張 克，朱子博，畢 荃，陶 莎，薛文通,*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083；2.河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽 471003；3.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083)

重組米是以富含淀粉的材料為主要原料,通過適當添加輔料,經(jīng)均質(zhì)、擠壓、切割、干燥等一系列工序制成的與天然大米類似的顆粒狀米制品,由于在生產(chǎn)過程中要使用到螺桿擠壓機,并通過螺桿擠壓機的重組作用,故稱其為重組米。以淀粉為基質(zhì)的谷物在擠壓過程中,物料受到加熱、剪切、壓力、摩擦的聯(lián)合作用,導(dǎo)致物料中的生物大分子如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,這些生物大分子的功能特性也發(fā)生了重大變化[1],從而改變了重組米的外觀、品質(zhì)、食用口感等。重組米多以純天然五谷雜糧為原料,可根據(jù)人體的營養(yǎng)需要,科學搭配胡蘿卜素、維生素和其它營養(yǎng)元素,是集保健、食療于一體的多功能綠色主食,具有營養(yǎng)均衡、調(diào)節(jié)人體機能、維持最佳健康狀況的作用[2]。

雜糧型重組米主要以雜糧如米粉、薯粉、豆類等其它淀粉類基質(zhì)為原料,輔助添加其它營養(yǎng)成分制備重組米。董忠蓉等[3]以魔芋粉為主要原料,添加雜糧等作為輔料,經(jīng)過熟化,擠壓成型,干燥,殺菌后制得了一種具有保健功能的重組米,而且結(jié)構(gòu)緊密,具有質(zhì)地不易斷裂,口感不粗糙,復(fù)水不懸浮等優(yōu)點。奧生平等[4]以五谷雜糧為主要原料,添加瓜菜薯類為輔料,經(jīng)過預(yù)處理、混合攪拌、采取“兩次擠壓、適度熟化,中途補料、降溫制?！惫に囍屏３尚汀⒏稍?、拋光等一系列工藝制作,制作而成的重組米具有大米的外觀和特性,適口性好,外表光滑,結(jié)構(gòu)致密、品質(zhì)穩(wěn)定,可以像普通大米一樣作為主食食用。張輝[5]用早秈米和馬鈴薯為原料,并添加適量的食品添加劑,用雙螺桿擠壓技術(shù)試制馬鈴薯復(fù)配米,重點研究了馬鈴薯全粉和早秈米配比、不同食品添加劑及擠壓參數(shù)對馬鈴薯復(fù)配米色澤、質(zhì)構(gòu)特性、蒸煮特性和感官品質(zhì)等的影響。淀粉類原料受到單螺桿擠壓機中的高溫、摩擦等因素影響會發(fā)生預(yù)糊化變性,糊化度的改變會直接或間接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的變化[6-8]。

本研究運用分段擠壓的方法研究二次擠壓及糊化度對重組米性質(zhì)的影響。主要分析分段擠壓過程中單螺桿預(yù)糊化工藝對擠出物糊化度的影響、預(yù)糊化最優(yōu)工藝、及不同糊化度的預(yù)糊化物料對加工重組米適應(yīng)性的影響,揭示單螺桿預(yù)糊化對原料性質(zhì)的改變,研究喂料的糊化度對雙螺桿擠壓成型性質(zhì)的影響,最終為制備優(yōu)良品質(zhì)的馬鈴薯重組米提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

早秈米 湖北荊楚糧油電子商務(wù)有限公司;馬鈴薯(冀張圍薯9號品種) 河北張家口;氫氧化鈉、鹽酸、乙酸鉛、硫酸鈉、硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、亞甲基藍、硫酸鋅、碘試劑、碘化鉀、磷酸鉬、淀粉脫支酶(酶活≥3700 U/g)、葡萄糖等 均為分析純,北京化工廠。

AR2140型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;KDY9820型凱氏定氮儀、KXL-1010型控溫消煮爐 北京博翔興旺科技有限公司;T6型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;電熱鼓風干燥箱 上海實驗儀器廠有限公司;HZ-50/60粉碎機 日本佑崎有限公司;XMTD-204型數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋 常州諾基儀器有限公司;S21-1型恒溫磁力攪拌器 金壇市美特儀器制造有限公司;GS-86型電動振篩機、標準檢驗篩 浙江省上虞市沙篩廠;單螺桿擠壓機 常州佳騰干燥設(shè)備有限公司;DS32-VII實驗型雙螺桿擠出機 濟南賽信機械有限公司;TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀 美國Food Technology公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料基本理化指標的測定 水分含量測定:按照標準《GB 5009.3-2010直接干燥法》執(zhí)行;蛋白質(zhì)含量測定:按照標準《GB/T 5009.5-2010凱氏定氮法》執(zhí)行;淀粉含量測定:按照標準《GB/T 5009.9-2008食品中淀粉的測定》執(zhí)行;直鏈淀粉含量測定:按照標準《GB/T 15683-2008大米 直鏈淀粉含量的測定》執(zhí)行。

