劉書航，陳 潔，許 飛

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

玉米又名玉蜀黍、苞谷、棒子等，是禾本科玉米屬一年生的雌雄同株異花授粉植物，是世界上主要的谷物作物[1]。我國2017年玉米種植面積及產(chǎn)量分別約占谷物的42.01%、42.11%，高于小麥(24.32%、21.84%)和水稻(30.51%、34.57%)[2]。玉米種植廣泛且營(yíng)養(yǎng)豐富，含有大量的營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)人體的血糖/胰島素反應(yīng)、胰島素敏感性、結(jié)腸健康及礦物質(zhì)的吸收等具有重要作用[3]。將玉米加入傳統(tǒng)主食中，不僅可以改善國民膳食結(jié)構(gòu)，豐富膳食營(yíng)養(yǎng)素，還可以提高國民玉米攝入量，增加玉米產(chǎn)品利用率。但因玉米不含面筋蛋白，成團(tuán)性較差，因此，需對(duì)玉米進(jìn)行改性。

擠壓膨化技術(shù)是一種高溫、短時(shí)的加工方法，被稱為21世紀(jì)食品加工領(lǐng)域的高新技術(shù)之一，具有生產(chǎn)效率高、原料適用廣、浪費(fèi)少、無廢棄物及營(yíng)養(yǎng)損失少等優(yōu)點(diǎn)[4]。目前，國內(nèi)外對(duì)擠壓膨化技術(shù)的研究很多，主要集中于操作參數(shù)和物料組成對(duì)擠出物產(chǎn)品特性的影響。近年來，添加擠壓膨化大米粉、燕麥粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、高粱粉等改善產(chǎn)品質(zhì)量的研究已有報(bào)道。Jeong等[5]研究發(fā)現(xiàn)擠壓米粉的添加可以改善面團(tuán)的黏結(jié)性、回復(fù)性等；周星杰[6]研究發(fā)現(xiàn)擠壓糊化處理后苦蕎面團(tuán)的黏彈性得到明顯改善；毋修遠(yuǎn)等[7]研究表明擠壓膨化青稞棒不僅具有良好的感官品質(zhì), 其理化特性和加工品質(zhì)也有所提高；Román等[8]以膨化小麥粉為脂肪替代品，與乳化劑共同使用，發(fā)現(xiàn)混合粉面糊具有更好的密度、微觀結(jié)構(gòu)及黏彈性，降低了蛋糕的硬度，增大了蛋糕的比容；王瑞斌[9]研究發(fā)現(xiàn)添加擠壓改性蕎麥粉使面條內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，面筋網(wǎng)絡(luò)以及淀粉/蛋白質(zhì)分布更均勻、連續(xù)，有利于改善其烹調(diào)、食用品質(zhì)。

添加擠壓膨化原料粉可顯著改善面團(tuán)及最終產(chǎn)品的品質(zhì)，而不同原料粉的性質(zhì)不同，對(duì)面團(tuán)的影響也不同。面團(tuán)是多種食品的加工原料，其流變學(xué)特性對(duì)食品加工影響極大，甚至起決定性作用。因此，作者研究了玉米粉和膨化玉米粉對(duì)小麥粉糊化特性、冷黏性及面團(tuán)黏性特征、應(yīng)力松弛的影響，再結(jié)合面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)研究膨化玉米粉對(duì)面團(tuán)流變特性的影響，為擠壓膨化玉米粉在面制品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥粉：鄭州金苑面業(yè)有限公司；玉米粉：鄭州天缽農(nóng)業(yè)有限公司；膨化玉米粉：自制，由玉米粉擠壓膨化得到。擠壓膨化參數(shù)：螺桿轉(zhuǎn)速250 r/min，溫區(qū)2、3、4、5、6分別為60、90、140、145、145 ℃。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓膨化機(jī)：溫嶺市箬橫翰宇機(jī)械廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海景宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；小型制面生產(chǎn)線：北京騰威得機(jī)械有限公司；TA-XT plus Texture：英國Stable Micro System；LGJ-2217型冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器有限公司；Quanta250FEG掃描電子顯微鏡：美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 混粉及面團(tuán)的制備

