雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉制備工藝優(yōu)化及其消化特性研究

馮進(jìn) 丁秋霞 柴智

摘要：以混合雜糧粉（蠶豆粉 ∶ 蕎麥粉 ∶ 魔芋精粉質(zhì)量比10 ∶ 9 ∶ 1）為原料制備雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉，以可溶性膳食纖維（SDF）為指標(biāo)，結(jié)合單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了制備工藝，并通過(guò)體外胃腸道模型研究了產(chǎn)品的消化特性。結(jié)果表明，雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉制備的最佳參數(shù)組合為：物料含水量16%，Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，在該條件下，產(chǎn)品中SDF含量達(dá)到（18.13±0.15）%。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示，原料粉體顆粒發(fā)生了有效膨脹，原有的致密結(jié)構(gòu)受到破壞。擠壓膨化營(yíng)養(yǎng)粉的碳水化合物水解指數(shù)，估計(jì)血糖生成指數(shù)和估計(jì)血糖負(fù)荷指數(shù)等均顯著低于雜糧原料粉，并且達(dá)到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：雜糧;膨化營(yíng)養(yǎng)粉;擠壓膨化;可溶性膳食纖維;模擬消化;血糖生成指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TS255.36 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）11-0217-05

收稿日期：2020-04-08

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（17）2014、CX（19）2006]。

作者簡(jiǎn)介：馮 進(jìn)（1989—），男，山東德州人，博士，助理研究員，主要從事?tīng)I(yíng)養(yǎng)與健康領(lǐng)域研究。E-mail：fengjinzju@163.com。

通信作者：李春陽(yáng)，黑龍江牡丹江人，博士，研究員，主要從事?tīng)I(yíng)養(yǎng)與健康領(lǐng)域研究。E-mail：lichunyang968@126.com。 ?隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和健康意識(shí)的提高，我國(guó)消費(fèi)者對(duì)主食的追求也逐漸從“精白米面”向全谷物和雜豆食品轉(zhuǎn)變。一方面，雜豆和全谷物富含多種維生素和礦物質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)成分比較全面[1]。另一方面，這類(lèi)產(chǎn)品中的膳食纖維含量高，碳水化合物消化慢，血糖生成指數(shù)低，對(duì)“三高”等代謝綜合征可以起到防控作用[2]。2016版的中國(guó)居民膳食指南也指出，正常成年人每天應(yīng)保證50～150 g全谷物和雜豆的攝入，約占飲食中谷薯類(lèi)食物總攝入量的一半。發(fā)展全谷物食品產(chǎn)業(yè)和雜糧食品產(chǎn)業(yè)是我國(guó)糧食產(chǎn)業(yè)落實(shí)中央建設(shè)“健康中國(guó)”偉大戰(zhàn)略的重要組成部分，也是我國(guó)在“十三五”期間乃至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)糧食供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的重要舉措。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的雜豆和全谷物產(chǎn)品主要有發(fā)芽糙米、全麥粉、全麥面包、燕麥片等，產(chǎn)品形式較為單一且同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。雜豆和全谷物類(lèi)產(chǎn)品往往口感粗糙、重調(diào)性差、營(yíng)養(yǎng)消化利用度低，給加工帶來(lái)了困難，也降低了消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)熱情。隨著濕法膨化生產(chǎn)設(shè)備的日臻完善，全谷物膨化營(yíng)養(yǎng)粉的創(chuàng)制和應(yīng)用引起了食品領(lǐng)域科技工作者的廣泛關(guān)注[3]。擠壓膨化技術(shù)可以通過(guò)壓力差和水分的閃蒸實(shí)現(xiàn)全谷物顆粒的膨脹，并且伴隨著淀粉的糊化、蛋白質(zhì)的變性以及抗?fàn)I養(yǎng)因子的消減。更重要的是，擠壓膨化可以促進(jìn)不溶性膳食纖維（IDF）向可溶性膳食纖維（SDF）轉(zhuǎn)變，從而有效改善高膳食纖維產(chǎn)品的口感和消化吸收率，提高了消費(fèi)者的接受程度[4]。本研究選用蠶豆粉、蕎麥粉和魔芋精粉3種雜糧為原料，通過(guò)擠壓膨化處理制備膨化營(yíng)養(yǎng)粉，以SDF為指標(biāo)優(yōu)化制備工藝，并通過(guò)胃腸模型研究產(chǎn)品的體外消化狀況，從而為拓展國(guó)內(nèi)龐大的消費(fèi)市場(chǎng)提供技術(shù)支撐和產(chǎn)品保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

