擠壓處理對淮山全粉速溶性和理化性質(zhì)的影響

范寬秀，李清明，王鋒，李文佳，何瑞陽，蘇小軍*

1(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙，410128)2(湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙，410128)

淮山又名大薯、山薯、懷山藥等，因具有極高的食用和藥理價值而被公認(rèn)為藥食同源材質(zhì)之一[1]?；瓷饺凼腔瓷浇?jīng)干燥處理后的粉狀產(chǎn)品，具有易保存、便捷等特點(diǎn)而廣泛用于食品加工領(lǐng)域[2]?；瓷饺塾捎诘矸酆枯^高，使得其溶解性能低，導(dǎo)致在速溶性食品的研究領(lǐng)域受到限制性的應(yīng)用[3]。

擠壓技術(shù)能夠通過高溫、高壓及剪切力的作用，改變物料在擠壓機(jī)中的變化和破壞物料的結(jié)構(gòu)，形成具有一定膨脹性、多孔及易被水結(jié)合的擠出物，具有低消耗、高效率、高營養(yǎng)保存率、方便且適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在速溶性食品開發(fā)中是一種非常有效的加工方法[4]。小米、香蕉粉等經(jīng)擠壓處理后，顆粒整體結(jié)構(gòu)受損，淀粉遭到破壞，尤其是支鏈淀粉的糖苷鍵降解成許多可溶性成分及直鏈淀粉等，提高了擠出產(chǎn)品的溶解性[5-6]。葛根粉經(jīng)擠壓處理后，不僅堆積密度和結(jié)構(gòu)得到改變，而且顆粒在復(fù)水過程中的團(tuán)聚性顯著降低，從而整體提高了其水溶性[7]。目前關(guān)于淮山擠壓處理的研究主要集中在工藝優(yōu)化、原輔料改性等方面，而對于擠壓處理對淮山全粉速溶性和理化性質(zhì)的影響鮮有報道[8-9]。本研究采用擠壓技術(shù)處理淮山全粉，通過對其水溶性與理化特性及主要成分變化進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，旨在揭示擠壓處理對淮山全粉速溶性和理化性質(zhì)的影響，為擠壓技術(shù)在淮山速溶食品加工中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

淮山，湖南省永州市寧遠(yuǎn)縣；支鏈和直鏈淀粉分別為標(biāo)準(zhǔn)品，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；溴化鉀(光譜純)，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FMHE36-24雙螺桿擠壓機(jī)，湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；JSM 6380LV掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀、XRD-6000 X-射線衍射儀，日本島津公司；差示掃描量熱儀，承德萬塑儀器有限公司；FW135高速萬能粉碎機(jī)，永康市云達(dá)機(jī)械設(shè)備出廠家；RVA TECMASTER快速黏度分析儀，深圳市三莉科技有限公司；MASTERSIZER 3000激光粒度儀Particle Size，英國馬爾文帕納科公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

1.3.1.1 未擠壓淮山全粉(non-extruded yam flour，N-YF)的制備

N-YF制備工藝：

淮山→清洗→切片→護(hù)色→熱泵干燥(60 ℃)→粉碎→過篩(80目)→得N-YF

1.3.1.2 擠壓淮山全粉(extruded yam flour，E-YF)的制備

E-YF制備工藝：

N-YF→雙螺桿擠壓機(jī)(水分含量20%，擠壓溫區(qū)2～6區(qū)分別是40、60、100、130、120 ℃，喂料速度10 kg/h，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)220 r/min，切割轉(zhuǎn)數(shù)2 000 r/min)→熱泵干燥(60 ℃)→粉碎→過篩(80目)→得E-YF

1.3.2 速溶特性的測定

溶解度、糊化度和透明度的測定分別參考GB 5413.29—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 嬰幼兒食品和乳品溶解性的測定》、劉萍等[10]和莫芳等[11]的方法。吸水性指數(shù)(water absorption index，WAI)和水溶性指數(shù)(water solubility index，WSI)的測定參考WANG等[7]的方法。

1.3.3 表觀結(jié)構(gòu)

1.3.3.1 掃描電鏡

采用加速電位為20 kV的掃描電子顯微鏡檢測淮山全粉(倍數(shù)設(shè)為1 000×、2 000×)。

1.3.3.2 粒徑分布

利用激光粒度儀對淮山全粉的粒度進(jìn)行測定[5]。其中d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)分別是粒徑小于該顆粒直徑的10%、50%和90%，d3，2和d4，3的值各表示按表面積和體積得到的平均直徑，比表面積(specific surface area, SSA)為6/d3，2。

