雙螺桿擠壓法生產(chǎn)小米方便粥的工藝優(yōu)化

劉 鵬，先于王翹，孫 敏，趙小慧，張睿涵，于國萍

(1 通化師范學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 通化 134002；2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

谷子Setariaitalica又稱為粟，去殼后稱為小米，在植物學(xué)上屬禾本科Gramineae狗尾草屬Setaria，起源于8 700年以前中國的黃河流域，栽培歷史悠久[1-2]。小米營養(yǎng)豐富，除了富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪三大營養(yǎng)素和多種維生素、礦物質(zhì)等微量營養(yǎng)物質(zhì)外，小米特有的黃色素和小米多酚具有預(yù)防癌癥、抗氧化和抑菌等生理保健功能[3-6]。但是，小米中賴氨酸含量遠(yuǎn)低于FAO/WHO建議的理想水平，所以在開發(fā)食品時(shí)研究人員常用賴氨酸含量較高的大豆進(jìn)行復(fù)配[7]。

隨著社會(huì)生活節(jié)奏的逐漸加快，耗時(shí)耗力的傳統(tǒng)蒸煮烹飪方式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)代人們的需求，方便速食粥的開發(fā)就變得尤為重要。方便粥的加工方式主要有生化法、浸泡法、噴霧干燥法、超高壓法和擠壓膨化法等，其中擠壓膨化法由于其方便高效、生產(chǎn)成本低廉而被廣泛應(yīng)用[8-12]。食品擠壓膨化技術(shù)屬于高溫高壓加工技術(shù)，特指利用螺桿擠壓方式，通過壓力、剪切力、摩擦力及加溫等作用所形成的對于固體原料的破碎、捏合、混煉、熟化、殺菌、預(yù)干燥和成型等加工處理方式[13]。本文以小米復(fù)配大豆為原料，利用雙螺桿擠壓加工方式，研發(fā)出一種升糖指數(shù)(Glycemic index，GI)較低的小米方便粥，為擠壓方便粥的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用小米購于甘肅省慶陽市農(nóng)科院，小米的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.10%(以干基計(jì))，小米經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，過80目篩，于?4 ℃貯存?zhèn)溆?，試?yàn)用脫脂大豆粉購于新龍亞洲(龍口)大豆食品有限公司，試驗(yàn)用PI-3 200真空上料系統(tǒng)、FM50-24型擠壓機(jī)、FMFC-600型流化床系統(tǒng)和FMDR-400型烤箱均由湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.2 小米蛋白質(zhì)含量測定、必需氨基酸分析及氨基酸評分(Amino acid score，AAS)的計(jì)算

委托黑龍江省出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心進(jìn)行蛋白質(zhì)含量及必需氨基酸的檢測，其中蛋白質(zhì)含量根據(jù)《GB 5009.5—2016》[14]的方法進(jìn)行測定，苯丙氨酸、甲硫氨酸、賴氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸和異亮氨酸含量根據(jù)《GB 5009.124—2016》[15]的方法進(jìn)行測定，色氨酸含量根據(jù)《GB/T 18246—2019》[16]的方法進(jìn)行測定。AAS計(jì)算公式如下[17]：

1.3 小米方便粥的制備及其性質(zhì)測定

1.3.1 小米方便粥制備工藝流程 小米方便粥制備工藝流程如圖1所示。

圖 1 小米方便粥制備工藝流程Fig.1 Preparation process of millet instant porridge

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 利用單因素試驗(yàn)分別考察擠壓溫度 (80、100、120、140 和 160 ℃)、物料含水量(w為 8%、30%、32%、34%和36%)、螺桿轉(zhuǎn)速(200、220、240、260 和 280 r/min)以及焙烤溫度(160、180、200、220 和 240 ℃)對方便粥的糊化度、升糖指數(shù)、復(fù)水率的測定和感官品質(zhì)的影響。各因素固定工藝條件為擠壓溫度120 ℃、物料含水量(w)32%、螺桿轉(zhuǎn)速 240 r/min、焙烤溫度 200 ℃，產(chǎn)品在烤箱中滯留時(shí)間約為20 s。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果和Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理，選取擠壓溫度、物料含水量和螺桿轉(zhuǎn)速3個(gè)影響因子，各取3個(gè)水平，進(jìn)行因素水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，并運(yùn)用Minitable 15數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得到最佳生產(chǎn)工藝條件。

