李光磊, 章 銀, 魏楷東, 魏麗雯, 龔詩語, 袁 建, 邢常瑞

(南京財經大學食品科學與工程學院; 江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心;江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,南京 210023)

大糕是我國傳統(tǒng)即食型米制品,由于產地和制作工藝的差異大糕有多個地方品種,如玉帶糕、云片糕、雪片糕和方片糕等。江蘇是我國大糕重要產地,據(jù)江蘇省知識產權局公布數(shù)據(jù)顯示,僅阜寧縣2021年的大糕銷售額就達到13.8億元[1],然而大糕生產基本沿襲傳統(tǒng)的制作工藝,生產企業(yè)規(guī)模較小,工業(yè)化程度不高[2]。大米熟化制粉是大糕加工的重要環(huán)節(jié),熟化大米粉的品質特性是決定大糕成品質量的關鍵因素。因此,研究大糕加工過程中重要的制粉工藝,對于傳統(tǒng)食品發(fā)展和物質文化傳承具有重要意義。

相較于傳統(tǒng)的焙炒制粉,擠壓膨化制粉具有產品質量穩(wěn)定、生產效率高、綠色節(jié)能等特點,適用于食品工業(yè)化生產[3,4]。食品經過擠壓膨化的高溫、高壓、高剪切環(huán)境,纖維素、淀粉等大分子物質發(fā)生分解,有利于消化吸收,并有效改善制品的品質特性[5]。方浩標等[6]通過對雙螺桿擠壓膨化工藝優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)紫糙米擠壓粉的總淀粉、支鏈淀粉、脂肪含量均降低,水溶性指數(shù)(WSI)、吸水性指數(shù)(WAI)、水合能力均得到提高,其營養(yǎng)價值、水合性能得到改善。王慶等[7]研究發(fā)現(xiàn),螺桿轉速、物料含水量以及膨化溫度對膨化粉糊化度和大米蛋白體外消化率影響顯著,在優(yōu)化的擠壓膨化條件下,糊化度超過90%,大米蛋白質體外消化率提高了10%以上。曹家寶等[8]以大米和綠豆為原料,通過擠壓膨化制備嬰兒膨化營養(yǎng)米粉,研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化后淀粉顆粒表面粗糙度增加,體積密度、WSI、糊化度均達到預測值,消化率達到91%,超過市售同類產品。Jabeen等[9]對荸薺粉和玉米粉擠壓膨化研究發(fā)現(xiàn)原料配方、物料含水量、螺桿轉速和機筒溫度對擠壓膨化物的膨脹系數(shù)、容重、WSI、吸水率、硬度和色澤均有顯著影響,最優(yōu)條件下,擠壓膨化物水分、蛋白質和脂肪含量顯著低于玉米和荸薺,且最終制品具有更好的儲藏和感官特性。

擠壓膨化技術的工藝變量和產品變量,如原料成分、膨化溫度、螺桿轉速等均會影響擠出物的品質特性[10]。然而,制作大糕的原料米粉的擠壓膨化工藝未被系統(tǒng)研究。因此,以大米為原料,研究不同擠壓膨化條件對徑向膨化率、WSI、WAI、白度等品質影響規(guī)律,通過響應面優(yōu)化確定膨化粉產品最佳擠壓膨化條件,技術對膨化前后的米粉結構進行表征,為實現(xiàn)高品質膨化粉工業(yè)化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用粳米和糯米分別為蘇墾粳米和金皖糯。石油醚、乙醇、硼酸、CuSO4、NaOH、KOH、硫酸、鹽酸、碘、碘化鉀等分析檢測用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DSE-29/40D雙螺桿擠壓膨化機、TM3000型臺式掃描電鏡、X’TRAX射線衍射儀、K-436快速消解儀、K100自動凱氏定氮儀。

1.3 方法

1.3.1 膨化粉制備流程及操作要點

大米原料清洗除去雜質;3 000 r/min離心脫水至無水滴落,30 ℃干燥;粉碎機粉碎,潤粉機中調控物料達到實驗設定水分含量;擠壓膨化(Ⅰ區(qū)40 ℃,Ⅱ區(qū)60 ℃,Ⅲ區(qū) 90 ℃,Ⅳ區(qū)120 ℃,V區(qū)溫度即實驗設定的膨化區(qū)溫度);粉碎,過80目篩,收集篩下物備用。

