蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的理化特性研究

王瑞斌 李 明 蘇笑芳 魏益民

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室 北京 100193）

蕎麥作為一種食藥兩用的雜糧作物，富含類黃酮、必需氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)和保健價值。有學(xué)者指出，蕎麥的營養(yǎng)效價為80～92，遠高于玉米、馬鈴薯、小麥等谷物[1]。擠壓膨化作為一種新型的食品加工技術(shù)，與傳統(tǒng)蒸煮工藝相比，在很大程度上能夠保留蕎麥的營養(yǎng)及保健功能成分[2]。

蕎麥經(jīng)擠壓膨化處理，因熱效應(yīng)和剪切效應(yīng)，故其淀粉和蛋白質(zhì)等大分子發(fā)生糊化、降解、變性。擠壓膨化產(chǎn)品的理化特性與物料含水量、加工溫度、喂料速率、螺桿轉(zhuǎn)速和原料特性等密切相關(guān)[3-4]。前人研究發(fā)現(xiàn)，隨著物料含水量增加，溫度升高，螺桿轉(zhuǎn)速降低，蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的徑向膨化率減小，可溶性成分減少[5-7]，水溶性指數(shù)、熔融體黏度降低。若物料含水量過低或加工溫度過高，徑向膨化率反而降低。這可能是由于淀粉顆粒完全糊化、過度降解所致。Launay等[6]還發(fā)現(xiàn)膨化率與熔融體的黏彈性密切相關(guān)。蕎麥粉與玉米粉等谷物混合后，隨著蕎麥粉添加量增加（0～100%），膨化產(chǎn)品的水溶性指數(shù)增加，L*減小，b*、ΔE增大[8-9]，這與高溫條件下美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)有關(guān)。郝彥玲等[10]將蕎麥與黑米、薏米以40∶45∶15的比例混合后擠壓，膨化效果更好。蕎麥淀粉與玉米、紅薯淀粉混合后擠壓處理，淀粉顆粒的形貌和質(zhì)地結(jié)構(gòu)被極大地改變，擠出物質(zhì)地更加疏松[11]。在高水分條件下擠壓西米淀粉，發(fā)現(xiàn)高水分會限制淀粉的降解和相變（糊化），水溶性較低可能是由淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)殘留或結(jié)構(gòu)重排所致[12]。淀粉在擠壓膨化過程中的降解、糊化等能顯著影響產(chǎn)品的水溶性、色澤、黏度等理化特性。

前人對蕎麥擠壓膨化的研究主要集中于操作參數(shù)和物料組成對擠壓膨化產(chǎn)品特性的影響，而擠壓過程中淀粉分子結(jié)構(gòu)變化的研究相對較少，對擠壓膨化產(chǎn)品理化特性變化的原因缺少試驗驗證。本文系統(tǒng)分析操作參數(shù)對擠壓膨化產(chǎn)品理化特性的影響，進一步明確系統(tǒng)參數(shù)與產(chǎn)品特性的關(guān)系，從淀粉分子結(jié)構(gòu)變化角度初步解釋蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品特性變化的原因，為蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的開發(fā)和用途提供理論指導(dǎo)和應(yīng)用建議。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

選用市售脫殼蕎麥米（購自本地超市）作為試驗材料，經(jīng)超速離心粉碎儀（ZM 200，Retsch，德國）粉碎（篩網(wǎng)直徑0.5 mm），制備蕎麥粉。蕎麥粉各組分含量如下：蛋白質(zhì)15.00%（干基），總淀粉71.66%（干基），脂質(zhì) 2.32%（干基），纖維素 0.37%（干基），灰分2.00%（干基）。

雙螺桿擠壓機（DSE-25），德國 Brabender；超離心粉碎儀（ZM 200），德國 Retsch；冷凍干燥機（ALPHA 1-2 LD plus），德國 CHRIST；冷凍離心機（3-30K），德國 SIGMA；色彩色差儀（CR-400），日本 Minolta；流變儀（Physica MCR 301），奧地利Anton Paar；SEC 系 統(tǒng)，Agilent Technologies，Waldbronn，德國。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計在資料分析和預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，選取物料含水量、加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速進行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)中心組合試驗（Design-Expert.8.05b 軟件，Stat-Ease，美國），因素水平編碼表如表1。試驗方案設(shè)計見表2。

表1 因素水平編碼表Table 1 Code for different factor levels

表2 二次旋轉(zhuǎn)中心組合試驗設(shè)計表Table 2 Table of three-factor and five-level experimental design