1.3.4 結(jié)晶特性

1.3.4.1 傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)

干燥淮山全粉(60 ℃，24 h)和溴化鉀(105 ℃，24 h)，置于紅外燈下的瑪瑙研缽中，研磨10～15 min，壓片，取出，檢測。背景：溴化鉀，分辨率：4.0 cm-1，波數(shù)區(qū)域：4 000～400 cm-1，信號掃描：32次。用PEAKFIT和Origin軟件處理。

1.3.4.2 X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)

首先設(shè)置儀器參數(shù)的掃描范圍為5～80°(2θ)，步寬為0.02°(2θ)，掃描速度：4°(2θ)/min，管壓：40 kV，管流：30 mA，檢測。利用Orign 2018作圖和MDI Jade 6.5進(jìn)行計(jì)算淮山全粉的相對結(jié)晶度。

1.3.5 淮山全粉主要組分的測定

淮山淀粉、糊精和還原糖的含量的測定參考文獻(xiàn)[12]；膳食纖維和直鏈淀粉的含量的測定分別參考GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測定》、張艷榮等[13]的方法。

1.3.6 淮山全粉的糊化特性的測定

采用GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定.快速黏度儀法》的方法。首先檢測N-YF和E-YF的水分含量，填入快速黏度儀器中，從儀器上得到質(zhì)量數(shù)值，精準(zhǔn)稱量相應(yīng)的N-YF和E-YF的質(zhì)量于快速黏度專用鋁盒中，加超純水25 mL，攪拌均勻，檢測，記錄所需相應(yīng)的峰值黏度值。

1.3.7 熱力學(xué)性質(zhì)的測定

參考宋超洋[5]的方法，并稍作修改。稱量樣品3.000 mg，裝入差示掃描量熱儀坩堝中，加10 μL蒸餾水，密封，平衡(4 ℃，24 h)，取出，測定，以10 ℃/min從20 ℃加熱到180 ℃，鋁盒空坩堝作對照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中所有指標(biāo)的數(shù)據(jù)均是各測定3次的平均值，用SPSS 22軟件對N-YF和E-YF的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓處理對速溶特性的影響

溶解度是指物料與水結(jié)合溶解的能力，WAI表征產(chǎn)品吸水能力的強(qiáng)弱，WSI表征產(chǎn)品在水中的溶解能力[7,14]?；瓷饺劢?jīng)過擠壓處理后，溶解度、WAI和WSI分別從10.37%、251.78%和9.07%增加至58.05%、278.41%和57.22%，增幅各達(dá)4.60%、0.12%和5.32%(表1)，說明擠壓處理大幅度提高了其速溶性。劉靄沙等[15]研究發(fā)現(xiàn)青稞粉經(jīng)擠壓處理之后，溶解度、WAI和WSI分別從11.58%、206.67%和0.08%增加至34.72%、580.80%和0.10%，本文結(jié)果與之相似?；瓷饺劢?jīng)擠壓處理后糊化度從34.43%增加到96.83%，增幅達(dá)1.81%，說明擠壓處理導(dǎo)致淀粉發(fā)生了強(qiáng)烈糊化；白潔等[16]發(fā)現(xiàn)甘薯經(jīng)擠壓處理后，糊化度從50.21%增加到86.98%，本試驗(yàn)以淮山全粉為材料進(jìn)一步證實(shí)了這種現(xiàn)象。透光率與直鏈淀粉含量相關(guān)，而直鏈淀粉是淮山全粉的主要水溶性物質(zhì)，其含量越多，則WSI越高，透光率越低[7, 17]。與N-YF的透光率相比，E-YF的透光率僅為21.4%，降低了23.46%，說明擠壓處理提高了淮山全粉的直鏈淀粉含量，有助于其溶于水。綜上所述，擠壓處理使得淮山全粉發(fā)生強(qiáng)烈糊化，速溶性得到大幅提升。

表1 擠壓處理對淮山全粉速溶特性的影響Table 1 Effect of extrusion treatment on instant properties of yam flour

