擠壓膨化和焙烤工藝對代餐粉特性的影響

袁嘉渝 林利忠,2 程 穎

(中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，長沙 410000) (湖南金健米業(yè)股份有限公司2，常德 415001)

在過去的3 000～4 000年間，世界上大多數(shù)人口一直以全谷類為主要食物[1]。谷物主要包括小麥、稻谷、玉米等，是人體最主要的能量來源，根據(jù)《中國居民膳食指南》,谷物類食品中碳水化合物占75%～80%, 蛋白質(zhì)8%～10%，脂肪1%左右, 還含有膳食纖維、B族維生素等多種對人類有益的物質(zhì)。在美國，最常見的谷物是小麥、燕麥、大米、玉米和黑麥，其中小麥占總量的66%～75%[1]。肥胖、心血管疾病、糖尿病和癌癥已經(jīng)成為威脅我國和其他發(fā)達國家人民健康的主要疾病。雖然病因是多方面的，但飲食已被鑒定為對這些疾病的發(fā)展的唯一最重要的環(huán)境因素[2]。流行病學(xué)證據(jù)表明，全谷物攝入與氧化應(yīng)激相關(guān)慢性疾病的風(fēng)險降低有關(guān)[3]。此外，食用全谷物及其產(chǎn)品對心血管疾病和高血脂癥等慢性病有預(yù)防和治療作用。美國、中國、韓國、新加坡、法國等多個國家膳食指南都建議納入全谷類食品，因為各種證據(jù)表明，全谷類和全谷類食品除了提供簡單的能量和營養(yǎng)外，還具有增強健康的能力[3]。但是，谷類中的功能因子含量不高，限制了其在營養(yǎng)健康方面的作用。中醫(yī)學(xué)素來有“藥食同源”的理論，并且不斷地在現(xiàn)代藥理研究中得到證實。國家衛(wèi)健委公布了上百種傳統(tǒng)上既是食品又是中藥材的物質(zhì)，拓寬了健康食品原料的選擇與利用[4, 5]。

代餐粉是一種由谷物、豆類、薯類食材等為主制成的一種單一或綜合性沖調(diào)粉劑產(chǎn)品。代餐粉種類較多，深受大眾喜愛，然而目前比較烘焙和擠壓膨化加工方式對代餐粉特性影響的研究鮮有報道。為了充分利用藥食同源物質(zhì)，開發(fā)新型代餐粉食品配料，改善代餐粉的理化特性，本實驗以糙米、紫米、紅米等谷物為原料，輔以山楂、薏苡仁、山藥等“藥食同源”物質(zhì)，研究分析烘焙、擠壓膨化工藝對代餐粉的結(jié)構(gòu)及理化特性的影響，并探討適宜的產(chǎn)品加工工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薏苡仁、山藥、糙米、玉米、紅米、紫米、黑豆、大米、赤小豆、蓮子、山楂；鹽酸、甲基紅、溴甲酚綠、石油醚均為分析純。

FMHE36-24型雙螺桿擠壓機，DS-T300高速多功能粉碎機，DSC Q2000差示掃描量熱儀，RVA-Super4快速黏度分析儀，理學(xué) Ultima IV X’Pert PRO粉末衍射儀，X-Max N場發(fā)射掃描電子顯微鏡，Cressington 108 Auto離子濺射儀。

1.2 方法

1.2.1 代餐粉樣品的制備

代餐粉配方為糙米6.90%、紫米8.62%、紅米10.34%、大米6.90%、玉米6.90%、山楂17.24%、薏苡仁10.34%、山藥12.07%、蓮子6.90%、赤小豆8.62%、黑豆5.17%。

未加工代餐粉樣品的制備：將代餐粉原料粉碎后通過120目篩，真空密封保存待分析。

烘烤代餐粉樣品的制備：將代餐粉原料放入烤箱，設(shè)置120 ℃烘烤50 min，烘好的原料用高速多功能粉碎機粉碎過120目篩，真空密封保存待分析。

擠壓膨化代餐粉樣品的制備：將代餐粉原料粉碎過60目篩，控制物料的含水量、溫度、螺桿轉(zhuǎn)速，在雙螺桿擠壓機的擠壓作用下使代餐粉形成具有一定糊化度的條狀物料。當(dāng)物料通過模孔時，切割機將條狀物料切割成球狀顆粒產(chǎn)品。機筒溫度分別為60、70、80、110、140 ℃，物料含水量19%，螺桿轉(zhuǎn)速170 r/min，進料速度15 kg/h。擠壓后代餐粉粒于50 ℃鼓風(fēng)干燥機中干燥3 h，干燥后樣品粉碎通過120目篩，真空密封保存待分析。

