張 潁 姜啟興 許艷順， 石 勇 王海鷗

ZHANG Ying 1 JIANG Qi－xing 1 XU Yan－shun 1，2 SHI Yong 2 WANG Hai－ou 1

（1.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2.好想你棗業(yè)股份有限公司，河南 新鄭 451100）

（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China；2.Hao Xiang Ni Jujube Co.，Ltd，Xinzheng，Henan 451100，China）

為滿足消費者對健康方面日益關(guān)注的要求，眾多食品生產(chǎn)商都在尋找向產(chǎn)品中添加功能性配料的方法。有研究［1］表明，可溶性膳食纖維（solutable dietary fibre，SDF）可以增加食物在腸道內(nèi)的過渡時間，延緩胃排空和減緩葡萄糖在小腸的吸收，降低血清膽固醇；不溶性膳食纖維具有高持水性，食品中含有充足的不溶性膳食纖維（insolutable dietary fibre，IDF）時能夠減少腸道輸送運轉(zhuǎn)的時間，因其具有上述功能性，膳食纖維常被用于緩解一些疾病癥狀，如糖尿病、動脈粥樣硬化和結(jié)腸癌等。

谷物早餐粉是經(jīng)過預煮和進一步加工的谷物。通常采用牛奶或水對其進行沖調(diào)，短時內(nèi)達到粘稠的糊狀后便可食用。最早的谷物早餐食品是在1863年由Jacrson研制出的granula。此后，谷物早餐食品的配料也不斷變化，由原來的以單一谷物配方變成現(xiàn)在的以谷物為主要原料復配添加多種輔料，如豆類、薯類、魚肉、果蔬粉、麩皮、果渣、礦物質(zhì)、維生素等，在改善產(chǎn)品風味的同時更提升了營養(yǎng)價值。

本研究擬選用粳米和赤小豆為主要谷物原料，以棗渣作為膳食纖維的主要來源，添加適量的紅棗和紅蓮子，采用擠壓加工法制作高膳食纖維谷物早餐粉。利用中心組合設計試驗，以響應面分析法研究擠壓加工參數(shù)對產(chǎn)品膳食纖維成分和物理性質(zhì)的影響，以最終確定早餐粉的最適擠壓加工條件，為早餐粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料

大米、赤小豆、蓮子：購于無錫某農(nóng)貿(mào)市場；

小紅棗：產(chǎn)地山東；

棗渣：紅棗浸提后的殘渣用濕法超微粉碎后干燥制得。

1.2 儀器設備

雙螺桿擠壓機：PTW－24／25D型，美國熱電公司；

雙螺桿自動進料器：DDSR20N－PRISM 型，德國Brabender公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 擠壓加工 采用雙螺桿擠壓機進行擠壓加工，其參數(shù)為：螺桿外徑24 mm、螺桿長徑比25∶1、圓形模頭、?？谥睆? mm，螺桿轉(zhuǎn)速為0～300 r／min可調(diào)，加熱溫度為常溫至200℃。

1.3.2 試驗設計 采用可旋轉(zhuǎn)中心組合設計方法［2，3］進行試驗設計。在預試驗的基礎(chǔ)上，選取合適范圍的進料速率、進料水分含量、末區(qū)溫度和螺桿轉(zhuǎn)速為自變量，每個變量5個水平。具體的參數(shù)水平見表1。

表1 中心組合設計的變量表Table 1 Design of variables by central composite design

采用Design－Expert.V8.0分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。產(chǎn)品性質(zhì)（膨化度、糊化度、WAI、WSI）、可溶性膳食纖維含量和不溶性膳食纖維含量與加工變量的關(guān)系用二級多項式回歸模型表示：

1.3.3 分析方法

（1）可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維含量測定：參照GB／T 5009.88—2008。

（2）膨化度（expansion ratio，ER）的測定：以擠出物橫截面的直徑與?？谥睆降谋戎当硎荆睆接糜螛丝ǔ邷y量，每組樣品隨機測量20次，取平均值［4］。計算公式：

式中：

ER——膨化度；

D——樣品直徑，mm；

D0——?？字睆剑琺m。

（3）吸水性指數(shù)（water absorption index，WAI）和水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）的測定：取1 g樣品至已稱重的帶蓋離心管中，加水30 m L后劇烈振蕩使樣品均勻分散于水中。于30℃水浴下放置，每5 min振蕩1次，使樣品粉末盡量維持懸浮狀態(tài)，30 min后取出。4 000 r／min離心30 min，以上清液測定其水溶性指數(shù)，以沉淀物測定其吸水性指數(shù)［4］。計算公式：

