擠壓重組米工藝及其品質(zhì)特性研究進(jìn)展

劉暢，孟倩楠，劉曉飛，王雨晴，楊春瑜，張娜

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

水稻是世界三大糧食作物之一，世界水稻年產(chǎn)量約為6億噸，我國(guó)水稻年產(chǎn)量約為2億噸[1]。據(jù)國(guó)家糧油信息中心統(tǒng)計(jì)，2019年～2020年度我國(guó)水稻食用量為15 830萬(wàn)噸[2]。全球超半數(shù)人口以稻米為主食；在中國(guó)，近六成人口將稻米作為主食。稻米口味清淡，具有低致敏率和高消化率等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)產(chǎn)量穩(wěn)定且極受歡迎。稻谷脫殼后得糙米，再經(jīng)過(guò)碾磨、拋光等加工程序得到精米粒俗稱大米。糙米的糠層中主要含有膳食纖維、礦物質(zhì)、酚類等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并隨碾磨等加工程序大量流失[3]，損失達(dá)40%以上，且加工精度越高，營(yíng)養(yǎng)成分損失越多，這導(dǎo)致市售的精米營(yíng)養(yǎng)不均衡。若長(zhǎng)期只食用精米會(huì)使人體營(yíng)養(yǎng)平衡失調(diào)，缺失多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而罹患多種疾病，所以繼加碘食鹽、強(qiáng)化面粉后，重組米將成為我國(guó)營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充又一新型食品。

目前對(duì)大米進(jìn)行強(qiáng)化的技術(shù)主要有擠壓膨化工藝、營(yíng)養(yǎng)粒添加工藝、霧化包膜工藝、浸泡營(yíng)養(yǎng)素工藝和負(fù)壓營(yíng)養(yǎng)素添加工藝[4]?？紤]到加工、儲(chǔ)存、洗滌和蒸煮過(guò)程中重組米中營(yíng)養(yǎng)素的穩(wěn)定性，以及成本等方面，擠壓膨化法更適用于重組米的工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。本文對(duì)擠壓重組米概況、生產(chǎn)工藝和擠壓工藝對(duì)重組米品質(zhì)特性影響進(jìn)行綜述，為重組米在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 擠壓重組米研究進(jìn)展

擠壓重組米，是營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化米的一種，也叫工程米、營(yíng)養(yǎng)重組米[5]，以碎米、米粉或其它淀粉基質(zhì)類物質(zhì)為原料，與其它營(yíng)養(yǎng)素、改良劑等混合，經(jīng)過(guò)高溫、高壓擠壓過(guò)程，各物質(zhì)的原有結(jié)構(gòu)被破壞，物料變成熔融態(tài)，制成類似天然米顆粒的米制品[6]。這種重組米因烹飪時(shí)間較短，也被稱為速食米。在美國(guó)、日本、西歐等國(guó)家已根據(jù)居民需要制成營(yíng)養(yǎng)重組米，具有良好的食用和保健價(jià)值。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外的擠壓重組米最早始于菲律賓。1948年，菲律賓針對(duì)大量流行的維生素B族和鐵缺乏癥而研制的強(qiáng)化米效果顯著[7]。Harrow A D等[8]率先以大米粉為原料，雜糧粉為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，利用擠壓成型機(jī)制備出擠壓重組米。And A N K和Moretti D[9-10]等以大米粉為主要原料，F(xiàn)eSO4·7H2O、硫酸亞鐵、焦磷酸鹽為鐵營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，利用螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)出鐵強(qiáng)化重組米。

國(guó)內(nèi)重組米發(fā)展的較晚，20世紀(jì)90年代針對(duì)強(qiáng)化大米出臺(tái)了相關(guān)法規(guī)，江、浙、滬等地區(qū)有少量銷售，但未形成規(guī)?；a(chǎn)。金增輝[11]簡(jiǎn)要介紹了重組米及加工工藝的研制。丹東糧食機(jī)械所以薯類、碎米、玉米等為原料，利用擠壓成形機(jī)研制出重組米[12]。安紅周等[13]研究了機(jī)筒溫度對(duì)重組米理化性質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)糊化度、吸水指數(shù)等均有顯著性影響，外觀變化較大。程北根[14]簡(jiǎn)要介紹擠壓重組米的生產(chǎn)工藝流程，主要生產(chǎn)設(shè)備和市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)，但未探討重組米品質(zhì)特性。肖志剛等[15]對(duì)擠壓膨化技術(shù)進(jìn)行了大量研究和探索。