2.2 擠壓處理對表觀結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 掃描電鏡觀察

由圖1可知，N-YF的顆粒結(jié)構(gòu)組織完整及呈現(xiàn)橢圓形，細(xì)胞壁結(jié)合緊密；E-YF的顆粒結(jié)構(gòu)則失去完整性，形成了疏松多孔的塊狀結(jié)構(gòu)，這可能是因?yàn)镹-YF受擠壓的作用，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，同時低水分條件下的高溫作用使其向熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變，淀粉失去晶體結(jié)構(gòu)并發(fā)生糊化，全粉顆粒粒度降低且表面積增加，水溶性得到提高[5]。劉駿[9]的研究也發(fā)現(xiàn)擠壓處理破壞了淮山全粉的顆粒結(jié)構(gòu)，張艷榮等[13]針對馬鈴薯全粉的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擠壓后的馬鈴薯全粉，因受到擠壓過程中高溫高壓高剪切力的作用，其光滑的顆粒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂痕且變得粗糙，增加了表面積且有利于水分子的溶入，進(jìn)一步說明擠壓處理能提高全粉的水溶性與其顆粒結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

A N-YF(1 000×)；B N-YF(2 000×)；C E-YF(1 000×)；D E-YF(2 000×)圖1 淮山全粉的電子顯微鏡掃描圖Fig.1 Scanning electron microscope of yam flour

2.2.2 顆粒粒度

由表2知，E-YF的粒徑與N-YF相比，E-YF的d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)、d4,3、d3,2的值都較小，SSA值則顯著增大(P<0.05)，說明淮山全粉經(jīng)擠壓處理后，其顆粒粒徑變小的同時SSA值增大。結(jié)合掃描電鏡觀察結(jié)果分析可知，這可能是因?yàn)榛瓷饺劢?jīng)擠壓處理后，淀粉顆粒破損嚴(yán)重，氫鍵斷裂的同時暴露出更多可與水相結(jié)合的羥基，導(dǎo)致其結(jié)晶區(qū)發(fā)生變化，同時，在高溫條件下的淮山全粉發(fā)生糊化，形成無規(guī)則的塊狀，從而降低了顆粒粒徑和增大了比表面積，宋超洋[5]在以小米為原料的研究上也得到了類似結(jié)果。通常情況下，全粉顆粒粒徑的整體變小和比表面積的增大都是提高其溶解性的有利因素。

表2 淮山全粉的顆粒粒度特征Table 2 Particle size characteristics of yam flour

2.3 擠壓處理對結(jié)晶特性的影響

2.3.1 短程晶體結(jié)構(gòu)

a-紅外圖譜；b-紅外吸收比圖2 N-YF和E-YF的紅外圖譜與紅外吸收比Fig.2 Infrared spectrum and infrared absorption ratio of N-YF and E-YF

2.3.2 長程晶體結(jié)構(gòu)

XRD可表征淀粉長程晶體結(jié)構(gòu)，其主要分為A、B、C及V 4種型，其中V型淀粉結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要是因?yàn)榈矸郯l(fā)生糊化[22]。由圖3可以看出，N-YF在17°和22°處有未分裂的雙衍射峰，而在5.6°和24°處的衍射峰較弱，這是一個B型淀粉結(jié)構(gòu)；E-YF在20°處出現(xiàn)了一個單衍射峰，原有的衍射峰消失，這說明淮山全粉經(jīng)擠壓處理后，其淀粉長程結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。此外，N-YF的相對結(jié)晶度為15.60%，而E-YF的僅為4.78%，表明淮山全粉的晶型結(jié)構(gòu)遭到了擠壓處理的破壞，產(chǎn)生了親水性較強(qiáng)的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。張艷榮等[13]在以馬鈴薯全粉為對象的研究中也得到了類似結(jié)果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)擠壓處理后馬鈴薯全粉的晶型結(jié)構(gòu)遭到破壞，從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變成非結(jié)晶態(tài)，結(jié)晶度顯著降低。非結(jié)晶區(qū)比例的增加有利于淀粉糊化及與水發(fā)生水合作用，從而可增加水溶性。

2.4 擠壓處理對主要組分的影響

由表3可以看出，擠壓處理導(dǎo)致淮山全粉中的淀粉含量從66.39%顯著降低至43.46%，支鏈淀粉含量從41.28%顯著降低至15.54%，糊精和還原糖的含量則分別從13.76%和0.52%顯著增加至25.84%和1.33%，而直鏈淀粉含量從25.11%增加至