1.3.2 膨化粉制備單因素實驗

采用單因素輪換法,依次考察膨化區(qū)溫度(125、135、145、155、165 ℃)、螺桿轉速(140、150、160、170、180 r/min)、物料水質量分數(shù)(14%、16%、18%、20%)及粳米質量分數(shù)(10%、20%、30%、40%、50%)對膨化粉的徑向膨化率、體積密度、WSI、WAI、糊化度、白度值W、L*、a*、b*的影響。

1.3.3 膨化粉制備響應面優(yōu)化實驗

在單因素實驗結果的基礎上,根據(jù)Box-Behnken響應面設計原理,選擇膨化溫度(A)、物料含水量(B)、粳米添加量(C)3個自變量,以膨化粉糊化度為響應值,對膨化粉制備工藝進行優(yōu)化,實驗因素及水平如表1所示。

表1 響應面設計因素水平表

1.3.4 品質特性參數(shù)測定

1.3.4.1 基本營養(yǎng)成分測定

水分參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中直接干燥法測定;蛋白質參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中凱氏定氮法測定;脂肪參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中索氏提取法測定;直鏈淀粉參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》測定;總淀粉參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》中酶水解法測定;灰分參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》中的總灰分測定法測定?；曳?、脂肪含量和蛋白質含量以干重百分比為單位進行報告,用差值法計算支鏈淀粉含量。

1.3.4.2 徑向膨化率的測定

用游標卡尺分別測定?？谥睆絛2(mm)及擠出物的直徑d1(mm),隨機取樣測定10次,取平均值,徑向膨化率(A)計算公式為:

A=d1/d2

1.3.4.3 體積密度的測定

稱取10 g樣品于量筒,輕輕振動至樣品高度不再減少,讀取樣品體積V,按公式計算體積密度(bulkdensity,BD)值。

BD/(g/mL)=m/V

1.3.4.4 WSI和WAI的測定

參考Anderson等[11]的方法并稍加修改。稱取樣品(m1)2.5 g,放入裝有30.0 mL蒸餾水的離心管中,充分混均,在室溫下水平放置12 h后離心(4 000 r/min,20 min),將上清液倒入預先恒重的鋁盒(m2)中,放入烘箱內,在105 ℃條件下干燥至恒重(m3),同時稱量沉淀殘留物的質量(m4),用公式計算。

1.3.4.5 糊化度測定

將膨化粉(50.0 mg)均勻分散在24.5 mL去離子水中,加入0.5 mL濃度為10 mol/L的KOH溶液,磁力攪拌5 min,4 500×g離心10 min,取上清液1.0 mL,加入0.2 mL濃度為1 mol/L的HCl溶液,去離子水定容至10 mL,然后加入0.1 mL碘溶液(0.5 g碘和2 g碘化鉀定容至50 mL),混勻,測定600 nm處吸光度A1;重復步驟,將去離子水體積改為22.5 mL,KOH溶液體積改為2.5 mL,HCl體積改為1 mL,其他條件不變,測得吸光度為A2[12]。糊化度X計算公式為:

1.3.4.6 白度測定

使用色差儀測定,記錄樣品的L*、a*和b*值,L*表示亮度,a*表示紅(+)/綠(-),b*黃(+)/藍(-)。白度值(W)的計算公式為:

1.3.4.7 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

用導電膠固定少量樣品,使其均勻分散,真空噴金處理后置于電鏡載物臺,設置電壓為10 kV,分別用100、600、1 000倍3個不同放大倍數(shù)對樣品進行觀察分析。

