復(fù)合雜糧共擠壓營養(yǎng)沖調(diào)粉的配方設(shè)計和工藝

崔琳琳，呂欣東，馮飛，周小理*

1. 上海商學(xué)院酒店管理學(xué)院（上海 200235）；2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院（上海 201418）

中國是世界雜糧王國，現(xiàn)有雜糧作物品種多達(dá)327個。雜糧富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)及多種功能因子，營養(yǎng)價值高，是加工營養(yǎng)食品的極好原料。但我國雜糧深加工目前仍以初加工產(chǎn)品為主，主要是將雜糧磨成粉，再以雜糧粉為主要原料生產(chǎn)各種雜糧面制品，如雜糧什錦面、雜糧掛面、雜糧面包等。精深加工產(chǎn)品比例偏低。近年來隨著人們飲食結(jié)構(gòu)、消費(fèi)習(xí)慣的逐漸改變，人們對雜糧沖調(diào)粉等營養(yǎng)功能型雜糧食品的需求不斷提高，促進(jìn)了我國雜糧食品企業(yè)的產(chǎn)品升級換代。但在雜糧沖調(diào)粉類食品中，還存在著一些問題：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和種類較單一；產(chǎn)品多以單一散粉的形式出售，產(chǎn)品直接暴露在空氣中，容易氧化；多以普通粉碎技術(shù)加工而成，沖調(diào)性能欠佳，適口性差；特別是我國暫時對復(fù)合雜糧沖調(diào)粉的開發(fā)、加工尚未進(jìn)行較為深入系統(tǒng)的研究，缺乏針對不同人群營養(yǎng)需求的科學(xué)復(fù)合配比，雜糧粉的營養(yǎng)利用率不高等[1-3]。

擠壓膨化技術(shù)及設(shè)備作為食品工業(yè)的高新技術(shù)，可以使物料在擠壓膨化過程中，經(jīng)高溫、高壓作用，會發(fā)生一系列的物理變化和化學(xué)變化，可破壞原料中部分有害因子，使加工后的食品更易貯藏，產(chǎn)品品質(zhì)得到提高[4-5]。此次試驗以多種雜糧為原料，結(jié)合不同類型人群（女性白領(lǐng)、青少年和中老年）對營養(yǎng)的特殊需求，利用線性規(guī)劃法，科學(xué)設(shè)計三種復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉配方。采用Brabender TSE 20/40D雙螺桿擠出機(jī)，研究不同擠壓工藝參數(shù)對復(fù)合雜糧共擠壓產(chǎn)品沖調(diào)性能的影響；通過Box-Behnken試驗建立二次回歸方程，以吸水性指數(shù)為評價指標(biāo)對擠壓膨化工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，改善了復(fù)合雜糧營養(yǎng)粉的沖調(diào)性能，提高了復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的食用品質(zhì)，以實現(xiàn)雜糧高質(zhì)化的利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

藜麥粉（購于繁峙縣晉香園特產(chǎn)店）；紅豆粉、苦蕎粉、糙米粉、燕麥粉（購于無錫網(wǎng)上糧店）；麥麩粉（購于福建中科康膳生物科技有限公司）。

1.2 主要儀器與設(shè)備

DSE20/40雙螺桿擠壓膨化機(jī)，Brabender；3-18K臺式高速冷凍離心機(jī)，Sigma儀器有限公司（英國）；1010A型數(shù)顯式電熱恒溫干燥箱，上海實驗儀器有限公司；高速多功能粉碎機(jī)，德清拜杰電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

各種雜糧粉按比例稱其質(zhì)量→混合均勻→調(diào)節(jié)水分→高速粉碎機(jī)粉碎→擠壓膨化機(jī)共擠壓→粉碎→過篩→成品

1.3.2 復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉配方設(shè)計研究

以營養(yǎng)均衡為原則，以中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量為依據(jù)，結(jié)合不同類型人群（女性白領(lǐng)、青少年和中老年）對營養(yǎng)的特殊需求，采用線性規(guī)劃（LP）法，設(shè)計適于三種不同人群的復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉配方，三類人群每日所需膳食營養(yǎng)需求見表1。

