小麥糊粉層粉的擠壓穩(wěn)定化處理?xiàng)l件優(yōu)化

靳燦燦，溫紀(jì)平，朱慧雪

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康的重視，面粉高精度與低營(yíng)養(yǎng)的矛盾越來(lái)越突出，而小麥糊粉層粉可以化解這種矛盾，解決精制面粉膳食纖維和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺失的問(wèn)題[1]。小麥糊粉層粉中的膳食纖維、蛋白質(zhì)、有益脂類、礦物質(zhì)、維生素B類等高營(yíng)養(yǎng)活性成分以及具有抗氧化能力的酚酸類等物質(zhì)，不僅可以為人體提供營(yíng)養(yǎng)，而且可以很好地預(yù)防高膽固醇癥、糖尿病、心血管疾病、結(jié)腸癌等慢性疾病[2]。由于小麥糊粉層粉靠近小麥籽粒的外種皮，與此同時(shí)會(huì)引入較多的脂類、酶類和微生物等使其極易發(fā)生氧化酸敗導(dǎo)致脂肪酸值明顯增加，從而大大縮短它的貨架期[3]。脂肪酸值體現(xiàn)的是小麥粉中游離脂肪酸的含量，反映了小麥粉的新鮮程度，是衡量小麥粉品質(zhì)優(yōu)劣的主要指標(biāo)[4]。脂肪酶的酶促反應(yīng)可以水解小麥糊粉層粉中的脂質(zhì)并產(chǎn)生游離脂肪酸，而且還影響脂肪酸的氧化和降解，主要通過(guò)脂肪氧合酶作用或自氧化降解[5]，自氧化可通過(guò)小麥糊粉層粉中的脂質(zhì)與氧氣的非酶促反應(yīng)發(fā)生。因此，有必要對(duì)小麥糊粉層粉進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

擠壓技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等為一體的高新技術(shù)，可以有效改善物料穩(wěn)態(tài)化，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于糧油加工行業(yè)[6]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用擠壓技術(shù)主要研究了全麥粉、燕麥、麩皮、胚芽、米糠等的穩(wěn)定化處理[7-11]，而關(guān)于單獨(dú)對(duì)小麥糊粉層粉進(jìn)行穩(wěn)定化處理的研究還未見(jiàn)報(bào)道。作者旨在探究擠壓處理是否可以達(dá)到降低小麥糊粉層粉中的脂肪酸值、酶活性、微生物含量的效果，對(duì)比分析擠壓處理前后小麥糊粉層粉的抗氧化能力及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的差異。擠壓機(jī)的工作原理是具有一定水分含量的物料進(jìn)入套筒內(nèi)的加熱區(qū)后，協(xié)同擠壓機(jī)螺桿雙向剪切的向前推進(jìn)作用將物料從進(jìn)料端輸送到?？诙?。在此過(guò)程中，物料被加熱，并且劇烈摩擦產(chǎn)生足夠的熱量，利用物料中的水分含量蒸煮物料，使物料在劇烈的擠壓力、剪切力以及高溫蒸煮條件下發(fā)生變化。因此，作者重點(diǎn)研究了不同擠壓參數(shù)對(duì)小麥糊粉層粉中脂肪酸值的降解效果，如螺桿機(jī)殼的?？跍囟?、擠壓機(jī)的主機(jī)頻率和擠出物料的初始水分含量，確定小麥糊粉層粉的最佳擠出條件，以期為小麥糊粉層粉的穩(wěn)定化處理奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥糊粉層粉：山東知食坊食品科技有限公司。

植酸標(biāo)準(zhǔn)品、沒(méi)食子酸：北京索萊寶科技有限公司；總抗氧化能力試劑盒：南京建成生物工程研究所。試驗(yàn)所用試劑均為分析純。

DS 32型雙螺桿試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南賽信膨化機(jī)械有限公司；THZ-82A振蕩器：河南捷隆科技有限公司；SPX-150B-Z生化培養(yǎng)箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；HJ-6磁力加熱攪拌器：金壇區(qū)西城新瑞儀器廠；LXJ-IIB低速大容量多管離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；SW-CJ-1D單人單面垂直凈化工作臺(tái)：蘇州智凈凈化設(shè)備有限公司；Fibertec E膳食纖維分析儀、TM8400凱氏定氮儀：FOSS分析儀器公司；光吸收型單功能酶標(biāo)儀：上海艾研生物科技有限公司； UV2150/2150紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)：龍尼柯(上海)儀器有限公司；SMY2000型色差計(jì)：北京盛名揚(yáng)科技發(fā)展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 小麥糊粉層粉的擠壓穩(wěn)定化處理方法

