復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的配方優(yōu)化研究

孫元琳 儀 鑫 李云龍 胡俊君 劉 瑞

(運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系1，運(yùn)城 044000) (山西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，太原 030031)

復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的配方優(yōu)化研究

孫元琳1儀 鑫2李云龍2胡俊君2劉 瑞1

(運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系1，運(yùn)城 044000) (山西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，太原 030031)

以黑小麥、蕎麥、燕麥為原料，通過擠壓膨化技術(shù)，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響。結(jié)合模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法，對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品進(jìn)行感官評(píng)定，以膨化率和感官評(píng)定結(jié)果作為產(chǎn)品綜合評(píng)分，采取五分制，采用響應(yīng)面分析法對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品配方進(jìn)行優(yōu)化，得到全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的最佳配方為：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%。在此優(yōu)化條件下，復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的綜合評(píng)分為3.94，產(chǎn)品可被大多數(shù)人接受。

黑小麥 蕎麥 燕麥 全谷物 擠壓膨化

隨著世界發(fā)達(dá)國家肥胖發(fā)生率的日益增加，直接與肥胖相關(guān)的糖尿病、心血管疾病等慢性代謝性疾病的發(fā)生率也不斷上升，成為影響人類健康的重大社會(huì)問題[1]。全谷物食品是當(dāng)今世界認(rèn)為是有效防止“富貴病”的健康食品[2-3]。研究表明[4-6]，全谷物食品富含膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)和酚類抗氧化物質(zhì)等功能成分，長期攝入全谷物食品對(duì)II型糖尿病、肥胖、心血管疾病以及結(jié)腸癌等慢性疾病具有預(yù)防作用。

全谷物是指作為谷物食品原料的麩皮、胚乳與胚芽的構(gòu)成比例與天然谷物穎果構(gòu)成相同[3]。全谷物食品是其加工而成的產(chǎn)品，即全谷物食品在食用時(shí)，須含有穎果全部麩皮、胚芽和胚乳及穎果中所有的天然營養(yǎng)物質(zhì)[7]。雖然全谷物食品的營養(yǎng)價(jià)值逐漸被消費(fèi)者認(rèn)可，但由于全谷物食品的口感粗糙、適口性差等問題，全谷物食品的開發(fā)存在著一系列亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

擠壓膨化技術(shù)是集混合、攪拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等加工為一體，可連續(xù)操作的現(xiàn)代加工技術(shù)。婁海偉等[8]發(fā)現(xiàn)擠壓蒸煮使豆渣中不溶性膳食纖維降解，使可溶性膳食纖維含量顯著提高。杜雙奎等[9]研究了擠壓膨化過程中物料組分的變化，發(fā)現(xiàn)擠壓過程中脂肪與淀粉、蛋白質(zhì)形成脂肪復(fù)合體，可降低脂肪氧化速度，延長產(chǎn)品貨架期。Hole等[10]研究發(fā)現(xiàn)燕麥及大麥全谷物經(jīng)擠壓后，結(jié)合態(tài)酚酸的生物利用度提高。Awika等[11]研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化能夠破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及高分子酚類化合物間的共價(jià)鍵，從而提高酚類物質(zhì)的可利用性。研究報(bào)道，擠壓膨化加工可有效降解不溶性膳食纖維、提高可溶性膳食纖維、低聚糖、低聚肽、氨基酸等多種營養(yǎng)活性物質(zhì)含量，并具有抑制淀粉老化、改善口感、提高消化率、延長食品貨架期等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域[12]。

本試驗(yàn)選用黑小麥、燕麥、蕎麥全谷物粉為主要原料，通過擠壓膨化技術(shù)，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料對(duì)復(fù)合全谷物膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響，確定復(fù)合型全谷物營養(yǎng)早餐的基礎(chǔ)配方，研制出一種營養(yǎng)、方便的全谷物擠壓膨化早餐食品，對(duì)于改善人類膳食結(jié)構(gòu)以及全谷物食品的開發(fā)具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑小麥：山西省農(nóng)科院棉花研究所提供；燕麥、蕎麥：山西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所提供；大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖等：市售。

FMGM-36雙螺桿擠壓膨化機(jī)、流化床干燥機(jī)：湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；五谷雜糧磨粉機(jī)：廣州市旭郎機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓膨化產(chǎn)品工藝流程

