擠壓膨化對雜糧代餐粉營養(yǎng)品質及理化性質的影響

王 霞，劉永吉，白吉敏，鹿保鑫

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質量安全重點實驗室，黑龍江大慶 163319）

雜糧通常是指水稻、小麥、玉米、大豆和薯類五大作物以外的糧豆作物。但多數(shù)雜糧由于種植面積少、種植地區(qū)特殊、產(chǎn)量較低，質地粗糙，適口性差，因此其主食化加工受到較大限制。鑒于此，尋找一種加工技術，改善其適口性、沖調性等成為研究的重點[1]。

擠壓膨化技術是目前雜糧預加工的新型加工技術[2-4]，其特點是工藝簡單、能耗低、成本低、無“三廢”、產(chǎn)量高、質量好，在改善雜糧風味、抑制不良因素和提高蛋白質消化率方面起著重要作用。范寬秀等[5]研究得出擠壓膨化處理能夠提高淮山全粉的速溶性。謝仲寅等[6]研究證明，擠壓膨化處理可改善小米風味、口感，提高產(chǎn)品質量。方浩標等[7]研究表明，紫糙米經(jīng)過最優(yōu)擠壓膨化處理后，營養(yǎng)雖有一定的損失，但溶解度與熟化度得到極大地提升。目前，有關擠壓膨化的研究更多地集中在單一雜糧和擠壓工藝優(yōu)化上，有關對復合雜糧粉擠壓前后基本營養(yǎng)成分、揮發(fā)性風味物質、結晶特性、糊化特性、水合特性、粉體特性等全面評價的研究甚少。

本實驗系統(tǒng)研究了擠壓膨化對復合雜糧粉基本營養(yǎng)成分、揮發(fā)性風味物質、理化性質以及雜糧粉粉體特性的影響。旨在為擠壓膨化技術在雜糧食品加工中的應用及雜糧產(chǎn)品的進一步開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青稞 藏青311，市售；綠豆 鸚哥綠，市售；黑豆 龍黑大豆1 號，市售；苦蕎 九江苦蕎，市售；葡萄糖酸鈣（AR）鄭州瑞普生物工程有限公司；甲醇色譜級，國藥集團化學試劑有限公司。

DSE32 型雙螺桿擠壓實驗機 濟南鼎潤機械設備有限公司；高速多功能粉碎機 皇代電器旗艦店；75 μm CAR/PDMS 萃取纖維頭、手動SPME 進樣器 美國Sigma 公司；差示掃描量熱儀 德國耐馳；RVA-4500 型快速粘度分析儀 波通瑞華科學儀器有限公司；CS-580A 型分光測色儀 深圳市君達時代儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 雜糧代餐粉的工藝流程 多種雜糧進行粉碎（過80 目篩）→雜糧粉按配比混合均勻→調節(jié)水分（擠壓處理前樣品）→擠壓膨化機加工（螺桿轉速162 r/min，擠壓溫度160 ℃，物料水分含量18%）→粉碎（過80 目篩）→成品。[1]

1.2.2 基本營養(yǎng)成分的測定 將原料粉、雜糧代餐粉進行主要產(chǎn)品組分的變化，測定方法按下列方法進行。蛋白質含量的測定，采用GB 5009.5-2016 中的凱氏定氮法；粗脂肪含量的測定，采用GB 5009.5-2016 中的索式抽提法；灰分的測定，采用GB 5009.4-2016 中的第一法（灼燒法）；總膳食纖維的測定，采用GB 5009.88-2014 中的酶重量法；淀粉含量的測定，采用GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》（酶水解法）測定。

1.2.3 總酚含量測定 總酚含量采用福林酚比色法測定[8]。在10 mL 容量瓶中，加入0.5 mL 酚類提取物，用蒸餾水定容至5 mL，然后加入0.5 mL 福林酚試劑，搖勻，加入1 mL 0.5 mol/L 碳酸鈉溶液，搖勻，避光放置1 h，在765 nm 處測量吸光度，平行測量三次。使用沒食子酸標準品制作標準曲線。

