擠壓膨化及添加魔芋粉對(duì)燕麥-玉米混粉糊化特性及體外消化率的影響

霍 瑞， 張美莉， 郭新月

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

擠壓膨化技術(shù)具有機(jī)械剪切、高溫高壓、膨化成型的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于谷物等食品加工中[1]，隨著擠壓膨化生產(chǎn)設(shè)備在食品上的大量應(yīng)用，多谷物膨化粉的研制和應(yīng)用引起了食品領(lǐng)域科技工作者的廣泛關(guān)注。經(jīng)擠壓膨化處理得到的谷物棒、代餐粉等因便于生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)損失較少及促進(jìn)部分營(yíng)養(yǎng)成分溶出等綜合作用而廣受人們的喜愛(ài)[2]。有研究發(fā)現(xiàn)淀粉類(lèi)谷物在擠壓膨化過(guò)程中受到高溫、高壓、高剪切力的作用，部分支鏈淀粉降解為直鏈淀粉，因此總直鏈淀粉含量上升，支鏈淀粉含量下降；短的直鏈淀粉重新排列，可明顯提高慢消化淀粉含量[3,4]，這類(lèi)淀粉被人體緩慢吸收，可以維持餐后血糖穩(wěn)定，并且提供長(zhǎng)時(shí)間的飽腹感，具有重要的生理功能[5]。此外，擠壓中添加功能性物質(zhì)也可能降低消化率，Wang等[6]研究擠壓膨化大米結(jié)合添加紫薯粉對(duì)體外消化率的影響，結(jié)果顯示該膨化粉呈現(xiàn)出較低的eGI值，結(jié)構(gòu)特性也得到了改善。韓玲玉[7]研究多谷物共擠壓對(duì)其消化特性的影響，發(fā)現(xiàn)含脂肪較多的谷物有助于形成淀粉脂肪絡(luò)合物，含膳食纖維較多的谷物可以增加消化體系黏度，兩者均可降低淀粉體外消化率。馮進(jìn)等[8]以蠶豆粉、蕎麥粉和魔芋精粉為原料制備雜糧膨化粉，其體外消化結(jié)果表明消化液黏度增加，消化酶和產(chǎn)物擴(kuò)散速率變慢，消化速率降低。

目前關(guān)于混合谷物與高膳食纖維原料共擠壓的研究鮮有報(bào)道，本研究選用燕麥粉、玉米粉和魔芋粉作為原料，通過(guò)擠壓膨化處理制備消化率較低的膨化粉。擠壓膨化后的燕麥粉難以成形，色澤及味道較差，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步比較和分析不同魔芋粉添加量下燕麥玉米膨化粉的營(yíng)養(yǎng)成分、溶解特性和流動(dòng)性，并通過(guò)胃腸模型研究產(chǎn)品的淀粉體外消化狀況，以期為拓展消費(fèi)市場(chǎng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥粉、馬齒型玉米、J08魔芋粉、α-淀粉酶(4 000 U/g)、胃蛋白酶(400 U/mg)、醋酸鈉、3，5-二硝基水楊酸、鹽酸、氯化鉀等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DS32實(shí)驗(yàn)型雙螺桿擠出機(jī)，F(xiàn)DV-E淀粉黏度計(jì)，UV2300Ⅱ雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，XL-20B1000克密封型搖晃式微粉碎機(jī)，PB-10賽多利斯pH計(jì)。

1.3 方法

1.3.1 擠壓膨化粉的制備

將燕麥粉和玉米粉分別過(guò)60目篩，以6∶4的比例混合均勻，加水至物料含水量25%并充分混勻，放入雙螺桿擠壓膨化機(jī)進(jìn)料口，條件設(shè)置為：擠出溫度180 ℃，進(jìn)料速度15Hz，螺桿轉(zhuǎn)速16Hz。魔芋膨化粉制備條件為在燕麥粉和玉米粉以6∶4比例混合后分別添加1%、5%、10%、15%魔芋粉后混勻，加水量及其他條件同上。

1.3.2 基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定

擠壓膨化粉水分測(cè)定參考GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中的直接干燥法；粗脂肪含量的測(cè)定參考GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》中的索氏抽提法；粗蛋白含量的測(cè)定參考GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中的凱氏定氮法；淀粉含量的測(cè)定參考 GB 5009.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測(cè)定》中的酶水解法。每個(gè)樣品測(cè)定3次，取平均值。