混粉制備：將玉米粉、膨化玉米粉分別與小麥粉混合，配成0%、5%、10%、15%的混粉；面團(tuán)制備：將混粉與適量水?dāng)嚢枰欢〞r(shí)間后制成面團(tuán)。

1.3.2 糊化特性測(cè)定

參考GB/T 24853—2010。稱取3 g樣品(濕重，按水分含量14%換算)，加入蒸餾水至28 g，置于RVA測(cè)定儀的專用鋁筒中，放入旋轉(zhuǎn)葉片，上下攪拌，使樣品均勻分散，將鋁筒卡入測(cè)量槽，啟動(dòng)程序測(cè)定。測(cè)定參數(shù)：起始溫度50 ℃，保持1 min，在4 min內(nèi)加熱至95 ℃，保持2.5 min，4 min內(nèi)冷卻至50 ℃，保持2 min；在開始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后保持160 r/min。

1.3.3 冷黏性測(cè)定

參照1.3.2的方法，改變測(cè)定參數(shù)：25 ℃保持15 min，在開始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后保持160 r/min。

1.3.4 面團(tuán)黏性測(cè)定

使用質(zhì)構(gòu)儀配備的A/DSC測(cè)試裝置，按黏性測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)定。具體步驟：將面團(tuán)放入模具空腔，然后取出樣品在直徑為25 mm的有機(jī)玻璃探頭下進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣品重復(fù)操作5次。試驗(yàn)參數(shù)：測(cè)試模式為自動(dòng)，測(cè)前速度0.50 mm/s，測(cè)試速度0.05 mm/s，測(cè)后速度10.00 mm/s，作用力60.00 g，返回距離4.0 mm，接觸時(shí)間0.10 s，觸發(fā)力5.00 g。

1.3.5 應(yīng)力松弛測(cè)定

將面團(tuán)壓成厚度3.5 mm、直徑25 mm的面片，靜置20 min，使殘留壓力松弛后進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，每個(gè)樣品重復(fù)5次。采用P/35測(cè)試探頭，測(cè)試速度1.00 mm/s，形變10%，觸發(fā)力5.0 g，釋放時(shí)間180 s[10-11]。

1.3.6 面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)觀察

面團(tuán)經(jīng)真空冷凍干燥后切塊，并對(duì)樣品進(jìn)行鍍金處理，使用掃描電子顯微鏡觀察拍照。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差形式表示，采用SPSS20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析(P<0.05)，采用Origin 8.0進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 混粉糊化特性結(jié)果分析

面粉的糊化特性不僅影響面制品外觀，而且對(duì)其質(zhì)地和口感也有影響[12-13]。由圖1可知，以小麥粉為對(duì)照，添加玉米粉、膨化玉米粉后混粉糊化特性的變化趨勢(shì)相反，即隨著玉米粉添加量的增加，玉米-小麥粉的糊化黏度均增大，而隨著膨化玉米粉添加量的增加，膨化玉米-小麥粉的糊化黏度均減小。具體糊化特性指標(biāo)如表1所示。

圖1 不同混粉的糊化特性曲線

表1 不同混粉糊化特性指標(biāo)

注：不同小寫字母表示數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)，相同小寫字母表示數(shù)據(jù)間差異不顯著，圖2、圖3、表2同。