1.2.2 擠壓 采用雙螺桿擠出機（DSE-25，Brabender，德國），螺桿長徑比（L/D）為 20∶1。模頭直徑5 mm。擠壓參數(shù)設(shè)定如下：喂料速度35 g/min；物料含水量14%～19%；加工溫度140～180℃；螺桿轉(zhuǎn)速100～200 r/min。擠壓后，冷凍干燥器（ALPHA 1-2 LD plus，CHRIST，德國）對樣品干燥，待用。

1.2.3 產(chǎn)品特性測定

1）截面膨化率 將樣品截成20 cm長條，用游標卡尺測定樣品直徑，重復(fù)測15次，計算截面膨化率，求平均值。

2）水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù) 參照Anderson 等[13]的方法，取 1.6～2.0 g（干基）樣品（W0），放入已知質(zhì)量的離心管（W1）中，加入25 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，直至膨化物被完全分散成懸浮液體系。將其置于30℃水浴保持30 min，間隔10 min振蕩一次。待水浴完成后，4 200 r/min離心15 min；最后，將上清液倒入已經(jīng)恒重過的500 mL燒杯（W2）中，105 ℃烘至恒重（W3）。同時，對離心管及沉淀的凝膠質(zhì)量（W4）進行稱量，計算WSI和WAI。

3）色澤 擠出物磨粉，利用色彩色差儀（CR-400，Minolta，日本）測定其 L*值、a*值和b*值。每個樣品重復(fù)5次。計算總色差ΔE：

其中，Ls*，as*，bs*為標準白色板的測定值，分別為 97.13，0.21，1.87。

4）黏度 本研究所測黏度為蕎麥擠壓膨化物冷卻后的黏度。通過流變儀（Physica MCR 301，Anton Paar，奧地利）測定。探頭選取50 mm平板，改性蕎麥粉與水按2∶15混合。參數(shù)設(shè)定如下：應(yīng)力 1.0%，溫度 25℃，頻率 0.1～20 Hz，間距 2 mm。含淀粉物料擠出物多為假塑性流體，因此可使用黏度冪率方程（5）來描述擠壓膨化產(chǎn)品的流變特性，對得到的黏度曲線計算k*和n*值[14-15]：

其中，η*——黏度（Pa·s）；k*——黏度系數(shù)；γ——頻率（Hz）；n*——冪律指數(shù)。k*和n*可從雙線圖中直線的截距和斜率分別確定。

5）淀粉分子尺寸分布 參照Li等[16]的方法：使用配備有GRAM 30和3 000分析柱（PSS）和折射率（RI）檢測器（RID-10A，Shimadzu Corp，日本）的Agilent 1100系列SEC系統(tǒng)（Agilent Technologies，Waldbronn，德國）測定淀粉分子的結(jié)構(gòu)。將淀粉分子尺寸分布繪制為質(zhì)量分布Wbr（logRh）對流體動力學(xué)體積Vh（SEC的分離參數(shù)）或等效成流體動力學(xué)半徑 Rh，Vh=4/3πRh3。

用已知分子質(zhì)量的普魯蘭標準品繪制SEC洗脫體積和多糖分子的Vh之間的標準曲線，根據(jù)Mark-Houwink方程（6）求出所測淀粉的分子大小及分布。由于不同測定過程中溫度或溶劑濃度波動的原因，本研究采用Rh而非洗脫時間表示分析物的分子大小，Rh表示淀粉平均分子半徑。

其中，NA為Avogadro的常數(shù)；K和α為淀粉的Mark-Houwink方程的參數(shù)，其值分別為2.424×10-4dL g-1和0.68（80 ℃，DMSO/LiBr溶液）。

6）統(tǒng)計分析 利用Design-Expert.8.05b軟件分析試驗結(jié)果的差異（P<0.05）并進行響應(yīng)面回歸，利用SPSS 18.0軟件分析各指標相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 操作參數(shù)對蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品特性的影響