1.3.3 粉體溶解性測(cè)定

粉體溶解性參照Benhur等[9]的方法來(lái)測(cè)定膨化粉的吸水性指數(shù)(WAI)和水溶性指數(shù)(WSI)。取1 g樣品(干基)放入已稱(chēng)重的帶蓋離心管中，加水30 mL后搖勻使樣品均勻分散于水中。在 30 ℃水浴下放置30 min，每5 min振蕩1次，使樣品粉末盡量維持懸浮狀態(tài)。之后取出以4 000 r/min 離心30 min，以上清液測(cè)定其 WSI，以沉淀物測(cè)定其 WAI，分別按公式計(jì)算。

(1)

(2)

式中：m1為離心后沉淀的質(zhì)量/g；m2為上清液中的干物質(zhì)質(zhì)量/g；m為樣品的質(zhì)量/g。

1.3.4 粉體流動(dòng)性測(cè)定

1.3.4.1 容積密度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取20 g樣品置于100 mL量筒中，在桌面上輕輕敲擊10次，記錄敲擊后的刻度值。重復(fù)測(cè)定3次。容積密度按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：m為樣品質(zhì)量/g；V為樣品體積/mL。

1.3.4.2 Carr指數(shù)和Hausner比值的測(cè)定

參考李賽等[10]的方法，準(zhǔn)確稱(chēng)取10 g樣品裝入25 mL 量筒后讀取初始體(V1/mL)，輕敲至粉體達(dá)最緊實(shí)狀態(tài)，讀取最終體積(V2/mL)。Carr指數(shù)和Hausner比值分別按公式計(jì)算。

(4)

(5)

1.3.5 粉體的糊化特性

通過(guò)快速黏度分析儀(RVA)測(cè)定糊化特性。參照Z(yǔ)hang等[11]方法，準(zhǔn)確配置12%樣品含量的水溶液(10%、15%魔芋粉添加量的樣品液質(zhì)量濃度為8%)，設(shè)置起始溫度50 ℃保持3 min，然后以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃并保持5 min，再降溫至50 ℃，轉(zhuǎn)速為160 r/min。每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

1.3.6 RDS、SDS和RS含量測(cè)定

參照Chen等[12]方法，稱(chēng)取(200±5) mg 樣品置于離心管中，加入15 mL醋酸鈉緩沖液(0.2mol/L，pH 5. 2) 和磁力攪拌子使其分散均勻，之后將混合液于95 ℃下糊化30 min，冷卻至 37 ℃后加入 5 mL混酶溶液(豬胰 α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶 80 U/mL混合) ，將樣品于 37 ℃，300 r/min 條件下水解。分別于20 min和120 min取出 100 μL水解液，加入4倍體積無(wú)水乙醇滅酶，隨后，將水解液以 4 000 r/min 離心 5 min，使用3，5-二硝基水楊酸法測(cè)定上清液中的葡萄糖含量。淀粉的消化特性通過(guò)快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)來(lái)表征，分別按式(6)～式(8)計(jì)算。

(6)

(7)

(8)

式中：G20和G120分別為20 min和120 min內(nèi)水解產(chǎn)生的還原糖含量/mg；FG為酶水解前樣品中游離還原糖含量/mg；TS為總淀粉含量。

1.3.7 淀粉體外消化率的測(cè)定

參照Goni等[13]的方法，取50 mg樣品粉末，加入10 mL HCl-KCl緩沖液(pH1.5)和0.2 mL胃蛋白酶(0.1 g/mL，HCl-KCl緩沖液)，放入磁力轉(zhuǎn)子40 ℃水浴振蕩1 h。用0.5 moL/L乙酸鹽緩沖液(pH6.5)定容至25 mL，使胃蛋白酶失活。隨后，加入5 mL α-淀粉酶，在37 ℃條件下水浴振蕩(160 r/min)，在水解過(guò)程中，分別在0、20、30、60、90、120、150、180 min時(shí)取1 mL消化液，加入4倍無(wú)水乙醇滅酶。使用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測(cè)定樣品中總還原糖的含量并轉(zhuǎn)化成葡萄糖的當(dāng)量。以淀粉水解速率為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制水解曲線(xiàn)。計(jì)算各個(gè)樣品在0～180 min期間淀粉水解曲線(xiàn)下的面積(AUC樣品和AUC參考)，得出樣品淀粉水解指數(shù)(hydrolysis index，HI)。樣品的估計(jì)血糖生成指數(shù)(Estimate Glycemic Index，eGI)按照式(9)、式(10)計(jì)算。

