(qū))，通常Ⅲ區(qū)溫度較高，可在短時間內(nèi)改變物料狀態(tài)，因此主要考察Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度。考察單一因素時，固定其他因素不變，進(jìn)料速度320 r/min，物料加水量10%，機(jī)筒溫度70 ℃(Ⅰ區(qū))—95 ℃(Ⅱ區(qū))—160 ℃(Ⅲ區(qū))，螺桿轉(zhuǎn)速340 r/min。平行試驗(yàn)3次，膨化產(chǎn)物冷卻后粉碎。

1.3.3 響應(yīng)面法優(yōu)化擠壓膨化工藝 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以糊化度為響應(yīng)值，物料加水量、螺桿轉(zhuǎn)速及Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度為響應(yīng)因素，采用三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計篩選優(yōu)化物料加水量、螺桿轉(zhuǎn)速及Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度參數(shù)。平行試驗(yàn)3次。

1.3.4 糊化度的測定 根據(jù)文獻(xiàn)[11—12]修改如下：取兩個具塞三角瓶A、B，分別加入1.0 g樣品和50 mL蒸餾水，另取三角瓶C只加50 mL水做空白對照；A瓶糊化20 min后冷卻至室溫(B、C不做處理)，分別向A、B、C三角瓶中加5%糖化酶5 mL，37 ℃恒溫振蕩1 h。取出后立即加入1 mol/L鹽酸2 mL終止反應(yīng)，將反應(yīng)物各自定容至100 mL，過濾儲備。取A、B、C濾液各10 mL置于三角瓶中，分別加入0.1 mol/L碘液10 mL和0.1 mol/L氫氧化鈉溶液18 mL，封口靜置15 min；最后加入10%硫酸溶液2 mL，用0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定，記錄消耗體積。按式(1)計算糊化度。

(1)

式中：

GD——糊化度，%；

VC——空白樣品消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，mL；

VA——完全糊化樣品消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，mL；

VB——待測樣品消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，mL。

1.3.5 統(tǒng)計學(xué)分析 運(yùn)用Design Expert 8.0.6和SPSS 20軟件分析和處理數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 物料加水量對豆基雜糧米稀糊化度的影響 如圖1所示，糊化度隨物料加水量增加呈逐漸上升趨勢，當(dāng)加水量超過12%后糊化度呈下降趨勢。推測淀粉糊化度受水分子影響，增加物料含水量利于淀粉吸水膨脹，提高糊化度[13]；但水分作為潤滑物質(zhì)，含量過高會降低物料在擠壓膨化時所受機(jī)械作用，同時較多水分使受熱溶脹后的淀粉分子難以聯(lián)結(jié)、纏繞形成糊狀膠體，從而降低物料糊化度[14-15]。

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對豆基雜糧米稀糊化度的影響 由圖2可知，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速低于320 r/min時，糊化度隨螺桿轉(zhuǎn)速升高而增大；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過320 r/min時，糊化度呈下降趨勢。推測是螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剪切力破壞淀粉結(jié)構(gòu)，易于淀粉糊化[7]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時，隨螺桿轉(zhuǎn)速增加物料在膨化過程中受機(jī)械作用增大，顆粒結(jié)構(gòu)破壞明顯，淀粉較易糊化；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過快，物料在機(jī)筒中的停留時間縮短，吸收熱能減少，糊化度因此下降[16-18]。

圖1 加水量對糊化度的影響

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響

2.1.3 Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度對豆基雜糧米稀糊化度的影響 由圖3可知，物料糊化度隨機(jī)筒溫度升高呈先上升后下降趨勢；機(jī)筒溫度為160 ℃時糊化度最高，為90.3%。當(dāng)溫度低于160 ℃時，淀粉溶液迅速吸收熱量，糊化度上升明顯，而溫度繼續(xù)升高導(dǎo)致物料吸收熱能增加，加劇反應(yīng)[19]，淀粉由穩(wěn)定糊化狀態(tài)轉(zhuǎn)向降解狀態(tài)，顆粒解體后重新分散在水中，從而糊化度降低[20-21]。

圖3 溫度對糊化度的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定的試驗(yàn)因素水平設(shè)計表見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由軟件分析所得各因素和響應(yīng)值關(guān)系的二次多項(xiàng)回歸模型為：

Y=91.43+1.88A+2.01B+2.28C-2.29AB+2.44AC+2.92BC-2.88A2-2.45B2-5.70C2。

(2)

由表3可知，回歸模型極顯著(P<0.01)且失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，說明多元回歸模型成立；顯著性檢驗(yàn)結(jié)果R2為96.52%(>90%)，說明該模型與實(shí)際數(shù)據(jù)具有較高的擬合度。物料加水量、螺桿轉(zhuǎn)速及機(jī)筒溫度均為極顯著，其顯著性由大到小依次為機(jī)筒溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>物料加水量。

表1 響應(yīng)面因素與水平

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

表3 多元回歸模型及顯著性檢驗(yàn)

? * 差異顯著(P<0.05)；** 差異極顯著(P<0.01)。

如圖4～6所示，各等高線圖均呈橢圓形，說明物料加水量和螺桿轉(zhuǎn)速、物料加水量和機(jī)筒溫度、機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速之間的交互作用顯著[22]。

由響應(yīng)面軟件優(yōu)化得到擠壓膨化制備豆基雜糧米稀的最佳工藝參數(shù)：物料加水量12.58%，螺桿轉(zhuǎn)速330.16 r/min，機(jī)筒溫度161.96 ℃時，得到的膨化度最大為92.66%。考慮到實(shí)際操作的可行性，確定物料加水量12.5%，螺桿轉(zhuǎn)速330 r/min，機(jī)筒溫度160 ℃，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，糊化度的平均值為91.47%，與理論值接近，說明利用此回歸模型得到的最佳工藝參數(shù)具有實(shí)用價值。

圖4 物料加水量與螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的交互作用

圖5 物料加水量與機(jī)筒溫度對糊化度的交互作用

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速與機(jī)筒溫度對糊化度的交互作用

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到擠壓膨化技術(shù)制備豆基雜糧米稀的最佳工藝參數(shù)為物料加水量12.5%、螺桿轉(zhuǎn)速330 r/min、Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度160 ℃。在此工藝條件下制備的豆基雜糧米稀糊化度較高，口感細(xì)膩，表明通過擠壓膨化技術(shù)可提高包含多種雜糧原料(復(fù)配藥食同源食材)的豆基雜糧米稀的沖調(diào)消化性，且制備的豆基雜糧米稀營養(yǎng)均衡，易于吸收，作為營養(yǎng)強(qiáng)化型即食代餐類食品具有較高食用價值。