擠壓膨化制備嬰兒膨化營養(yǎng)米粉的工藝優(yōu)化及其性質(zhì)研究

曹家寶 范廣琦 林欣梅 梁雪梅 牛萌萌 康維良 鹿保鑫,2

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319) (國家雜糧工程技術(shù)中心2，大慶 163319)

斷奶期的嬰兒由于攝入的斷奶食品營養(yǎng)不夠全面導(dǎo)致嬰兒營養(yǎng)不良，特別是在一些貧困地區(qū)，原料成本過高以及缺乏適當(dāng)?shù)募庸ぜ夹g(shù)，導(dǎo)致斷奶食品的價(jià)格偏高[1,2]。兒童發(fā)展綜合服務(wù)計(jì)劃(ICDS)和糧農(nóng)組織(FAO)建議研發(fā)以廉價(jià)、易得的原材料(如谷物和豆類)為原料生產(chǎn)嬰兒斷奶食品，來改善貧困地區(qū)斷奶嬰兒的營養(yǎng)不良情況。

大米的蛋白質(zhì)可消化率超過90%，其氨基酸組成配比合理，接近世界衛(wèi)生組織認(rèn)定的蛋白質(zhì)氨基酸最佳配比模式，作為一種低過敏原的食物使其在嬰兒斷奶食品中被廣泛應(yīng)用[3]。綠豆中的蛋白質(zhì)不僅含量較高還具有很高的消化率和大量的最基本的氨基酸，此外，綠豆還含有大量的維生素。在國內(nèi)綠豆很早就被應(yīng)用于制備嬰兒斷奶食品，《嬰幼兒斷奶營養(yǎng)餐》中綠豆做為原料經(jīng)簡單蒸煮后制備成斷奶食品，供斷奶期嬰兒食用[4]。在國外Imtiaz等[5]以綠豆和小麥為原料已經(jīng)成功研制出營養(yǎng)全面的斷奶食品，在當(dāng)?shù)乇粡V泛推廣。谷類中具有豐富的含硫氨基酸，而豆類缺乏含硫氨基酸，因此，將大米與綠豆結(jié)合用來生產(chǎn)嬰兒斷奶食品既能降低生產(chǎn)成本又能提產(chǎn)品的營養(yǎng)質(zhì)量[6]。

擠壓膨化技術(shù)被稱為是一種高溫短時(shí)殺菌工藝(HTST)[7]。它的優(yōu)點(diǎn)包括通過淀粉的糊化、蛋白質(zhì)的變性以及胰蛋白酶抑制劑等抗?fàn)I養(yǎng)因子的失活來提高消化率。此外，膨化過程中的高溫保證了產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量，由于加熱時(shí)間短，擠壓過程中食品營養(yǎng)物質(zhì)的損失實(shí)現(xiàn)最小化，Njoki等[8]已成功地將擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于研發(fā)斷奶食品。

目前，在我國擠壓膨化技術(shù)主要應(yīng)用在休閑食品、方便食品的生產(chǎn)，研究對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，但運(yùn)用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)嬰兒膨化營養(yǎng)米粉并通過對產(chǎn)品理化性質(zhì)的研究來確定最佳進(jìn)料參數(shù)的報(bào)道很少。本研究以大米、綠豆為原料通過擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)嬰兒膨化營養(yǎng)米粉，并采用響應(yīng)面分析法研究擠壓工藝條件對膨化產(chǎn)物主要理化性質(zhì)的影響，來得到最優(yōu)的擠壓工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

大米：龍粳31號，鶴崗市關(guān)東米業(yè)有限公司；綠豆：鸚哥綠，市售；綠豆配方營養(yǎng)米粉：市售。

豬胰α-淀粉酶(50 U/mg，分析純)、淀粉糖化酶(106 U/g)，磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

JMF-50振動式超微粉碎機(jī)；MB25水分分析儀；Quanta200環(huán)境掃描電鏡；E-1010離子濺射儀；SLG35-A型雙螺桿膨化機(jī)；DSC1型差示掃描量熱儀；Perten3100型旋風(fēng)磨；TGL-16C型高速臺式離心機(jī)；DGG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 嬰兒膨化營養(yǎng)米粉的制備