蘇蠶3號(hào)蠶豆，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供;蕎麥粉，購(gòu)自南京孝陵衛(wèi)市場(chǎng);魔芋精粉，湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司生產(chǎn);耐高溫α-淀粉酶（180 U/mg），尤特爾生化有限公司生產(chǎn);中性蛋白酶（40 U/mg）、葡萄糖苷酶（50 U/mg）、胃蛋白酶（3 000 U/mg）、胰酶（包括蛋白酶285 U/mg、淀粉酶288 U/mg和脂肪酶56 U/mg）、膽汁鹽，上海生工生物工程股份有限公司產(chǎn)品。

KETSE20/40D型雙螺桿擠出機(jī)，德國(guó)Brabender公司生產(chǎn);FW177型中草藥粉碎機(jī)，天津特斯特公司產(chǎn)品;AS-1400型馬弗爐，上海安晟儀器廠(chǎng)生產(chǎn);MB3型快速水分測(cè)定儀，奧豪斯儀器（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 原料篩選→蠶豆粉碎過(guò)40目 篩→ 蠶豆粉、蕎麥粉、魔芋精粉按質(zhì)量比10 ∶ 9 ∶ 1混合→物料含水量調(diào)節(jié)→擠壓膨化→烘干→粉碎過(guò)40目篩。

1.2.2 擠壓膨化工藝優(yōu)化 通過(guò)單因素試驗(yàn)研究物料含水量（16%～24%）、Ⅲ區(qū)擠壓溫度（120～180 ℃）以及螺桿轉(zhuǎn)速（110～190 r/min）對(duì)產(chǎn)品中SDF含量的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)原則，以物料含水量（A）、Ⅲ區(qū)擠壓溫度（B）、螺桿轉(zhuǎn)速（C）為自變量，SDF含量為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，各因素水平見(jiàn)表1。

1.2.3 雜糧營(yíng)養(yǎng)膨化粉中SDF含量測(cè)定 根據(jù)GB 5009.88—2014《食品中不溶性膳食纖維的測(cè)定》中的酶-質(zhì)量法稍作改進(jìn)。稱(chēng)取1.0 g樣品置于150 mL三角瓶中，加入40 mL PBS緩沖液（pH值6.0±0.2，0.1 mol/L），并加入100 μL高溫α-淀粉酶溶液（10 000 U/mL），加蓋鋁箔，在100 ℃條件下水浴振蕩40 min。將酶解液冷卻至60 ℃，加入100 μL中性蛋白酶溶液（400 U/mL），在60 ℃條件下水浴振蕩30 min。用0.1 mol/L鹽酸溶液將pH值調(diào)至4.5±0.2，加入100 μL葡萄糖苷酶溶液（3 300 U/mL），在60 ℃水浴振蕩條件下繼續(xù)酶解30 min。抽濾消化液，并用熱水洗滌2次，收集合并洗滌液，轉(zhuǎn)移至燒杯中，根據(jù)濾液總體積，加入4倍體積的95%乙醇，室溫下沉淀1 h。用G2砂芯坩堝過(guò)濾（加入適量硅藻土做助濾劑），用70%乙醇洗滌2次，丙酮洗滌2次，105 ℃烘干至恒質(zhì)量。另取2份分別做蛋白和灰分校正。其中，原料粉（蠶豆粉與蕎麥粉、魔芋精粉按照10 ∶ 9 ∶ 1的質(zhì)量比混合）中SDF含量為（8.53±0.25）%。

1.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察 用雙面膠帶將干燥后的雜糧原料粉和雜糧擠壓膨化營(yíng)養(yǎng)粉粘到不銹鋼樣品臺(tái)上，并對(duì)其進(jìn)行真空鍍金，用 JSM-6330F 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察形貌。

1.2.5 體外消化試驗(yàn) 參照文獻(xiàn)[5]方法略作改動(dòng)。將2.0 g NaCl，7.0 mL HCL和3.2 g胃蛋白酶溶解于超純水中，定容至1 L，得到模擬胃液。模擬腸液中含有0.30 mmol/L氯化鈣，30.72 mmol/L氯化鈉，5 mg/mL的膽汁鹽以及8 mg/mL的胰酶。準(zhǔn)確稱(chēng)量含有1 g碳水化合物的不同樣品置于水解管中，加入10 mL蒸餾水，渦旋振蕩、混合均勻。80 ℃ 加熱20 min。冷卻后將水解管移入37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中，加入10 mL模擬胃液，300 r/min條件下振蕩孵育30 min。將模擬胃消化后的樣品迅速調(diào)至pH值7.0，并與等體積的模擬腸液混合，在相同條件下孵育180 min，間隔特定時(shí)間取1.0 mL水解液，沸水浴滅酶，離心取上清液，用DNS法測(cè)定各時(shí)間段水解上清液中葡萄糖含量。在同樣條件下進(jìn)行白面包的模擬消化試驗(yàn)作為對(duì)照。碳水化合物水解度的計(jì)算公式為[6]：