1.2.2 混合粉的配制 將市售早秈米用粉碎機粉碎,過60目網(wǎng)孔篩得早秈米粉樣品,馬鈴薯經(jīng)蒸制、去皮、干燥、粉碎、過60目網(wǎng)孔篩得馬鈴薯全粉樣品,分別按照早秈米粉∶馬鈴薯全粉為7∶3的比例混合均勻[9],并封口備用。

1.2.3 預(yù)糊化工藝優(yōu)化

1.2.3.1 單因素實驗 根據(jù)近年國內(nèi)外對擠壓工藝的探究[10-12],本部分擠壓過程中三個主要影響因素做單因素實驗,即擠壓溫度、入機進料水分、擠壓螺桿轉(zhuǎn)速,以確定各因素的合適范圍。

將薯粉和秈米粉按3∶7比例混合后,加水調(diào)質(zhì)成32%、34%、36%、38%、40%的水分,擠壓溫度設(shè)定為70 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min;設(shè)定原料水分36%,螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min,調(diào)節(jié)擠壓溫度為50、60、70、80、90 ℃;設(shè)定原料水分36%,擠壓溫度為70 ℃,改變螺桿轉(zhuǎn)速為30、35、40、45、50 r/min分別進行預(yù)糊化。然后勻速將物料加入到擠壓機中,當擠壓機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始收集樣品,儲存于冰箱冷藏室以備后用,研究樣品的糊化度、表觀密度、吸水性和持水性指數(shù)。

1.2.3.2 響應(yīng)面試驗 根據(jù)前期研究結(jié)果,試驗參數(shù)改變時,糊化度比其他指標的變化幅度大,反應(yīng)更靈敏。因此,本研究以擠壓溫度、進料水分和螺桿轉(zhuǎn)速三個因素為自變量,以糊化度為響應(yīng)值(用Y表示),設(shè)計響應(yīng)面試驗。根據(jù)單因素實驗結(jié)果,設(shè)定物料進料水分范圍在36%～40%之間,擠壓溫度在60～80 ℃之間,螺桿轉(zhuǎn)速范圍在30～40 r/min之間。試驗因素與水平的選取如表1所示。

表1 變量設(shè)計表

1.2.4 糊化度(DG)的測定 樣品的淀粉糊化度測定方法參照熊易強[13]的方法:取兩份樣品(每份150 mg)分別加入15 mL磷酸緩沖液中并混勻,將其中一份樣品置于沸水浴中加熱1 h,冷卻后待用。分別向兩份樣品中加入1 mL淀粉脫支酶溶液,在40 ℃水浴中保溫1 h,并每隔15 min 搖動一次。同時取試管加入磷酸緩沖液和酶液作為空白對照。保溫1 h后,加入2 mL 10%硫酸鋅溶液,混勻,再加入1 mL 0.5 mol/L的氫氧化鈉,用水稀釋至25 mL,混勻過濾。準確吸取0.1 mL濾液和2 mL銅試劑,置于25 mL比色管中,將試管置于沸水浴中6 min,在保持沸騰的情況下加入2 mL磷鉬酸試劑,然后繼續(xù)加熱2 min。冷卻后,加蒸餾水稀釋至25 mL,反復(fù)顛倒混勻。最后用分光光度計在420 nm讀取吸光值。

測定樣品的糊化度按如下公式計算:

DG(%)=(At-Ao)×100/(Af-Ao)

式中:DG-樣品的糊化度,%;At-待測樣品的吸光度;Af-全糊化樣品的吸光度;Ao-空白的吸光度。

1.2.5 擠出物物理特性的測定

1.2.5.1 表觀密度(BD)的測定 將預(yù)糊化的米粉樣品進行篩分,稱取40目篩下,60目篩上的樣品(20±1) g(M),放入10 mL的量筒中,輕輕地敲擊量筒3次,量取體積(V)。

表觀密度=米粉的重量(M)/米粉的體積(V)