(9)

eGI=8.1981+0.862×HI

(10)

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果計(jì)算表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用SPSS25.0進(jìn)行Duncan多重比較分析。采用Microsoft Excel 2019和Origin2018軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)燕麥-玉米粉基本成分的影響

從表1中可以看出，與原料粉相比，擠壓膨化處理顯著降低了原料粉的脂肪含量(P<0.05)，而蛋白質(zhì)、淀粉含量變化差異不顯著(P>0.05)，原因可能是高溫高壓高水分條件下形成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，測(cè)定時(shí)難以提取脂質(zhì)，索氏抽提法提取出的游離態(tài)脂肪含量減少，導(dǎo)致測(cè)定粗脂肪含量下降[14]，崔亞楠等[15]研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化處理有利于雜糧中淀粉脂肪形成復(fù)合物，從而降低人體消化率，與本研究結(jié)果一致，而蛋白質(zhì)和淀粉經(jīng)過(guò)擠壓處理后含量略有下降的原因可能在高溫和強(qiáng)大的剪切力作用下使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)延展重組，次級(jí)鍵部分?jǐn)嗔?，以及淀粉顆粒由固體狀變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，兩者含量伴隨著蛋白質(zhì)的變性和淀粉的糊化而降低。擠壓膨化前后含水量變化顯著，這是因?yàn)榧訜嵯到y(tǒng)的三段式加熱環(huán)使水分迅速升溫，充分糊化的物料放熱從高溫高壓變?yōu)槌爻籂顟B(tài)，使物料中的水分瞬間汽化，水分減少，物料中的溶膠淀粉體積瞬間膨化，同時(shí)物料內(nèi)部爆裂出許多微孔，致使組織結(jié)構(gòu)纖維化。

表1 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的基本營(yíng)養(yǎng)成分/g/100 g

混粉中添加不同量的魔芋粉經(jīng)擠壓膨化處理后對(duì)樣品基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)素含量無(wú)明顯影響，這可能是由于膨化后的混粉脂肪含量已經(jīng)顯著降低，魔芋粉的存在只能使膨化形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)更加致密但對(duì)其含量影響不明顯，在擠壓膨化條件下，魔芋粉與淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)形成復(fù)配體系，使得膨化顆粒較小，初始擠出顆粒松軟易拉伸，是因?yàn)槔喂痰慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)使得膨化顆粒擁有較強(qiáng)持水性?；旆鄣暮侩S著不同量魔芋粉的添加先升高后降低，這是因?yàn)槟в蠓壑泻写罅磕в笃细事毒厶?，屬于水溶性膳食纖維，過(guò)量的魔芋粉競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合了本應(yīng)與淀粉分子結(jié)合的水分子[16]，但是這種形式的凝膠相比于淀粉形成的凝膠穩(wěn)定性較差，在擠壓膨化的高溫閃蒸效果下易失去水分。

2.2 不同處理對(duì)燕麥-玉米粉溶解特性、流動(dòng)性的影響

WAI和WSI可以表示產(chǎn)品的溶脹性和分散性。WAI反映出谷物淀粉顆粒吸水形成凝膠的能力，WSI能間接表現(xiàn)出樣品中可溶性營(yíng)養(yǎng)素的含量[17]。由表2可知，與原料粉相比，擠壓膨化及添加魔芋粉后都提高了樣品的WSI和WAI，在擠壓膨化過(guò)程中，淀粉糊化導(dǎo)致淀粉斷裂，因此增加了膨化制品中的可溶性物質(zhì)含量， WAI和WSI均得到提升[18]。而添加魔芋粉使混粉WSI降低的原因是物料交聯(lián)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，密度也隨之增大，擠壓機(jī)筒內(nèi)壓升高，結(jié)構(gòu)更加致密，隨著魔芋粉的逐漸加多，WAI和WSI也逐漸升高的原因是魔芋粉中含有大量水溶性多糖，可以吸水形成凝膠，因此WSI指數(shù)和WAI指數(shù)均增加。