由表1可知，玉米粉的加入使得玉米-小麥粉的糊化黏度顯著增加(P<0.05)，而膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麥粉的糊化黏度顯著減小(P<0.05)。此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，劉興麗等[12]研究表明，擠壓膨化加工顯著改變了紫薯粉的糊化特性，糊化黏度明顯降低；楊庭等[14]研究表明，糙米經(jīng)擠壓膨化后最終黏度由2 230 mPa·s降至174 mPa·s。推測(cè)原因是擠壓膨化加工導(dǎo)致玉米粉顆粒破碎呈片狀結(jié)構(gòu)，在糊化過程中，膨化玉米粉的加入減少了淀粉顆粒的穿插纏繞現(xiàn)象，致使糊化黏度降低[15]。另外，擠壓膨化加工導(dǎo)致玉米淀粉結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)中分子鏈與鏈之間的束縛力發(fā)生了改變，淀粉顆粒由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)，顆粒破裂程度較大，形成淀粉糊的流動(dòng)阻力下降[16]。

衰減值表示淀粉糊在高溫時(shí)的抗剪切能力，可反映淀粉糊的熱穩(wěn)定性，衰減值越小，表示糊的熱穩(wěn)定性越好；淀粉冷卻后重新排列，回生值與產(chǎn)品的老化程度有關(guān)，值越高越易老化[17]。由表1可知，與小麥粉為參照，玉米粉高添加量(10%、15%)使玉米-小麥粉的回生值顯著增加(P<0.05)，但混粉的衰減值無顯著性差異(P>0.05)；而膨化玉米粉的加入使膨化玉米-小麥粉的衰減值、回生值顯著減小(P<0.05)，說明膨化玉米粉的加入改善了混粉的熱穩(wěn)定性，并在一定程度上抑制淀粉的老化。

2.2 混粉冷黏性結(jié)果分析

圖2 不同混粉的冷黏性

由圖2可知，以小麥粉為對(duì)照，玉米粉的添加對(duì)玉米-小麥粉冷黏性的影響不顯著(P>0.05)，而膨化玉米粉的添加致使膨化玉米-小麥粉的冷黏性顯著增加(P<0.05)，且隨著膨化玉米粉添加量的增大膨化玉米-小麥粉的冷黏性逐漸增大。原因可能是：一方面，擠壓膨化作用破壞了玉米淀粉顆粒形態(tài)，淀粉由顆粒狀變成片狀或塊狀，淀粉結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵斷裂形成葡萄糖、麥芽糖等小分子物質(zhì)，還原糖含量增多。另一方面，擠壓膨化過程使得玉米纖維分子裂解，可溶性膳食纖維SDS(多為膠類物質(zhì)，如果膠、樹膠等)含量增加[18-19]，果膠分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為一種很復(fù)雜的折疊形狀，彼此間容易形成氫鍵，而不是直線型，具有較高的黏度，其黏度與氫鍵鏈長(zhǎng)成正比。而果膠溶液的黏度隨著溫度的增加而減小，溫度越高，溶液中水分子及各個(gè)分子之間的熱力相互作用變強(qiáng)，無法形成氫鍵或?qū)⒁研纬傻臍滏I破壞，減弱了果膠分子間、果膠分子與溶液中分子的彼此結(jié)合[20-22]。即膨化玉米粉溶于冷水后，黏度相對(duì)較高。對(duì)照表1可知，膨化玉米粉在加熱糊化條件下其糊化黏度減小，而在不加熱條件下其黏度增加，表明膨化玉米粉具有冷黏性。

2.3 面團(tuán)黏性特征結(jié)果分析

由圖3可知，以小麥粉為對(duì)照，玉米-小麥面團(tuán)的黏度力隨玉米粉添加量的增加顯著降低(P<0.05)，黏附性無顯著性差異(P>0.05)。可能原因是：玉米粉的添加一方面稀釋了玉米-小麥粉體系中面筋蛋白含量；另一方面玉米淀粉顆粒阻礙了小麥淀粉和面筋蛋白的結(jié)合，影響面筋網(wǎng)絡(luò)的形成，導(dǎo)致玉米-小麥粉面團(tuán)中面筋數(shù)量與質(zhì)量的雙重下降，使得玉米-小麥面團(tuán)黏度力降低。而膨化玉米-小麥面團(tuán)的黏度力及黏附性隨膨化玉米粉添加量的增加均顯著增大(P<0.05)，可能是擠壓過程中玉米淀粉失去完整性、崩解和熔融，糊化的淀粉在面團(tuán)中相互黏附，淀粉顆粒的流動(dòng)性降低，面團(tuán)黏度增加[23]。