碳水化合物水解度=水解液中葡萄糖當(dāng)量×09/500×100%。

分別以水解時(shí)間和碳水化合物水解率為橫、縱坐標(biāo)制作曲線(xiàn)，利用Origin軟件計(jì)算曲線(xiàn)下積分面積（area under curve，AUC），通過(guò)以下公式計(jì)算碳水化合物水解指數(shù)（HI），估計(jì)血糖生成指數(shù)（EGI）和估計(jì)血糖負(fù)荷指數(shù)（EGL）[7]：

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)數(shù)值間以ANOVA法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。選取P<0.05為顯著水平，圖表中不同小寫(xiě)字母代表顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 原料含水量對(duì)雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉SDF含量的影響 由圖1可以看出，隨著原料含水量的增加，營(yíng)養(yǎng)粉中的SDF含量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。當(dāng)物料含水量為16%時(shí)，營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量最高，為1664%，是雜糧原料粉[SDF含量為（8.53±025）%]的將近2倍。而物料含水量增加至24%時(shí)，營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量降低至10%左右。推測(cè)原因可能為當(dāng)雜糧原料中水分含量越高，升溫所需要的熱量越多，導(dǎo)致了物料升溫速率慢，不利于IDF向SDF轉(zhuǎn)化[8]。另外，過(guò)量的水蒸氣噴發(fā)也會(huì)降低營(yíng)養(yǎng)粉的擠壓膨化效果[9]。然而，在實(shí)際操作過(guò)程中，當(dāng)雜糧原料含水量低于16%時(shí)，物料流動(dòng)性比較差，機(jī)器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，不利于生產(chǎn)。因此，選擇含水量16%～20%進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.1.2 Ⅲ區(qū)擠壓溫度對(duì)雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量的影響 由圖2可以看出，隨著Ⅲ區(qū)擠壓溫度的升高，營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢(shì)。擠壓機(jī)的機(jī)筒溫度越高，傳遞給物料的熱量越多，同時(shí)因?yàn)閺?qiáng)剪切力和擠壓作用，使得IDF分子中糖苷鍵斷裂，提高了物料的親水性。當(dāng)Ⅲ區(qū)擠壓溫度增加到150 ℃時(shí)，可溶性膳食纖維含量達(dá)到最大值16.44%。而當(dāng)Ⅲ區(qū)擠壓溫度高于150 ℃后，可溶性膳食纖維含量逐漸降低，這可能是因?yàn)閿D壓溫度過(guò)高，物料中纖維還原端與蛋白質(zhì)之間的美拉德反應(yīng)更加明顯，從而降低產(chǎn)品溶解度。方勇等在研究金針菇/發(fā)芽糙米擠壓膨化工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象[10]。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉中SDF的影響 由圖3可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢(shì)。一般而言，螺桿轉(zhuǎn)速越大，剪切力越大，越有利于IDF纖維的降解以及向SDF的轉(zhuǎn)化[11]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加到150 r/min時(shí)，可溶性膳食纖維含量達(dá)到最大值，為15.63%，相對(duì)于雜糧原料增加了83%。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)，物料在擠壓機(jī)筒中的時(shí)間停留過(guò)短，導(dǎo)致作用力不夠，反而不利于SDF的形成。因此，選擇130～170 r/min進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 二次響應(yīng)面回歸模型的建立與分析 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2，應(yīng)用Design Expert軟件進(jìn)行回歸擬合分析，得到工藝參數(shù)條件與營(yíng)養(yǎng)粉中可溶性膳食纖維含量之間的二次多項(xiàng)式模型為：Y=16.30-2.79A-1.00B-1.13C+1.62AB-032AC-0.075BC-1.41A2-2.43B2-2.76C2。由表3可知，回歸模型具有極顯著性（P<0.01），失擬性不顯著（P=0.116 9>0.05），并且R2為0.981 6，R2adj為0.957 8，說(shuō)明方程對(duì)試驗(yàn)的擬合性較好[12]?；貧w方程各項(xiàng)方差分析表明，A（物料含水量）、B（Ⅲ區(qū)擠壓溫度）和C（螺桿轉(zhuǎn)速）對(duì)營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量

影響極顯著（P<0.01）。二次項(xiàng)A2、B2、C2以及交互項(xiàng)AB也對(duì)膨化營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量影響效果極顯著（P<0.01），交互項(xiàng)AC和BC對(duì)SDF含量的影響不顯著（P>0.05）。通過(guò)F值可以獲得各因子對(duì)產(chǎn)品中SDF含量影響能力的順序?yàn)椋篈（物料含水量）>C（螺桿轉(zhuǎn)速）>B（Ⅲ區(qū)擠壓溫度）。