擠壓前處理：將小麥糊粉層粉分別調(diào)到目標(biāo)水分含量(14%、16%、18%、20%、22%、24%)并均質(zhì)一段時(shí)間后進(jìn)行擠壓穩(wěn)定化處理。

擠壓處理：采用DS 32型雙螺桿試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單因素及正交試驗(yàn)。

擠壓后處理：擠壓后的物料立即在50 ℃條件下烘3 h，使用密封型搖擺式萬(wàn)能粉碎機(jī)將其粉碎后過(guò)60目(<250 μm)篩。

1.2.2 小麥糊粉層粉理化指標(biāo)的測(cè)定

水分的測(cè)定參照GB 5009.3—2016；灰分測(cè)定參照GB 5009.4—2016；粗蛋白的測(cè)定參照GB 5009.5—2016；粗淀粉的測(cè)定參照GB 5009.9—2016；粗脂肪的測(cè)定參照GB 5009.6—2016；脂肪酸值的測(cè)定參照GB/T 5510—2011。

1.2.3 ?？跍囟葐我蛩卦囼?yàn)

喂料頻率恒定13 Hz，固定主機(jī)頻率15 Hz，物料水分含量20%，設(shè)置擠壓機(jī)三區(qū)(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ)溫度分別為30/100/120 ℃、30/110/130 ℃、30/120/140 ℃、30/130/150 ℃、30/140/160 ℃(以下簡(jiǎn)稱?？跍囟确謩e為120、130、140、150、160 ℃)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定樣品脂肪酸值的變化，3次平行試驗(yàn)取均值。

1.2.4 主機(jī)頻率單因素試驗(yàn)

喂料頻率恒定13 Hz，固定模口溫度140 ℃，物料水分含量20%，設(shè)置主機(jī)頻率9、12、15、18、21 Hz進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定樣品脂肪酸值的變化，3次平行試驗(yàn)取均值。

1.2.5 物料水分含量單因素試驗(yàn)

喂料頻率恒定13 Hz，固定模口溫度140 ℃，主機(jī)頻率15 Hz，設(shè)置物料水分含量16%、18%、20%、22%、24%進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定樣品脂肪酸值的變化，3次平行試驗(yàn)取均值。

1.2.6 擠壓穩(wěn)定化處理正交優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定小麥糊粉層粉擠壓穩(wěn)定化處理的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1.2.7 小麥糊粉層粉相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

脂肪酶活力測(cè)定參照GB/T 5523—2008；脂肪氧化酶活力測(cè)定參考文獻(xiàn)[12]中的方法；植酸含量測(cè)定參考Buddrick等[13]的方法；微生物的測(cè)定參照GB 4789.2—2016；總膳食纖維和可溶性膳食纖維的測(cè)定參照GB 5009.88—2014；戊聚糖的測(cè)定參照鄭學(xué)玲等[14]使用的方法；總酚的測(cè)定參考韓雪[15]使用的方法；總抗氧化能力按照南京建成生物工程研究所提供的總抗氧化能力檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書(shū)測(cè)定；持水力和膨脹力的測(cè)定參照李夢(mèng)琴等[16]使用的方法；處理后小麥糊粉層粉的色澤采用色差計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel、SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用Origin 9.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥糊粉層粉的基本組成

小麥糊粉層粉的基本組分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 小麥糊粉層粉的基本組成

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 ?？跍囟葘?duì)小麥糊粉層粉脂肪酸值的影響

由圖1可知，?？跍囟仍?20～130 ℃時(shí)小麥糊粉層粉脂肪酸值下降不顯著，隨著?？跍囟鹊纳撸锪衔盏臒崃恐饾u增大，小麥糊粉層粉的脂肪酸值顯著降低(P<0.05)，這主要是因?yàn)楦邷貙?duì)游離脂肪酸具有破壞作用[17]。隨著溫度的繼續(xù)升高，物料散發(fā)出來(lái)的麥香味也越加濃郁，在150 ℃時(shí)物料出現(xiàn)輕微焦煳味，當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，物料發(fā)生嚴(yán)重焦煳現(xiàn)象。