圖3 不同混粉面團(tuán)的黏性特征

2.4 面團(tuán)應(yīng)力松弛結(jié)果分析

圖4為應(yīng)力松弛時(shí)間與應(yīng)力的關(guān)系，分為兩個(gè)階段：壓縮階段(AB)和松弛階段(BC)。壓縮階段中當(dāng)面團(tuán)瞬時(shí)形變?yōu)?0%時(shí)，探頭停止下壓，面團(tuán)內(nèi)部應(yīng)力驟增至B點(diǎn)，此階段中面團(tuán)瞬時(shí)發(fā)生彈性形變；BC階段中，形變量保持不變，直至應(yīng)力不斷衰減為殘余應(yīng)力，記錄180 s內(nèi)應(yīng)力松弛情況。應(yīng)力松弛曲線可用廣義Maxwell模型進(jìn)行非線性擬合[24]，方程如下：

σ(t)=ε0E1exp(-t/τ)+ε0E2，

式中：σ(t)為松弛過程的應(yīng)力，N·m-2；ε0為壓縮比20%；E1為第一要素胡克體彈性模量，N·m-2；E2為殘余應(yīng)力，N·m-2；t為時(shí)間，s；τ為松弛時(shí)間，s。

經(jīng)非線性擬合得到τ值后，計(jì)算阻尼系數(shù)N2，公式如下：

圖4 應(yīng)力松弛特征曲線

N2=τE1,

式中：N2為阻尼系數(shù)，N·s·m-2。

擬合及計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

E2產(chǎn)生相當(dāng)于鄰近分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的高彈形變，數(shù)值越大，表明面團(tuán)壓縮后期的變化幅度越大，恢復(fù)彈性形變的速度越慢[24]。由表2可知，玉米-小麥面團(tuán)E2顯著增大(P<0.05)，且隨著添加量的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)；而膨化玉米粉的添加致使膨化玉米-小麥面團(tuán)E2先減小后增加，在添加量為5%時(shí)最小，表明此時(shí)面團(tuán)恢復(fù)彈性形變較快，面團(tuán)的彈性較好，原因可能是適量膨化玉米粉的黏性作用使得松散的小麥淀粉顆粒更好地黏附于蛋白上，形成致密的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

表2 不同復(fù)合面團(tuán)應(yīng)力松弛參數(shù)值

N2由流動(dòng)的分子間相互摩擦產(chǎn)生，數(shù)值越大，黏度越大[25]。玉米粉的加入使得玉米-小麥面團(tuán)N2減小，說明此面團(tuán)黏度下降，而膨化玉米粉的加入使得N2增大，面團(tuán)黏度增大。此結(jié)果與圖3一致。

松弛時(shí)間τ是黏性行為與彈性行為共同作用的結(jié)果[10]。玉米粉的添加使得玉米-小麥面團(tuán)τ值減小，且隨添加量的增加顯著減小(P<0.05)，原因是玉米粉的加入稀釋面筋含量，導(dǎo)致面團(tuán)結(jié)構(gòu)松散易變形[26]。膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麥面團(tuán)的τ值增大，說明面團(tuán)中有大的聚合物生成[27]，面團(tuán)內(nèi)部黏結(jié)力較大，推測(cè)原因?yàn)榕蚧衩追塾鏊哂休^大黏性，從而將散落的淀粉顆粒與面筋蛋白黏結(jié)在一起，形成類似于面筋網(wǎng)絡(luò)的三維結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了面團(tuán)內(nèi)部黏結(jié)力，改善了面團(tuán)的品質(zhì)。