該產(chǎn)品作為早餐輔助食品食用，每次食用量以100 g為宜。在滿足一定約束條件的前提下，采用Excel進(jìn)行營養(yǎng)配方的設(shè)計，先計算各雜糧粉的配比，以滿足營養(yǎng)要求，且原料成本價格最低，最后在工作表得到規(guī)劃求解值。

表1 中國居民各類型人群的日膳食需要

線性規(guī)劃的具體方法為：

設(shè)Xi為各原料占總配方的百分比含量，X1為燕麥粉，X2為紅豆粉，X3為糙米粉，X4為藜麥粉，X5為苦蕎粉，X6為麥麩粉，X7為乳清蛋白，X8為葡萄糖酸鈣。

以最低原料價格為目標(biāo)函數(shù)：

根據(jù)《中國居民膳食指南（2016）》[6]、《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》[7-9]，在三類人群每日所需不同營養(yǎng)素的量和限值的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整，再根據(jù)各類人群營養(yǎng)需要的特殊性[10-11]，分別設(shè)定A女性白領(lǐng)型沖調(diào)粉（高鐵高膳食纖維型）、B青少年型沖調(diào)粉（高蛋白高鈣型）以及C中老年型沖調(diào)粉（高鈣高膳食纖維型）三種規(guī)劃求解參數(shù)的約束條件。

1) 以市場同類型產(chǎn)品作為參照，以上述配方設(shè)計為依據(jù)，在考慮加工過程營養(yǎng)素?fù)p失后，預(yù)測制成的復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉，其碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、礦物質(zhì)、維生素等的含量達(dá)到或超過同等原料生產(chǎn)的食品要求，三種配方設(shè)計的各因素限值設(shè)定如表2所示。

表2 規(guī)劃求解參數(shù)的約束條件

2) 配方中以藜麥、燕麥、糙米、苦蕎、紅豆、超微麥麩粉為主要原料，配以葡萄糖酸鈣、乳清蛋白等營養(yǎng)強(qiáng)化劑（總量不超過10%），考慮到豆類和燕麥的擠壓特性，要求紅豆和燕麥的含量均不超過15%。

3) 在保證各種營養(yǎng)素平衡的基礎(chǔ)上，藜麥、燕麥、糙米、苦蕎等主要雜糧原料的單一含量不超過40%。

1.3.3 單因素試驗設(shè)計

參考李晟等[12]的研究，分別考察不同擠壓膨化溫度（130，140，150，160和170 ℃）、螺桿轉(zhuǎn)速（120，140，160，180和200 r/min）、物料水分含量（13%，15%，17%，19%和21%）對擠壓膨化谷物粉膨化度、吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)和沖溶穩(wěn)定性的影響。其中各因素固定水平為擠壓膨化溫度150 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速160 r/min、物料水分含量17%。

1.3.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

根據(jù)響應(yīng)曲面的中心組合試驗設(shè)計，綜合單因素試驗結(jié)果，以螺桿轉(zhuǎn)速（A）、擠壓膨化溫度（B）、物料水分含量（C）三因素為響應(yīng)面分析對象，吸水性指數(shù)（WAI）作為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計，因素水平表見表3。

1.3.5 測定方法

1) 吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)的測定：分別參照賀也[13]、王玉彤等[14]的方法。

2) 離心沉淀率的測定：參照馬濤等[15]的方法。

表3 響應(yīng)面因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 線性規(guī)劃法程序運(yùn)算結(jié)果

根據(jù)表2線性限制條件，運(yùn)用Excel進(jìn)行線性規(guī)劃求解，計算出三種類型的最優(yōu)配方，結(jié)果見表4。最佳配方的價格與營養(yǎng)成分含量見表5。