試驗(yàn)因素水平見表1。

表 1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor levels of the test

1.3.4 升糖指數(shù)的測定 采用 Ferrer-Mairal等[18]的方法測定樣品升糖指數(shù)。準(zhǔn)確稱取方便粥樣品0.1～0.2 g(含淀粉約 50 mg，精確到 0.001 g)加入到10 mL 濃度為 0.1 mol/L 的 HCl-KCl緩沖液 (pH 1.5)中，然后加入1 mg/mL的胃蛋白酶溶液0.2 mL，在40 ℃水浴鍋中保溫1 h，并不停攪拌。然后將水浴鍋溫度調(diào)至 37 ℃，向其中加入 15 mL PBS 緩沖溶液 (pH 6.9)和 5 mLα?淀粉酶 (2.6 U)，方便速食粥樣品中的淀粉酶解反應(yīng)開始，此反應(yīng)在37 ℃條件下保溫 3 h，每 0.5 h 取樣一次，每次取樣 1 mL，將取出的樣液在100 ℃水中加熱5 min 使酶滅活，然后冷卻至室溫，在 3 000 r/min 下離心 10 min，取上清液。采用DNS 法測待測液中的葡萄糖濃度。以酶解反應(yīng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，以淀粉水解率為縱坐標(biāo)，進(jìn)行淀粉水解曲線的繪制。其中淀粉水解率(SR)為：

式中:Ct為在反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)反應(yīng)溶液體系中葡萄糖質(zhì)量濃度，mg/mL；C0為酶解反應(yīng)開始時(shí)，即0 min時(shí)反應(yīng)溶液體系中葡萄糖質(zhì)量濃度，mg/mL；30.2為酶解反應(yīng)初始體積，mL；0.9 為葡萄糖與淀粉的轉(zhuǎn)化當(dāng)量。

因?yàn)榈矸鬯馇€方程符合一級反應(yīng)方程，也就是葡萄糖生成曲線符合一級反應(yīng)方程，所以將淀粉水解曲線轉(zhuǎn)換成葡萄糖生成曲線后，按下式計(jì)算酶解反應(yīng)常數(shù)：

式中:Cmax為生成葡萄糖最大質(zhì)量濃度，mg/mL；k為酶解反應(yīng)常數(shù)，min?1。當(dāng)算得酶解反應(yīng)常數(shù)后，按照下式計(jì)算淀粉水解曲線下面積(AUC)：

式中:tf為酶解反應(yīng)結(jié)束時(shí)間，min;t0為酶解反應(yīng)開始時(shí)間，min。然后計(jì)算 GI ：

式中:ISh為淀粉水解指數(shù)；AUC方便粥為方便粥AUC；AUC白面包為白面包AUC。

1.3.5 復(fù)水率的測定 準(zhǔn)確稱取方便粥的成品米粒質(zhì)量(m1/g)，置于燒杯中，加5倍沸水后立即加蓋，復(fù)水5 min后立即瀝干水分，并用濾紙濾干表面水分，稱質(zhì)量為(m2/g)，復(fù)水率則用m1/m2表示[19]。

1.3.6 感官評分的確定 邀請10名食品專業(yè)的老師和同學(xué)對復(fù)水后的方便粥進(jìn)行感官評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)及分值參考《GB/T15682—2008稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評價(jià)方法》[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用 SPSS 20.0 軟件和 Design-Expert 8.0.6 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料必需氨基酸評分

經(jīng)測定，原料小米的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.96%，含有人體必需的8種氨基酸，但其含量不成比例。原料小米的氨基酸評分如表2所示。其中色氨酸和亮氨酸評分較高，賴氨酸卻嚴(yán)重不足。復(fù)配了30%(w)大豆粉后的小米粉的氨基酸評分如表2所示，符合FAO/WHO的標(biāo)準(zhǔn)模式[17]。

2.2 小米方便粥加工參數(shù)單因素試驗(yàn)

