馬齒莧復(fù)配米工藝優(yōu)化及抗氧化活性研究

戚家慧 陳善峰 閆玉紅 劉新華 李瑞紅

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

擠壓重組米是以碎米為主要原料，在擠壓機(jī)的高溫高壓作用下粉碎、混合、制粒、干燥，最終形成類似于大米形狀的新結(jié)構(gòu)米粒。碎米是大米在拋光過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其化學(xué)成分與普通米粒相似，且膳食纖維、植酸和B族維生素的含量都高于普通米粒[1]，而價(jià)格僅為普通米粒的1/3～1/2。但碎米多數(shù)用作于飼料或制造糖、酒、醋的原料[2-4]，附加值較低。

馬齒莧又名五行草、長(zhǎng)命菜，被世界衛(wèi)生組織稱為世界上使用最廣泛的藥用植物之一，也是中國(guó)衛(wèi)生部指定的藥食同源物之一。馬齒莧含有豐富的多糖、黃酮、生物堿等多種生物活性物質(zhì)，具有抗氧化、抗衰老、降血糖、降血脂等功效[5]。多糖是馬齒莧生物活性物質(zhì)的主要成分，能夠調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、抗腫瘤、降血脂、抗氧化。目前關(guān)于馬齒莧產(chǎn)品的研究主要有馬齒莧面包[6]、馬齒莧涼茶[7]、馬齒莧飲料[8]、馬齒莧香腸[9]等。但是馬齒莧作為添加物在擠壓加工方面的研究還相對(duì)較少。Rayan等[10]利用單螺桿擠壓機(jī)研究了不同水分含量和擠壓溫度下的馬齒莧擠出物。因單螺桿擠壓機(jī)具有操作困難，產(chǎn)品穩(wěn)定性差等特點(diǎn)[11]，故試驗(yàn)采用雙螺桿擠壓機(jī)研究馬齒莧復(fù)配米的相關(guān)性質(zhì)。

研究擬以碎米為主要原料，輔以馬齒莧粉，采用雙螺桿擠壓重組技術(shù)制成馬齒莧復(fù)配米。通過(guò)考察螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、馬齒莧添加量和水分含量對(duì)馬齒莧復(fù)配米多糖含量和感官的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，為制備具有抗氧化特性的復(fù)配米提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬齒莧(粗蛋白16.6%、膳食纖維含量41.58%、脂肪4.51%、馬齒莧多糖144.41 mg/g)、碎米(淀粉含量71.2%、粗蛋白7.3%、脂肪1.43%)：市售；

單硬脂酸甘油酯：食品級(jí)，山東優(yōu)索化工科技有限公司；

ABTS、DPPH：試劑級(jí)，上海源葉生物技術(shù)有限公司；

乙醇、濃硫酸等其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓機(jī)：UVTE36-24型，長(zhǎng)沙創(chuàng)享食品科技有限公司；

冷凍干燥機(jī)：FD-1型，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

酶標(biāo)儀：SP-Max2300A2型，上海閃普生物科技有限公司；

色差計(jì)：CM-3600A型，日本柯尼卡美能達(dá)控股公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 馬齒莧復(fù)配米的制備 將馬齒莧粉和碎米粉按比例混合均勻后，加入 0.6%的單硬脂酸甘油酯，進(jìn)行擠壓膨化、切割造粒工序，獲得產(chǎn)品。工藝流程：

馬齒莧干葉、碎米→粉碎過(guò)篩→加0.6%單硬脂酸甘油酯→混料→雙螺桿擠壓膨化→切割造?！善?/p>

操作要點(diǎn)：① 原料粉碎后均過(guò)80目篩；② 固體喂料速度15 kg/h，Ⅱ區(qū)60 ℃、Ⅲ區(qū)90 ℃，Ⅴ區(qū)50 ℃、Ⅵ區(qū)50 ℃，切刀轉(zhuǎn)速1 500 r/min；③ 螺桿轉(zhuǎn)速120～160 r/min；④ 擠壓溫度 90～130 ℃；⑤ 水分含量21%～29%；⑥ 馬齒莧添加量(碎米粉替代率)4%～20%；⑦ 擠壓成型的樣品放置于50 ℃的烘箱中，直至水分降至14%以下，裝入密封袋中，備用。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