1.3.4.8 X射線衍射(XRD)測定

使用X射線衍射儀測量,掃描角度為3°～60°,掃描速度3(°)/min,步長0.02°。樣品在40 kV和40 mA Cu-Ka輻射下運行。X射線衍射結果通過Jade 6軟件分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert V.8.0.6統(tǒng)計軟件設計分析響應面實驗,利用SPSS軟件(version 26.0, SPSS Inc.)進行單因素方差分析(ANOVA)和Ducan′s多重檢驗,在0.05的顯著性水平下評估樣本均值之間的差異。除特殊說明外,各指標進行3次重復,每次重復3次平行。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化工藝單因素實驗結果

2.1.1 膨化溫度對膨化品質特性的影響

不同膨化溫度對膨化粉物理特性的影響如表2所示,不同膨化溫度對膨化粉物理特性的影響較大。徑向膨化率可直觀表征大米粉擠壓膨化后的體積膨脹程度。在125～145 ℃,徑向膨化率隨膨化溫度升高而增大,這是因為高擠壓溫度會加速物料中水的蒸發(fā)擴散程度,從而促進氣泡的形成,導致擠出物呈網狀多孔結構,體積變大,從而提高了徑向膨化率[13]。當溫度超過145 ℃后,徑向膨化率反而下降,有可能是當溫度過高,膨化機膛體內部壓強過大,物料水分散失過快,導致淀粉未能完全糊化,從而影響到擠出物的徑向膨化率[14]。

表2 擠壓膨化溫度對膨化米粉品質特性的影響

體積密度是衡量膨化粉內部空隙大小的一個重要指標,與膨化粉的粒徑、形狀、顆粒間靜電相互作用、范德華力等因素密切相關,膨脹率與體積密度呈現(xiàn)相反趨勢。隨著膨化溫度的上升,體積密度先減后增,在145 ℃時膨化粉體積密度最小0.36,顯著小于其他膨化溫度下產品的體積密度值。

糊化度隨膨化溫度增大呈先增后減的趨勢,在145 ℃糊化度達到最大的90.25%。膨化制品糊化度增大,有利于消化吸收。

擠壓膨化溫度對WSI和WAI均有顯著影響,呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在145 ℃時,分別達到最大值50.84和5.88。這表明在適當溫度下,雙螺桿擠壓膨化導致淀粉分子間和分子內的氫鍵斷裂,分子內部大量親水基團如羥基暴露,導致吸水性增加[15]。然而,過高的溫度會導致WAI降低,這是由于可溶性蛋白與可溶性糖之間通過美拉德反應形成復合物[16]。

在125～145 ℃范圍內隨著膨化溫度的上升,亮度指數(shù)L*和白度W值都顯著增大,產品色澤變得亮白,紅-綠值a*、黃-藍值b*顯著減小,說明隨著加工溫度升高,膨化粉顏色向藍紅轉變。這可能是物料在膨化溫度過低時,米粉沒有得到充分的糊化,米粉擠壓在一起導致顏色加深,色澤暗淡。當膨化溫度超過145 ℃后,膨化米粉L*值減小,a*值、b*值呈增加趨勢,即膨化粉亮度下降、色澤變暗、黃色增強,W減小,這些顏色的改變可能與高溫下非酶褐變的發(fā)生有關[17]。綜合考慮,適宜膨化溫度為135～155 ℃。

2.1.2 螺桿轉速對膨化粉品質特性的影響

如表3所示,在實驗設定的螺桿轉速范圍內,隨著螺桿轉速的增加,米粉的徑向膨化率和體積密度變化顯著。隨著螺桿轉速的增加,徑向膨化率先增后減,體積密度呈現(xiàn)先減后增的趨勢。當螺桿轉速小于150 r/min時,隨著螺桿轉速增加,剪切和摩擦作用增加,物料組分糊化裂解更加充分,水分大量氣化,徑向膨化率提高,體積密度下降。當螺桿轉速超過150 r/min,物料在擠壓膨化膛體停留時間減少,糊化裂解不充分,導致徑向膨化率下降,體積密度增加[18]。