圖1 ?？跍囟葘?duì)脂肪酸值的影響

2.2.2 主機(jī)頻率對(duì)小麥糊粉層粉脂肪酸值的影響

由圖2可知，小麥糊粉層粉經(jīng)擠壓處理后，脂肪酸值隨主機(jī)頻率的增高顯著降低(P<0.05)，這主要是因?yàn)橹鳈C(jī)頻率越高，擠壓機(jī)雙螺桿的轉(zhuǎn)速越快，物料在擠壓機(jī)內(nèi)的熱作用時(shí)間縮短，同時(shí)物料受到的擠壓加壓作用加強(qiáng)[18]，小麥糊粉層粉在螺桿間劇烈摩擦產(chǎn)生足夠的熱量蒸煮物料，從而達(dá)到降低物料脂肪酸值的效果。

圖2 主機(jī)頻率對(duì)脂肪酸值的影響

2.2.3 物料水分含量對(duì)小麥糊粉層粉脂肪酸值的影響

由圖3可以看出，用于擠壓處理的小麥糊粉層粉初始水分含量越高其脂肪酸值降低效果越好，這與蔡易輝[19]的研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)槲锪现械乃衷谳^高擠壓溫度下迅速汽化，使擠壓機(jī)套筒內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)，在相同溫度下物料水分含量越高產(chǎn)生的壓強(qiáng)越大，因此穿透能力越強(qiáng)，對(duì)脂肪酸的降解效果越好。

圖3 物料水分含量對(duì)脂肪酸值的影響

2.3 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)。以A?？跍囟?、B主機(jī)頻率、C物料水分含量為因素(擠壓機(jī)3個(gè)區(qū)溫度設(shè)置分別為40/120/145 ℃、40/125/150 ℃、40/130/155 ℃，以下簡(jiǎn)稱145、150、155 ℃)，選用L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表2可知，影響脂肪酸值的因素由主到次為C、A、B，即物料水分含量>?？跍囟?主機(jī)頻率。脂肪酸值反映的是樣品酸敗的程度，因此取最小值，理論的最優(yōu)方案為A1B2C3，即?？跍囟?45 ℃、主機(jī)頻率18 Hz、物料水分含量24%。經(jīng)驗(yàn)證，A1B2C3的脂肪酸值為86 mg/100 g，小麥糊粉層粉中初始的脂肪酸值為340 mg/100 g，該條件下的脂肪酸值降低了74.71%。因此，可將A1B2C3作為最優(yōu)方案。

2.4 小麥糊粉層粉穩(wěn)定化處理前后成分分析

擠壓穩(wěn)定化處理對(duì)小麥糊粉層粉中酶活力和微生物的影響見(jiàn)表3。

表3 擠壓對(duì)小麥糊粉層粉中酶活力和微生物的影響

由表3可知，擠壓處理鈍酶效果極為顯著，小麥糊粉層粉中的脂肪酶活力由原來(lái)的435.20 mg/g減少到37.00 mg/g，滅活了91.50%；脂肪氧化酶的殘余酶活力為15.07%，滅活了84.93%；擠壓處理使微生物菌落總數(shù)也顯著降低，這主要是因?yàn)槲锪显跀D出過(guò)程中，要經(jīng)受水分、高壓、高溫和機(jī)械剪切的綜合作用[20]，從而使酶蛋白失活，而微生物在如此劇烈的環(huán)境中也難以生存，從而達(dá)到滅酶、減菌的效果。

