谷物组成对挤压膨化产品品质的影响

刘超，贺稚非,2，李雪，曾令英，李洪军,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

挤压膨化技术是集混合、揽拌、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型为一体，能够实现一系列单元同时并连续操作的现代加工技术[1]。挤压膨化技术应用极为广泛，可用于各种豆谷薯类的加工，也可用于生产各种膨化休闲食品[2]。挤压膨化技术具有投资少、见效快、食品加工成本低、浪费少等优点[3-4]，制得的食品口感细腻、易消化吸收、营养成分损失少且贮藏时间长[5]。挤压膨化是利用单个或一对螺杆迫使淀粉或蛋白质基材经过高温高压高剪切力的环境，使水分在物料喷出模口时瞬间汽化术，是一个短时的高温、高压的加工过程[6-7]。挤压膨化机有多种分类方法，通常根据螺杆数量的多少而分为单螺杆挤压膨化机、双螺杆挤压膨化机和多螺杆挤压膨化机，目前应用最为广泛的是双螺杆挤压膨化机[8]。影响膨化制品品质的因素包括温度、螺杆转速、进料水分含量、模具尺寸等[9-10]，原料组成也会对最终膨化制品品质产生一定的影响。

在挤压膨化过程中，高温高压破坏了谷物中的有些有害因子、使淀粉糊化、脂肪含量降低、蛋白质降解，提高谷物的消化吸收率[11]。谷物原料中的淀粉、蛋白质、脂肪含量的不同，会对最终的挤压膨化效果产生不同的影响。目前国内外针对谷物挤压膨化后理化特性的改变及不同挤压膨化工艺参数的研究较多[12-15]，而对于挤压原料基本组成成分与挤压膨化特性之间相关性的研究较少。由于缺乏对原料组成成分与挤压膨化特性之间联系的了解，因此在选择优质挤压膨化原料上会有一定的局限性，不利于开发新型膨化制品。

本实验采用挤压膨化技术，探究几种谷物的基本组成成分与挤压膨化特性之间的相关性。通过膨胀度、体积密度、水溶性指数、吸水性指数、质构等指标反映产品的膨化性能，与原料中淀粉、蛋白质、脂肪等成分含量进行相关性分析，找出膨化特性与组成成分的内在联系，为选择优质的挤压膨化原料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料

粳米、小麦、玉米、糯米、小米、燕麦,均购于重庆市北碚永辉超市，所有原料(均去除种皮)粉碎后过60目筛备用。

1.1.2 实验试剂

碘、HCl、H2SO4、Na2S2O3(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；葡萄糖淀粉酶,博立生物制品有限公司；直链淀粉和支链淀粉标准品,Sigma公司。

1.1.3 实验设备

RN32型双螺杆挤压膨化实验机，济南霖奥机械设备有限公司；TA-XT Plus型质构仪，英国Stable Micro Systems公司；TGL20MW型台式高速冷冻离心机，湖南赫西装备有限公司；FA214A型电子天平，上海豪晟科学仪器有限公司；DGG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 膨化参数的设定

物料粒径,60目，物料加水量，10%，螺杆转速35 Hz，喂料速率25 Hz，挤压4区温度分别为40、60、110、130℃。

1.2.2 基本成分含量的测定

水分含量的测定，参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》；蛋白质含量的测定，参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；粗脂肪含量的测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》；直链淀粉和支链淀粉的含量测定参照双波长测定的方法，总淀粉含量等于直链淀粉和支链淀粉含量之和。

1.2.3 膨胀度的测定

膨胀度用径向膨化率表示。参照文献[16]，用千分尺测量挤出物的横截面直径，每组测量20个样品，求其平均值作为产品的平均直径d/(mm)，d除以模口直径(2 mm)，其商为径向膨胀率，表示膨胀度。

1.2.4 体积密度的测定

参考文献[17]，样品烘干粉碎后，过60目筛，准确称取12 g样品与100 mL量筒中，轻轻振荡至样品高度维持不变，读取样品体积。取5个样品进行平行试验，去平均值，如公式(1)所示:

(1)

式中：ρ,膨化制品体积密度，g/cm3；m,样品质量，g；V,样品体积，cm3。

1.2.5 水溶性指数和吸水性指数的测定

参考文献[18]，将挤压膨化前后的原料和样品粉碎过60目筛，取2 g左右的筛下物，记为M0，放入已知质量M1的离心管中，加入20 mL蒸馏水，剧烈振荡2 min，直至样品完全分散为悬浮液体系。将悬浮液体系在30 ℃水浴中保温30 min，每间隔10 min振荡1次，水浴后4 000 r/min离心15 min。将上清液缓慢倒入已知质量M2的培养皿中，105℃烘干至恒重M3，同时称取离心管和沉淀物总重M4。水溶性指数(water soluble index，WSI)和吸水性指数(water absorption index，WAI)的计算公式如公式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