原輔料→分別計(jì)量→混合→螺旋喂料器→雙螺桿擠壓膨化→流化床干燥→成品。

將黑小麥、燕麥、蕎麥全谷物粉以3∶1∶1的比例混合均勻。稱取 5 kg全麥粉并加水混合均勻，在食鹽添加量5%、CaCO30.3%的條件下，進(jìn)行大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的單因素試驗(yàn)。按照設(shè)定的參數(shù)(喂料速度25 kg/h，水2.0 kg/h，螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min，腔體溫度為60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃)將主料均勻加入到膨化機(jī)中，膨化產(chǎn)品經(jīng)流化床干燥30 min。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖添加量的單因素試驗(yàn)，分別測(cè)定擠壓產(chǎn)品膨化率、WSI、WAI含量，并采用數(shù)學(xué)模糊法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

大豆蛋白添加量：固定大豆卵磷酯0.4%，蔗糖添加量9%，大豆蛋白添加量分別為1%、3%、5%、7%、9%。

大豆卵磷酯添加量：固定大豆蛋白添加量5%，蔗糖添加量9%，大豆卵磷酯添加量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%。

蔗糖添加量：固定大豆蛋白添加量5%，大豆卵磷酯添加量0.4%，蔗糖添加量分別為3%、6%、9%、12%、15%。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量及蔗糖添加量3個(gè)因素，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，以綜合評(píng)分為響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，因素水平編碼設(shè)計(jì)見表1。

表1 因素水平表

1.2.4 膨化率測(cè)定

用游標(biāo)卡尺測(cè)量產(chǎn)品的直徑，每個(gè)因素測(cè)10個(gè)樣品，取其平均值作為該產(chǎn)品直徑，產(chǎn)品膨化率為產(chǎn)品直徑與模頭孔徑之比。利用線性插值法把膨化率轉(zhuǎn)化為5分制，具體操作為：將所有產(chǎn)品中膨化率最大值Xmax設(shè)置為5.0分，最小值Xmin設(shè)置為1.0分，其他膨化率所對(duì)應(yīng)的分值S計(jì)算公式為：

1.2.5 水溶性指數(shù)(WSI)和吸水性指數(shù)(WAI)測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.5 g(干計(jì))樣品，加入10 mL水(30 ℃)，置于30 ℃恒溫水浴鍋中，連續(xù)輕輕晃動(dòng)30 min后，于3 000 r/min 離心15 min，將上清液和沉淀物分離，沉淀物質(zhì)量為X1，上清液放于已恒重的鋁盒中，在120 ℃下烘至恒重，烘干物質(zhì)量為X2。

WAI=X1/m，WSI=X2/m，其中m為樣品質(zhì)量。

1.2.6 感官評(píng)定

感官評(píng)定采用模糊綜合評(píng)價(jià)法[13]。評(píng)定小組由10名經(jīng)過感官評(píng)價(jià)培訓(xùn)的人員組成，以表觀、脆度、粗糙度、風(fēng)味為因素集，以好、較好、中等、較差、差為評(píng)語集，根據(jù)感官評(píng)定結(jié)果，建立4個(gè)單因素評(píng)價(jià)矩陣，采用數(shù)學(xué)模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行分析。感官評(píng)定指標(biāo)如表2所示。

表2 感官評(píng)定指標(biāo)

因素集U={表觀u1，脆度u2，粗糙度u3，風(fēng)味u4}；

評(píng)語集V={好，較好，中等，較差，差}；

權(quán)重集X={0.3，0.3，0.2，0.2}，即表觀均一性30分，脆度30分，粗糙度20分，風(fēng)味20分，共100分。

通過模糊線性轉(zhuǎn)化，得到各產(chǎn)品的感官評(píng)定分?jǐn)?shù)H。經(jīng)過模糊線性轉(zhuǎn)化，再根據(jù)模糊綜合評(píng)判模型原理，計(jì)算綜合隸屬度，得到模糊綜合評(píng)判的結(jié)果向量Y，Y=X×R。式中：X為U權(quán)重向量；R為對(duì)樣品感官評(píng)定結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后得到的模糊關(guān)系矩陣。

首先用適當(dāng)?shù)臄?shù)量把評(píng)語集V中的因素vj量化，vj的下標(biāo)作為量化指標(biāo)，把結(jié)果向量Y中的元素yj看成樣本對(duì)vj等級(jí)歸屬的權(quán)重，然后求加權(quán)和，得到各產(chǎn)品的感官評(píng)分H。

綜合評(píng)分=S×60%+H×40%

2 結(jié)果與分析

2.1大豆蛋白對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

大豆蛋白對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品膨化率、WSI、WAI的影響如圖1所示。圖1表明，產(chǎn)品膨化率隨著大豆蛋白添加量增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這可能是由于大豆蛋白可以與淀粉形成復(fù)合物，影響擠壓熔融物料黏度，從而影響產(chǎn)品的膨化率。此外，產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)隨著大豆蛋白添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于大豆蛋白具有良好的持水性，可以促進(jìn)水分均勻分布，適當(dāng)添加能改善產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)，大豆蛋白具有潤滑作用，添加過量會(huì)導(dǎo)致物料在擠壓腔停留時(shí)間延長，使大豆蛋白過度降解，產(chǎn)生苦味肽，產(chǎn)品產(chǎn)生苦味，這與吳衛(wèi)國等[14]研究主要配料對(duì)擠壓產(chǎn)品品質(zhì)影響中的結(jié)果相一致。當(dāng)大豆蛋白添加量為5%時(shí)，產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)、表觀及口感均較佳。