1.2.2 代餐粉基本成分的測定

鎘含量采用原子吸收光譜儀測定。水分、蛋白質(zhì)、脂肪分別根據(jù)GB 5009.3—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016進行測定，淀粉含量采用淀粉含量檢測試劑盒進行測定。每個樣品平行測定3次。

1.2.3 不同加工工藝代餐粉顆粒結(jié)構(gòu)的觀察

取微量的不同加工工藝代餐粉進行制樣，離子濺射儀噴金后于掃描電子顯微鏡下拍攝，加速電壓5 kV，分別放大1 000倍和9 000倍。觀察不同加工工藝代餐粉形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。

1.2.4 不同加工工藝代餐粉晶體結(jié)構(gòu)的測定

通過粉末衍射儀測定晶體結(jié)構(gòu)。設(shè)置電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°，掃描速度5(°)/min，衍射角2θ，掃描范圍5°～40°并進行檢測。

1.2.5 代餐粉熱特性的測定

準(zhǔn)確稱取不同加工工藝的代餐粉樣品3.0 mg于鋁制坩堝中，加入9 mL水，加蓋密封，4 ℃下平衡24 h。用DSC測試時，空坩堝為參照，升溫速率為5 ℃/min，將樣品從35 ℃加熱至110 ℃，每個樣品平行測定3次。

1.2.6 代餐粉糊化特性的測定

通過快速黏度分析儀測定糊化特性。準(zhǔn)確稱取已知含水量的3.0 g樣品和25.0 mL水于樣品盒中，設(shè)置起始溫度50 ℃保持1 min，12 ℃/min的速度升溫至95 ℃并保持2.5 min，再以12 ℃/min 的速率降溫至50 ℃并保持1 min，轉(zhuǎn)速為160 r/min。每個樣品平行測定3次。

1.2.7 吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)的測定

參考Jafari等[6]的方法，略加修改。稱取樣品1.5 g(干基) 和吸取20 mL水于離心管中并搖勻，在30 ℃水浴鍋中加熱30 min，每隔5 min振蕩30 s，使其保持懸浮狀態(tài)，水浴后4 000 r/min離心15 min，將上清液倒入鋁盒中，105 ℃烘干至恒重。同時稱量離心沉淀的凝膠質(zhì)量。計算公式為：

吸水性指數(shù)=100×沉淀物的質(zhì)量/樣品干基質(zhì)量

水溶性指數(shù)=100×上清液蒸發(fā)后殘余物的質(zhì)量/樣品干基質(zhì)量

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)平行測定3次。采用SPSS 17.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，用 Duncan’s 多重比較法進行顯著性分析。P<0.05表示結(jié)果存在顯著差異，使用Origin8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 加工方式對代餐粉基本成分的影響

由表1可以看出，不同的加工工藝對代餐粉基本成分存在影響。擠壓膨化處理對鎘元素濃度和淀粉含量影響不大，而經(jīng)過烘烤處理的樣品，鎘元素濃度和淀粉含量略增加，這可能是因為樣品中水分、蛋白質(zhì)、脂肪及揮發(fā)性物質(zhì)等在加熱過程中損失，降低了樣品的實際干重，導(dǎo)致單位質(zhì)量樣品中鎘元素濃度和淀粉含量升高[7]。不同工藝處理樣品含水量差異顯著，加工后的代餐粉含水量均降低。烘烤代餐粉與擠壓膨化代餐粉的蛋白質(zhì)含量均顯著降低。烘烤代餐粉與擠壓膨化代餐粉蛋白質(zhì)含量降低是因為加工過程中溫度較高，蛋白質(zhì)變性，原先封閉在分子內(nèi)部的氨基酸殘基暴露在外，使其可與還原糖及其他成分發(fā)生反應(yīng)[8]。烘烤處理對代餐粉的脂肪含量沒有顯著性影響，擠壓膨化處理的代餐粉脂肪含量明顯降低。這可能是脂肪能與蛋白質(zhì)和淀粉形成復(fù)合物，以及在高溫高壓下脂肪分解為脂肪酸與單甘酯的緣故[9]。這與李璐等[10]的研究結(jié)果一致。