2.2.2 兩因子間交互作用分析 響應(yīng)面分析圖見(jiàn)圖4至圖6。由圖4可知，當(dāng)擠壓溫度固定時(shí)，SDF含量與原料含水量呈負(fù)相關(guān);當(dāng)原料含水量一定時(shí)，SDF含量隨擠壓溫度升高呈先增加后減小的趨勢(shì)。整個(gè)響應(yīng)曲面的坡度陡峭，且等高線(xiàn)呈橢圓形，說(shuō)明擠壓溫度與含水量交互作用比較顯著。由圖5可知，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，SDF含量隨著含水量的增加呈逐漸下降的趨勢(shì);當(dāng)含水量一定時(shí)，SDF含量隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。與圖4相比，圖5中的等高線(xiàn)更加接近圓形。因此，同擠壓溫度相比，含水量與螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用不夠顯著。由圖6可知，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，SDF含量隨著擠壓溫度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)擠壓溫度一定時(shí)，SDF含量隨著含水量的增大，也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由于其等高線(xiàn)圖呈圓形，說(shuō)明二者的交互作用不顯著[13]。

2.2.3 最佳工藝參數(shù)預(yù)測(cè)及驗(yàn)證試驗(yàn) 通過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉制備的最佳工藝參數(shù)為物料含水量16.22%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142.20 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速145.97 r/min，此時(shí)產(chǎn)品中的SDF含量可達(dá)到18.44%;考慮實(shí)際情況下，選用的工藝條件為物料含水量16%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，此時(shí)蠶豆?fàn)I養(yǎng)粉的可溶性膳食纖維含量為（18.13±0.15）%， 與預(yù)測(cè)值相差1.7%， 表明此

模型具備很強(qiáng)的可靠性，可以用于雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉中SDF含量的預(yù)測(cè)。

從圖7-A1和圖7-B1中可以看出，混合原料粉顆粒表面粗糙且結(jié)構(gòu)規(guī)則，排列有序，結(jié)合緊密;而經(jīng)過(guò)擠壓膨化得到的產(chǎn)品，顆粒表面凹凸不平、體積膨大，表明原有的致密結(jié)構(gòu)受到了破壞（圖7-A2和圖7-B2）。SEM的觀察結(jié)果說(shuō)明，在擠壓膨化過(guò)程中，擠壓機(jī)內(nèi)的高溫、高壓、高剪切力造成了原

料中生物大分子之間共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵的斷裂，從而誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化以及IDF向SDF的轉(zhuǎn)變。

2.3 體外消化性質(zhì)評(píng)價(jià)

采用體外模擬胃腸道模型進(jìn)一步對(duì)雜糧原料粉和雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉中的碳水化合物消化情況，并使用白面包為對(duì)照。從圖8可以看出，3種樣品在前60 min消化較快，60 min后水解度趨于平穩(wěn)。在所研究的任意時(shí)間點(diǎn)，3種樣品碳水化合物的水解度大小順序?yàn)椋弘s糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉<雜糧原料粉<白面包。白面粉屬于精加工主食，消化最快。值得一提的是，原料粉經(jīng)過(guò)膨化處理后，碳水化合物的消化變慢，原因可能有以下2點(diǎn)：（1）膨化處理提高了SDF含量，SDF膨脹性和溶解性好，從而增加了消化液黏度，使得消化酶和產(chǎn)物擴(kuò)散速率變慢[14];（2）膨化營(yíng)養(yǎng)粉中淀粉發(fā)生了回生，抗性淀粉含量變高，因此抗消化性增強(qiáng)[15]。

進(jìn)一步計(jì)算了3種樣品的HI、EGI、EGL等指標(biāo)（表4），擠壓膨化處理后，雜糧的HI、EGI和EGL下降顯著。雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉的EGI為4988，小于55，達(dá)到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉的EGL為24.78，高于20，依然屬于高血糖負(fù)荷指數(shù)產(chǎn)品，但是顯著低于白面包（4144）等主食，因此仍然可以起到替代部分主食的作用。

3 結(jié)論

本研究采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉的制備工藝，得到最佳參數(shù)組合為物料含水量16%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，在該條件下，產(chǎn)品中SDF含量達(dá)到（1813±0.15）%。SEM結(jié)果顯示，擠壓膨化處理導(dǎo)致原料粉顆粒發(fā)生膨脹，并伴隨著原有致密結(jié)構(gòu)的坍塌。通過(guò)模擬胃腸道模型進(jìn)一步研究了產(chǎn)品的體外消化狀況。結(jié)果表明，雜糧膨化營(yíng)養(yǎng)粉的HI、EGI、EGL等參數(shù)均顯著低于原料，部分指標(biāo)達(dá)到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，可以用來(lái)部分替代主食，起到補(bǔ)充膳食纖維和微量營(yíng)養(yǎng)素、延長(zhǎng)飽腹感的作用。

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