2.5 面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖5A和圖5B可知，玉米粉經(jīng)過擠壓膨化處理后，顆粒形態(tài)發(fā)生了顯著變化。玉米粉顆粒呈多邊形及球形，淀粉與蛋白結(jié)合較為緊致，而膨化玉米粉的顆粒形態(tài)已經(jīng)完全被破壞，呈現(xiàn)不規(guī)則薄片狀或塊狀，體積較大、表面出現(xiàn)褶皺。這可能是因?yàn)閿D壓膨化處理使淀粉由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)后形成的不固定形態(tài)結(jié)構(gòu),使得膨化后的玉米粉較未膨化玉米粉的比表面積增加，有利于水分子進(jìn)入，使玉米粉持水能力提高[28-29]。

為了使差異顯著化及更好地分析面團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選擇小麥面團(tuán)、15%玉米-小麥面團(tuán)、15%膨化玉米-小麥面團(tuán)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的觀察。由圖5C可知：小麥面團(tuán)的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常均勻緊實(shí)，小麥淀粉顆粒有序地排列在面筋網(wǎng)絡(luò)中，且基本被完全包裹；15%玉米-小麥面團(tuán)形成的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散無序，出現(xiàn)空洞，淀粉顆粒裸露，原因是玉米粉的加入破壞了小麥面筋網(wǎng)絡(luò)的形成；而15%膨化玉米-小麥面團(tuán)結(jié)構(gòu)較15%玉米-小麥面團(tuán)致密。在圖5E中可以看出，膨化玉米粉呈片狀(或塊狀)結(jié)構(gòu)，膨化玉米-小麥面團(tuán)淀粉顆粒裸露較少，由于其黏性作用將更多游離的淀粉顆粒等緊密黏附、包裹在面筋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，同時(shí)作為填充物使面筋網(wǎng)絡(luò)相互粘連，形成類似面筋網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比于玉米粉，膨化玉米粉的添加使面團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，淀粉/蛋白質(zhì)分布更均勻、連續(xù)，有利于改善其烹調(diào)、食用品質(zhì)，從微觀上更好地印證了面團(tuán)應(yīng)力松弛的結(jié)果。

注：A為玉米粉；B為膨化玉米粉；C為小麥面團(tuán)；D為15%玉米-小麥面團(tuán)；E為15%膨化玉米-小麥面團(tuán)；放大倍數(shù)2 000。

2.6 糊化特性與面團(tuán)流變特性相關(guān)性分析

表3 混粉糊化特性與面團(tuán)流變特性的相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由圖6可知，各回歸方程的R2均具有顯著性，表明各自變量與Y值呈極顯著相關(guān)。因此，可以利用Y值與自變量之間的回歸方程，通過混粉面團(tuán)的冷黏性、黏度力及阻尼系數(shù)對(duì)其糊化特性(峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度、回生值及糊化溫度)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

(1)以小麥粉為對(duì)照，添加玉米粉、膨化玉米粉后兩種混粉的糊化特性趨勢(shì)相反。膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麥粉的糊化黏度、衰減值及回生值顯著減小(P<0.05)，表明膨化玉米粉的添加改善了混粉的熱穩(wěn)定性，并在一定程度上抑制淀粉的老化。

(2)膨化玉米粉具有冷黏性，相比于玉米粉，膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麥面團(tuán)黏性增加、增強(qiáng)了面團(tuán)內(nèi)部黏結(jié)力，改善了面團(tuán)品質(zhì)，且在添加量為5%時(shí)，面團(tuán)品質(zhì)最佳。

(3)面粉糊化特性與面團(tuán)流變特性顯著相關(guān)，可通過混粉面團(tuán)的冷黏性、黏度力及阻尼系數(shù)對(duì)其糊化特性(峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度、回生值及糊化溫度)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

注：字母A—F分別表示Y1—Y6線性擬合圖。