1.2 擠壓重組米營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑類型

擠壓重組米的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑種類繁多，主要包括維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)及多者的混合物等，擠壓重組米營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑種類見(jiàn)表1。

表1 擠壓重組米營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑Table 1 Nutrient fortifier for extruded rice grains

2 擠壓重組米生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

2.1 擠壓膨化機(jī)理

擠壓膨化技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體，在實(shí)現(xiàn)一系列單元操作的同時(shí)可連續(xù)操作的加工技術(shù)[23]。食品擠壓膨化共包括5個(gè)階段[24]：物料從有序變無(wú)序；非均相形成氣核；彈性應(yīng)力釋放模口膨脹；壓力驟降氣泡生長(zhǎng)；氣泡生長(zhǎng)停止與收縮。

擠壓機(jī)的膨化機(jī)理可從兩方面分析[25]，第一，氣體膨脹做功；第二，水汽化做功。物料進(jìn)入擠壓套筒被螺桿推動(dòng)前進(jìn)，由于物料顆粒大小、密度、形狀、表面摩擦力等差異而產(chǎn)生前進(jìn)速率差異，使物料混合；螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料產(chǎn)生壓縮，通過(guò)壓延效應(yīng)和吸收機(jī)筒外部所加熱量以及物料在螺桿與套筒間的強(qiáng)烈攪拌、混和、剪切等作用而產(chǎn)生的高溫、高壓[26]，物料呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，此時(shí)物料由于高熱、高壓可能發(fā)生以下變化：蛋白質(zhì)的水合與變性、淀粉的水合與糊化、脂質(zhì)與蛋白質(zhì)及淀粉結(jié)合、氨基酸與還原糖的褐變、抗?fàn)I養(yǎng)因子與酶的失活等。當(dāng)熔融態(tài)物料進(jìn)入?？浊暗母邷馗邏簠^(qū)時(shí)，呈完全的流態(tài)狀，最后隨模孔被擠出到達(dá)常溫常壓狀態(tài)，物料因壓力的驟降迅速膨脹，其中溶膠淀粉體積也瞬間膨化，致使食品內(nèi)部爆裂出許多微孔。擠壓過(guò)程溫度較高、時(shí)間短，可殺死大多數(shù)食源性細(xì)菌，生產(chǎn)的產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量得到保障、其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)最小損失化[27]。

2.2 擠壓重組米干燥方式

擠壓后的物料要進(jìn)行干燥處理，從而達(dá)到工藝完整性，不同的干燥方式對(duì)重組米的品質(zhì)有較大影響。馬文等[28]研究生產(chǎn)重組米的5種干燥方式中最佳方式對(duì)重組米的影響。結(jié)果表明，電熱真空干燥在真空度0.025 MPa、干燥溫度35℃、干燥時(shí)間2.5 h時(shí)，重組米的適口性、質(zhì)構(gòu)特性、感官評(píng)價(jià)及蒸煮特性最優(yōu)。韓基明等[29]生產(chǎn)富γ-氨基丁酸雜糧重組米，采用遠(yuǎn)紅外干燥箱，在溫度50℃，風(fēng)速4.5m/s時(shí)生產(chǎn)的重組米外觀和感官均較好。Palamanit A等[30]研究干燥條件對(duì)姜黃重組米品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，比功率為0.588 W/g的微波與熱風(fēng)干燥相結(jié)合，有助于提高水分?jǐn)U散速率且對(duì)重組米的顏色、質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)影響較小。