(1) 螺桿轉(zhuǎn)速：固定擠壓溫度110 ℃，水分含量25%，馬齒莧添加量12%，考察螺桿轉(zhuǎn)速(120，130，140，150，160 r/min)對(duì)多糖含量和感官的影響。

(2) 擠壓溫度：固定螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，水分含量25%，馬齒莧添加量12%，考察擠壓溫度(90，100，110，120，130 ℃)對(duì)多糖含量和感官的影響。

(3) 水分含量：固定螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，擠壓溫度110 ℃，馬齒莧添加量12%，考察水分含量(21%，23%，25%，27%，29%)對(duì)多糖含量和感官的影響。

(4) 馬齒莧添加量：固定螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，擠壓溫度110 ℃，水分含量25%，考察馬齒莧添加量(4%，8%，12%，16%，20%)對(duì)多糖含量和感官的影響。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以綜合得分為響應(yīng)值，選取螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、馬齒莧添加量、水分含量4個(gè)因素，設(shè)計(jì)四因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，優(yōu)化加工工藝。

1.2.4 色差測(cè)定 參照文獻(xiàn)[12]。

1.2.5 感官評(píng)分 米粒感官評(píng)價(jià)參照文獻(xiàn)[13]，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。熟米感官評(píng)價(jià)參照文獻(xiàn)[14]，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。按式(1)和式(2)計(jì)算樣品感官評(píng)分和感官綜合得分。

表1 米粒感官評(píng)分Table 1 Sensory score of rice grains

表2 熟米感官評(píng)分Table 2 Sensory score of cooked rice

A=r1×30%+r2×70%，

(1)

B=A×70%+WI×30%，

(2)

式中：

A——感官評(píng)分；

r1——米粒感官評(píng)分；

r2——米飯感官評(píng)分；

B——感官綜合得分；

WI——白度。

1.2.6 多糖含量測(cè)定 參照薛沾枚[15]的方法并作修改。精確稱取1 g樣品，以蒸餾水為提取溶劑，在液料比為20∶1 (mL/g)條件下，超聲輔助提取50 min，提取液中加入4倍體積95%乙醇，在4 ℃下醇沉24 h。去除醇沉提取液的上清液，通過(guò)離心得到沉淀(3 500 r/min，10 min)，最后冷凍干燥得到粗多糖。采用苯酚硫酸法測(cè)多糖含量。采用線性插值法計(jì)算得分。最大值定義為10分，最小值定義為1分。最終結(jié)果乘以10，換算為百分制。

1.2.7 綜合評(píng)分法 根據(jù)式(3)計(jì)算綜合得分。

S=B×0.4+P×0.6，

(3)