2.2.1 擠壓溫度對小米方便粥品質(zhì)的影響 擠壓溫度對方便粥品質(zhì)的影響如圖2所示，隨著擠壓溫度的升高，樣品的糊化度先升高后降低，最大值出現(xiàn)在140 ℃，此時(shí)糊化度為87.62%；樣品的復(fù)水率也有相同的趨勢，最大值也出現(xiàn)在140 ℃，此時(shí)復(fù)水率為329%；樣品的升糖指數(shù)隨著擠壓溫度的升高而升高，低溫時(shí)升高較明顯；擠壓溫度對產(chǎn)品的感官品質(zhì)影響也比較大，感官品質(zhì)得分隨著擠壓溫度的升高而先升高后降低，低溫時(shí)升高較明顯。

表 2 小米方便粥原料的必需氨基酸評分Table 2 The scores of essential amino acids in raw materials of millet instant porridge

圖 2 擠壓溫度對小米方便粥品質(zhì)的影響Fig.2 Effects of extrusion temperature on quality characteristics of millet instant porridge

2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對小米方便粥品質(zhì)的影響 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品品質(zhì)的影響如圖3所示，開始時(shí)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加物料的糊化度、復(fù)水率和升糖指數(shù)隨之增加，這說明在低轉(zhuǎn)速下剪切作用的增強(qiáng)有利于淀粉的糊化和復(fù)水，在螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min時(shí)，物料的糊化度、升糖指數(shù)和復(fù)水率均達(dá)到最大值，分別為84.22%，67.42和316%。隨后，物料的糊化度、升糖指數(shù)和復(fù)水率隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高而迅速下降。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，感官評分呈先升高后降低的趨勢，并在240 r/min時(shí)達(dá)到最佳。

圖 3 螺桿轉(zhuǎn)速對小米方便粥品質(zhì)的影響Fig.3 Effects of screw speed on quality characteristics of millet instant porridge

2.2.3 物料水分含量對小米方便粥品質(zhì)的影響 物料水分含量對產(chǎn)品品質(zhì)的影響如圖4所示，隨著進(jìn)料水分的增加，糊化度先快速升高，在水分含量(w)為30%時(shí)糊化度達(dá)到83.56%，隨后樣品的糊化度升高不明顯；升糖指數(shù)在含水量(w)為33%時(shí)達(dá)到最大值，隨后略有降低；復(fù)水率在開始時(shí)隨物料含水量升高而升高，含水量(w)為33%時(shí)達(dá)到最大值，隨后降低，這是因?yàn)殡m然物料含水量進(jìn)一步升高，但是糊化度的升高導(dǎo)致產(chǎn)品黏性過大，反而使復(fù)水率有所下降；物料的水分含量越高產(chǎn)品的感官得分越高。

圖 4 物料含水量對小米方便粥品質(zhì)的影響Fig.4 Effects of moisture content of material on quality characteristics of millet instant porridge

2.2.4 焙烤溫度對小米方便粥品質(zhì)的影響 焙烤是樣品加工的最后一道工序，起到使樣品二次膨化和干燥并延長樣品貨架期的重要作用，焙烤溫度對產(chǎn)品品質(zhì)的影響如圖5所示。與其他加工條件相比焙烤溫度對產(chǎn)品的糊化度、升糖指數(shù)和復(fù)水率影響不大，其分別為80.23%～83.56%、63.21～67.52和306%～312%，而對感官品質(zhì)影響極大。

圖 5 焙烤溫度對小米方便粥品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of baking temperature on quality characteristics of millet instant porridge

2.3 小米方便粥加工工藝條件優(yōu)化

為了得到更加精確的方便小米粥加工工藝條件，使用Design-Expert軟件，設(shè)計(jì)了3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，第1組試驗(yàn)條件下的糊化度最高，第3組試驗(yàn)條件下的升糖指數(shù)最低，第4組試驗(yàn)條件下的復(fù)水率最大，第17組試驗(yàn)條件下的感官評分最高。