1.2.4 黃酮含量測定 總黃酮含量根據(jù)Liu 等[9]的方法進行測定，并稍作修改。吸取0.5 mL 酚類提取物到10 mL 容量瓶中，用70%乙醇溶液將其體積增加到5 mL，加入0.3 mL 5%的NaNO2，混合均勻后靜置6 min，加入0.3 mL10%的AI（NO3）3，混合均勻后靜置6 min，最后加入4 mL 4%的NaOH 溶液，用70%乙醇溶液將其體積增加到10 mL，混合均勻后靜置15 min。在510 nm 處測量吸光度，平行測量三次。使用蘆丁標準品制作標準曲線。

1.2.5 固相微萃取結合氣-質聯(lián)用測定其可揮發(fā)性風味物質

1.2.5.1 揮發(fā)性風味物質的采集 準確稱取樣品5.0 g，放入20 mL 的固相萃取管中，插入帶有75 μm CAR/PDMS 纖維頭的手持注射器中，在60 ℃頂空萃取1 h，立即取出萃取頭并放入GC 中，在250 ℃下對樣品進行熱解析5 min。

1.2.5.2 氣相色譜條件 色譜柱為HP-5MS 石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；初始柱溫為45 ℃，保持5 min，然后以3 ℃/min 升至170 ℃，保持1 min，然后以7 ℃/min 升至250 ℃，保持3 min；柱室溫度為45 ℃；入口溫度為250 ℃。汽化室的溫度為250 ℃。使用純度為99.999%氦氣為載氣，載氣流量為1 mL/min，分流比10:1。質譜條件：EI 源，離子源溫度200 ℃，電子能量70 eV，接口溫度270 ℃，單四極桿質量分析器，質量掃描范圍35～350 amu，檢測電壓1.00 kV。

定性：GC-MS 分析得到的質譜圖與計算機中NIST17 標準譜庫進行比對，提供匹配度大于等于80%的物質作為參考風味物質成分（若無>80%的物質，選擇提供相似的最高的物質）。定量：用峰面積歸一化法計算出樣品中各成分的相對含量。

1.2.6 理化性質的檢測

1.2.6.1 X-衍射分析 參考唐君鈺[10]的方法，稍作修改。測試條件的參數(shù)如下：銅靶板；管壓電流：40 kV/35 mA；步長：0.02°；掃描速度：8 °/min；衍射角：2θ；掃描范圍：4°～60°。

1.2.6.2 熱特性檢測 利用差示量熱掃描儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）對代餐粉的熱特性進行分析。參考程雯[11]的方法，稍作修改。將樣品準確稱量到3.0 mg 的鋁制坩堝中，加入9 μL去離子水，蓋上蓋子，讓坩堝在4 ℃下平衡24 h。使用一個空的坩堝作為參考樣品，以10 mL/min 的氮氣作為載氣，將樣品從20 ℃加熱到150 ℃，加熱速率為5 ℃/min。

1.2.6.3 糊化特性檢測 參考李兆釗[12]的方法，稍作修改。將儀器預熱20 min，稱取3 g 含水量為14%的樣品和25 mL 蒸餾水，放入RVA 儀器的鋁制容器中，沿同一方向混合，不要形成結塊。將試驗條件設定在50 ℃，持續(xù)1 min，然后升至95 ℃，以12 ℃/min 的速度持續(xù)2.5 min，然后冷卻至50 ℃，以12 ℃/min 的速度持續(xù)2 min。攪拌器在前10 s以960 r/min 的速度運行，然后以160 r/min 的速度運行，共14 min。使用RVA 的TCW 軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

1.2.6.4 凝膠質構特性的測定 參考廖盧艷等[13]的方法，稍作修改。利用RVA 使擠壓前后雜糧粉充分糊化后，置于4 ℃冰箱內(nèi)保存24 h，TPA 模式下進行測量：探針：TA/0.5；形變量：50%;觸發(fā)力：10 g；測試速度：1.0 mm/s；樣品高度：75 mm。

1.2.7 代餐粉品質特性

1.2.7.1 可溶性固形物測定 參照王大為等[14]的方法，略有改動。將待測的粉末樣品在70 ℃的烘箱中干燥6～8 h，準確稱取干燥后樣品0.3 g 并加入0.7 mL蒸餾水，將其配制成7%的溶液，在100 ℃的水浴中保持30 min，然后以4000 r/min 的速度旋轉30 min。取出上清液，用手持糖量折光儀測定可溶性固體含量。