重組米在干燥過(guò)程中，前期速率大于后期，這是因?yàn)橹亟M米在干燥初期表面水分較高，后期大部分表面水分已除去，內(nèi)層水分緩慢滲透到表面，導(dǎo)致干燥速度較低。綜上所述，重組米的干燥方式以電熱真空干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波與熱風(fēng)干燥相結(jié)合較好，對(duì)重組米品質(zhì)特性影響較小，可結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件自行選擇。

2.3 改良劑

擠壓重組米與天然米的品質(zhì)仍有差距，主要區(qū)別為重組米蒸煮后會(huì)產(chǎn)生粘連結(jié)塊等現(xiàn)象，極大地影響其食用品質(zhì)。一般可添加少量品質(zhì)改良劑，使其品質(zhì)更穩(wěn)定。章麗琳[31]將單甘酯、海藻酸鈉、瓜爾豆膠作為改良劑生產(chǎn)馬鈴薯重組米，其最佳添加量為0.3%、0.4%、0.4%，且重組米綜合評(píng)分大大提高。劉菊芬等[32]制備速煮重組米，研究發(fā)現(xiàn)添加劑單甘酯、硬脂酰乳酸鈣鈉、SE-15、卵磷脂、復(fù)合磷酸鹽、焦磷酸鈉的添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.6%、0.15%、0.15%時(shí)，重組米的品質(zhì)特性較好。李迪等[33]制備馬鈴薯重組米，研究發(fā)現(xiàn)卵磷脂和瓜爾豆膠可減緩重組米蒸煮損失。

2.4 擠壓重組米貯藏期及蒸煮方式

重組米生產(chǎn)出以后，它的貯藏期問(wèn)題值得研究。闞建全等[34]以實(shí)驗(yàn)室自制重組米為原料，研究其貯藏條件及營(yíng)養(yǎng)物保留率。結(jié)果表明，在4℃、罐裝貯藏180 d，重組米中維生素C、維生素D3的保留率達(dá)80%以上，維生素B達(dá)95%以上。黃艷斌等[35]將重組米在4℃、常溫、37℃下貯藏180 d，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真空包裝和馬口鐵罐裝對(duì)重組米的維生素、酸價(jià)、水分含量保留相對(duì)較好。Kuong K等[36]研究發(fā)現(xiàn)隨著重組米貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵和鋅損失量小于10%，而維生素A保留度顯著受貯藏和制作預(yù)混料的影響。綜上所述，重組米采用真空、低溫、罐藏，基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保留較好，且營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑穩(wěn)定，保留率可達(dá)90%左右。

蒸煮方式對(duì)重組米營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑和保留率有較大影響。Silveira C M M等[37]研究發(fā)現(xiàn)富維生素B1和葉酸重組米，利用微波爐烹飪后的硫胺素含量最高為0.97 mg/kg，保持率為65.4%；在餐飲服務(wù)中煮制和炒制葉酸保持率最高為96.11%。在不同蒸煮方法中，葉酸穩(wěn)定性較維生素B1高。

3 擠壓工藝對(duì)重組米品質(zhì)特性影響研究進(jìn)展

擠壓加工中可操控的技術(shù)因素有：擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、設(shè)備類型等，生產(chǎn)擠壓重組米一般采用雙螺桿擠壓機(jī)，因?yàn)殡p螺桿使物料混合更均勻，得到的熱量及時(shí)、均勻，熟化程度加快，使產(chǎn)品品質(zhì)得以提升[38]。原料可控因素有：原料目數(shù)、原料含水率、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑種類等，原料含水率的影響主要取決于擠出機(jī)溫度、料筒內(nèi)壓力和擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速引起的剪切效應(yīng)[39]。

利用雙螺旋擠壓膨化機(jī)加工稻米原料時(shí)，一般要求擠壓筒內(nèi)原料溫度達(dá)到120℃～180℃。喂料速度應(yīng)均衡，使原料穩(wěn)定、連續(xù)的被加入到擠壓膨化機(jī)內(nèi)。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出產(chǎn)量影響很大，轉(zhuǎn)速提高，產(chǎn)量增加，生產(chǎn)重組米的螺桿轉(zhuǎn)速一般在200 r/min。原料含水率一般在20%～30%之間。擠壓機(jī)的操作條件和原料特性極大地影響產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)，為生產(chǎn)出品質(zhì)特性良好的擠壓重組米提供理論依據(jù)。