表3 物螺桿轉速對膨化米粉品質特性的影響

膨化粉的WSI和WAI均呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在螺桿轉速為150 r/min時,WSI和WAI均達到最大值,分別為50.74%和5.79,是擠壓膨化前原料粉的16.4倍和2.69倍。這說明在適當轉速下,機械剪切造成淀粉、蛋白等大分子的局部降解,導致親水性基團暴露[19],導致WSI和WAI增大。當螺桿轉速過快時,物料在膛體滯留時間過短,物料未被充分擠壓膨化,導致其WSI和WAI減小。這與裴斐等[20]和張守文等[21]的研究結果一致。

隨著螺桿轉速的增大,膨化粉亮度指數(shù)L*值呈先增后減的趨勢,而a*值、b*值呈先減后增的趨勢。在螺桿轉速為150 r/min時,膨化粉L*值達到最大91.58,而a*值、b*值達到最小值為-0.21、5.21,此時白度值W為最大值90.10,即色澤最亮,白度最大。根據(jù)螺桿轉速對膨化粉理化特性影響結果,選擇螺桿轉速為150 r/min。

2.1.3 物料含水量對膨化粉品質特性的影響

物料含水量對膨化粉物理性質的影響見表4。隨著物料含水量的增加,徑向膨化率呈先增大后減小的趨勢,徑向膨化率變化顯著。膨化粉的體積密度隨物料含水量呈現(xiàn)先減后增的趨勢,當含水量為16%～20%,體積密度變化差異不顯著。含水量為18%時糊化度、WSI和WAI均達到最大值,這說明適量的水份是淀粉糊化的必要條件。當水分繼續(xù)增加時WSI和WAI降低,可能是因為物料較高的含水量會導致膛體內擠壓溫度降低,使得熱和機械能降低,糊化程度降低[22]。膨化粉的白度W隨物料含水量的增加變化差異不顯著。因此,選擇物料水質量分數(shù)為16%～20%。

表4 物料含水量對膨化粉品質特性的影響

2.1.4 粳米添加量對膨化粉品質特性的影響

如表5所示,隨著粳米添加量增加,徑向膨化率顯著增加,膨化粉體積密度顯著降低。膨化粉的糊化度隨著粳米添加比例增加變化顯著,糊化度呈先增后減的趨勢,在粳米質量分數(shù)為30%時,糊化度達到最大89.97%。這可能是隨著粳米添加量的增加,米粉中直鏈淀粉含量增加,直鏈淀粉含量不同對擠壓特性和產品質量有重要影響[23],但并不與直鏈淀粉含量存在線性關系,這可能還與淀粉結構以及與蛋白質的相互作用有關[24]。同時直鏈淀粉增加,導致膨化粉水溶性變小,吸水性增大[25]。隨著粳米添加量的增大,膨化粉白度W變化不顯著。因此,粳米添加比例適宜范圍為20%～40%。

表5 粳米添加量對膨化粉品質特性的影響

2.2 擠壓膨化工藝響應面優(yōu)化分析

2.2.1 響應面設計與結果

在單因素實驗結果基礎上,選取膨化溫度(A)、物料含水量(B)和粳米添加量(C)為自變量,以糊化度作為響應值(Y),采用Box-Behnken中心組合試驗設計成三因素三水平實驗,實驗設計見表6。

表6 Box-Behnken設計方案及結果

2.2.2 響應曲面回歸模型的建立與分析

使用Design Expert V.8.0.6統(tǒng)計軟件對表6數(shù)據(jù)進行擬合,得到二次多項式回歸模型為:

Y(糊化度)=91.10-5.22A-0.76B+2.57C-2.42AB+1.42AC+1.73BC-10.43A2-8.54B2-4.60C2

表7 回歸方程顯著性檢驗與方差分析

通過實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化,得出膨化粉的理論最佳擠壓膨化工藝為:膨化溫度142.64 ℃,物料水質量分數(shù)為18.03%,粳米質量分數(shù)32.4%,螺桿轉速150 r/min,擠出膨化處理后獲得膨化粉的糊化度為92.02%。為了實際操作方便,將最佳膨化工藝修改為:壓膨化溫度143 ℃,物料水質量分數(shù)為18%,粳米質量分數(shù)32%,螺桿轉速150 r/min。經過實驗驗證,在此條件下膨化粉糊化度為91.15%,與理論值偏差為0.9%,不超過2%,說明該模型可以較好預測膨化工藝對膨化度的影響。