分別將綠豆、大米進(jìn)行篩選除雜磨粉過80目篩；按照綠豆粉、大米粉3∶7比例進(jìn)行均勻配粉(在參考大量文獻(xiàn)以及在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，該混合物的擠出物感官評分最高)調(diào)節(jié)至膨化時(shí)所需的水分要求；本實(shí)驗(yàn)中擠壓膨化機(jī)進(jìn)料速率為12～22 kg/h，一區(qū)至四區(qū)桶溫分別設(shè)為60、100、130、150 ℃；最終的膨化產(chǎn)物經(jīng)超微粉碎得到嬰兒膨化營養(yǎng)米粉。重點(diǎn)研究螺桿轉(zhuǎn)速、五區(qū)桶溫及物料濕度對膨化產(chǎn)物品質(zhì)的影響。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)(CCRD)進(jìn)行[9]。在預(yù)實(shí)驗(yàn)以及查閱大量文獻(xiàn)得基礎(chǔ)上，以物料濕度12.6%～19.4%、螺桿轉(zhuǎn)速349～601 r/min、五區(qū)桶溫108～192 ℃為自變量；每個(gè)變量5個(gè)水平(-1.628，-1.000，0，1.000，1.628)，實(shí)驗(yàn)總數(shù)為2K+2K+M，其中K為自變量總數(shù)，M為中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)。自變量Xi按式(1)進(jìn)行編碼變換。

Xi=(xi-x0)÷Δxi

(1)

用標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式回歸方法，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，便得到一個(gè)二次多項(xiàng)式，該方程為描述響應(yīng)值和自變量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型可以描述為?/p>

(2)

式中：Y為預(yù)測響應(yīng)值；β0為截距；βi為線性系數(shù)；βii為平方系數(shù)；βij為交互作用系數(shù)。

以BD、WSI、DG為因變量，分別表示塊密度、吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)、糊化度。自變量分別為物料濕度、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)桶溫度，對應(yīng)的編碼值為X1、X2、X3。因此，本實(shí)驗(yàn)K值為3，另外，旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)中心點(diǎn)上的重復(fù)實(shí)驗(yàn)可以對實(shí)驗(yàn)偏差起到評估作用，對于三因素實(shí)驗(yàn)，中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)建議取為6組，所以，本實(shí)驗(yàn)中M0值為6，具體編碼情況見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)自變量及其編碼水平

1.3.3 水分的測定

由快速水分測定儀測定。

1.3.4 膨化嬰兒營養(yǎng)米粉體積密度及其測定

體積密度(BD)可以判斷擠出物中氣體所占擠出物總體積的大小，氣腔壁厚度，以及氣腔排列的密集程度[10]。膨化產(chǎn)品氣腔壁越薄，體積密度越小，氣腔壁越產(chǎn)品質(zhì)地越松軟，相反，膨化產(chǎn)品氣腔壁越厚，體積密度越大，氣腔壁越產(chǎn)品質(zhì)地越硬。有研究表明，體積密度的變化可能與支鏈淀粉有關(guān)，支鏈淀粉具有促進(jìn)擠壓制品膨化的作用，致使產(chǎn)品體積密度減少。趙明杰等[11]指出由于雙螺桿擠壓膨化機(jī)的高壓、高溫、強(qiáng)剪切改變了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能特性，從而影響了產(chǎn)品的品質(zhì)。斷奶期的嬰兒消化機(jī)能尚未成熟，咀嚼能力和消化能力都很弱，質(zhì)地較硬的食品容易引起代謝功能紊亂、消化不良、腹瀉等問題，因此，本研究中應(yīng)做到理想狀態(tài)下體積密度的最小化。

采用莊海寧等[12]的方法測定擠出物的體積密度。準(zhǔn)確稱取粉碎后的膨化產(chǎn)物樣品5 g置于100 mL玻璃量筒中，輕敲實(shí)驗(yàn)臺直至體積恒定;根據(jù)式1計(jì)算出樣品質(zhì)量與樣品體積之比:

(3)

式中：m為粉碎后的膨化產(chǎn)物(5 g)；V為玻璃量筒中被膨化產(chǎn)物取代的體積/mL。

1.3.5 膨化嬰兒營養(yǎng)米粉水溶性指數(shù)及其測定

水溶性指數(shù)(WSI)可以衡量淀粉大分子降解成為可溶性多糖的程度與淀粉的降解程度。水溶性指數(shù)升高產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值也相應(yīng)提高[13，14]。擠壓膨化提高了產(chǎn)品的WSI，從而提高了膨化斷奶食品的消化率和營養(yǎng)的有效性[15]。

