馮進 丁秋霞 柴智

摘要：以混合雜糧粉（蠶豆粉 ∶ 蕎麥粉 ∶ 魔芋精粉質(zhì)量比10 ∶ 9 ∶ 1）為原料制備雜糧膨化營養(yǎng)粉，以可溶性膳食纖維（SDF）為指標，結(jié)合單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化了制備工藝，并通過體外胃腸道模型研究了產(chǎn)品的消化特性。結(jié)果表明，雜糧膨化營養(yǎng)粉制備的最佳參數(shù)組合為：物料含水量16%，Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，在該條件下，產(chǎn)品中SDF含量達到（18.13±0.15）%。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示，原料粉體顆粒發(fā)生了有效膨脹，原有的致密結(jié)構(gòu)受到破壞。擠壓膨化營養(yǎng)粉的碳水化合物水解指數(shù)，估計血糖生成指數(shù)和估計血糖負荷指數(shù)等均顯著低于雜糧原料粉，并且達到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品標準。

關(guān)鍵詞：雜糧;膨化營養(yǎng)粉;擠壓膨化;可溶性膳食纖維;模擬消化;血糖生成指數(shù)

中圖分類號： TS255.36 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0217-05

收稿日期：2020-04-08

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（17）2014、CX（19）2006]。

作者簡介：馮 進（1989—），男，山東德州人，博士，助理研究員，主要從事營養(yǎng)與健康領(lǐng)域研究。E-mail：fengjinzju@163.com。

通信作者：李春陽，黑龍江牡丹江人，博士，研究員，主要從事營養(yǎng)與健康領(lǐng)域研究。E-mail：lichunyang968@126.com。 ?隨著經(jīng)濟的發(fā)展和健康意識的提高，我國消費者對主食的追求也逐漸從“精白米面”向全谷物和雜豆食品轉(zhuǎn)變。一方面，雜豆和全谷物富含多種維生素和礦物質(zhì)，營養(yǎng)成分比較全面[1]。另一方面，這類產(chǎn)品中的膳食纖維含量高，碳水化合物消化慢，血糖生成指數(shù)低，對“三高”等代謝綜合征可以起到防控作用[2]。2016版的中國居民膳食指南也指出，正常成年人每天應(yīng)保證50～150 g全谷物和雜豆的攝入，約占飲食中谷薯類食物總攝入量的一半。發(fā)展全谷物食品產(chǎn)業(yè)和雜糧食品產(chǎn)業(yè)是我國糧食產(chǎn)業(yè)落實中央建設(shè)“健康中國”偉大戰(zhàn)略的重要組成部分，也是我國在“十三五”期間乃至更長時間內(nèi)糧食供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的重要舉措。

目前，市場上常見的雜豆和全谷物產(chǎn)品主要有發(fā)芽糙米、全麥粉、全麥面包、燕麥片等，產(chǎn)品形式較為單一且同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重。雜豆和全谷物類產(chǎn)品往往口感粗糙、重調(diào)性差、營養(yǎng)消化利用度低，給加工帶來了困難，也降低了消費者的購買熱情。隨著濕法膨化生產(chǎn)設(shè)備的日臻完善，全谷物膨化營養(yǎng)粉的創(chuàng)制和應(yīng)用引起了食品領(lǐng)域科技工作者的廣泛關(guān)注[3]。擠壓膨化技術(shù)可以通過壓力差和水分的閃蒸實現(xiàn)全谷物顆粒的膨脹，并且伴隨著淀粉的糊化、蛋白質(zhì)的變性以及抗營養(yǎng)因子的消減。更重要的是，擠壓膨化可以促進不溶性膳食纖維（IDF）向可溶性膳食纖維（SDF）轉(zhuǎn)變，從而有效改善高膳食纖維產(chǎn)品的口感和消化吸收率，提高了消費者的接受程度[4]。本研究選用蠶豆粉、蕎麥粉和魔芋精粉3種雜糧為原料，通過擠壓膨化處理制備膨化營養(yǎng)粉，以SDF為指標優(yōu)化制備工藝，并通過胃腸模型研究產(chǎn)品的體外消化狀況，從而為拓展國內(nèi)龐大的消費市場提供技術(shù)支撐和產(chǎn)品保障。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