擠壓穩(wěn)定化處理前后小麥糊粉層粉相關(guān)成分對(duì)比見(jiàn)表4。植酸是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，它不僅會(huì)影響蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪的利用，而且會(huì)嚴(yán)重抑制礦物質(zhì)元素在腸道中的吸收[21]。擠壓處理顯著降低了小麥糊粉層粉中的植酸含量，由初始的24.76 mg/g下降到14.05 mg/g，降低了43.30%，這是因?yàn)橹菜猁}在高溫下不穩(wěn)定，易被水解成低磷酸肌醇酯和磷酸鹽。同時(shí)，擠壓處理顯著增加了小麥糊粉層粉的總膳食纖維(TDF)、可溶性膳食纖維(SDF)含量，分別由28.10 g、3.66 g/100 g增長(zhǎng)到29.50、3.76 g/100 g，增長(zhǎng)率分別為4.98%、2.73%。大量試驗(yàn)結(jié)果證明，擠壓處理可以增加TDF和SDF的含量[15,22-25]，這可能是因?yàn)樾←満奂?xì)胞壁中含有較多的低聚半乳糖、β-葡聚糖、木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等大分子物質(zhì)，經(jīng)擠壓處理后，一些大分子量物質(zhì)中部分共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵斷裂，導(dǎo)致片段更小、更易溶[24]，從而使TDF、SDF含量增加。戊聚糖是小麥籽粒中主要的非淀粉多糖，是膳食纖維的主要成分[26]，戊聚糖含量的增加可能與小麥糊粉層粉中TDF、SDF含量增加有關(guān)，這與Teresa等[27]的結(jié)論一致。小麥糊粉層粉經(jīng)擠壓后，總酚含量和總抗氧化能力分別增加了100.65%、124.13%。擠壓是一種結(jié)合機(jī)械剪切和溫度影響破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的加工方法[28]，因此總酚含量的增加可能與擠壓處理后糊粉細(xì)胞的破裂有關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致阿魏酸(FA)的釋放[29]，阿魏酸是最常見(jiàn)的酚酸之一，它大量存在于谷物的糊粉層中。酚酸主要通過(guò)酯鍵和細(xì)胞壁中的其他物質(zhì)共價(jià)結(jié)合[30]，而擠壓的高剪切力可能切斷酯鍵從而使結(jié)合態(tài)的酚酸游離出來(lái)使總酚含量增加。FA被認(rèn)為是小麥糊粉層具有抗氧化能力的主要貢獻(xiàn)者[31]。Rosa等[32]指出，當(dāng)糊粉層細(xì)胞破裂后，隨著顆粒比表面積和開(kāi)口率的增加，與細(xì)胞壁相連的FA暴露量更高，細(xì)胞內(nèi)的共軛游離FA、維生素E等被釋放出來(lái)使總抗氧化能力增加。也有文獻(xiàn)表明，總酚含量與抗氧化能力呈正相關(guān)[33]，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，總抗氧化能力的增長(zhǎng)與總酚含量的增長(zhǎng)具有一致性。

表4 擠壓對(duì)小麥糊粉層粉相關(guān)成分的影響

2.5 擠壓穩(wěn)定化處理對(duì)小麥糊粉層粉的持水力、膨脹力以及色澤的影響

由表5可知，經(jīng)擠壓處理后的小麥糊粉層粉的持水力、膨脹力顯著增大，分別由擠壓前的2.21 g/g、1.20 mL/g增長(zhǎng)到3.77 g/g、4.09 mL/g，增長(zhǎng)率分別為41.40%、70.70%，這與韓雪[15]的研究結(jié)果一致，這主要是因?yàn)榻?jīng)擠壓處理后的小麥糊粉層粉具有較多疏松多孔的結(jié)構(gòu)、凹凸不平的表面和較大的裸露表面積[25，34]，也可能是小麥糊粉層粉中纖維的降解造成持水力和膨脹力的增加。擠壓處理后的小麥糊粉層粉L*減小，a*和b*增大，即色澤變暗，紅值和黃值增加，這可能是在擠出的過(guò)程中小麥糊粉層粉的蛋白質(zhì)和還原糖在熱作用下發(fā)生了美拉德反應(yīng)，同時(shí)伴隨著焦糖化反應(yīng)造成的。

表5 擠壓對(duì)小麥糊粉層粉的持水力、膨脹力、色澤的影響

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同擠壓條件處理后的小麥糊粉層粉中脂肪酸值的測(cè)定和分析，并結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化了擠壓穩(wěn)定化的處理參數(shù)，得出最佳處理?xiàng)l件：擠壓溫度145 ℃、物料水分含量24%、主機(jī)頻率18 Hz，該條件下脂肪酸值含量?jī)H為86 mg/100 g，脂肪酶活力為37.00 mg/g，脂肪氧化酶活力為15.07%，植酸含量降低了43.30%，擠壓穩(wěn)定化效果顯著。同時(shí)，經(jīng)擠壓處理后小麥糊粉層粉的總膳食纖維含量增加了4.98%，可溶性膳食纖維含量增加了2.73%，戊聚糖含量增加了1.86%，總酚含量增加了100.65%，總抗氧化能力增加了124.13%，以及小麥糊粉層粉的持水力增加了41.40%，膨脹力增加了70.70%。擠壓處理在提高小麥糊粉層粉的安全性的同時(shí)還增加了小麥糊粉層粉的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和功能特性，為小麥糊粉層粉的加工利用奠定了基礎(chǔ)。