通過Design-Expert軟件，對方便小米粥的糊化度(Y1)、升糖指數(shù)(Y2)、復(fù)水率(Y3)和感官評分(Y4)進(jìn)行回歸分析，得到各自的二次回歸方程，如表4所示。分析表4中的數(shù)據(jù)可知：糊化度(Y1)回歸方程的顯著性F值為10.55，對應(yīng)的P為0.002 6(P<0.01)，說明此模型擬合性極顯著；失擬項(xiàng)F為0.49，對應(yīng)的P為 0.710 5(P>0.05)，說明失擬性不顯著，在試驗(yàn)范圍內(nèi)誤差較小，回歸模型與實(shí)際情況擬合程度很高。R2越接近1，模型擬合度越好，糊化度(Y1)回歸方程的R2為0.934 1，表明此模型可以解釋響應(yīng)值93.41%的變化。綜上所述，此模型方程可以很好地分析和預(yù)測糊化度指標(biāo)。同理，對其他3個(gè)模型方程進(jìn)行相應(yīng)的分析，由表4結(jié)果可知，這3個(gè)模型方程也都可以對升糖指數(shù)、復(fù)水率和感官評價(jià)進(jìn)行很好地預(yù)測和分析。

表 3 方便粥加工工藝三因素三水平的響應(yīng)面分析結(jié)果Table 3 Response surface analysis results of three factors and three levels of instant porridge processing technology

表 4 單指標(biāo)回歸方程及分析結(jié)果Table 4 Regression equation of single index and analysis result

另外，通過比較各模型方程回歸系數(shù)絕對值的大小可以得出結(jié)論：擠壓溫度(A)、螺桿轉(zhuǎn)速(B)、水分含量 (C) 對糊化度 (Y1) 影響程度的排序?yàn)镃>A>B，對升糖指數(shù) (Y2) 影響程度的排序?yàn)锳>C>B，對復(fù)水率 (Y3) 影響程度的排序?yàn)镃>B>A，對感官評分 (Y4) 影響程度的排序?yàn)镃>A>B。

本文將這4個(gè)指標(biāo)的重要性設(shè)置為1∶1∶1∶1。通過響應(yīng)面試驗(yàn)最終獲得糊化度較高、升糖指數(shù)較低、復(fù)水率較高并且感官評分較好的加工參數(shù)為：擠壓溫度 144.53 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速 220 r/min、w(水)35.12%。但考慮實(shí)際的加工情況，將最終的加工參數(shù)調(diào)整為：擠壓溫度145 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速220 r/min、w(水)35%、焙烤溫度200 ℃。預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果為：糊化度89.54%，升糖指數(shù)61.53，復(fù)水率324%，感官評分93。

以優(yōu)化出的條件進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次，獲得擠壓方便粥的各項(xiàng)指標(biāo)為：糊化度86.72%(與預(yù)測值相差3.14%)，升糖指數(shù)63.21(與預(yù)測值相差 2.73%)，復(fù)水率305% (與預(yù)測值相差6.05%)，感官評分93(與預(yù)測值吻合)。最終得到結(jié)果與預(yù)測較接近，說明通過模型得到的優(yōu)化條件具有實(shí)用價(jià)值。

3 討論與結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)可以看出：擠壓溫度在120～160 ℃范圍內(nèi)，產(chǎn)品的糊化度、復(fù)水率和感官評分達(dá)到最佳值，但是產(chǎn)品的升糖指數(shù)偏高。當(dāng)擠壓溫度在100 ℃以下時(shí)，樣品的糊化度僅為60%左右，不能達(dá)到作為速食粥的要求，所以選擇120～160 ℃范圍進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)；螺桿轉(zhuǎn)速在180～220 r/min范圍內(nèi)產(chǎn)品的糊化度和復(fù)水率達(dá)到最佳值，升糖指數(shù)偏高，螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品感官品質(zhì)影響不明顯，所以綜合考慮選擇該螺桿轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)；w(水)為30%～36%范圍內(nèi)產(chǎn)品的糊化度、復(fù)水率和感官品質(zhì)達(dá)到最佳值，升糖指數(shù)偏高，所以綜合考慮選擇該水分含量范圍進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)；焙烤溫度僅對產(chǎn)品的感官品質(zhì)影響顯著，在200 ℃時(shí)達(dá)到最佳，所以確定焙烤溫度200 ℃對前3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