式中：A 為樣品中可溶性固形物含量，%；A0為溶液中可溶性固形物含量，%。

1.2.7.2 水合特性測定 持水性的測定參照Mari等[15]的方法，略有改動。將樣品配制成5%的溶液后，在室溫下放置4 h，然后以4000 r/min 的速度離心15 min，倒出上清液，算持水力公式如下：

式中：m1為樣品濕重，g;m 為樣品干重，g。

持油性的測定參照湯小明等[16]的方法，略有改動。樣品與食用油質量比為1:8 混合均勻，在室溫下靜置4 h 后，經(jīng)4000 r/min 離心15 min，計算持油性公式如下：

式中：m1為樣品濕重，g；m 為樣品干重，g。

1.2.7.3 粉體特性測定 a.休止角及滑角的測定：休止角（θ）：將漏斗固定在鐵架臺上，使漏斗底端高于桌面上方格紙（H）3 cm，然后把樣品均勻地倒進漏斗中，直到成型后錐體的頂部與漏斗底部相接觸，被測錐體的直徑記為2R[17]。按公式計算：

滑角（α）：將5.0 g 樣品放置在玻璃板上（L:130 mm），把平板的一頭慢慢地提起，測量頂面到水平面的垂直距離（H）。按公式計算：

b.松密度（ρB）、輕敲密度（ρT）、卡氏指數(shù)（Carr）、霍斯納比值（Hausner）的測定[18]：ρB：取一個100 mL量筒，精密稱取10 g 樣品，將樣品用漏斗倒入量筒中，并準確記錄粉體體積，進行三次平行實驗。按公式計算：

式中：m1為量筒的質量，g；m2為樣品與量筒的總質量，g；VB為注入樣品的體積，mL。

ρT：將上述量筒從距桌面高度3 cm 處自由下落，重復300 次，記錄振實后粉末體積，進行三次平行實驗。按公式計算：

式中：VT為振實后樣品的體積，mL。

Carr 指數(shù)、Hausner 比值按公式計算：

c.川北方程：將樣品小心倒入量筒100 mL 標記處，再使量筒在垂直桌面1 cm 的高度上自由下落，直到體積恒定，記錄該時刻樣品的體積及落下次數(shù)。川北方程變形為：

式中：n 為輕敲次數(shù)（即落下次數(shù)）；a 為輕敲次數(shù)無窮大時體積減少數(shù)；b 為充填速度常數(shù)；c 為樣品相對體積減小數(shù)。

輕敲次數(shù)無窮大時，a、b 按公式計算：

式中：V0為初始體積；Vn為輕敲 n 次后樣品體積；V∞為輕敲無窮次后樣品體積。

1.2.7.4 色澤測定 使用CS-580A 型分光測色儀，每個樣品測3 次，求其平均值。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，計算色度（C*），色相角（H*），總顏色（E*）、明亮值（L*）、紅綠值（a*）、黃藍值（b*）和白度（W）。按公式計算：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Ofice Excel 2019 軟件計算實驗數(shù)據(jù)均值和標準偏差；采用SPSS 26 軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析；采用Origin 2021 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化對代餐粉基本成分的影響

由表1 可知，雜糧粉經(jīng)擠壓膨化以后，蛋白質、脂肪、水分、淀粉、總酚、總黃酮含量顯著降低（P<0.05），膳食纖維和灰分變化不顯著（P>0.05）。這可能是由于物料在擠壓機機械能與熱能的共同作用下，蛋白質部分變性降解產(chǎn)生小分子肽和氨基酸；脂肪分解為生單甘油和游離脂肪酸；淀粉不僅會發(fā)生糊化，同時也伴隨著降解反應，生成小分子的還原糖與糊精。酚類物質對熱較敏感，在熱效應與剪切效應的共同作用下，可能發(fā)生熱降解或與淀粉和脂肪等大分子物質發(fā)生結合，從而使酚類物質含量下降[19]。

表1 擠壓前后營養(yǎng)成分比較Table 1 Comparison of nutritional composition before and after extrusion