3.1 重組米的物理性質(zhì)

擠壓重組米的物理性質(zhì)是衡量產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的指標(biāo)，一般將擠壓重組米與天然米進(jìn)行比較。李學(xué)琴[40]采用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)茯苓雜糧重組米，測(cè)定其物理性質(zhì)結(jié)果表明，雜糧重組米糊化度增加，復(fù)水時(shí)間均縮短，說(shuō)明重組米的消化性和復(fù)水性得到改善。消化性、復(fù)水性和質(zhì)構(gòu)得到改善，淀粉回生度增大，V型晶體的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)。質(zhì)構(gòu)結(jié)果表明，硬度增大，咀嚼性、彈性、黏附性及內(nèi)聚性有所下降。郭世龍等[41]利用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)富硒芋艿頭重組米，最優(yōu)工藝參數(shù)為機(jī)筒溫度140℃、喂料速度20 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min。對(duì)重組米品質(zhì)、結(jié)構(gòu)和消化特性進(jìn)行測(cè)定表明，富硒營(yíng)養(yǎng)重組米顆粒不完整，產(chǎn)生V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，黏聚性和彈性增強(qiáng)。感官品質(zhì)和消化特性得以改善。Beck S M等[42]生產(chǎn)擠壓豌豆蛋白、纖維重組米。測(cè)定其膨化特性和微觀結(jié)構(gòu)表明，蛋白質(zhì)和纖維素含量居中時(shí)，重組米膨脹率顯著增加；蛋白質(zhì)含量為42%時(shí)，蛋白質(zhì)和淀粉呈薄層狀分布，斷面膨脹指數(shù)下降，這可能是導(dǎo)致淀粉變性的主要原因。

擠壓重組米原料還可選擇糙米。白曉蓉[43]以糙米為原料，運(yùn)用擠壓膨化技術(shù)研究擠壓產(chǎn)品膨化度，測(cè)定結(jié)果為產(chǎn)品膨化度5.33，分析發(fā)現(xiàn)膨化溫度對(duì)產(chǎn)品膨化度影響最大。高揚(yáng)等[44]采用自行研制的雙螺桿擠壓機(jī)，以糙米為原料，研究擠壓前后工程米質(zhì)構(gòu)和復(fù)水率變化。試驗(yàn)結(jié)果為，復(fù)水率82.8%，質(zhì)構(gòu)綜合評(píng)分75.6。綜上所述，擠壓膨化工藝對(duì)擠壓重組米的各項(xiàng)物理性質(zhì)均有所改變，與精米和糙米相比，感官評(píng)價(jià)更好，質(zhì)構(gòu)特性、復(fù)水性均得到改善，微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定顆粒不完整，產(chǎn)生V-型結(jié)構(gòu)。

3.2 重組米的營(yíng)養(yǎng)和蒸煮特性

Ayoub A等[45]采用雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)富維生素、礦物質(zhì)重組米，在螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min，喂料速度70 kg/h，水分含量33%條件下生產(chǎn)出重組米品質(zhì)特性最好。重組米飯的感官評(píng)價(jià)優(yōu)于天然米飯，且蒸煮更快；重組米淀粉在不過(guò)多分解的條件下米粒達(dá)到最大程度糊化度。陳怡岑等[46]研究工藝參數(shù)對(duì)雜糧重組米糊化度和可溶性固形物的影響，結(jié)果表明，最佳參數(shù)為擠壓溫度149℃、原料含水率25%、螺桿轉(zhuǎn)速183 r/min、進(jìn)料速度175 g/min，此時(shí)的糊化度80.53%，可溶性固形物23.92 mg/mL。李鍇[47]采用擠壓膨化技術(shù)，以糙米為原料，研究擠壓后糙米營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)特性的變化。結(jié)果表明，擠壓膨化后的糙米發(fā)生不可逆的α化作用，蛋白質(zhì)變性，游離脂肪酸和植酸含量降低，膳食纖維含量增加，膨脹度8.83，糊化度90.6%。