1.2.6 糊化度的测定

将样品粉碎过60目筛。 参考文献方法[19]，称取1 g样品，分别放入2个锥形瓶中(W1、W2)，另取锥形瓶(W0)，不加样品做空白对照。于3个锥形瓶中分别加入50 mL蒸馏水，轻轻振荡至充分混合，将W1锥形瓶在电炉上保持微沸糊化20 min，不要让其烧干并不断摇晃，然后冷却至室温。在3个锥形瓶中分别加入稀释的糖化酶5 mL，充分混匀，50 ℃恒温水浴1 h，及时取出加入2 mL HCl(1 mol/L)终止反应，将反应物定容至100 mL，过滤备用。移取滤液各10 ml分别放入3个标记碘量瓶中，并且加入 10 mL碘液(0.05 mol/L)及18mL NaOH(0.1 mol/L)溶液，盖塞，在暗处放置15 min，然后迅速加入2 mL H2SO4(10%)，用Na2S2O3(0.05 mol/L)溶液滴定至无色，记录Na2S2O3消耗的体积，计算公式如式(4)：

(4)

1.2.7 硬度和脆度的测定

参考文献方法[20]，使用TA-XT plus 质构仪，探头选用P/36R型，程序参数设置：测前速度3.00 mm/s，测试速度1.00 mm/s，测后速度10.00 mm/s。每个品种随机抽取10个样品，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 原料基本成分的测定

不同谷物之间的水分含量、蛋白质、粗脂肪、总淀粉以及直链、支链淀粉等基本成分含量都有着明显差异。相较于其他谷物，粳米以及糯米中的总淀粉与支链淀粉含量最高，而粗脂肪以及蛋白质含量处于较低水平，这种基本成分含量的差异会显著影响材料的膨化效果。在挤压膨化过程中，膨化状态的形成主要依靠的是淀粉，淀粉颗粒在高温高压以及高剪切力的作用下发生熔融糊化，淀粉分子之间形成相互交联的网状结构，熔体离开磨具后，由于压力差的存在，产生蒸汽闪蒸现象，大量水蒸气蒸发，在熔体内部形成大量空隙，当温度下降到玻璃态转变温度(Tg)以下，熔体凝固，形成挤出物。因此，原料淀粉含量对产品的挤压膨化效果起到关键作用，原料中淀粉含量极低，则基本上不产生膨化效果。有研究表明[21]，支链淀粉含量越高，越有利于提高产品的膨化性能；而用直链淀粉含量高的淀粉如玉米和燕麦制成的膨化产品，其膨化度较低，硬度较大。因此，总淀粉、支链淀粉含量以及支链淀粉与直链淀粉的比例，对膨化制品的膨化性能、质构有着密不可分的关系。

由表1可以看出，燕麦蛋白质以及粗脂肪含量分别为15.30%和7.29%，显著高于其他谷物，这可能会影响到最终挤出物的膨化性能，包括膨化度、硬度、脆度等。玉米以及小米中粗脂肪含量分别达到3.35%、3.75%，脂肪含量高可能会对挤出物的膨化性能有不利影响。粳米以及糯米的总淀粉含量分别为76.86%、75.97%，显著高于其他4种谷物，且糯米中支链淀粉含量最高，达到74.45%。原料中淀粉含量越高，尤其是支链淀粉含量越高，越有利于挤压膨化。

表1 不同谷物原料基本成分的含量Table 1 Content of basic components of differentcereal materials

注：同列不同字母代表差异显著(P<0.05)。

2.2 膨胀度的比较

膨胀度是衡量挤压膨化制品膨化性能的重要指标之一。由图1可以看出，6种谷物的膨胀度分别为粳米2.62、小麦2.19、糯米2.62、玉米1.66、小米1.48、燕麦1.22，其中燕麦的膨胀度相较于其他谷物来说较低，原因可能是原料中的淀粉含量较低，而膨化状态的形成主要依靠的是淀粉。淀粉含量与挤压膨化物的膨胀度呈显著正相关，淀粉含量越高，越有利于挤压后达到体积增大的状态。赵林华等[22]指出蛋白质含量与挤压膨化物的膨胀度呈现负相关，蛋白质含量高会降低膨化制品的膨胀度。因此，燕麦(蛋白质含量15.30%)膨化制品低膨胀度的另一个原因可能就是其原料蛋白质含量较高。在挤压膨化过程中，蛋白质与淀粉在高温高压以及高剪切力的环境下相互作用，影响淀粉的相互交联作用，对其网状结构的形成有一定抑制作用，最终影响膨化制品的膨胀度。相较于其他谷物，糯米中支链淀粉含量高，达到74.45%，因此其膨化制品膨胀度高。影响膨胀度的因素较多，包括蛋白质、总淀粉、支链淀粉含量以及支链淀粉与直链淀粉的比例，因此需要多方面考虑，找出影响膨化制品膨胀度的主要因素。