表1 加工方式對代餐粉基本成分的影響

2.2 加工方式對代餐粉微觀形態(tài)的影響

如圖1，在較低倍數(shù)下的觀察結(jié)果表明，未加工代餐粉大多呈圓形或橢圓形，表面光滑[11, 12]。經(jīng)過烘烤和擠壓膨化工藝處理后，淀粉顆粒破碎，圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)減少或消失，淀粉發(fā)生重組，形成了大小不一的顆粒結(jié)構(gòu)[13]。在較高倍數(shù)下的觀察結(jié)果表明，未加工代餐粉表面相對光滑，結(jié)構(gòu)緊密，烘烤代餐粉呈方片形，結(jié)構(gòu)疏松，表面粗糙，擠壓膨化代餐粉呈無規(guī)則塊狀，表面凹凸不平、結(jié)構(gòu)疏松，有較多孔洞[14]。這與其高吸水性的性質(zhì)相一致。

注：a為放大1 000倍的未加工代餐粉，a1為放大9 000倍的未加工代餐粉，b為放大1 000倍的烘烤代餐粉，b1為放大9 000倍的烘烤代餐粉，c為放大1 000倍的擠壓膨化代餐粉，c1為放大9 000倍的擠壓膨化代餐粉。圖1 未加工代餐粉、烘烤代餐粉、擠壓膨化代餐粉的掃描電鏡圖

2.3 加工工藝代餐粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

由圖2的X-射線衍射圖譜可知，未加工代餐粉在2θ=15.14°、17.07°、17.99°和23.02°出現(xiàn)強衍射峰，表明未加工代餐粉中的淀粉結(jié)晶是A型晶體，烘烤代餐粉在2θ=15.01°、16.95°、17.90°和22.94°出現(xiàn)強衍射峰，表明烘烤代餐粉中的淀粉結(jié)晶是A型晶體，烘烤工藝處理沒有改變淀粉晶體類型。代餐粉經(jīng)過擠壓膨化處理后，A型結(jié)晶的特征峰不僅減小，而且還有部分消失，在衍射角2θ=7.43°、12.83°和19.70°的地方出現(xiàn)了強衍射峰，表明擠壓代餐粉中的淀粉結(jié)晶是V型晶體，這是由于擠壓過程中直鏈淀粉與脂質(zhì)所形成的絡(luò)合物產(chǎn)生的[15, 16]。A-型淀粉晶體屬于單斜晶系，V-型淀粉晶體屬于正交晶系，不同晶系的晶體晶胞形態(tài)不同，具體可體現(xiàn)為晶格參數(shù)(晶軸長度與軸間夾角)的差異[17]。表2表明擠壓膨化代餐粉結(jié)晶度從22.73%降至4.52%，說明淀粉的結(jié)晶區(qū)在擠壓膨化的過程中被破壞[18]，支鏈淀粉含量降低，同時淀粉發(fā)生糊化需要吸收的能量也減少，即糊化焓變降低，烘烤代餐粉結(jié)晶度低于未加工代餐粉，高于擠壓膨化代餐粉，故糊化需要吸收能量為未加工代餐粉>烘烤代餐粉>擠壓膨化代餐粉，與DSC結(jié)果一致。

圖2 不同加工工藝下代餐粉的X-射線衍射圖譜

表2 代餐粉的X-射線衍射分析結(jié)果

2.4 加工方式對代餐粉熱特性和糊化特性的影響

2.4.1 加工方式對代餐粉熱特性的影響

由表3可知，與未加工代餐粉相比，烘烤代餐粉和擠壓膨化代餐粉的峰值黏度、保持黏度、最終黏度、回生值均下降。淀粉的糊化程度越高，殘余顆粒淀粉越少，峰值黏度降低[16]。擠壓膨化代餐粉的峰值時間最小，說明原物料經(jīng)擠壓膨化加工后，糊化所需時間更短。衰減值、回生值和回復(fù)值可作為選擇優(yōu)良食味品質(zhì)的有效指標(biāo)[19]。舒慶堯等[20]研究認(rèn)為食味較好的秈稻品種衰減值一般大于100 RVU，而回生值小于25 RVU， 且多數(shù)為負值。衰減值反映淀粉熱糊的穩(wěn)定性，衰減值越大，說明淀粉顆粒在加熱中破裂越多，內(nèi)部淀粉分子被釋放出來，食味越好[13]?；厣捣从车矸鄣慕到獬潭?，回生值越小，說明經(jīng)過擠壓膨化處理后淀粉降解越徹底。擠壓后回生值降低可能是由于擠壓中淀粉降解的多糖可以延遲淀粉分子的重新結(jié)合，抑制回生[21, 22]。與烘烤代餐粉相比，擠壓膨化代餐粉風(fēng)味更好，更容易消化[13]。