采用Yagci等[16]的方法測定擠出物的體水溶性指數(shù)。稱量粉碎后的膨化產(chǎn)物2.5g溶于30mL蒸餾水，在30 ℃水浴中攪拌30 min，在此期間輕輕攪拌，然后以3 000 r/min離心15min。將上清倒入重量已知的蒸發(fā)皿中，放入110 ℃的烤箱中加熱至恒重。得到上清液中水溶物的質(zhì)量，同時(shí)計(jì)算離心后膠體的重量。WSI的計(jì)算公式為：

(4)

式中：m1為水溶物質(zhì)量/g；m2為米粉的質(zhì)量(2.5 g)。

1.3.6 膨化嬰兒營養(yǎng)米粉糊化度及其測定

糊化度(DG)是膨化產(chǎn)品重要的品質(zhì)指標(biāo)之一[17]。糊化后的淀粉更容易被人消化，有利于處于斷奶階段消化系統(tǒng)未發(fā)育完全的嬰兒。擠壓膨化有利于直鏈淀粉的浸出，從而引發(fā)DG的增加[18]。因淀粉的消化率隨DG的增加而增加;所以較高糊化度的擠出物適合生產(chǎn)速溶嬰兒斷奶食品。

糊化度參照Kraus等[19]的方法采用DSC儀測定，糊化度按式(5)計(jì)算。

DG=[1-(ΔHextrudate)+ΔHraw]×100%

(5)

式中：ΔHextrudate為膨化產(chǎn)物的焓/J/g；ΔHraw為未經(jīng)加工原料的焓/J/g。

1.3.7 掃描電鏡

將樣品放置于載物臺上，利用離子濺射儀噴金后，5.0 kV的加速電位拍攝圖像，觀察2 000～5 000倍數(shù)下的樣品顆粒形貌。

1.3.8 產(chǎn)品淀粉的體外消化速率分析

消化速率、消化率采用謝巖藜等[20]的方法分別取1.5 g熱水沖泡后吸干水分的膨化嬰兒營養(yǎng)米粉和市售嬰兒營養(yǎng)米粉，粉碎后加入少量pH 6.9的磷酸鹽緩沖液，混勻后轉(zhuǎn)入比色管，定容至25 mL，每種樣品制備6個(gè)平行樣品溶液。樣品溶液在恒溫震蕩水浴鍋中37 ℃預(yù)熱5 min，然后加入α-淀粉酶300 U/mL和糖化酶2 500 U/mL各5 mL，以37 ℃、100 r/min的條件水解一定時(shí)間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)，沸水浴滅酶5 min。酶解液以3 000 r/min的速度離心20 min，取0.5 mL上清液用蒸餾水稀釋一定倍數(shù)，吸取稀釋樣液0.5 mL，采用DNS法測定葡萄糖含量。平均消化速率按式(6)計(jì)算，繪制消化速率曲線。

(6)

式中：G(t)為水解一定時(shí)間后所產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量/mg；C為標(biāo)準(zhǔn)曲線中的葡萄糖的質(zhì)量/mg；V為上清液的總體積/mL；f為稀釋倍數(shù)。

(7)

式中:m為樣品質(zhì)量/g；d為物料初始淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；t為水解時(shí)間/h；G0為游離葡萄糖質(zhì)量/mg；W為平均消化速率/mg/(g·h)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

每組實(shí)驗(yàn)做3次平行實(shí)驗(yàn)。采用SPSS 18軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析；采用Origin8.5軟件作圖；采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析及方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型的建立及顯著性分析

可旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1.1 體積密度模型的建立及顯著性分析

體積密度BD通過Design Expert軟件對表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型。

表3 回歸模型的方差分析表

2.1.2 水溶性指數(shù)模型的建立及顯著性分析

水溶性指數(shù)(WSI)通過Design Expert軟件對表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型。

表4 WSI回歸模型的方差分析表

2.1.3 糊化度模型的建立及顯著性分析

糊化度DG通過Design Expert軟件對表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型如下。

表5 DG回歸模型的方差分析表

2.2 最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證

應(yīng)用響應(yīng)面尋優(yōu)分析方法對回歸模型進(jìn)行分析，確定最優(yōu)工藝條件為：物料濕度13.98%、螺桿轉(zhuǎn)速549.92 r/min及機(jī)桶溫度174.97 ℃，體積密度(BD)為0.065 9、水溶性指(WSI)數(shù)為31.705 2、糊化率(DG)為91.356 2。