27.92%，說明淀粉的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉發(fā)生了糊化，支鏈淀粉解聚，從而也證明溶解度的提高主要受支鏈淀粉的影響。宋歡等[8]研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理使得人參和山藥復(fù)合粉發(fā)生糊化，尤其支鏈淀粉發(fā)生降解成直鏈淀粉、糊精及可溶性小分子糖類物質(zhì)等，導(dǎo)致這些物質(zhì)的相對含量增加，也即可溶性成分含量增加，從而提高了其速溶特性。本文則以淮山全粉為材料，得到了類似的研究結(jié)果。此外，經(jīng)擠壓處理后的淮山全粉，其不可溶性膳食纖維含量降低，可溶性膳食纖維含量增加，說明淮山全粉中的纖維素因擠壓過程中高溫、高剪切及高壓的相互作用發(fā)生解聚降解，從而有利于提高溶解性[9]。

圖3 淮山全粉的X-射線衍射圖Fig.3 X-ray and relative crystallinity of yam flour

表3 淮山全粉的主要組分變化(干基) 單位:g/100g

2.5 擠壓處理對糊化特性的影響

經(jīng)擠壓處理后，淮山全粉的峰值黏度、谷值黏度、破損值、最終黏度和回生值都顯著降低(P<0.05)(表4)。峰值黏度與淀粉顆粒溶脹相關(guān)，擠壓過程中，淀粉發(fā)生糊化，糊化度增加，殘留的粒狀淀粉減少，膨脹程度降低，導(dǎo)致峰值黏度也顯著降低[23]?；瓷饺劢?jīng)擠壓處理后，峰值黏度從3 838.67 Pa·s降至63.67 Pa·s，說明大分子顆粒發(fā)生了劇烈糊化降解。谷值黏度反映淀粉高溫下承受的耐剪切力，破損值反映其熱穩(wěn)定性[10]。E-YF與N-YF相比較，其谷值黏度、破損值分別僅為34.33 Pa·s和29.33 Pa·s，較低的谷值黏度和破損值表明E-YF比N-YF更加穩(wěn)定。此外，擠壓處理促使淮山全粉擁有較低的最終黏度及回生值，說明擠壓處理后淮山全粉不易老化，適合應(yīng)用于速溶食品中?；瓷饺酆匦缘母淖儽砻鞔蠓肿宇w粒發(fā)生了劇烈變化，并朝著有利于與水結(jié)合的方向發(fā)展。方浩標(biāo)等[23]的研究結(jié)果證實(shí)，紫糙米經(jīng)擠壓膨化后，糊化黏度值降低，其吸水能力也同時得到增強(qiáng)。

表4 淮山全粉糊化特性 單位：Pa·s

2.6 擠壓處理對熱力學(xué)性質(zhì)的影響

由表5可知，經(jīng)擠壓處理后淮山全粉的TO、TP、TC和ΔH的值分別從98.33、107.04、129.27 ℃、4 598.42 J/g顯著降低至78.45、104.02、115.90 ℃、3 668.41 J/g(P<0.05)，表明擠壓處理導(dǎo)致淮山全粉發(fā)生糊化，這與上述糊化度變化情況的分析結(jié)果相吻合。徐曉茹等[24]用大米淀粉為原料，發(fā)現(xiàn)擠壓處理也降低了大米淀粉的TO值、TP值、TC值和ΔH值。此外，淮山全粉因受到擠壓過程中的高溫剪切作用，淀粉的顆粒、晶體結(jié)構(gòu)遭到損壞，氫鍵裂解，雙螺旋鏈解聚，導(dǎo)致ΔH顯著降低，這與上述X-射線衍射分析的結(jié)果一致。經(jīng)糊化作用和晶體結(jié)構(gòu)被受損的原料有利于水分快速滲透和在較低溫度下溶解，從而提高其常溫下的溶解性能[8]。

表5 淮山全粉熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 5 Thermodynamic properties of yam flour

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了擠壓處理對淮山全粉速溶性和理化性質(zhì)的影響。淮山全粉經(jīng)過擠壓處理之后，其速溶特性得到顯著提高，首先擠壓處理通過破壞淮山全粉的顆粒結(jié)構(gòu)，使得顆粒結(jié)構(gòu)失去完整性，導(dǎo)致擠壓后淮山全粉的粒度值降低，整體偏向粒徑小的方向及增大了SSA；然后破壞淀粉的有序結(jié)構(gòu)，使其短程晶體結(jié)構(gòu)和長程晶體結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，結(jié)晶度降低；進(jìn)而導(dǎo)致淀粉和纖維素大分子解聚降解，直鏈淀粉、糊精、小分子糖、可溶性膳食纖維等水溶性較好物質(zhì)含量增加；同時淀粉顆粒發(fā)生強(qiáng)烈糊化，糊化特性和熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，吸水能力增強(qiáng)。研究結(jié)果證明擠壓處理是提高淮山全粉速溶性的一種有效的方法。