表3 不同加工方式代餐粉的糊化參數(shù)值

2.4.2 加工方式對代餐粉糊化特性的影響

由表4可知，烘烤代餐粉起始糊化溫度升高，峰值溫度、終止糊化溫度均升高，糊化焓變略降低，原因是支鏈淀粉和直鏈淀粉的相互作用增強，支鏈淀粉的流動性降低[22]。此外，淀粉含量和蛋白質(zhì)含量高，糊化所需能量越多，焓變越大，糊化溫度越高，越難糊化[23]。擠壓膨化代餐粉的糊化焓變值低于未加工代餐粉和烘烤代餐粉，糊化焓變值降低了91.56%，說明擠壓膨化代餐粉淀粉糊化完全，更容易消化。擠壓膨化代餐粉的起始糊化溫度升高，峰值溫度、終止糊化溫度和糊化焓變均降低，原因是擠壓后形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，且淀粉在高溫下大部分已經(jīng)發(fā)生糊化，未糊化的淀粉比未加工代餐粉少，故糊化時所需要的起始溫度高，所需要的熱量少，也進一步說明擠壓膨化物料糊化更充分[24]。

表4 加工方式代餐粉的DSC糊化參數(shù)值

2.5 加工方式對代餐粉吸水指數(shù)和水溶指數(shù)的影響

吸水指數(shù)代表淀粉吸水能力，可以衡量淀粉糊化程度。由圖3可知，與未加工代餐粉相比，烘烤代餐粉的吸水性指數(shù)未發(fā)生顯著性變化，擠壓膨化代餐粉吸水性指數(shù)由擠壓前的229.56% 顯著增加至擠壓后的461.99%。Chauhan 等[25]認(rèn)為擠壓破壞了淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，破損淀粉含量的增加，是擠壓物具有更高吸水性指數(shù)的主要原因。此外，擠壓后的代餐粉表面有較多孔洞，結(jié)構(gòu)疏松，是擠壓物具有更高吸水性指數(shù)的另一個原因。水溶性指數(shù)能夠表明淀粉顆粒的降解程度，不同的加工方式對代餐粉水溶性指數(shù)均存在顯著性影響，其中烘烤代餐粉與擠壓膨化代餐粉的水溶性指數(shù)分別由加工前的13.09% 顯著增至15.54%、28.06% 。因此，與烘烤代餐粉相比，擠壓膨化處理后代餐粉的水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)更高，營養(yǎng)素也提高[26]。

注：A為未加工代餐粉，B為烘烤代餐粉，C為擠壓膨化代餐粉。圖3 加工方式對代餐粉吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響

3 結(jié)論

不同加工工藝處理后，代餐粉水分、蛋白質(zhì)、脂肪含量變化顯著，吸水性指數(shù)與水溶性指數(shù)都有所增加。DSC分析結(jié)果顯示，烘烤代餐粉起始糊化溫度、峰值溫度、終止糊化溫度均升高，而糊化焓變降低；擠壓膨化代餐粉的起始糊化溫度升高，峰值溫度、終止糊化溫度和糊化焓變均降低。不同加工工藝處理后，峰值黏度、保持黏度、最終黏度、回生值均下降。擠壓膨化代餐粉的衰減值最高，峰值時間最小，回生值最小。不同加工工藝使代餐粉顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，物料原有的圓形和橢圓形的結(jié)構(gòu)減少或消失，烘烤和擠壓膨化后的顆粒結(jié)構(gòu)疏松，表面粗糙。此外，擠壓膨化代餐粉顆粒有較多的孔洞。同時，X-射線衍射分析表明不同加工工藝處理后，淀粉的相對結(jié)晶度降低。其中，擠壓膨化后結(jié)晶度相對降低了80.11%。綜上所述，擠壓膨化代餐粉蛋白質(zhì)損失較少，脂肪含量顯著降低，口感更好，不易老化，且更容易消化。