2.2 揮發(fā)性風味物質的變化

如表2 所示通過頂空固相微萃取和氣相色譜-質譜（GC-MS）聯(lián)用對擠壓前后復合雜糧粉進行檢測；鑒定出大量揮發(fā)性風味成分：碳氫類、醛類、酮類、酯類、醇類、雜環(huán)類化合物。其中未加工雜糧粉檢出24 種風味物質：碳氫類14 種（57.45%）；醛類3 種（19.54%）、酮類1 種（2.13%）、酯類3 種（11.3%）、醇類3 種（9.57%）。擠壓后代餐粉檢出21 種風味物質：碳氫類10 種（35.05%）；醛類4 種（35.59%）、酮類1 種（4.14%）、酯類2 種（6.02%）、醇類3 種（14.18%）、雜環(huán)類1 種（5.03%）。經(jīng)過擠壓處理后揮發(fā)性風味物質中碳氫類和酯類物質含量減少，而醛、酮和醇的含量增加，并產(chǎn)生雜環(huán)化合物。雖然擠壓后碳氫類物質含量仍然較高，但是其風味閾值較高，不具備明顯的風味特征[20]；擠壓后產(chǎn)生新的酯類物質賦予了雜糧代餐粉特殊香氣，對雜糧代餐粉的風味具有一定輔助作用；擠壓后醛類物質含量高達35.59%，是雜糧代餐粉主要香氣成分；酮類物質閾值較高[21]，且含量較少，對整體風味貢獻較小；醇類物質具有令人愉悅的蘑菇、甘草香氣[22]，賦予了雜糧代餐粉特殊風味；雜環(huán)類中吡嗪類物質提供烤香、堅果香氣[23]，對雜糧代餐粉的香氣也起到一定的作用?？偟膩碚f擠壓膨化后雜糧粉主要揮發(fā)性成分醛類、醇類、雜環(huán)類物質有所增加，大大改善其產(chǎn)品風味，賦予雜糧代餐粉更加清香，令人愉悅的氣味。

表2 擠壓前后雜糧粉的揮發(fā)性風味物質的變化Table 2 Changes in volatile flavor compounds of coarse grain flour before and after extrusion

2.3 擠壓膨化對代餐粉理化性質的影響

2.3.1 擠壓處理對結晶特性的影響 如圖1 所示，未加工雜糧粉在衍射角度2θ為17°、18°、20°、23°附近表現(xiàn)出A 型淀粉晶型，結晶度為46.80%。加工后代餐粉在7.4°、12.5°、20.5°處出現(xiàn)了強衍射峰，屬于V 型結構，結晶度為21.83%。以上現(xiàn)象歸因于擠壓時高溫、高壓及高剪切力等綜合因素對淀粉分子鍵造成損傷。氫鍵被破壞，導致淀粉原有的結晶結構喪失，形成新的結晶區(qū)，并降低了淀粉的結晶度。這與徐曉茹等[24]在研究大米擠壓前后結晶特性時所得出的，擠壓破壞了淀粉原有的晶體結構，形成新的結晶區(qū)結論相一致。

圖1 擠壓前后雜糧粉的XRD 測定結果Fig.1 XRD measurements of coarse grain powder before and after extrusion

2.3.2 擠壓膨化對雜糧粉熱特性的影響 由表3 可知，經(jīng)擠壓處理后起始糊化溫度和峰值溫度有所升高，終止糊化溫度和糊化焓變值顯著降低（P<0.05），表明擠壓處理后雜糧粉發(fā)生糊化?？赡苁且驗榈矸鄣念w粒、晶型結構遭到破壞，氫鍵斷裂，雙螺旋連解聚，導致糊化焓變值降低，這與上述X-射線衍射分析的結果一致。

表3 擠壓前后雜糧粉的DSC 測定結果Table 3 DSC measurements of coarse grain flour before and after extrusion

2.3.3 擠壓膨化對雜糧粉糊化特性的影響 由表4可知，經(jīng)擠壓處理后雜糧粉的各項指標均顯著降低（P<0.05）。這是由于雜糧粉在擠壓機筒體中受到高溫、高壓和高剪切力作用，使淀粉結構遭破壞，部分降解為小分子物質，蛋白質發(fā)生變性、重組及組織化，脂肪與淀粉、蛋白質形成脂肪復合體等物化變化，使得峰值黏度、最低黏度、最終黏度顯著降低（P<0.05）。崩解值為峰值黏度和最低黏度的差值反映其熱穩(wěn)定性，崩解值由120 cP 顯著降低為10 cP，較低的崩解值表明擠壓處理后雜糧粉更加穩(wěn)定；回生值表示淀粉老化程度，回生值越低淀粉越不易老化[25-27]。綜上所述，擠壓膨化能使雜糧粉較充分糊化并且使得口感更好，更易于消化吸收。