图1 挤压后不同谷物的膨胀度Fig.1 Swelling degree of different cereals after extrusion

2.3 体积密度的比较

膨化制品的体积密度可用来衡量膨化制品中气体所占空间大小，气腔壁厚度以及排列的密集程度[23]。体积密度与挤压膨化后产品内部的空隙有关，膨化制品内部气孔越多，说明其质地疏松，体积密度越低，而质地坚硬的产品其体积密度也高。由图2可以看出，玉米以及小米的体积密度要高于其他谷物，分别达到1.07和1.08 g/cm3，显著高于其他谷物，这说明这2种膨化制品的内部气孔较少，孔与孔之间的壁较厚，产品较为致密、不够疏松，硬度较高。将膨胀度图与体积密度图进行比较，膨胀度与体积密度呈现出一种相反的趋势，膨胀度高的产品体积密度低，膨胀度低的产品体积密度高。CLAUDIA等[24]发现支链淀粉能够促进挤压制品的膨化，降低产品的体积密度。因此，支链淀粉含量较高的粳米(55.31%)、小麦(50.76%)和糯米(74.45%)淀粉，其体积密度也较低。

图2 挤压后不同谷物的体积密度Fig.2 Bulk density of different cereals after extrusion

2.4 水溶性指数和吸水性指数的比较

水溶性指数能反映在挤压过程中受高温高压以及高剪切力作用淀粉大分子降解成可溶性多糖的程度。因此，水溶性指数越高，代表产品中可溶性营养素也越高[19]。吸水性指数能反映淀粉在水中的吸水能力，取决于淀粉分子中亲水基团的作用。在挤压膨化过程中，淀粉糊化导致淀粉断裂程度高，从而增加膨化制品中可溶性物质含量，有利于提高产品营养价值。 由图3、图4可以看出，在挤压条件相同的情况下，6种谷物的水溶性指数和吸水性指数都有明显的提高，粳米粉从0.47%提高到14.59%，小麦粉从5.60%提高到17.03%，玉米粉从3.60%提高到15.30%，糯米粉从0.58%提高到33.50%，小米粉从2.03%提高到24.34%，燕麦粉从1.58%提高到13.51%。由图3可看出，在挤压前后，粳米粉以及糯米粉的水溶性指数有着显著提高，尤其是糯米粉，提高接近70倍，这说明挤压操作对糯米粉的膨化性能有着较为显著的影响，产品中可溶性营养素含量也得到显著提高。挤压后小麦粉以及玉米粉的水溶性指数虽然也有所提高，但变化幅度相比较而言不大，说明小麦粉以及玉米粉的性质比较稳定，在高温高压以及高剪切力的作用下，淀粉断裂程度不高，淀粉大分子降解不充分，也代表这2种膨化制品中的可溶性营养素含量不高。由图看出中，粳米粉(从2.27提高到5.66)、小麦粉(从1.72提高到6.35)、玉米粉(从2.34提高到5.45)、小米粉(从2.13提高到4.99)以及燕麦粉(从2.15提高到5.06)在挤压后产品的吸水性指数相较于挤压前提高了2～3倍，这说明在挤压过程中，物料受到的剪切作用减弱，支链淀粉减少慢，吸水性物质增加。糯米粉挤压前后吸水性指数提高不显著，原因可能是物料在挤压过程中受到剪切作用强烈，淀粉晶体的结构遭到破坏，水溶性物质增加，吸水性物质减少，因此糯米粉挤压后水溶性指数显著提高，而吸水性指数差值较小。挤压膨化操作对于谷物的水溶性指数和吸水性指数都有着不同程度的改善，有利于提高产品的膨化性能和营养成分。

图3 挤压膨化对不同谷物水溶性指数的影响Fig.3 Effect of extrusion on water solubility index of different cereals

图4 挤压膨化对不同谷物吸水性指数的影响Fig.4 Effect of extrusion on water absorption index of different cereals

2.5 糊化度的比较

糊化度是衡量谷物食品熟化程度的指标，它来源于淀粉的形态改变。糊化的本质是淀粉中晶质与非晶质态的淀粉分子间的氢键断开，微晶束分离，形成一种间隙较大的立体网状结构，淀粉颗粒中原有的微晶结构被破坏[25]。膨化制品中淀粉糊化度越高，越有利于消化吸收。由图5可看出，挤压膨化条件相同的情况下，粳米粉和糯米粉的糊化度较高，分别为97.6%、95.7%，原因可能是总淀粉含量高，在挤压过程中糊化解体。燕麦粉的糊化度最低，为85.7%，不仅是因为燕麦粉中总淀粉含量低，也有可能与燕麦粉中蛋白质以及粗脂肪含量高有关。