蘇蠶3號蠶豆，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所提供;蕎麥粉，購自南京孝陵衛(wèi)市場;魔芋精粉，湖北強森魔芋科技有限公司生產(chǎn);耐高溫α-淀粉酶（180 U/mg），尤特爾生化有限公司生產(chǎn);中性蛋白酶（40 U/mg）、葡萄糖苷酶（50 U/mg）、胃蛋白酶（3 000 U/mg）、胰酶（包括蛋白酶285 U/mg、淀粉酶288 U/mg和脂肪酶56 U/mg）、膽汁鹽，上海生工生物工程股份有限公司產(chǎn)品。

KETSE20/40D型雙螺桿擠出機，德國Brabender公司生產(chǎn);FW177型中草藥粉碎機，天津特斯特公司產(chǎn)品;AS-1400型馬弗爐，上海安晟儀器廠生產(chǎn);MB3型快速水分測定儀，奧豪斯儀器（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 原料篩選→蠶豆粉碎過40目 篩→ 蠶豆粉、蕎麥粉、魔芋精粉按質(zhì)量比10 ∶ 9 ∶ 1混合→物料含水量調(diào)節(jié)→擠壓膨化→烘干→粉碎過40目篩。

1.2.2 擠壓膨化工藝優(yōu)化 通過單因素試驗研究物料含水量（16%～24%）、Ⅲ區(qū)擠壓溫度（120～180 ℃）以及螺桿轉(zhuǎn)速（110～190 r/min）對產(chǎn)品中SDF含量的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計原則，以物料含水量（A）、Ⅲ區(qū)擠壓溫度（B）、螺桿轉(zhuǎn)速（C）為自變量，SDF含量為響應(yīng)值，設(shè)計了3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗，各因素水平見表1。

1.2.3 雜糧營養(yǎng)膨化粉中SDF含量測定 根據(jù)GB 5009.88—2014《食品中不溶性膳食纖維的測定》中的酶-質(zhì)量法稍作改進。稱取1.0 g樣品置于150 mL三角瓶中，加入40 mL PBS緩沖液（pH值6.0±0.2，0.1 mol/L），并加入100 μL高溫α-淀粉酶溶液（10 000 U/mL），加蓋鋁箔，在100 ℃條件下水浴振蕩40 min。將酶解液冷卻至60 ℃，加入100 μL中性蛋白酶溶液（400 U/mL），在60 ℃條件下水浴振蕩30 min。用0.1 mol/L鹽酸溶液將pH值調(diào)至4.5±0.2，加入100 μL葡萄糖苷酶溶液（3 300 U/mL），在60 ℃水浴振蕩條件下繼續(xù)酶解30 min。抽濾消化液，并用熱水洗滌2次，收集合并洗滌液，轉(zhuǎn)移至燒杯中，根據(jù)濾液總體積，加入4倍體積的95%乙醇，室溫下沉淀1 h。用G2砂芯坩堝過濾（加入適量硅藻土做助濾劑），用70%乙醇洗滌2次，丙酮洗滌2次，105 ℃烘干至恒質(zhì)量。另取2份分別做蛋白和灰分校正。其中，原料粉（蠶豆粉與蕎麥粉、魔芋精粉按照10 ∶ 9 ∶ 1的質(zhì)量比混合）中SDF含量為（8.53±0.25）%。

1.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察 用雙面膠帶將干燥后的雜糧原料粉和雜糧擠壓膨化營養(yǎng)粉粘到不銹鋼樣品臺上，并對其進行真空鍍金，用 JSM-6330F 型場發(fā)射掃描電鏡觀察形貌。

1.2.5 體外消化試驗 參照文獻[5]方法略作改動。將2.0 g NaCl，7.0 mL HCL和3.2 g胃蛋白酶溶解于超純水中，定容至1 L，得到模擬胃液。模擬腸液中含有0.30 mmol/L氯化鈣，30.72 mmol/L氯化鈉，5 mg/mL的膽汁鹽以及8 mg/mL的胰酶。準確稱量含有1 g碳水化合物的不同樣品置于水解管中，加入10 mL蒸餾水，渦旋振蕩、混合均勻。80 ℃ 加熱20 min。冷卻后將水解管移入37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中，加入10 mL模擬胃液，300 r/min條件下振蕩孵育30 min。將模擬胃消化后的樣品迅速調(diào)至pH值7.0，并與等體積的模擬腸液混合，在相同條件下孵育180 min，間隔特定時間取1.0 mL水解液，沸水浴滅酶，離心取上清液，用DNS法測定各時間段水解上清液中葡萄糖含量。在同樣條件下進行白面包的模擬消化試驗作為對照。碳水化合物水解度的計算公式為[6]：