表4 擠壓前后雜糧粉的糊化參數(shù)值Table 4 Gelatinization parameter values of coarse grain flour before and after extrusion

2.3.4 擠壓膨化對雜糧粉凝膠質構的影響 由表5所示，硬度是最直接反映口感的一項指標，直接影響咀嚼性和內(nèi)聚性。硬度太大，不僅口感不好，而且其消化吸收性和嗜好性也不好。經(jīng)過擠壓膨化處理后硬度由97.96 g 降到了62.24 g，彈性增加，賦予其良好的品質特性[28-29]。粘附力有所提高使產(chǎn)品具有黏性口感，以滿足消費者要求。膠粘性降低，咀嚼性增加，良好的咀嚼性可以提供食品良好的口感。

表5 擠壓前后雜糧粉的凝膠特性Table 5 Gel characteristics of coarse grain flour before and after extrusion

2.4 代餐粉品質特性的變化

2.4.1 可溶性固形物、水合特性、粉體特性的變化如表6 所示，經(jīng)擠壓膨化后雜糧粉的可溶性固形物含量增加了12.57%，可能是由于淀粉、蛋白質等大分子物質降解為糊精、麥芽糖、游離氨基酸和多肽等小分子物質導致[30]。代餐粉持水力較未加工顯著提高（P<0.05），持油力下降。可能是擠壓膨化處理導致雜糧代餐粉的內(nèi)部結構發(fā)生部分降解而變得疏松，其顆粒表面羧基和羥基等親水基團暴露[31]，導致持水力增大；而油脂與之接觸的區(qū)域減少，致使持油力降低。休止角和滑動角可以反映粉末流動性的變化，角度越小，流動性越好；松密度和輕敲密度與填充性有關，密度越大，填充性越好；川北方程中a 值越小，粉體的流動性越好；1/b 值越小，粉體的填充速度越大，填充更易于進行。擠壓后休止角、滑動角、a、1/b 分別從53.33°、42.48°、0.34、10.67 降到38.99°、35.64°、0.27、8.00，松密度和輕敲密度分別從0.27、0.35 g/mL升為0.33 和0.39 g/mL。

表6 擠壓前后雜糧粉的可溶性固形物、水合特性、粉體特性的測定結果Table 6 Soluble solids,hydration characteristics,and powder characteristics of coarse grain flour before and after extrusion

如表7 所示，經(jīng)擠壓處理后各項指標均有變化，其中L*、a*、H*、E*變化顯著（P<0.05），存在肉眼可辨的色差。這可能與物料在高溫高壓作用下發(fā)生美拉德反應與淀粉糊化等有關。這與肖香等[32]在研究擠壓膨化對大麥全粉色度的影響時所得出的L值下降，a值、b值增加，擠出物顏色為黃褐色，顏色變深，結論相一致。

表7 擠壓對雜糧粉色度的影響Table 7 Effect of extrusion on the pindness of coarse grains

3 結論

本實驗以復合雜糧粉為原料，研究了擠壓處理對復合雜糧粉營養(yǎng)品質和理化性質的影響。復合雜糧粉經(jīng)擠壓處理后蛋白質、脂肪、水分、淀粉、總酚、總黃酮含量降為19.23 g/100 g、6.52 g/100 g、8.02%、49.97 g/100 g、169.25 mg/100 g、125.39 mg/100 g，膳食纖維和灰分變化不明顯；雜糧代餐粉主要香氣成分：醛類物質含量高達35.59%，風味明顯優(yōu)于未處理雜糧復合粉；結晶度下降，糊化更加充分；硬度由97.96 g 降到了62.24 g，彈性增加，賦予其良好的口感；可溶性固形物含量及持水力增強，持油力減弱，粉體流動性、填充性、色澤均得到改善。綜上所述，復合雜糧粉經(jīng)擠壓膨化后，營養(yǎng)成分雖有一定的損失，但風味、溶解度、糊化度均得到極大地提升，證明擠壓膨化技術是提高復合雜糧粉品質的一種有效的方法。