2.3 米粉擠壓膨化前后理化參數(shù)

大米粉在最佳膨化工藝條件下膨化前后的各項指標如表8所示,擠壓膨化后水分、灰分、總淀粉、支鏈淀粉、蛋白質和粗脂肪的含量均顯著下降,而直鏈淀粉的質量分數(shù)顯著增加,從膨化前的5.83%增大到膨化后的7.58%。這可能是由于在擠壓過程中原料粉的淀粉發(fā)生糊化,部分變成糊精,發(fā)生降解,導致總淀粉含量降低。同時,支鏈淀粉的側鏈斷裂從而導致含量降低,而斷裂下來的支鏈變成了短的直鏈淀粉,導致支鏈淀粉減少,直鏈淀粉含量增大。在高溫、高壓、高剪切力作用下,原料粉中部分蛋白質發(fā)生變性,氨基酸降解,蛋白質含量降低。粗脂肪含量的降低可能有2個原因,首先在高溫條件下,游離脂肪酸易被氧化,另一個原因可能是高溫物料在擠出頭處高壓瞬間釋放,油脂從物料中分離[26]。

表8 擠壓膨化對大米粉理化參數(shù)影響

原料粉經過擠壓膨化,體積密度從0.87 g/mL降低為0.35 g/mL,同時WSI、WAI顯著升高,分別提高了16.4倍和2.7倍。膨化后米粉L*值減小,a*值、b*值增加、W減小,即膨化粉亮度下降、色澤變暗、黃綠增強。

2.4 米粉擠壓膨化前后微觀結構

擠壓膨化前后大米粉的掃描電子顯微鏡(SEM)結果如圖1所示,擠壓膨化前的米粉中淀粉顆粒破損程度小,顆粒完整。經擠壓膨化后的膨化粉,淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂紋和溝槽,原有規(guī)則結構變?yōu)闊o序的松散狀,同時還形成了較多的氣泡微孔結構。淀粉在高溫、高壓、高剪切環(huán)境發(fā)生熱溶脹和糊化,在物料噴出?？趬毫λ查g釋放,使得淀粉原本的微觀結構進一步破壞,導致膨化粉體積密度減小,同時這種蜂窩狀結構也增大了淀粉與水的接觸面積,從而提高了其WSI和WAI。

圖1 擠壓膨化前(a)后(b)米粉的SEM圖

圖2為原料粉膨化前后的X射線衍射圖樣。未經擠壓膨化的大米淀粉呈典型A型結晶結構,在2θ為15.2°、17.1°、18.0°及22.8°上顯示吸收峰。膨化后的淀粉在2θ為12.9°和19.8°處的特征峰,呈現(xiàn)典型V 型結構圖譜,這是由緊密排列的單直連淀粉螺旋與不同極性和非極性化合物絡合形成的[27,28]。經過擠壓膨化,淀粉失去了大部分結晶峰,表明原有淀粉有序結構幾乎完全被破壞,淀粉徹底糊化,這與SEM結果分析相一致。

圖2 擠壓膨化前后大米粉的XRD圖

3 結論

基于擠壓膨化技術研究了不同擠壓膨化條件對大米粉品質特性的影響,通過單因素和響應面實驗優(yōu)化出最佳擠壓膨化工藝參數(shù)為:壓膨化溫度143 ℃,物料水質量分數(shù)為18%,粳米質量分數(shù)32%,螺桿轉速150 r/min。經過實驗驗證,膨化粉糊化度為91.15%,與所建模型的預測值接近。通過對膨化前后大米粉的理化參數(shù)檢測及SEM和XRD的微觀分析表明,在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下,膨化后淀粉顆粒發(fā)生崩解,糊化徹底,顯著提高了米粉的理化品質,為即食米制品如大糕的加工提供理論數(shù)據(jù)參考。然而,食品體系中各成分互作用對膨化擠出物的性質影響復雜,相應的機制和規(guī)律有待進一步探討。