碳水化合物水解度=水解液中葡萄糖當量×09/500×100%。

分別以水解時間和碳水化合物水解率為橫、縱坐標制作曲線，利用Origin軟件計算曲線下積分面積（area under curve，AUC），通過以下公式計算碳水化合物水解指數(shù)（HI），估計血糖生成指數(shù)（EGI）和估計血糖負荷指數(shù)（EGL）[7]：

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次，試驗結(jié)果以平均值±標準差來表示，使用SPSS 18.0軟件進行方差分析，試驗數(shù)值間以ANOVA法進行顯著性檢驗。選取P<0.05為顯著水平，圖表中不同小寫字母代表顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 原料含水量對雜糧膨化營養(yǎng)粉SDF含量的影響 由圖1可以看出，隨著原料含水量的增加，營養(yǎng)粉中的SDF含量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。當物料含水量為16%時，營養(yǎng)粉中SDF含量最高，為1664%，是雜糧原料粉[SDF含量為（8.53±025）%]的將近2倍。而物料含水量增加至24%時，營養(yǎng)粉中SDF含量降低至10%左右。推測原因可能為當雜糧原料中水分含量越高，升溫所需要的熱量越多，導(dǎo)致了物料升溫速率慢，不利于IDF向SDF轉(zhuǎn)化[8]。另外，過量的水蒸氣噴發(fā)也會降低營養(yǎng)粉的擠壓膨化效果[9]。然而，在實際操作過程中，當雜糧原料含水量低于16%時，物料流動性比較差，機器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，不利于生產(chǎn)。因此，選擇含水量16%～20%進行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.1.2 Ⅲ區(qū)擠壓溫度對雜糧膨化營養(yǎng)粉中SDF含量的影響 由圖2可以看出，隨著Ⅲ區(qū)擠壓溫度的升高，營養(yǎng)粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢。擠壓機的機筒溫度越高，傳遞給物料的熱量越多，同時因為強剪切力和擠壓作用，使得IDF分子中糖苷鍵斷裂，提高了物料的親水性。當Ⅲ區(qū)擠壓溫度增加到150 ℃時，可溶性膳食纖維含量達到最大值16.44%。而當Ⅲ區(qū)擠壓溫度高于150 ℃后，可溶性膳食纖維含量逐漸降低，這可能是因為擠壓溫度過高，物料中纖維還原端與蛋白質(zhì)之間的美拉德反應(yīng)更加明顯，從而降低產(chǎn)品溶解度。方勇等在研究金針菇/發(fā)芽糙米擠壓膨化工藝時發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[10]。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對雜糧膨化營養(yǎng)粉中SDF的影響 由圖3可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，雜糧膨化營養(yǎng)粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢。一般而言，螺桿轉(zhuǎn)速越大，剪切力越大，越有利于IDF纖維的降解以及向SDF的轉(zhuǎn)化[11]。當螺桿轉(zhuǎn)速增加到150 r/min時，可溶性膳食纖維含量達到最大值，為15.63%，相對于雜糧原料增加了83%。當螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時，物料在擠壓機筒中的時間停留過短，導(dǎo)致作用力不夠，反而不利于SDF的形成。因此，選擇130～170 r/min進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 二次響應(yīng)面回歸模型的建立與分析 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果見表2，應(yīng)用Design Expert軟件進行回歸擬合分析，得到工藝參數(shù)條件與營養(yǎng)粉中可溶性膳食纖維含量之間的二次多項式模型為：Y=16.30-2.79A-1.00B-1.13C+1.62AB-032AC-0.075BC-1.41A2-2.43B2-2.76C2。由表3可知，回歸模型具有極顯著性（P<0.01），失擬性不顯著（P=0.116 9>0.05），并且R2為0.981 6，R2adj為0.957 8，說明方程對試驗的擬合性較好[12]?；貧w方程各項方差分析表明，A（物料含水量）、B（Ⅲ區(qū)擠壓溫度）和C（螺桿轉(zhuǎn)速）對營養(yǎng)粉中SDF含量