由表3可知，物料含水量（x1）、加工溫度（x2）、螺桿轉(zhuǎn)速（x3）對蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品特性具有顯著或極顯著影響（P<0.01），回歸方程中部分二次項（x12、x22、x32）和交互項（x1×x2、x1×x3、x2×x3）的影響也達到顯著或極顯著水平。操作參數(shù)與淀粉平均分子半徑線性相關(guān)，而對截面膨化率、水溶性指數(shù)、吸水性指數(shù)、色澤、黏度、淀粉重均分子質(zhì)量的影響無線性相關(guān)關(guān)系。回歸模型中，所有響應(yīng)變量與自變量之間關(guān)系極顯著，且R2都大于0.80，模型擬合程度較好，即可采用二次多項式建立回歸模型，并根據(jù)回歸模型作響應(yīng)面圖，分析操作參數(shù)對產(chǎn)品特性的影響。

2.1.1 截面膨化率在試驗范圍內(nèi)，蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的截面膨化率在1.14～3.11之間（變異系數(shù)24.2%）。截面膨化率受物料含水量一次項，加工溫度一次項、二次項，以及物料含水量與加工溫度、加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速交互項的影響，其中加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用影響極顯著（表3）。隨著加工溫度升高、螺桿轉(zhuǎn)速增大，截面膨化率先增大后減小，加工溫度在160℃附近時截面膨化率最大（圖1a）。隨著加工溫度升高、物料含水量增大，截面膨化率減?。辉谳^低溫度時，物料含水量對截面膨化率的影響大于高溫下物料含水量的影響（圖1b）。螺桿轉(zhuǎn)速對截面膨化率影響不顯著。該結(jié)果與杜雙奎等[17]的研究結(jié)果一致。

表3 操作參數(shù)對蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品理化特性影響Table 3 Effect of processing parameters on the physicochemical characteristics of buckwheat extrudates

圖1 不同操作參數(shù)下截面膨化率的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface of sectional extrusion index under different processing parameters

2.1.2 吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù) 蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的吸水性指數(shù)在2.1～6.5之間（變異系數(shù)20.5%），未擠壓蕎麥粉的吸水性指數(shù)為2.8。除物料含水量的二次項外，其他操作參數(shù)的一次項、二次項和交互項均對擠壓膨化粉的吸水性指數(shù)有顯著或極顯著影響，其中加工溫度的影響最大（表3）。加工溫度升高，螺桿轉(zhuǎn)速增大，吸水性指數(shù)降低；螺桿轉(zhuǎn)速較大時，加工溫度對吸水性指數(shù)的影響大于低螺桿轉(zhuǎn)速下加工溫度的影響（圖2a）。螺桿轉(zhuǎn)速較大或溫度較高時，物料含水量對吸水性指數(shù)的影響比螺桿轉(zhuǎn)速較低或溫度較小時的影響更大，且隨著物料含水量增加，吸水性指數(shù)顯著增大（圖2b、圖2c）。

蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的水溶性指數(shù)在17.6%～72.2%之間（變異系數(shù)51.8%），遠高于未擠壓蕎麥粉（8.4%）。螺桿轉(zhuǎn)速對水溶性指數(shù)的影響最大，螺桿轉(zhuǎn)速和加工溫度對水溶性指數(shù)影響為正效應(yīng)，物料含水量對水溶性指數(shù)影響為負效應(yīng)（表3）。隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，加工溫度升高，水溶性指數(shù)明顯增大。這與Sarawong等[18]的研究結(jié)果一致。加工溫度為180℃時，水溶性指數(shù)隨螺桿轉(zhuǎn)速增大而增長較劇烈（圖2d）。

圖2 不同操作參數(shù)下吸水性指數(shù)和水溶性指數(shù)的響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface of water absorption index and water solution index under different processing parameters

2.1.3 色澤 擠壓膨化產(chǎn)品的總色差（ΔE）在30.9～41.4之間（變異系數(shù)8.1%），遠大于未擠壓蕎麥粉（14.4），擠壓處理使物料色澤變暗，與淀粉降解、高溫下美拉德反應(yīng)等有關(guān)[19]。表3表明，物料含水量、加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的一次項對色差有極顯著影響；顯著性順序依次為螺桿轉(zhuǎn)速＞物料含水量＞加工溫度。螺桿轉(zhuǎn)速減小，物料含水量增加，擠壓膨化物色差減小；加工溫度降低，螺桿轉(zhuǎn)速減小時，也能得到相似的結(jié)果（圖3a、圖3b）。這與Sgaramella等[19]結(jié)果一致。

圖3 不同操作參數(shù)下色差的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface of ΔE under different processing parameters