1.2.5.2 水溶性碳水化合物(WSC)、吸水性指數(shù)(WAI)的測定 參照Alves等[14]的方法。取1 g樣品放入已稱重的帶蓋離心管中,加水30 mL后劇烈振蕩使樣品均勻分散于水中。于30 ℃水浴下放置,偶爾取出振蕩,使樣品粉末盡量維持懸浮狀態(tài),30 min后取出以4000 r/min離心20 min,離心后將上清液倒入已知質(zhì)量的鋁盒,于105 ℃烘箱烘干至恒重。并稱量離心管和沉淀的總質(zhì)量。WAI、WSC分別依下列公式計算,每組樣品測3次,取平均值。

WAI=沉淀質(zhì)量/樣品干質(zhì)量

WSC=上清干質(zhì)量/樣品干質(zhì)量

1.2.6 馬鈴薯重組米的制備 用于擠壓重組的雙螺桿擠壓機為實驗型擠壓機,其螺桿類型為組合式螺桿,溫度控制采用4段溫區(qū)獨立控溫,對應(yīng)螺桿的主要功能區(qū)域分別為原料輸送(Ⅰ區(qū))、原料壓縮(Ⅱ區(qū))、物料剪切熔融(Ⅲ區(qū))、物料擠出(Ⅲ區(qū)),其中Ⅲ區(qū)含有開槽螺紋。以響應(yīng)面優(yōu)化后的擠壓工藝制備擠出物為原料,與擠出前的混合粉按比例混合,調(diào)配出糊化度在30%～70%之間的物料,加水調(diào)制。根據(jù)前期對擠壓工藝的研究,確定雙螺桿擠壓參數(shù)如下:水分含量18%,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)擠壓溫度分別為70、90、120、90 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min,喂料速度10 kg/h,該條件下重組米的復(fù)水品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)較好,因此選用該條件研究進料糊化度對重組米品質(zhì)的影響。當擠壓機穩(wěn)定出料后開始收集樣品,4 ℃儲存,以備后用。

1.2.7 重組米復(fù)水性測定 參照周顯青等[15]的方法。取重組米試樣10 g,于50 mL沸水中密閉浸泡5 min,立即瀝干并用吸水紙吸干表面水分,稱重。

復(fù)水率(%)=復(fù)水后試樣重×100/復(fù)水前試樣重

1.2.8 重組米質(zhì)構(gòu)特性的測定 采用小鋁盒(容積60 mL)蒸制小樣的方式來測定質(zhì)構(gòu)參數(shù),具體方法為:稱取10 g重組米于60 mL鋁盒,加入20 mL蒸餾水淘米兩次,傾干后加蒸餾水13 mL,浸泡20 min,之后用沸水蒸25 min,悶制10 min,去除表面米粒從中心部位試樣置于質(zhì)構(gòu)儀載物臺上進行測定,每樣重復(fù)3次,取平均值。以同樣的步驟測定原料早秈米的質(zhì)構(gòu)特性數(shù)據(jù)作為參照對比。

工作條件:采用英國Texture Analyzer測定,選用TPA模式,探頭為P6,設(shè)定參數(shù)為:測前速度0.50 mm/s,測試速度1.00 mm/s,測后速度2.00 mm/s,測定高度為5 mm,觸發(fā)應(yīng)力5 N,壓縮比為70%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,各組間差異有顯著性(p<0.05);采用Office 2013 作圖;采用Design-Expert 10軟件進行響應(yīng)面設(shè)計和結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料基本理化指標

據(jù)表2可知,馬鈴薯全粉中的蛋白質(zhì)含量極顯著(p<0.01)高于秈米粉,水分、淀粉和直鏈淀粉含量極顯著(p<0.01)低于秈米粉。

表2 秈米粉與馬鈴薯粉的基本理化指標(%)

2.2 原料水分對擠出物糊化度及物理特性的影響

水分含量對原料的擠壓性質(zhì)有重要影響,亦是研究擠壓品質(zhì)的重要參數(shù)之一[16]。原料中的生物聚合物(淀粉、蛋白質(zhì)等)在擠壓過程中,適量水分的添加可發(fā)揮出類似塑化劑的作用。在高溫高壓條件下,水分在擠壓機內(nèi)快速蒸發(fā)會導(dǎo)致物料膨脹。此外,擠壓過程中的扭矩和機械能在很大程度上受到水分的影響[17]。實驗考查了預(yù)糊化工藝進料水分對擠出物物理性質(zhì)的影響,結(jié)果見表3。