影響極顯著（P<0.01）。二次項A2、B2、C2以及交互項AB也對膨化營養(yǎng)粉中SDF含量影響效果極顯著（P<0.01），交互項AC和BC對SDF含量的影響不顯著（P>0.05）。通過F值可以獲得各因子對產(chǎn)品中SDF含量影響能力的順序為：A（物料含水量）>C（螺桿轉(zhuǎn)速）>B（Ⅲ區(qū)擠壓溫度）。

2.2.2 兩因子間交互作用分析 響應(yīng)面分析圖見圖4至圖6。由圖4可知，當擠壓溫度固定時，SDF含量與原料含水量呈負相關(guān);當原料含水量一定時，SDF含量隨擠壓溫度升高呈先增加后減小的趨勢。整個響應(yīng)曲面的坡度陡峭，且等高線呈橢圓形，說明擠壓溫度與含水量交互作用比較顯著。由圖5可知，當螺桿轉(zhuǎn)速一定時，SDF含量隨著含水量的增加呈逐漸下降的趨勢;當含水量一定時，SDF含量隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。與圖4相比，圖5中的等高線更加接近圓形。因此，同擠壓溫度相比，含水量與螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用不夠顯著。由圖6可知，當螺桿轉(zhuǎn)速一定時，SDF含量隨著擠壓溫度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當擠壓溫度一定時，SDF含量隨著含水量的增大，也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。由于其等高線圖呈圓形，說明二者的交互作用不顯著[13]。

2.2.3 最佳工藝參數(shù)預(yù)測及驗證試驗 通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化雜糧膨化營養(yǎng)粉制備的最佳工藝參數(shù)為物料含水量16.22%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142.20 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速145.97 r/min，此時產(chǎn)品中的SDF含量可達到18.44%;考慮實際情況下，選用的工藝條件為物料含水量16%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，此時蠶豆營養(yǎng)粉的可溶性膳食纖維含量為（18.13±0.15）%， 與預(yù)測值相差1.7%， 表明此

模型具備很強的可靠性，可以用于雜糧膨化營養(yǎng)粉中SDF含量的預(yù)測。

從圖7-A1和圖7-B1中可以看出，混合原料粉顆粒表面粗糙且結(jié)構(gòu)規(guī)則，排列有序，結(jié)合緊密;而經(jīng)過擠壓膨化得到的產(chǎn)品，顆粒表面凹凸不平、體積膨大，表明原有的致密結(jié)構(gòu)受到了破壞（圖7-A2和圖7-B2）。SEM的觀察結(jié)果說明，在擠壓膨化過程中，擠壓機內(nèi)的高溫、高壓、高剪切力造成了原

料中生物大分子之間共價鍵和非共價鍵的斷裂，從而誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化以及IDF向SDF的轉(zhuǎn)變。

2.3 體外消化性質(zhì)評價

采用體外模擬胃腸道模型進一步對雜糧原料粉和雜糧膨化營養(yǎng)粉中的碳水化合物消化情況，并使用白面包為對照。從圖8可以看出，3種樣品在前60 min消化較快，60 min后水解度趨于平穩(wěn)。在所研究的任意時間點，3種樣品碳水化合物的水解度大小順序為：雜糧膨化營養(yǎng)粉<雜糧原料粉<白面包。白面粉屬于精加工主食，消化最快。值得一提的是，原料粉經(jīng)過膨化處理后，碳水化合物的消化變慢，原因可能有以下2點：（1）膨化處理提高了SDF含量，SDF膨脹性和溶解性好，從而增加了消化液黏度，使得消化酶和產(chǎn)物擴散速率變慢[14];（2）膨化營養(yǎng)粉中淀粉發(fā)生了回生，抗性淀粉含量變高，因此抗消化性增強[15]。