Carr指數(shù)和Hausner比值可以說(shuō)明粉體在受外力壓縮時(shí)的流動(dòng)特性[19]。由表2可知，擠壓膨化處理及魔芋粉的加入均使原料的Carr指數(shù)和Hausner比值降低，說(shuō)明兩種方式均可以使原料流動(dòng)性變好，這與邱婷婷等[20]發(fā)現(xiàn)擠壓膨化后的黑麥流動(dòng)性變好的研究結(jié)果一致。容積密度可以反映物料的填充性質(zhì)，魔芋膨化粉容積密度均高于擠壓膨化粉和原料且10%、15%的添加量與其他樣品有顯著性差異，原因可能是經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理，魔芋粉與燕麥-玉米淀粉的復(fù)合凝膠體系會(huì)形成更加穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，物料顆粒變大，容積密度增大。

2.3 不同處理下混粉的糊化特性

峰值黏度是淀粉顆粒膨脹和破裂的平衡點(diǎn)，崩解值可以決定淀粉的熱穩(wěn)定性和抗剪切能力，回生值表示淀粉短時(shí)間內(nèi)可以回生的趨勢(shì)[21]。原料粉、擠壓膨化粉和不同比例魔芋膨化粉的糊化特性如圖1所示。原粉經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理后樣品峰值黏度上升但無(wú)顯著差異，崩解值和回生值顯著升高，這是由于物料受到高溫?cái)D壓作用部分糊化致使黏度上升，章麗琳等[22]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理的馬鈴薯全粉與原粉相比峰值黏度、谷值黏度、最終黏度均增加，與本研究結(jié)果一致。

圖1 原料、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的糊化特性曲線(xiàn)

10%、15%魔芋粉添加量的混粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，是因?yàn)槟в蠓蹣O易吸水形成魔芋膠，其所占比例越高初始黏度越大，當(dāng)混粉水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，原料粉和1%魔芋膨化粉黏度無(wú)變化，均在最低黏度；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，10%、15%魔芋膨化粉使物料初始黏度突破黏度儀上限而停止工作，降低二者水溶液質(zhì)量濃度后發(fā)現(xiàn)峰值黏度和崩解值出現(xiàn)明顯變化，甚至沒(méi)有峰值黏度，這是因?yàn)榈矸垲w粒對(duì)魔芋膠體分子的吸附增加了淀粉的空間阻隔性，提高了淀粉糊化的熱穩(wěn)定性，抑制了淀粉顆粒的斷裂與膨脹，糊化程度較低，并且使復(fù)配體系的崩解值和回生值降低[23]。添加高質(zhì)量濃度魔芋粉致使溶液黏度過(guò)大，糊化效果較差，即使作為產(chǎn)品原料使用仍會(huì)降低消費(fèi)者喜愛(ài)度，因此以糊化特性為指標(biāo)，以5%魔芋粉添加量為最適添加量。

由表3可以看出，5%魔芋粉添加量的擠壓膨化粉峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值和回生值均達(dá)到最大，原因可能是在加熱糊化過(guò)程中，魔芋粉-淀粉復(fù)配凝膠體系引起黏度提高，使顆粒變形破損，崩解值增大，另外，膠體與直鏈淀粉之間以氫鍵相互靠近，在持續(xù)降溫過(guò)程中，這種作用力也會(huì)使回生值增大，這一結(jié)果與劉敏等[24]研究魔芋膠與蓮藕淀粉復(fù)配體系的結(jié)果類(lèi)似。

表2 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的溶解性和流動(dòng)性

表3 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的糊化特性曲線(xiàn)/mPa·s

2.4 不同處理下混粉的RDS、SDS和RS含量

淀粉是人體主要供能物質(zhì)，依據(jù)淀粉在體內(nèi)的消化特性分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)，和抗性淀粉(RS)，RSD在小腸被快速消化，誘導(dǎo)血糖水平快速升高，SDS在小腸消化速率變慢但被完全消化，會(huì)使血糖水平緩慢升高，這對(duì)預(yù)防心血管疾病和糖尿病等非常重要，RS在小腸不被消化，它是一種膳食纖維，可以降低血清中的膽固醇水平，抑制膽結(jié)石形成，維持腸道穩(wěn)定[11]。擠壓膨化處理結(jié)合添加魔芋粉對(duì)燕麥-玉米混粉中3種淀粉含量的影響如圖2所示。