為適應(yīng)生產(chǎn)需求將處理工藝參數(shù)優(yōu)化：物料濕度14.00%，螺桿轉(zhuǎn)速545 r/min，機(jī)桶溫度175 ℃經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在此條件處理下，嬰兒膨化營養(yǎng)米粉的體積密度(BD)為0.064 7、水溶性指數(shù)(WSI)為31.225 0、糊化度(DG)為91.363 2，與預(yù)測值接近。

2.3 掃描電鏡圖對比

分析掃描電鏡圖(圖1a)可發(fā)現(xiàn)原物料顆粒呈現(xiàn)橢圓形、表面光滑。從圖1b、圖1c中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過不同加工工藝處理后院物料橢圓形顆粒消失，形成了大量的膜狀氣腔，可以看出膨化嬰兒營養(yǎng)米粉的膜狀氣腔大于市售嬰兒營養(yǎng)米粉的膜狀氣腔；膜狀氣腔大說明產(chǎn)品膨化度高，膨化效果較好。膨化嬰兒營養(yǎng)米粉的氣腔壁厚度明顯低于市售嬰兒營養(yǎng)米粉。

圖1b與圖1c對比可發(fā)現(xiàn)，嬰兒膨化營養(yǎng)米粉表面粗糙度明顯高于市售嬰兒營養(yǎng)米粉。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因?yàn)樵跀D壓機(jī)的高溫、高壓、高剪切力組合作用下，物料受熱膨脹，其原有淀粉晶體在高溫、高壓及高剪切力作用下破碎，重組后的淀粉顆粒表面碎片增加，表面粗糙度提高，致密度降低，與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[21，22]。因此，膨化嬰兒營養(yǎng)米粉具有較高的膨化度的同時(shí)，其產(chǎn)品口感也較為松軟，與市售嬰兒營養(yǎng)米粉相對比，更適合消化機(jī)能尚未成熟，咀嚼能力和消化能力都很弱的斷奶期嬰兒。

圖1 三種物料樣品的掃描電鏡圖片

2.4 淀粉體外消化速率分析

通過圖2可以看出膨化嬰兒營養(yǎng)米粉的消化速率高于市售嬰兒營養(yǎng)米粉，因?yàn)槲锪显跀D壓膨化機(jī)中受到高溫、高壓、高剪切力的作用，使其大部分淀粉發(fā)生降解生成糊精以及還原糖，同時(shí)相鄰淀粉間的主要和次級價(jià)鍵、氫鍵被破壞，產(chǎn)品疏松多孔，增加了與淀粉酶的接觸機(jī)會[23，24]。隨時(shí)間的延長，受試底物的濃度不斷下降，二者的消化速率均呈現(xiàn)下降的趨勢；膨化嬰兒營養(yǎng)米粉和市售嬰兒營養(yǎng)米粉的消化速率差距隨著時(shí)間的增加不斷減小，這可能因?yàn)閿D壓膨化產(chǎn)生的糊精和還原糖等被消耗殆盡，剩余化合物與酶類的反應(yīng)速率差別變小。

圖2 兩種樣品在淀粉酶作用下的消化速率曲線

從表6可知膨化嬰兒營養(yǎng)米粉與市售嬰兒營養(yǎng)米粉的消化速率分別為91.37%、88.14%，經(jīng)消化后的消化速率差異顯著(P<0.05)。由此可知，膨化嬰兒營養(yǎng)米粉的消化速率、消化率均高于市售嬰兒營養(yǎng)米粉，對比可見，嬰兒膨化營養(yǎng)米粉更適用于斷奶期的嬰兒。

表6 兩種樣品淀粉的體外消化率

注： a、b表示數(shù)據(jù)差異顯著。

3 結(jié)論

以大米-綠豆為原料，運(yùn)用擠壓膨化技術(shù)制備嬰兒膨化營養(yǎng)米粉，通過對嬰兒膨化營養(yǎng)米粉理化性質(zhì)的研究來確定最優(yōu)的制備工藝。制備嬰兒膨化營養(yǎng)米粉最優(yōu)條件：物料濕度14%、螺桿轉(zhuǎn)速545 r/min、機(jī)桶五區(qū)溫度175 ℃經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在此條件處理下，嬰兒膨化營養(yǎng)米粉的體積密度(BD)為0.064 7、水溶性指數(shù)(WSI)為31.225 0、糊化度(DG)為91.363 2，與預(yù)測值接近。通過掃面電鏡圖,以及體外消化速率分析結(jié)果可知嬰兒膨化營養(yǎng)米粉更適用于斷奶期的嬰兒。