表3 進料水分對復(fù)配粉擠出物糊化度與物理化學特性的影響

根據(jù)表3可知,隨著進料水分的增加,糊化度先增大,進料水分為36%和38%時,擠出物的糊化度顯著高于其他樣品(p<0.05)。前期水分的增加可以使原料充分吸水糊化,糊化度增加。加水量達到一定程度后,擠壓系統(tǒng)內(nèi)的摩擦作用減弱,物料停留時間減少,導(dǎo)致糊化度下降。隨著加水量的增加,擠出物的WAI、WSC和BD含量均降低。其中,BD與樣品的緊實程度有關(guān),WAI和WSI反映擠出物中淀粉的水合性質(zhì)。推測水分的增加有利于潤滑或增塑作用的加強,擠壓系統(tǒng)中摩擦強度變低,壓縮程度和剪切應(yīng)力下降,擠出物緊實程度下降,最終導(dǎo)致BD減小[18]。WAI與WSC的下降說明樣品中淀粉的親水能力減弱,可能與水溶性成分的分子降解程度變小、淀粉顆粒遭到破壞的程度降低等有關(guān)。該結(jié)論與文獻[18]一致。

2.3 擠壓溫度對擠出物糊化度及物理特性的影響

本實驗用于預(yù)糊化工藝的單螺桿擠壓機,其擠壓溫度由循環(huán)水溫來控制。擠壓溫度是影響擠出物性質(zhì)的重要影響因素之一,直接影響物料的糊化程度,合適的溫度才能得到適宜后續(xù)加工的擠出物[19]。溫度對于擠出物糊化度及其物理化學性質(zhì)的影響見表4。

表4 擠壓溫度對復(fù)配粉擠出物糊化度與物理化學特性的影響

根據(jù)表4可知,隨著擠壓溫度的增加,糊化度先增大,在溫度為70 ℃時達到峰值,之后下降。擠出物的表觀密度與糊化度相反,先降低再增大,最小值在70 ℃處。根據(jù)Marti[6]、Logie[19]等研究結(jié)果可知，溫度為擠壓機中淀粉的糊化提供能量支持,在一定溫度范圍內(nèi),溫度的升高有利于淀粉的糊化。然而,過高的溫度導(dǎo)致水分快速蒸發(fā),其他組分與水的結(jié)合能力增強,導(dǎo)致糊化度下降。在擠壓溫度過高時,原料中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等物質(zhì)更容易與淀粉反應(yīng)形成絡(luò)合物,這會影響擠出物的糊化性質(zhì)和BD。隨著擠壓溫度的升高,擠出物WAI和WSI呈上升趨勢,WAI與樣品的吸水性有關(guān),WAI越大,表明物料的親水性增強,對最終產(chǎn)品的復(fù)水作用有積極影響;WSI與樣品的水溶性有關(guān),WSI越大,表明物料的水溶性越強,這與水溶性成分的分子降解程度、淀粉顆粒遭到破壞的程度等有關(guān)。

2.4 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物糊化度及物理特性的影響

螺桿轉(zhuǎn)速是擠壓工藝中極為重要的一個參數(shù)。螺桿轉(zhuǎn)速低會延長物料在擠壓機中停留的時間,使其在高溫剪切作用下充分反應(yīng)[20-21]。旋轉(zhuǎn)的螺桿與機筒接觸會產(chǎn)生瞬間摩擦生熱,轉(zhuǎn)速越快,摩擦力越大,熱效應(yīng)在一定程度上也會增大[22]。螺桿轉(zhuǎn)速對于擠出物糊化度及物理化學性質(zhì)的影響見表5。

表5 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)配粉擠出物糊化度與物理化學特性的影響

根據(jù)表5可知,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加,糊化度先增大,在螺桿轉(zhuǎn)速為35 r/min時達到峰值,之后下降,這是因為螺桿轉(zhuǎn)速的提高縮短了物料在機內(nèi)滯留時間,與剪切作用相比,滯留時間占了主導(dǎo)作用[23]。螺桿轉(zhuǎn)速決定機械能輸入和滯留時間,進而影響淀粉顆粒降解、糊化[16]。在一定范圍內(nèi),螺桿轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致物料滯留時間減少,不能充分糊化,導(dǎo)致擠出物糊化度降低。螺桿轉(zhuǎn)速達到一定程度后,擠壓系統(tǒng)中摩擦力發(fā)生變化,摩擦作用增強,系統(tǒng)內(nèi)能量增加,加劇了淀粉顆粒的破裂程度,從而導(dǎo)致糊化度增加[6]。擠出物的BD先降低再增大,最小值出現(xiàn)在40 r/min處,可能與轉(zhuǎn)速過快影響絡(luò)合物的形成等有關(guān)。WAI和WSI隨螺桿轉(zhuǎn)速的上升而下降,這與水溶性成分的分子降解程度變小、淀粉顆粒遭到破壞的程度降低等有關(guān)。