2.1.4 黏度 蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的黏度系數(shù)（k*）與黏度直接相關(guān)。k*受物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速一次項、二次項、加工溫度一次項的影響，其中物料含水量對k*影響極顯著，是影響?zhàn)ざ鹊淖钪匾蛩兀ū?）。圖4a、圖4b表明，物料含水量在14%～16.5%，加工溫度較高（160～180℃）、或螺桿轉(zhuǎn)速較大（150～200 r/min）時，k*無顯著變化。物料含水量由16.5%增加到19.0%，加工溫度降低，螺桿轉(zhuǎn)速減小，k*顯著增大，表現(xiàn)為黏度增加。在高水分、低溫度下擠壓，擠壓膨化產(chǎn)品的黏度最大；在高水分、低轉(zhuǎn)速或低水分、低轉(zhuǎn)速或高水分、高轉(zhuǎn)速條件下擠壓也能得到相似的結(jié)果。

圖4 不同操作參數(shù)下黏度系數(shù)的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of viscosity under different processing parameters

2.1.5 淀粉分子結(jié)構(gòu)在試驗范圍內(nèi)，擠壓膨化后的淀粉平均分子半徑在26.7～35.8 nm之間（變異系數(shù)8.6%），遠小于未擠壓蕎麥粉的淀粉平均分子半徑（75.1 nm），表明擠壓處理使淀粉分子降解。表3表明，淀粉平均分子半徑受物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、加工溫度的一次項的影響，其中物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速對其影響極顯著。螺桿轉(zhuǎn)速減小，淀粉平均分子半徑隨物料含水量降低而減小。這與Li等[20]的研究結(jié)果一致。物料含水量一定，加工溫度對淀粉平均分子半徑影響不顯著（圖5a、圖5b）。

淀粉重均分子質(zhì)量在4.2×106～9.7×106之間（變異系數(shù)23.2%），遠低于未擠壓蕎麥粉（6.1×107）。物料含水量對淀粉重均分子質(zhì)量影響最大（表3）。物料含水量或加工溫度升高，螺桿轉(zhuǎn)速減小，重均分子質(zhì)量增加。在低螺桿轉(zhuǎn)速下，加工溫度對淀粉重均分子質(zhì)量的影響大于高螺桿轉(zhuǎn)速下加工溫度的影響（圖5c、圖5d）。

圖5 不同操作參數(shù)下淀粉平均分子半徑、重均分子質(zhì)量的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface of average radius and molecular weight of buckwheat starch under different processing parameters

2.2 擠壓膨化產(chǎn)品特性間的相關(guān)關(guān)系

擠壓膨化產(chǎn)品特性的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）表明，水溶性指數(shù)與色差呈極顯著正相關(guān)，與吸水性指數(shù)（r=-0.939）、黏度系數(shù)、淀粉分子半徑呈顯著或極顯著負相關(guān)；色差與黏度系數(shù)、淀粉分子半徑、淀粉重均分子質(zhì)量呈顯著或極顯著負相關(guān)；黏度系數(shù)與淀粉分子半徑、淀粉重均分子質(zhì)量呈顯著正相關(guān)；淀粉分子半徑與淀粉重均分子質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（r=0.962）；截面膨化率與其它產(chǎn)品特性無顯著相關(guān)性。

表4 擠壓膨化產(chǎn)品理化特性間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation among different physicochemical characteristics of extrudates

水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)，淀粉平均分子半徑和重均分子質(zhì)量均具有較高的線性相關(guān)性，其線性回歸方程分別為：

由于R2＞0.85，可由擠壓膨化產(chǎn)品的水溶性指數(shù)來估測吸水性指數(shù)，淀粉平均分子半徑來估測淀粉重均分子質(zhì)量。

3 討論

3.1 蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的理化特性

擠壓膨化技術(shù)通過熱和剪切作用使淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并最終影響產(chǎn)品的膨化率、吸水性、水溶性等理化特性。本研究發(fā)現(xiàn)加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對截面膨化率影響極顯著，而杜雙奎等[17]對玉米擠壓膨化發(fā)現(xiàn)，加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對膨化率無顯著影響。造成差異的原因可能是蕎麥、玉米中淀粉的含量和結(jié)構(gòu)不同。蕎麥淀粉含量較低，糊化溫度低于玉米淀粉，溫度和螺桿轉(zhuǎn)速更易影響蕎麥粉的膨化。