由表5可知，設(shè)計的三種復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉營養(yǎng)成分含量與目標(biāo)營養(yǎng)素參考值對比，已達(dá)到所需的營養(yǎng)要求。其中，青少年型含有豐富的藜麥，具有較高的營養(yǎng)價值[13,16]。尤其配方中蛋白質(zhì)NRV%高達(dá)22%，符合GB 28050—2011《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)包裝食品營養(yǎng)標(biāo)簽通則》規(guī)定的高蛋白質(zhì)食品要求，適合處于生長發(fā)育期的青少年食用。女性白領(lǐng)型和中老年型沖調(diào)粉配方能夠滿足高鈣高膳食纖維的需求，尤其是中老年型沖調(diào)粉中鈣含量達(dá)300 mg/100 g，NRV為30%，對中老年人群的健康大有裨益[17-18]。

表4 三種復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的最佳配方與原料成本價格 %

表5 三種復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉營養(yǎng)成分含量與營養(yǎng)素參考值

2.2 擠壓膨化工藝單因素試驗結(jié)果與分析

三種共擠壓制備的復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的工藝相同，試驗以A型復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉為例，優(yōu)化擠壓膨化工藝參數(shù)。

2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對共擠壓膨化產(chǎn)品性質(zhì)的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響如圖1所示。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，吸水性指數(shù)（WAI）整體上呈先減小后增加趨勢，在160 r/min時呈現(xiàn)最低值，為463.13%。而水溶性指數(shù)（WSI）變化趨勢與之相反，在180 r/min達(dá)到最大值，為16.46%。這是由于當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過大時，物料在機(jī)筒內(nèi)停留時間減少，原料受到的機(jī)械剪切作用逐漸減弱，物料無法被充分糊化且營養(yǎng)物質(zhì)的分解不完全[19]，導(dǎo)致吸水性指數(shù)（WAI）逐漸增加，而水溶性指數(shù)（WSI）逐漸降低。此外，離心沉淀率（SR）變化幅度不大，因此，綜合螺桿轉(zhuǎn)速對各項指標(biāo)的影響，選擇160～200 r/min為最佳螺桿轉(zhuǎn)速區(qū)間。

2.2.2 擠壓溫度對共擠壓膨化產(chǎn)品性質(zhì)的影響

擠壓溫度對產(chǎn)品品質(zhì)的影響如圖2所示。隨著擠壓溫度的升高，擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）和水溶性指數(shù)（WSI）同樣呈現(xiàn)相反變化趨勢。這是由于隨著溫度升高物料不斷吸收熱量，有利于原料轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，淀粉糊化和裂解程度加劇，水溶性物質(zhì)增加。而離心沉淀率（SR）隨擠壓溫度的升高呈不斷增加的趨勢，說明擠壓溫度的升高不利于成品的沖調(diào)穩(wěn)定性的增加。因此，綜合擠壓溫度對各項指標(biāo)的影響，選擇130～150 ℃為最佳擠壓溫度區(qū)間。

2.2.3 物料水分含量對共擠壓膨化產(chǎn)品性質(zhì)的影響

物料水分含量對產(chǎn)品品質(zhì)的影響如圖3所示。隨著物料水分含量的增加，擠出物的吸水性指數(shù)（WAI）與其水溶性指數(shù)（WSI）變化同樣呈現(xiàn)相反的趨勢，當(dāng)物料水分含量為17%時分別達(dá)到最小值和最大值，這是因為當(dāng)物料水分含量過高時，粗纖維、蛋白質(zhì)和淀粉等大分子物質(zhì)的裂解程度降低，使得水溶性物質(zhì)的產(chǎn)生相應(yīng)減少，增加了糊狀物的穩(wěn)定性。而離心沉淀率（SR）在物料水分含量15%～19%之間呈較低值，說明在該水平的物料水分含量下擠壓出的谷物粉沖調(diào)出的糊狀物穩(wěn)定性較好。因此，綜合物料水分含量對各項指標(biāo)的影響，選擇15%～19%為最佳物料水分含量區(qū)間。