式中：

WAI——吸水性指數(shù)，g GEL／g；

WSI——水溶性指數(shù)，%；

m1——下層沉淀的質(zhì)量，g；

m2——上清液干重，g；

m——樣品干重，g。

2 結(jié)果和討論

按照中心組合試驗設計方案，共進行了30組處理，其中中心點進行6次重復試驗，其結(jié)果見表2。

采用Design－Expert.V8.0分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得擠壓加工過程中加工參數(shù)與產(chǎn)品性質(zhì)和可溶性、不可溶性膳食纖維含量的擬合模型，結(jié)果見表3。

2.1 擠壓加工參數(shù)對產(chǎn)品中膳食纖維成分的影響

2.1.1 擠壓加工參數(shù)對IDF含量的影響 擠壓加工參數(shù)對IDF含量的影響見圖1。

由圖1（a）可知，產(chǎn)品的IDF含量隨擠壓螺桿轉(zhuǎn)速的變化而變化，在螺桿轉(zhuǎn)速100～105 r／min之間有一個最小值。這是由于在螺桿轉(zhuǎn)速低時，不斷增加螺桿轉(zhuǎn)速，增強了螺桿對原料的機械剪切作用，IDF中的糖苷鍵斷裂，釋放出更多的可溶性成分，發(fā)生了IDF向SDF的轉(zhuǎn)化。而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的進一步增加，物料在機筒內(nèi)的滯留時間縮短，所受的機械剪切作用減弱，導致IDF的含量逐漸回升。隨著進料水分的減少，IDF也下降，這可能是由于水在擠壓中起到了潤滑的作用，隨著水分含量的增加，螺桿和機筒對物料的機械剪切作用減弱，IDF分解的程度降低。

由圖1（b）可知，產(chǎn)品的IDF含量隨末區(qū)溫度的升高而降低。高溫可以促進不溶性大分子物質(zhì)熔融、斷裂，使立體微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水基團暴露數(shù)量增多，纖維素、木聚糖等不溶性纖維裂解為可溶性小分子的速度加快［5］。當溫度較高和螺桿轉(zhuǎn)速較低時，IDF含量較小，這可能是由于IDF受到的熱作用和機械剪切作用較為劇烈，導致IDF糖苷鍵的斷裂，分解成較小的成分。

2.1.2 擠壓加工參數(shù)對SDF含量的影響 擠壓加工參數(shù)對SDF含量的影響見圖2。由圖2可知，產(chǎn)品的SDF含量在中等的螺桿轉(zhuǎn)速（100～105 r／min）和中等的末區(qū)溫度（130～135℃）下達到了最大值。這可能是因為隨著溫度的升高，膳食纖維中的不可溶部分受到的熱作用加劇，IDF中的糖苷鍵斷裂成較小的分子成分，轉(zhuǎn)化成了SDF。但隨著溫度的進一步升高，生產(chǎn)的小分子成分進一步分解成單糖等更小的分子，不能通過醇沉的方法測得，造成SDF含量降低。而產(chǎn)品SDF隨螺桿轉(zhuǎn)速的變化出現(xiàn)了最大值，可能是由于在螺桿轉(zhuǎn)速較小時，不斷增加的螺桿轉(zhuǎn)速增強了螺桿對原料的機械剪切作用，IDF中的糖苷鍵斷裂，分子轉(zhuǎn)化為可溶性的膳食纖維。而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的進一步增加，物料在機筒內(nèi)的滯留時間縮短了，所受的機械剪切作用反而減弱，因而由IDF轉(zhuǎn)化來的SDF減少了，SDF的總含量開始降低。