隨著擠壓溫度的升高，產(chǎn)品的4個(gè)指標(biāo)均有明顯的升高。物料中淀粉的糊化是在適當(dāng)?shù)臏囟炔⑽兆銐驘崃康臈l件下進(jìn)行的，只有吸收了足夠的熱量，才能完成淀粉的糊化。但是機(jī)筒溫度過高時(shí)可能會(huì)造成原料中的蛋白質(zhì)與淀粉降解的糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致糊化度和復(fù)水率的降低，高溫下產(chǎn)品過度膨化，產(chǎn)生裂紋會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的感官品質(zhì)降低[21]。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，產(chǎn)品的糊化度、升糖指數(shù)和復(fù)水率呈逐漸下降的趨勢，這是由于螺桿轉(zhuǎn)速的提高縮短了物料在擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間，與剪切作用相比，滯留時(shí)間產(chǎn)生的作用占據(jù)了更主要的因素，這與王東[22]的研究基本一致。然而螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品的感官品質(zhì)影響不明顯，這可能是因?yàn)檫@些性質(zhì)的變化對于產(chǎn)品的口感、氣味等因素影響不明顯，所以評價(jià)人員無法識別其中的差異所致。隨著物料含水量的增加，產(chǎn)品的感官品質(zhì)逐漸提高，這可能是由于物料的含水量越高，在高溫作用下的產(chǎn)品外表較圓潤，裂紋較少，所以有良好的外觀和較好的適口性。改變焙烤溫度，對產(chǎn)品的糊化度、升糖指數(shù)和復(fù)水率影響不明顯，是因?yàn)楫a(chǎn)品在烤爐中停留時(shí)間較短，無法對產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生大的影響[23]，而隨著焙烤溫度的升高，產(chǎn)品的色澤逐漸變黃加深，但是當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)產(chǎn)品色澤逐漸變?yōu)樯詈稚?，并且產(chǎn)生焦糊等對產(chǎn)品不利的氣味，所以對產(chǎn)品最終的感官品質(zhì)影響極大。

目前，通過優(yōu)化擠壓工藝生產(chǎn)低升糖指數(shù)食品的研究還鮮有報(bào)道，所以擠壓加工參數(shù)對食品升糖指數(shù)的影響機(jī)理還需更深入的研究。但近年來，有研究學(xué)者通過添加輔料的方式來實(shí)現(xiàn)降低食品的升糖指數(shù)。例如，蔡喬宇等[24]最新研究發(fā)現(xiàn)，擠壓重組米可以通過添加0.35%(w)的蘆丁或富鉻酵母改善體外的消化情況，從而減緩糖的吸收；馬艷麗等[25-26]揭示了白蕓豆提取物(白蕓豆α-AI)對α?淀粉酶的抑制作用機(jī)制，并將其應(yīng)用到低升糖指數(shù)方便粥的研發(fā)當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)將白蕓豆α?淀粉酶抑制劑按3.0%(w)的添加量添加到方便粥(燕麥粥、青稞粥和蓮子粥)中，升糖指數(shù)顯著降低。此外，在方便粥的生產(chǎn)工藝中加入乳化劑、增稠劑和營養(yǎng)物質(zhì)(例如B族維生素)等添加劑可以獲得具有更好感官品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值的方便粥產(chǎn)品，此類問題還有待于進(jìn)一步研究。

本文采用單因素試驗(yàn)探討工藝條件對擠壓方便粥品質(zhì)的影響后，通過響應(yīng)面法進(jìn)行擠壓參數(shù)優(yōu)化，得到最佳的加工工藝條件為：擠壓溫度145 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速220 r/min和水分含量35%(w)。以優(yōu)化出的條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得擠壓方便粥的各項(xiàng)指標(biāo)為：糊化度86.72%，升糖指數(shù)63.21，復(fù)水率 305%，感官評分93分。低升糖指數(shù)小米方便粥的開發(fā)不但創(chuàng)新了小米的精深加工方式，豐富了方便谷物食品的種類，同時(shí)還會(huì)對肥胖和二型糖尿病的預(yù)防起到一定的積極作用。

致謝：感謝國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院劉明博士和谷伊家(山東)食品有限公司給予的支持和幫助！