图5 挤压后不同谷物的糊化度Fig.5 Gelatinization degree of different cereals after extrusion

2.6 硬度和脆度的比较

硬度和脆度是衡量膨化制品膨化性能的重要指标，硬度小且脆度小的产品口感更佳。由图6可以看出，玉米粉以及小米粉膨化制品的硬度较大，硬度大的产品其口感也会相对较差，玉米粉膨化制品的硬度与脆度分别为28 256 g和11 987 g，小米粉膨化制品的硬度和脆度分别为31 886 g和9 825 g，因此玉米和小米为不适用于挤压膨化的主要原料。这两种谷物中直链淀粉含量(玉米为25.10%，小米为26.37%)都比较高，可推测产品硬度与直链淀粉含量有着密切的关系。粳米粉(硬度17 908 g)、小麦粉(硬度14 790 g)以及糯米粉(硬度2 010 g)膨化制品的硬度较低，粳米可考虑作为挤压膨化的主体原料。由图7可知，糯米粉膨化制品的脆度最小，为882 g，脆性最好，其次是燕麦粉、小米粉、粳米粉、小麦粉、玉米粉膨化制品，分别为4 367、9 825、9 940、11 988、13 199 g，玉米粉脆度值最大，脆性相较于其他原料较差。综合考虑硬度和脆度，粳米粉、小麦粉以及糯米粉膨化性能较好，可用作膨化产品的主要原料。

图6 挤压后不同谷物的硬度Fig.6 Hardness of different cereals after extrusion

图7 挤压后不同谷物的脆度Fig.7 Brittleness of different cereals after extrusion

2.7 原料基本成分与谷物膨化特性相关性分析

相关性分析是反映不同因素之间相关关系和密切水平的一种数学分析方法[26]。由表2可以看出，膨胀度与总淀粉、支链淀粉含量呈显著正相关，与蛋白质含量呈负相关，与粗脂肪含量呈显著负相关。总淀粉及支链淀粉有利于膨化，提高产品膨化度；原料中粗脂肪的存在会对挤压膨化的效果产生不良影响，粗脂肪含量越高，膨化制品的膨胀度越低。体积密度与蛋白质含量呈正相关，与总淀粉含量呈负相关。蛋白质会影响淀粉糊化，不利于在产品内部形成气孔，膨化制品较为致密，体积密度提高。水溶性指数与蛋白质含量呈极显著正相关，原因可能是蛋白质在挤压膨化过程中发生降解，游离氨基酸含量增加，从而提高蛋白消化率。水溶性指数与支链淀粉含量呈现正相关，支链淀粉在挤压膨化过程中可降解为可溶性多糖，提高水溶性指数。而水溶性指数与总淀粉含量呈极显著负相关，可能受到直链淀粉含量的影响。直链淀粉的水溶性较差，其含量越高，可能导致膨化产品的水溶性指数下降。吸水性指数与总淀粉含量呈极显著正相关，可能原因是淀粉分子在挤压膨化过程中降解，吸水性物质增多，吸水性指数提高，淀粉含量越高，降解生成的吸水性物质越多。糊化度与总淀粉含量呈极显著正相关，与蛋白质、粗脂肪含量呈极显著负相关。淀粉大分子在挤压膨化过程中受到高温高压高剪切力作用，淀粉颗粒解体，发生糊化，因此总淀粉含量与糊化度呈极显著正相关。蛋白质在物料挤压膨化过程中会与淀粉形成一定的网状结构[27]，影响淀粉糊化，同时蛋白质含量高也会影响到总淀粉比例，也不利于淀粉糊化。

表2 基本组分含量与谷物膨化特性相关性分析Table 2 Correlation analysis of chemical components andextrusion properties

注：*,0.05 水平上显著，P<0.05；**,0.01 水平上极显著，P<0.01。

3 结论

本实验研究了粳米、小麦、玉米、糯米、小米以及燕麦6种谷物原料的基本组成成分与挤压膨化特性之间的相关性。结果表明，粳米、小麦以及糯米的膨化特性要优于玉米、小米以及燕麦，其中糯米在膨胀度、体积密度、水溶性指数、糊化度、硬度以及脆度方面都表现较为优异，膨化性能最好。相关性分析表明，膨胀度与总淀粉、支链淀粉含量呈显著正相关，与蛋白质含量呈负相关，与粗脂肪含量呈显著负相关；水溶性指数与蛋白质含量呈极显著正相关，与总淀粉含量呈极显著负相关；糊化度与总淀粉含量呈极显著正相关，与蛋白质、粗脂肪含量呈极显著负相关，说明原料的基本组成成分与产品的膨化性能有着密切的关系。其中重点应聚焦于蛋白质含量对挤压膨化特性的影响，将膨化制品中的蛋白质含量控制在合理的范围之内。