溫度對吸水性指數(shù)影響最大，溫度升高，吸水性指數(shù)降低。這與Miladinov等[21]研究結(jié)果一致。當(dāng)溫度升高時，由于熔融體黏度降低，可能使有效膨脹體積減小，孔隙度減小[21]。而擠壓膨化產(chǎn)品的孔隙度與吸水性密切相關(guān)[22]。

水分的潤滑和增塑作用有利于[23]減緩在高溫或高螺桿轉(zhuǎn)速條件下物料所受的強剪切效應(yīng)，使淀粉適度糊化、降解。因此，物料含水量增加，水溶性指數(shù)降低；而適度糊化、降解的淀粉在室溫下保水能力增加，溶脹程度增大，吸水性指數(shù)增加[18，24]。物料含水量除影響水溶性、吸水性等理化特性外，也是影響k*的最重要因素。k*與擠壓改性蕎麥粉的黏度直接相關(guān)，k*越大，黏度越大；物料含水量增加，黏度增大。這可能由于較高水分含量下淀粉分子的降解程度較小所致（表4）。

3.2 蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的理化特性與淀粉分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

淀粉平均分子半徑直接反映了淀粉擠壓后的降解程度。淀粉分子半徑越小，降解程度越高。本研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理使淀粉分子半徑、重均分子質(zhì)量顯著減小，這與Li等[20]的研究結(jié)果一致，表明機械剪切是導(dǎo)致淀粉分子降解的主要原因。

淀粉平均分子半徑與水溶性指數(shù)、色差呈顯著負相關(guān)，與吸水性指數(shù)、黏度、淀粉重均分子質(zhì)量呈顯著正相關(guān)（表4）。擠出物中降解程度越高，水溶性指數(shù)越大；而降解后的分子越小，持水能力越弱，吸水性指數(shù)越小。剪切效應(yīng)加劇，擠壓膨化粉的降解程度越高，支鏈淀粉被降解成小片段的直鏈淀粉或更小的支鏈淀粉，淀粉分子半徑減小，其黏度也越低，降解后生成的小分子糖導(dǎo)致的美拉德反應(yīng)也相應(yīng)增多，使得ΔE增大。

3.3 蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的理化特性與膨化食品

蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率較小，水溶性、吸水性較高，黏度較小。如希望獲得高膨化率產(chǎn)品，可根據(jù)截面膨化率研究結(jié)果并對其優(yōu)化。建議操作參數(shù)為：物料含水量較低（如15%）、加工溫度較高（如 151℃）、螺桿轉(zhuǎn)速較快（如 162 r/min）。當(dāng)考慮其作為早餐谷物成分時，若希望產(chǎn)品浸于水或牛奶中不會馬上變成糊狀，要求保持形狀的相對時間較長，制品脆性較好時，需考慮產(chǎn)品具有較小的吸水性指數(shù)。這是由于吸水性指數(shù)是衡量耐泡時間的重要指標。而速溶營養(yǎng)粉需要較高的水溶性以保證其沖調(diào)性[26]。建議食品生產(chǎn)者應(yīng)降低物料含水量（如15%），提高加工溫度（如172℃）和螺桿轉(zhuǎn)速（如180 r/min）。對于蕎麥面條生產(chǎn)者，為克服蕎麥粉難以形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不足，蕎麥擠壓膨化粉可能需要較高的黏度，建議生產(chǎn)中提高物料含水量（18%～19%），降低加工溫度（140～150℃）和螺桿轉(zhuǎn)速（約 100 r/min）。

4 結(jié)論

1）加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速是影響截面膨化率、水溶性指數(shù)、吸水性指數(shù)重要因素；水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速是影響?zhàn)ざ?、淀粉平均分子半徑、重均分子質(zhì)量的重要因素。水溶性指數(shù)可用于估測吸水性指數(shù)，淀粉平均分子半徑可用于估測淀粉重均分子質(zhì)量。

2）蕎麥擠壓膨化產(chǎn)品的水溶性指數(shù)、吸水性指數(shù)、色澤、黏度與淀粉分子結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。螺桿轉(zhuǎn)速越大，加工溫度越高，物料含水量越低，則剪切效應(yīng)越強，淀粉平均分子半徑越小，使得擠壓膨化物的吸水性指數(shù)、黏度降低，水溶性指數(shù)、色差增大。

3）擠壓改性技術(shù)可改善蕎麥粉的水溶性、吸水性、黏度、色澤等理化特性，可根據(jù)產(chǎn)品用途，通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)，改善蕎麥擠壓膨化食品的質(zhì)量特性。