糙米較精米雖營(yíng)養(yǎng)豐富，但其加工時(shí)間長(zhǎng)、吸水性差、不易消化，不宜大量食用。以上文獻(xiàn)結(jié)果表明，擠壓膨化技術(shù)對(duì)精米和糙米的營(yíng)養(yǎng)和蒸煮特性均有所改善，擠壓重組米中淀粉、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膳食纖維含量增加；淀粉糊化度增加，消化性得以改善，米飯蒸煮時(shí)間更短。以糙米為原料既能豐富重組米營(yíng)養(yǎng)成分，又能改變糙米不良品質(zhì)特性。

3.3 重組米的功能性質(zhì)

擠壓重組米生產(chǎn)目的就是減少地方性營(yíng)養(yǎng)缺乏癥和疾病的發(fā)生，滿足不同人群的需求。Ward E等[48]生產(chǎn)富鐵重組米，通過(guò)檢測(cè)小鼠的肝臟、血液，小鼠骨密度和身體成分評(píng)估鐵的生物利用度。Khov K等[49]以柬埔寨的1 950名青少年為研究對(duì)象，進(jìn)行6個(gè)月的富鋅和葉酸重組米試吃，結(jié)果表明，食用重組米兒童的血清中葉酸和鋅的濃度均高于食用天然米的兒童。該重組米明顯改善柬埔寨鋅和葉酸缺乏癥的高患病率，可考慮列入學(xué)校膳食中。Della L C M等[50]評(píng)估強(qiáng)化鐵、鋅、葉酸和硫胺素的重組米對(duì)學(xué)前兒童營(yíng)養(yǎng)狀況的影響。以99名兒童為研究對(duì)象，食用營(yíng)養(yǎng)重組米4個(gè)月后，兒童體內(nèi)鋅、硫胺素、葉酸、平均紅細(xì)胞血紅蛋白和平均紅細(xì)胞血紅蛋白濃度均提高，且重組米可接受性良好。Losso J N等[51]初步研究使用鐵強(qiáng)化重組米治療女性缺鐵，以15名婦女為研究對(duì)象，結(jié)果表明，鐵強(qiáng)化重組米增加了缺鐵性貧血婦女的血紅蛋白和紅細(xì)胞比容。由以上文獻(xiàn)可知，長(zhǎng)期食用功能性營(yíng)養(yǎng)重組米，對(duì)于營(yíng)養(yǎng)缺乏癥或疾病有顯著的改善作用。

4 結(jié)語(yǔ)

擠壓重組米可彌補(bǔ)天然米缺乏維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)缺陷，補(bǔ)充其在加工、食用過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)素?fù)p失。生產(chǎn)重組米的核心技術(shù)是擠壓膨化，能提高營(yíng)養(yǎng)重組米的生物利用率、破壞抗?fàn)I養(yǎng)因子、縮短烹飪時(shí)間，可作為速煮米，食用方便的同時(shí)適口性良好；針對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏癥具有良好的功能特性。綜上所述，擠壓營(yíng)養(yǎng)重組米具有多種優(yōu)點(diǎn)，本文從多方面對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，為未來(lái)生產(chǎn)研究提供了一定理論基礎(chǔ)。

營(yíng)養(yǎng)重組米還存在一些問(wèn)題：1）人們普遍認(rèn)為重組米是人工再造米，不如天然米綠色健康，企業(yè)與政府應(yīng)給予相應(yīng)正確的宣傳。2）加工技術(shù)不成熟，最普遍的擠壓膨化法沒(méi)有形成專業(yè)的工廠生產(chǎn)線。3）營(yíng)養(yǎng)重組米價(jià)格比天然米高，普通群眾消費(fèi)有困難。政府和企業(yè)應(yīng)該加大對(duì)其推廣力度，讓更多的普通民眾了解接受重組米。