式中：

S——綜合得分；

B——感官綜合得分；

P——多糖得分。

1.2.8 體外抗氧化活性分析

(1) DPPH自由基清除率：參照文獻(xiàn)[16]。

(2) ABTS自由基清除率：參照文獻(xiàn)[17]19-20。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 擠壓溫度對(duì)馬齒莧復(fù)配米品質(zhì)的影響 圖1(a)表明在固定的螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、馬齒莧添加量下，多糖含量隨擠壓溫度的增加先上升后下降，多糖含量、感官綜合得分在120 ℃時(shí)達(dá)到最大值。楊濱夢(mèng)等[18]研究表明，猴頭菇多糖隨擠壓溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在120 ℃達(dá)到最大值。當(dāng)擠壓溫度較低時(shí)，水分子因無(wú)法劇烈運(yùn)動(dòng)，而與物料的相互作用受限，螺桿和物料之間的摩擦力無(wú)法傳遞到淀粉分子內(nèi)部[17]24，馬齒莧復(fù)配米顆粒不易膨脹，結(jié)構(gòu)不易破壞，多糖的溶出率比較低。隨著擠壓溫度的升高，機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓、高剪切力的反應(yīng)環(huán)境，增強(qiáng)水分子和物料相互作用，促進(jìn)復(fù)配米結(jié)構(gòu)的解體，多糖的溶出率增大。當(dāng)機(jī)筒溫度過(guò)高時(shí)，擠壓作用劇烈，水分蒸發(fā)速率加快，多糖發(fā)生降解，導(dǎo)致多糖含量隨溫度不斷增大逐漸減少，但溫度過(guò)高，水分發(fā)生閃蒸，使得米粒較干、對(duì)復(fù)配米的剪切制粒有影響，從而影響感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。綜合考慮在110～130 ℃進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)馬齒莧復(fù)配米品質(zhì)的影響 圖1(b)表明在固定的擠壓溫度、水分含量、馬齒莧添加量下，多糖、感官綜合評(píng)分隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加均先上升后下降，在140 r/min時(shí)達(dá)到峰值。螺桿轉(zhuǎn)速影響物料在擠壓機(jī)中的停留時(shí)間，進(jìn)而影響擠壓加工過(guò)程物料所受的高溫高壓作用[19]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間久，受到的高溫高壓剪切摩擦力小，熱能轉(zhuǎn)化得少，吸收熱量不足，水分含量相對(duì)變大，膨化效果比較差。隨著轉(zhuǎn)速的提高，物料和螺桿之間的摩擦力增大，物料受熱明顯，物料的組織結(jié)構(gòu)被破壞，多糖提取率增大[20-21]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間短，不易形成高壓環(huán)境，降低擠壓膨化技術(shù)對(duì)馬齒莧復(fù)配米結(jié)構(gòu)的改性，還會(huì)造成復(fù)配米的黏度增大、切粒結(jié)構(gòu)不理想，影響感官評(píng)價(jià)得分；高速螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)高溫環(huán)境，高剪切力，多糖的結(jié)構(gòu)遭到破壞，提取率降低[22]。綜上，螺桿轉(zhuǎn)速在140 r/min時(shí)，多糖含量處于較高范圍，感官評(píng)價(jià)得分最高。

圖1 單因素試驗(yàn)結(jié)果Figure 1 Single factor test results

2.1.3 馬齒莧添加量對(duì)馬齒莧復(fù)配米品質(zhì)的影響 由圖1(c) 可以看出，在固定的螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、水分含量下，多糖含量與馬齒莧添加量呈正比，但是感官綜合評(píng)分先升高后減少，在馬齒莧添加量12%時(shí)達(dá)到峰值。這是由于馬齒莧富含膳食纖維，大量添加會(huì)導(dǎo)致復(fù)配米的結(jié)構(gòu)疏松，不可避免的影響米?？诟?。馬齒莧添加量較少時(shí)，隨著添加量增大，復(fù)配米的彈性上升，隨著馬齒莧添加量的升高，彈性呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明馬齒莧添加量對(duì)復(fù)配米的口感效果有一定程度的削減。

2.1.4 水分含量對(duì)馬齒莧復(fù)配米品質(zhì)的影響 圖1(d)表明在固定的螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、馬齒莧添加量下，多糖含量和感官評(píng)價(jià)得分隨水分含量的增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)，多糖含量、感官評(píng)價(jià)得分在水分含量27%～28%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)處于低水分含量時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)的流動(dòng)性差、擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣少，不能有效破壞物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)[22]，導(dǎo)致多糖提取率低，同時(shí)低水分使得米粒較干、對(duì)復(fù)配米的剪切制粒受影響，從而影響感官得分。隨著水分含量的增加，熱能傳遞速度加快，物料結(jié)構(gòu)破壞程度加大，多糖提取率增大。但當(dāng)水分含量過(guò)高，水分子蒸發(fā)帶走的熱能比水分子增加傳遞的熱能多，物料的升溫速度降低，多糖受到破壞，使得大分子的多糖變成小分子的糖類；水分含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致物料的流動(dòng)性很大，物料所受的剪切力和摩擦力降低，糊化程度低，迫使物料未充分改性就被擠出，降低了擠壓效果，導(dǎo)致了米粒的耐煮性較差、口感不理想，綜合考慮，在水分含量27%～28%進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，自變量為螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、馬齒莧添加量、水分含量，響應(yīng)值為綜合得分，因素水平見(jiàn)表3，具體設(shè)計(jì)結(jié)果及數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 3 Response surface experimental factor level table