圖1 不同螺桿轉(zhuǎn)速下吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)、沉淀率的變化

圖2 不同溫度下吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)、沉淀率的變化

圖3 不同物料水分含量下吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)、沉淀率的變化

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化成品沖調(diào)性的研究

應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到吸水性指數(shù)（Y）對自變量擠壓溫度（A）、螺桿轉(zhuǎn)速（B）、物料水分含量（C）的二次多項回歸模型：

表6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，且交互作用AC對吸水性指數(shù)的影響呈極顯著。模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.981 1，校正決定系數(shù)R2=0.956 8，模型實際值與預(yù)測值擬合良好，失擬項p=0.309 8＞0.05，不顯著，說明試驗誤差較小。

表6 方差分析表

2.4 影響吸水性指數(shù)的主要因素分析

由二次回歸方程得出各因素的相互作用，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、物料水分含量、擠壓溫度3個因素間的相互作用程度。

從圖4可以看出，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為160～200 r/min、擠壓溫度為130～150 ℃時，因素A的曲線較因素B的曲線陡峭，說明擠壓溫度對沖調(diào)粉吸水性指數(shù)（WAI）的影響較螺桿轉(zhuǎn)速強(qiáng)，等高線中心的形狀趨向圓形，表明兩因素交互作用較弱，與回歸模型方差分析中結(jié)果一致。因此，在保證物料膨化反應(yīng)順利進(jìn)行的前提下，可以適當(dāng)降低螺桿轉(zhuǎn)速，減少能耗。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度交互作用對吸水性指數(shù)的影響

從圖5可以看出，因素A與因素C的曲線陡峭程度相當(dāng)，說明物料水分含量和擠壓溫度對沖調(diào)粉WAI影響相當(dāng)，等高線中心的形狀趨向橢圓，表明兩因素交互作用顯著，與回歸模型方差分析中結(jié)果一致。

從圖6可以看出，因素C的曲線較因素B的曲線陡峭，說明物料水分含量對沖調(diào)粉吸水性指數(shù)（WAI）影響較螺桿轉(zhuǎn)速強(qiáng)，等高線中心的形狀趨向圓形，表明兩因素交互作用較弱，回歸模型方差分析中結(jié)果一致。

利用Design-Expert 8.0軟件綜合分析得出最佳擠壓膨化條件：擠壓溫度136.33 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速181.77 r/min，物料水分含量16.4%；理論吸水性指數(shù)值為407.218%?？紤]實際生產(chǎn)可操作性，調(diào)整工藝參數(shù)為：擠壓膨化溫度136 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速182 r/min，物料水分含量16.4%。在此條件下進(jìn)行驗證試驗，成品的吸水性指數(shù)（WAI）為407.5%。

圖5 物料水分含量和擠壓溫度交互作用對吸水性指數(shù)的影響

圖6 物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速交互作用對吸水性指數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

采用線性規(guī)劃（LP）配方設(shè)計法，針對三類食用人群的特殊營養(yǎng)需求，設(shè)計出三種復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的配方。配方設(shè)計中，在各營養(yǎng)素量達(dá)到規(guī)定的膳食營養(yǎng)素供給量的前提下，原料成本價格最低。

并以A型復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉為例，通過單因素和響應(yīng)面試驗方法，研究了雙螺桿擠壓膨化對復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉沖調(diào)性的影響。結(jié)果表明：螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合谷物粉沖調(diào)穩(wěn)定性影響不大；擠壓溫度升高，不利于復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的沖調(diào)穩(wěn)定性，影響產(chǎn)品的沖調(diào)性能；同時，物料水分含量為15%～19%時表現(xiàn)良好。最終利用響應(yīng)面建立二次多項回歸方程，分析其模型、各因素交互作用，經(jīng)修正得到最佳膨化擠壓工藝條件為：擠壓溫度136 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速182 r/min，物料水分含量16.4%。得到的復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉吸水性指數(shù)（WAI）為407.5%，改性后的膨化粉吸水性指數(shù)（WAI）下降明顯，優(yōu)化后的工藝條件改善了復(fù)合雜糧營養(yǎng)沖調(diào)粉的沖調(diào)性能，更易于人體吸收。