圖1 大豆蛋白對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

圖1表明，產(chǎn)品WAI隨大豆蛋白添加量增加而增加，WSI隨其增加而減小。綜合大豆蛋白對(duì)產(chǎn)品膨化率、WAI、WSI、感官評(píng)價(jià)及FOs含量的影響，大豆蛋白添加量水平確定為1%、3%、5%。

2.2大豆卵磷脂對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

大豆卵磷脂對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品膨化率、WSI、WAI的影響如圖2所示。由圖2可以看出，產(chǎn)品膨化率隨著大豆卵磷脂添加量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。此前，Colonna[15]研究了油脂類物質(zhì)對(duì)擠壓產(chǎn)品的影響，本結(jié)果與其結(jié)果相一致。這是由于大豆卵磷脂會(huì)如油脂一樣，與淀粉形成復(fù)合物，能夠降低物料在擠壓腔內(nèi)的黏度，可以降低氣泡的表面張力，促進(jìn)水分蒸發(fā)，從而提高了產(chǎn)品的膨化率，膨化率最大可達(dá)到2.55；當(dāng)大豆卵磷脂量添加到一定程度時(shí)，繼續(xù)添加大豆卵磷脂，產(chǎn)品膨化率會(huì)減小，膨化率最小為2.29，這是由于大豆卵磷脂添加過多使物料黏度過小，物料在擠出模口時(shí)，水分急劇蒸發(fā)，形成的結(jié)構(gòu)孔洞過大，產(chǎn)品擠出后孔洞不能維持而縮小導(dǎo)致膨化率降低。產(chǎn)品的感官評(píng)價(jià)隨著大豆卵磷脂添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。適當(dāng)添加大豆卵磷脂可以促進(jìn)水分在物料內(nèi)均勻分布，使組織結(jié)構(gòu)均勻細(xì)密，表面結(jié)構(gòu)光整；添加過量(超過0.4%)后， 產(chǎn)品內(nèi)部氣孔變大，不均勻，并且表面變得粗糙。

圖2 大豆卵磷脂對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

圖2顯示，產(chǎn)品WAI隨著大豆卵磷脂添加量增加而增加，WSI隨其增加而減小。這是由于大豆卵磷脂能夠與淀粉形成復(fù)合物，能夠抑制淀粉降解，從而使其WSI降低。結(jié)合大豆卵磷酯的添加對(duì)產(chǎn)品膨化率、WAI、WSI、感官評(píng)價(jià)的影響，確定大豆卵磷脂添加量水平為0.3%、0.4%、0.5%。

2.3蔗糖對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

蔗糖的添加對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品膨化率、WSI、WAI的影響如圖3所示。圖3顯示，產(chǎn)品膨化率隨著蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這可能是由于適當(dāng)?shù)恼崽翘砑恿靠梢越档臀锪橡ざ?，減小水蒸汽膨脹阻力，從而增大產(chǎn)品膨化率[14,16]，膨化率最大可達(dá)到2.41；但是蔗糖本身存在一定黏度，過量添加(超過9%)不但不能減小物料黏度，反而使物料黏度增大，增加了氣泡表面張力，導(dǎo)致產(chǎn)品的膨化率減小，膨化率最小為2.11。產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)隨著蔗糖添加量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于適當(dāng)?shù)奶砑诱崽强梢愿纳平M織結(jié)構(gòu)，使氣泡大小一致，分布均勻，添加過量不僅會(huì)使產(chǎn)品的表面變得粗糙，也會(huì)使產(chǎn)品口感過甜、變硬，因此蔗糖的添加量不宜過高。

圖3 蔗糖對(duì)復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響

圖3顯示，產(chǎn)品WAI隨著蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而WSI隨著蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，這可能是蔗糖屬于非還原性糖，親水能力較弱，使產(chǎn)品WAI下降，在擠壓膨化過程中蔗糖抑制淀粉吸水糊化的能力較弱，淀粉糊化降解隨著蔗糖添加量增加而加強(qiáng)，使得產(chǎn)品吸水性指數(shù)升高。結(jié)合蔗糖的添加對(duì)產(chǎn)品膨化率、WAI、WSI、感官評(píng)價(jià)的影響，蔗糖的添加量水平確定為6%、9%、12%。