2.5 預(yù)糊化工藝的優(yōu)化

響應(yīng)面實驗結(jié)果及方差分析見表6～表7。

表6 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

表7 糊化度的方差分析結(jié)果

經(jīng)分析可得如下回歸模型方程:

由表7方差分析結(jié)果可知,該模型極顯著(p<0.01),失擬項不顯著,該模型的決定系數(shù)R2=95.69%,表明模型與實際情況擬合很好,該模型可用。在該實驗條件下,進料水分對糊化度有極顯著的影響(p<0.01),溫度對糊化度有顯著性的影響(p<0.05)。擠壓工藝與糊化度的響應(yīng)面分析結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 進料水分和擠壓溫度對糊化度的影響

圖2 擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響

圖3 進料水分和螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響

根據(jù)圖1、圖2、圖3可知,在相同梯度條件下,等高線密集程度從大到小以此排列為X1X2>X1X3>X2X3,說明該條件下的進料水分與擠壓溫度的交互作用對糊化度的影響最大。通過響應(yīng)面分析可知,最優(yōu)糊化工藝為參數(shù)為進料水分37.36%,擠壓溫度71.82 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速34.44 r/min,此時糊化度預(yù)測值為75.87%。結(jié)合實際情況,設(shè)計實際驗證實驗參數(shù)為進料水分37%,擠壓溫度72 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速34 r/min時,此時產(chǎn)品糊化度為75.95%±3.12%,預(yù)測值為75.69%,誤差在1%內(nèi),說明該優(yōu)化結(jié)果與實際情況相符。

2.6 糊化度對重組米復(fù)水率的影響

不同進料糊化度下得到的擠壓重組米的復(fù)水率如圖4所示,隨著進料糊化度的增大,重組米的復(fù)水率呈現(xiàn)上升的趨勢,在進料糊化度為60%時達到峰值264%,在進料糊化度為70%時,復(fù)水率稍有下降,但與進料糊化度為60%時的數(shù)值無顯著性差異,并且顯著(p<0.05)大于以進料糊化度為30%、40%、50%時制備的重組米樣品。物料糊化度的差異對于所加工制得產(chǎn)品復(fù)水率的影響非常大[24],原料經(jīng)二次擠壓法制備的重組薯米具有更好的復(fù)水率,根據(jù)實驗結(jié)果,原料的糊化度大于50%時更有利于重組米品質(zhì)的改善。

圖4 進料糊化度對擠壓重組米復(fù)水品質(zhì)的影響

2.7 進料糊化度對重組米質(zhì)構(gòu)特性的影響

擠壓原料的糊化度會直接影響其糊化性質(zhì)和回生特性,進而影響重組米的品質(zhì)[25-26]。表8為進料糊化度對重組米質(zhì)構(gòu)特性的影響,隨著進料糊化度的增大,重組米的彈性、咀嚼度逐漸上升,而硬度逐漸下降,結(jié)果具有顯著性差異(p<0.05)。進料糊化度為30%時重組米的硬度是其他組對應(yīng)值的2～3倍。當進料的糊化度為30%時,重組米的咀嚼度與早秈米之間無顯著性差異;當進料的糊化度為50%時,重組米的硬度與早秈米之間無顯著性差異,因此,通過改變進料的糊化度可以明顯改善重組米的品質(zhì),糊化度應(yīng)該控制在50%左右為宜。

表8 重組米的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)

3 結(jié)論

隨著進料水分的增加,糊化度先增大后減小,擠出物的表觀密度,吸水性指數(shù)和水溶性碳水化合物含量都隨著進料水分的上升而降低。隨著擠壓溫度的增加,糊化度先增大后減小,擠出物的表觀密度先減小再增大,吸水性指數(shù)和水溶性碳水化合物含量都隨著擠壓溫度的上升而上升,吸水性指數(shù)的增加表明物料的親水性增強,有利于最終產(chǎn)品的復(fù)水作用,水溶性碳水化合物含量增加。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加,糊化度先增大后減小,擠出物的表觀密度先減小再增大,吸水性指數(shù)和水溶性碳水化合物含量都隨著螺桿轉(zhuǎn)速的上升而下降。響應(yīng)面試驗得出優(yōu)化后最優(yōu)預(yù)糊化工藝為:進料水分37%,擠壓溫度72 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速34 r/min。當進料糊化度為50%時,重組米的硬度和粘聚性最接近早秈米;進料糊化度為30%時,重組米的咀嚼度最接近重組米;增加進料的糊化度可有效提高重組米的彈性。在擠壓食品生產(chǎn)過程中,本論文的理論研究有助于為快速改善產(chǎn)品品質(zhì)提供參考。