進一步計算了3種樣品的HI、EGI、EGL等指標（表4），擠壓膨化處理后，雜糧的HI、EGI和EGL下降顯著。雜糧膨化營養(yǎng)粉的EGI為4988，小于55，達到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品的標準。雜糧膨化營養(yǎng)粉的EGL為24.78，高于20，依然屬于高血糖負荷指數(shù)產(chǎn)品，但是顯著低于白面包（4144）等主食，因此仍然可以起到替代部分主食的作用。

3 結(jié)論

本研究采用單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化了雜糧膨化營養(yǎng)粉的制備工藝，得到最佳參數(shù)組合為物料含水量16%、Ⅲ區(qū)擠壓溫度142 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速146 r/min，在該條件下，產(chǎn)品中SDF含量達到（1813±0.15）%。SEM結(jié)果顯示，擠壓膨化處理導(dǎo)致原料粉顆粒發(fā)生膨脹，并伴隨著原有致密結(jié)構(gòu)的坍塌。通過模擬胃腸道模型進一步研究了產(chǎn)品的體外消化狀況。結(jié)果表明，雜糧膨化營養(yǎng)粉的HI、EGI、EGL等參數(shù)均顯著低于原料，部分指標達到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品的標準，可以用來部分替代主食，起到補充膳食纖維和微量營養(yǎng)素、延長飽腹感的作用。

參考文獻：

[1]郭孝平，曾善榮，王玉財. 谷物和豆類初級加工對其營養(yǎng)品質(zhì)的影響[J]. 生物化工，2020，6（2）：147-151，160.

[2]張 伊，向雪松，高 超，等. 不同品種和加工精度谷物對大鼠血糖和血脂的影響[J]. 衛(wèi)生研究，2020，49（3）：434-441.

[3]付昱東，何 東，楊慶余，等. 擠壓膨化技術(shù)在玉米深加工產(chǎn)業(yè)中研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工，2020，498（2）：68-71，76.

[4]劉 超，賀稚非，李 雪，等. 谷物組成對擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2019，45（24）：105-110，118.

[5]Feng J，Xu H，Zhang L，et al. Development of nanocomplexes for curcumin vehiculization using ovalbumin and sodium alginate as building blocks：Improved stability，bioaccessibility，and antioxidant activity[J]. J Agric Food Chem.，2019，67（1）：379-390.

[6]Goni I，Garcia-Alonso A，Saura-Calixto F. A starch hydrolysis procedure to estimate glycemic index[J]. Nutrition Research，1997，17（30）：427-437.

[7]Akerberg A，Liljeberg H，Bjorck I. Effects of amylose/amylopectin ratio and baking conditions on resistant starch formation and glycaemic indices[J]. Journal of Cereal Science，1998，28（1）：71-80.

[8]單成俊，周劍忠，黃開紅，等. 擠壓膨化提高甘薯渣中可溶性膳食纖維含量的研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009，21（6）：90-91，99.

[9]劉漢文，黃良策，陳洪興，等. 擠壓膨化對豆渣可溶性膳食纖維的影響[J]. 食品科學(xué)，2011，32（8）：159-162.

[10]方 勇，王紅盼，楊文建，等. 金針菇復(fù)配發(fā)芽糙米擠壓膨化工藝及產(chǎn)品品質(zhì)特性[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（4）：727-738.

[11]李艾霖，尚 婧，云少君，等. 響應(yīng)面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2017，35（6）：28-35.

[12]楊 玲，陳 陽，楊小生，等. 響應(yīng)面法優(yōu)化仙茅多糖酶解工藝及體外免疫活性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（8）：229-237.

[13]錢 敏，李春陽，劉玉皎. 響應(yīng)面法優(yōu)化蠶豆多酚超聲輔助提取工藝[J]. 食品工業(yè)科技，2018，39（9）：194-200.

[14]Jia M，Yu Q，Chen J，et al. Physical quality and in vitro starch digestibility of biscuits as affected by addition of soluble dietary fiber from defatted rice bran[J]. Food Hydrocolloids，2020，99：1-8.

[15]Zou J，Xu M，Wen L，et al. Structure and physicochemical properties of native starch and resistant starch in Chinese yam （Dioscorea opposita Thunb.）[J]. Carbohydrate Polymers，2020，237：1-10.李海露，孫玉桃，吳小丹，等. 稀硝酸浸提法檢測植物中的鎘含量[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（11）：223-226.