圖2 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的不同類(lèi)型淀粉組成

擠壓膨化處理顯著降低了原料粉中RDS含量，顯著提高了SDS含量，但對(duì)RS含量無(wú)影響，這是因?yàn)楦邷馗邏涵h(huán)境下形成脂肪-蛋白質(zhì)-淀粉復(fù)合物，這與李璐等[25]的研究結(jié)果一致。隨著不同量魔芋粉的加入，RDS含量先降低后升高，SDS含量先升高后降低，RS含量持續(xù)升高，表明添加魔芋粉后經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理能改變擠壓膨化粉的結(jié)構(gòu)，將RDS轉(zhuǎn)變?yōu)镾DS和RS，穩(wěn)定的魔芋-淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)和擠壓復(fù)合物的形成使其緩慢消化能力進(jìn)一步增強(qiáng)。10%和15%魔芋粉添加量使RS含量無(wú)顯著增長(zhǎng)，但會(huì)降低SDS含量且有顯著性差異，說(shuō)明加入過(guò)量的魔芋粉對(duì)RS的形成無(wú)顯著影響且不利于SDS的形成。

2.5 不同處理下混粉的體外消化率

如圖3所示，在體外模擬消化過(guò)程中，所有樣品的淀粉水解速率在前20 min增長(zhǎng)較快，在60 min后趨于穩(wěn)定，符合人體消化特性。原料的淀粉水解速率和經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理的淀粉水解速率無(wú)明顯差異，添加任意比例魔芋粉的擠壓膨化粉淀粉水解速率均小于原料粉和擠壓膨化粉，且與擠壓膨化粉有顯著性差異，這是因?yàn)閿D壓前處理需要增加含水量，擠壓時(shí)魔芋粉大量吸水形成凝膠并與納米顆粒發(fā)生交聯(lián)和填充作用[26]，而經(jīng)過(guò)高壓高溫處理后，魔芋粉與燕麥-玉米的復(fù)合體系會(huì)形成更加穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的淀粉體外消化率

淀粉水解速率在添加5%比例魔芋粉后最慢，但與10%、15%魔芋粉添加量無(wú)顯著性差異，3種添加量的RS含量接近，SDS和RDS的消化組分占比相似，所以消化率也接近。有研究表明，摻入β-葡聚糖等水溶性膳食纖維可以降低淀粉體系的消化率，主要原因是通過(guò)黏度效應(yīng)影響淀粉消化[27]，本實(shí)驗(yàn)的魔芋粉中含有大量魔芋葡甘露聚糖，這也是一種水溶性膳食纖維，通過(guò)限制水溶性非淀粉多糖水合作用中的水分子來(lái)抑制淀粉的凝膠化，從而降低淀粉消化率。

由表4可以看出，原料粉與1%魔芋粉添加量的膨化粉GI值均處于55～75內(nèi)，屬于中GI食物。5%～15%魔芋粉添加量的膨化粉GI值小于55，為低GI食物。

表4 原料粉、擠壓膨化粉和魔芋膨化粉的估計(jì)血糖生成指數(shù)

3 結(jié)論

擠壓膨化對(duì)燕麥-玉米混粉的物理性質(zhì)有較大影響。原料粉通過(guò)高溫?cái)D壓和高剪切力作用形成脂肪-淀粉復(fù)合物，脂肪及快消化淀粉含量顯著降低，但對(duì)抗性淀粉含量無(wú)影響，原料粉與擠壓膨化粉均屬于中GI食物，由于淀粉部分糊化，混粉的峰值黏度、崩解值和回生值均升高，溶解性和流動(dòng)性也顯著提升(P<0.05)。添加魔芋粉后共擠壓對(duì)混粉的物理性質(zhì)和體外消化率有較大影響。加工后形成了穩(wěn)定的魔芋-淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)和擠壓復(fù)合物，WSI和流動(dòng)性均下降。5%魔芋粉使混粉整體黏度上升但加入過(guò)量魔芋粉抑制了淀粉顆粒的斷裂與膨脹，使糊化程度降低。5%、10%、15%魔芋粉添加量使緩慢消化能力進(jìn)一步增強(qiáng)，且對(duì)應(yīng)膨化產(chǎn)物均屬于低GI物料。燕麥玉米混粉中添加魔芋粉后經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理能改善混粉的部分理化性質(zhì)和降低淀粉體外消化率，最適魔芋粉添加量為5%，該擠壓膨化粉蛋白質(zhì)損失較少，脂肪含量較低，消化速率緩慢。