表2 中心組合設計試驗結(jié)果Table 2 Result of central composite design

2.2 擠壓加工參數(shù)對產(chǎn)品物理性質(zhì)的影響

2.2.1 擠壓加工參數(shù)對膨化度的影響 擠壓加工參數(shù)對膨化度的影響見圖3。

由圖3（a）可知，膨化度隨水分含量的增加而降低。這是由于水分含量的增加不但意味著將物料加熱成熔融態(tài)需要消化更多的熱量，降低了機筒內(nèi)促進地方膨化的蒸汽壓，而且還使產(chǎn)品擠出?？讜r仍含有較多水分，產(chǎn)生收縮，從而進一步降低了膨化度。由圖3（b）可知，末區(qū)溫度對膨化度影響趨勢也受進料水分含量的影響。在較低的水分含量下，膨化度隨末區(qū)溫度的升高而升高，而在較高的水分含量下，膨化度隨溫度的升高而降低。這可能是在較高的水分含量下，由于水的潤滑作用使物料與機筒和螺桿之間的摩擦力減小，物料受到的剪切作用小于低水分含量下的，從而使得物料形成的熔融體的黏度較大，導致其內(nèi)部水分受熱產(chǎn)生的壓力小于水氣周圍的壓力，以至于束縛了物料的膨化。

表3 產(chǎn)品性質(zhì)的回歸模型系數(shù)Table 3 The regression coefficients of properties of extruded products

表3 產(chǎn)品性質(zhì)的回歸模型系數(shù)Table 3 The regression coefficients of properties of extruded products

方程的顯著性水平為＋P＜0.05，＋＋P＜0.01，＋＋＋P＜0.001；系數(shù)的顯著性水平為＊P＜0.05，＊＊P＜0.01，＊＊＊P＜0.001。

參數(shù) Y1＋＋＋ Y 3＋＋＋ Y 4＋＋ Y 6＋＋＋ Y 7＋＋＋常數(shù)項 6.652 6.828 437.017 3.518 8 5.689 7進料速率（X1） 0.028 0.155 9.933 0.001 4 －0.002 3進料水分含量（X2） 4.935＊＊＊ 0.172 10.989 －0.141 0＊＊＊ 0.121 7＊＊＊末區(qū)溫度（X3） 0.163＊ 0.128 8.167 0.108 9＊＊＊ －0.162 5＊＊＊螺桿轉(zhuǎn)速（X4） 0.026 2.178＊＊ 139.394＊＊ 0.063 9＊＊ －0.041 3＊＊X 1 X 2 0.009 0.744＊ 47.610 0.025 9 －0.024 2 X 1 X 3 0.003 0.001 0.003 －0.048 9＊ 0.028 2 X 1 X 4 0.008 0.426 27.248 0.001 6 －0.046 3＊＊X 2 X 3 1.010＊＊＊ 0.529＊＊ 33.872＊＊ 0.210 1＊＊＊ －0.208 8＊＊＊X2 X4 0.157＊ 1.953 124.992 －0.129 9＊＊＊ 0.156 2＊＊＊X 3 X 4 0.017 0.544 34.810 0.024 9＊＊＊ 0.353 8＊＊＊X 21 0.001 － － 0.012 3 －0.002 3 X 22 0.006 － － －0.017 5 0.020 4 X32 0.281＊＊＊ － － －0.127 4＊＊＊ 0.011 7 0.012 － － －0.256 4＊＊＊ 0.252 1＊＊＊R 2 0.953 9 0.980 9 0.647 0 0.975 2 0.990 6模型失擬項的P值 0.230 5 0.213 3 0.127 0 0.047 2 0.047 5 X 24

圖1 擠壓加工參數(shù)對產(chǎn)品IDF含量的影響Figure 1 Effect of processing variables on the content of IDF

圖2 擠壓加工參數(shù)對SDF含量的影響Figure 2 Effect of processing variables on the content of SDF

2.2.2 擠壓加工參數(shù)對 WAI的影響 擠壓加工參數(shù)對WAI的影響見圖4。

由圖4（a）可知，在低進料速率下，WAI隨溫度的升高而降低；在高進料速率下，WAI隨溫度升高而增加。這可能是由于在較高的進料速率下，隨著溫度的升高，發(fā)生了蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化和粗纖維的溶脹等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象使分子結(jié)構(gòu)更加伸展，與水結(jié)合的能力增強，從而提高了 WAI；而在較低的進料速率下輸送至機筒內(nèi)的原料較少，隨著溫度的升高，機筒內(nèi)的溫度設置不但足以使原料中的淀粉發(fā)生糊化，還會使糊精化現(xiàn)象加劇，淀粉分子進一步溶脹分裂為小分子物質(zhì)，結(jié)合水的能力減弱，因此降低了 WAI。Altan等［6］在有關(guān)大麥—西紅柿渣擠壓產(chǎn)品的研究中也發(fā)現(xiàn)WAI隨溫度的升高而降低，他們將這種變化歸因于隨著溫度的升高淀粉發(fā)生了分解、降解或糊精化。