2.4 復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的配方優(yōu)化

2.4.1 方差分析與回歸方程建立

響應(yīng)面優(yōu)化復(fù)合全谷物擠壓膨化食品配料添加的試驗(yàn)結(jié)果如表3，通過Design Expert數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行回歸分析，得到的方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知模型P值<0.000 1，該二次方程模型達(dá)到極顯著水平，而模型失擬項(xiàng)P=0.737 0>0.05，檢驗(yàn)不顯著，表明其他因素對(duì)模型干擾程度小，說明響應(yīng)面回歸方程擬合度良好，決定系數(shù)R2為0.989 3，說明98.93%的響應(yīng)值綜合評(píng)分來源于所選自變量。該模型擬合優(yōu)度R2和調(diào)整R2分別是0.944 9和0.975 5，兩者基本吻合。該模型信噪比為21.612，大于4，說明該模型可用于預(yù)測(cè)。在該模型中，對(duì)綜合評(píng)分影響顯著的因素有A、B、C、AB、BC、A2、B2及C2，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到以大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量、蔗糖添加量為自變量的三元二次回歸方程：

表3 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

綜合評(píng)分=3.94+0.039×A+0.048×B-0.061×C-0.043×AB-0.020×AC-0.037×BC-0.12×A2-0.12×B2-0.15×C2

2.4.2 響應(yīng)面結(jié)果分析

根據(jù)回歸分析結(jié)果繪制響應(yīng)面圖來考察各因素對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分的影響，由圖4～圖6所示，響應(yīng)面坡度越陡，說明因素影響越大。由4圖可知，大豆蛋白及大豆卵磷脂添加量對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響較大，隨著大豆蛋白和大豆卵磷脂在0水平附近添加量的增加，產(chǎn)品綜合評(píng)分隨之提高。而大豆卵磷脂與蔗糖添加量間交互作用對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分有一定影響，大豆蛋白與蔗糖添加量間的交互作用對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響不大。

圖4 大豆蛋白與大豆卵磷脂對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響的響應(yīng)面

圖5 大豆蛋白與蔗糖對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響的響應(yīng)面

圖6 大豆卵磷脂與蔗糖對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響的響應(yīng)面

根據(jù)Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件分析，復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品配料最佳添加量為：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.42%，蔗糖8.28%，此條件下綜合評(píng)分預(yù)期為3.95。考慮到操作可行性，將條件調(diào)整為大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到產(chǎn)品綜合評(píng)分為3.94，與預(yù)期值基本相符，表明采用響應(yīng)面優(yōu)化復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品配料的添加量是可行的，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法，以綜合評(píng)分為響應(yīng)值，確定了大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的最佳添加量：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，在此條件下，復(fù)合全谷物擠壓膨化產(chǎn)品綜合評(píng)分為3.94。

蔗糖的添加對(duì)產(chǎn)品的膨化率、硬度及表觀影響較大，添加過量會(huì)使產(chǎn)品的膨化率降低，口感變硬，表觀粗糙。大豆卵磷酯適量添加可以改善產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)。大豆蛋白的添加會(huì)使產(chǎn)品的膨化率下降，但適量添加可以改善產(chǎn)品的口感。

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Formula Optimization of Compound Whole-Grained Extrusion Product

Sun Yuanlin1Yi Xin2Li Yunlong2Hu Junjun2Liu Rui1

(Department of Life Science, Yuncheng University1, Yuncheng 044000) (Institute of Farm Products Comprehensive Utilization Shanxi Academy of Agricultural Sciences2, Taiyuan 030031)

Using black wheat, buckwheat and oats as raw materials, the effects of soybean protein, soybean lecithin and sucrose on the quality of whole grain extruded products were studied by extrusion technology. The sensory evaluation of the extruded products was carried out by the fuzzy comprehensive evaluation method. Expansion rate and sensory evaluation were used to be comprehensive score of five-grade making system. The extrusion product formulation was optimized by response surface methodology. The optimum formulas were thus obtained as follows: 3.3% of soybean protein, 0.4% of soy lecithin, 8.3% of sucrose. Under these conditions, the comprehensive score of the whole grain extrusion puffing product was 3.94 and the product could be accepted by most people.

whole grain, black-grained wheat, buckwheat, oats, extrusion

TS213

A

1003-0174(2017)11-0047-06

山西省自然科學(xué)基金(2012011031-1)，山西省高校研究生教改項(xiàng)目(2015JG16)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-08-D2-04),山西省“1311”工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(098-091704)

2016-11-30

孫元琳，1971年出生，女，教授，農(nóng)產(chǎn)品加工與增值技術(shù)