表4 響應(yīng)面分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 4 Experimental design and results for response surface analysis

以多元回歸分析得回歸方程：

Y=69.23-0.12A+1.21B+12.20C+2.71D+0.92AB+0.12AC+2.27AD-0.034BC+1.00BD+0.52CD-5.27A2-3.81B2-1.21C2-4.60D2。

(4)

中心組合試驗(yàn)方差分析(表5)得到模型的F值為9.46，P<0.01，表明模型顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，不顯著，表明該模型成立；二次多項(xiàng)回歸方程R2=0.863 1>0.5，該模型模擬效果好，因此可作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鰯?shù)據(jù)。根據(jù)方程各變量系數(shù)大小可知，4個(gè)因素對(duì)多糖含量的影響程度順序?yàn)轳R齒莧添加量>水分含量>擠壓溫度>螺桿轉(zhuǎn)速。

表5 綜合得分回歸方差分析?Table 5 Comprehensive score regression analysis of variance

由圖2可知，沿馬齒莧添加量方向比螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度、水分含量的響應(yīng)面坡度的坡度更陡，等高線也更密集，說(shuō)明馬齒莧添加量比螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和水分含量對(duì)馬齒莧復(fù)配米影響更大，與方差分析結(jié)果一致。擠壓溫度與螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量與螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量與擠壓溫度的等高線圖呈圓形，表明其交互不顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖2 綜合得分試驗(yàn)結(jié)果Figure 2 Comprehensive score test results

響應(yīng)面優(yōu)化出的結(jié)果為：螺桿轉(zhuǎn)速139.01 r/min、擠壓溫度118.39 ℃、馬齒莧添加量15.48%、水分含量27.33%，在該工藝條件下，綜合得分為86.29，考慮實(shí)際，將條件修正為螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min、擠壓溫度120 ℃、馬齒莧添加量15.5%、水分含量27%，在該條件在平行驗(yàn)證3次計(jì)算得到綜合得分為86.13，與預(yù)測(cè)值接近，表明該工藝條件具有一定的可行性。

2.3 體外抗氧化試驗(yàn)

由圖3可知，馬齒莧復(fù)配米的抗氧化能力明顯高于市售米和擠壓空白米，且對(duì)DPPH自由基清除率高達(dá)92.37%，對(duì)ABTS自由基清除率高達(dá)85.15%，說(shuō)明馬齒莧復(fù)配米中馬齒莧發(fā)揮了重要抗氧化作用。這是因?yàn)閺?fù)配米雖然會(huì)受到高溫高壓作用，但是因含有多糖、多酚等活性物質(zhì)，使其具有較強(qiáng)的抗氧化能力。Melilli等[23]將馬齒莧與小麥粉混合制作出了具有抗氧化特性的意大利面。

圖3 體外抗氧化試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 In vitro antioxidant test results

3 結(jié)論

試驗(yàn)得出馬齒莧復(fù)配米的最佳工藝參數(shù)為螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，擠壓溫度120 ℃，馬齒莧添加量15.5%，水分含量27%。在該工藝下復(fù)配米的綜合得分最高。此外，體外抗氧化試驗(yàn)結(jié)果表明馬齒莧復(fù)配米的抗氧化能力顯著高于市售米。由于馬齒莧本身是藥食同源植物，富含多種活性物質(zhì)，將其應(yīng)用于擠壓技術(shù)，提高馬齒莧利用率的同時(shí)又豐富了營(yíng)養(yǎng)米的市場(chǎng)。但是馬齒莧的抗氧化機(jī)理需要進(jìn)一步探索。