由圖4（b）可知，在較低的末區(qū)溫度下 WAI隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而略微增加，而在較高的末區(qū)溫度下，WAI隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而大幅度降低。這表明螺桿轉(zhuǎn)速對WAI的影響取決于末區(qū)溫度的高低，可能是由于在較低的末區(qū)溫度下，雙螺桿擠壓機機筒內(nèi)的熱作用比較溫和，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加原料中的不同成分受到的機械剪切作用不斷增加，分子結(jié)構(gòu)逐漸變得更加伸展，暴露出更多的親水基團，因此提高了WAI；而在較高溫度下，機筒內(nèi)的熱作用比較劇烈，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，原料與機筒壁和螺桿之間的摩擦力增加進而加劇了熱效應。在這種機械剪切作用和熱作用都不斷加劇的條件下，淀粉分子糊精化程度加深，更多的淀粉分子變得可溶［7］，大分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，樣品中水溶性物質(zhì)的量會增加，因此降低了WAI。

2.2.3 擠壓加工參數(shù)對 WSI的影響 WSI用來作為分子成分降解程度的指標，測定的是擠壓后從淀粉中釋放的可溶性成分［2］。加工參數(shù)對WSI的影響見圖5。

圖3 擠壓加工參數(shù)對膨化度的影響Figure 3 Effect of processing variables on expansion ratio

圖4 擠壓加工參數(shù)對WAI的影響Figure 4 Effect of processing variables on water absorption index

圖5 擠壓加工參數(shù)對WSI的影響Figure 5 Effect of processing variables onwater solubility index

由圖5（a）可知，在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下 WSI隨水分含量的增加而增加，而在較低的螺桿轉(zhuǎn)速下，WSI隨水分含量的增加而降低。這可能是因為在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下的機械剪切作用較強，隨進料水分含量的增加原料中淀粉的溶脹程度也增加了，受較高的剪切作用由溶脹后的淀粉降解的可溶性成分也增加了，因而提高了WSI；而在較低的螺桿下淀粉受到的機械剪切作用較弱，溶脹后的淀粉降解程度較小，因而WSI較小。

由圖5（b）可知，WSI隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是因為，增加螺桿轉(zhuǎn)速提高了機械剪切作用，加劇了原料中各種成分分子的破裂程度，將大分子分裂為具有較高溶解度的小分子，更多的淀粉變得可溶，樣品中的水溶性物質(zhì)增加［4］。Ng等［8］在對洋蔥下腳料綜合利用的研究中也得出了相似的結(jié)論。由圖5（b）還可以看出，在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下 WSI隨末區(qū)溫度的升高而增加，在較低的螺桿轉(zhuǎn)速下這種增加的現(xiàn)象不明顯。這可能是由于在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下升高末區(qū)溫度，即在螺桿轉(zhuǎn)速的高剪切效應與溫度不斷升高的熱效應的協(xié)同作用下，加劇了原料中淀粉分子、蛋白質(zhì)分子等的降解，淀粉發(fā)生了糊精作用和淀粉解聚現(xiàn)象，從而降低了直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈的分子量［9］，提高了 WSI。

3 結(jié)論

通過擠壓加工技術(shù)加工高膳食纖維含量的谷物原料，能夠使產(chǎn)品產(chǎn)生較好的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，并能促進原料中IDF向SDF的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對膳食纖維的改性。降低溫度和進料水分含量都會大幅度提高膨化度，但進料速率或螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度的影響較??；中等螺桿轉(zhuǎn)速、中等末區(qū)溫度和低進料水分含量時，最有利于產(chǎn)品中IDF向SDF的轉(zhuǎn)化。在中等進料水分含量、中等末區(qū)溫度和中等螺桿轉(zhuǎn)速下，WAI均能達到最高值，而WSI卻在較高的溫度和中等的進料水分含量下達到最大值。綜合產(chǎn)品的各種指標及盡量降低生產(chǎn)能耗，得到最佳加工條件：進料水分含量為20%，末區(qū)溫度為130℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r／min，進料速率為1.0 r／s。

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