麦麸加酸挤压改性及对其理化特性的影响

王兆升刘传富董海洲李晓青张明

(山东农业大学食品科学与工程学院1,泰安 271018)

(华南农业大学食品学院2,广州 510642)

麦麸加酸挤压改性及对其理化特性的影响

王兆升1刘传富1董海洲1李晓青2张明1

(山东农业大学食品科学与工程学院1,泰安 271018)

(华南农业大学食品学院2,广州 510642)

以麦麸为原料,酸为催化剂,采用挤压加工技术,研究了加酸挤压改性麦麸膳食纤维的工艺条件及对其主要理化特性的影响。结果表明,最佳工艺条件为物料粒度 50目、水添加量 27.5%、盐酸浓度 0.035 mol/L、膨化温度 115℃和转速 225 r/min。在该工艺条件下加酸与未加酸相比挤压麦麸的可溶性膳食纤维含量、持水力、结合水力和膨胀力分别提高 80.93%、42.39%、55.53%和 66.97%,挤压改性后的麦麸理化特性得到改善。

麦麸 加酸 挤压改性 膳食纤维 理化特性

小麦麸皮是制粉工业的主要副产品,资源非常丰富。麸皮中含有大量的膳食纤维及丰富的蛋白质、矿物质和维生素等营养成分,对人体有重要的营养及保健功能[1],而我国对麦麸的深度开发利用尚处于较低水平,85%以上的麸皮用于酿酒、制醋、酱油、饲料等传统加工,极少有麦麸食品上市,食用和商品价值较低[2],而麦麸中丰富的纤维含量及营养成分却是人们希望从天然食品中得到的物质。但天然的膳食纤维中大多数为不溶性膳食纤维 (I DF),可溶性膳食纤维(SDF)含量较低。因此,对膳食纤维改性,提高 SDF含量已成为膳食纤维制备技术主要的研究方向之一。

目前,膳食纤维改性处理主要有化学处理法和机械降解处理法[3]。挤压加工技术作为一门高新技术,在膳食纤维改性中可有效提高 SDF含量[4],如何更大限度的提高 SDF含量仍是当前研究的重点。本试验以酸作为催化剂,采用挤压膨化的方法,对加酸挤压改性麦麸膳食纤维的工艺条件及对其主要理化特性的影响进行了详细研究,以期为麦麸的开发利用提供新的依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料

小麦麸皮:济宁农业高新技术示范园提供;蛋白酶:活力 45 000 u/g,美国 Sigma公司;耐高温α-淀粉酶:活力 45 000 u/mL,无锡果达生物工程有限公司;糖化酶:活力 80 000 u/mL,无锡酶制剂厂;醋酸、硫酸、盐酸:分析纯,莱阳市康德化工有限公司;乳酸:分析纯,莱阳经济技术开发区精细化工厂。

1.2 主要设备

DS56-X型双螺杆膨化机:济南高新开发区赛信机械有限公司;JFSD-70粉碎磨:上海嘉定粮油检测仪器厂;DZK W电子恒温水浴锅:北京光明医疗仪器厂;85-2型恒温磁力搅拌器:南汇电讯器材厂; KDC-40型离心机:科大创新股份中佳分公司。

1.3 工艺流程

麦麸(筛选)→烘干 (70℃)→粉碎 (使用不同目数的筛网)→调粉→挤压→粉碎

1.4 试验内容

1.4.1 单因素试验

本试验在同一喂料速度前提下,以 SDF含量(干基)为考核指标,研究酸添加剂种类、物料粒度、水添加量、酸液浓度、膨化温度及转速对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响。

准确称取 5份 40目的麦麸粉,每份 2 500 g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的酸溶于麦麸粉质量分数 20%的水中,配成酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度达到 0.02 mol/L,在膨化温度 100℃、转速 150 r/min条件下挤压膨化。试验设置醋酸、硫酸、盐酸和乳酸 4个种类。酸添加量按下式计算:酸添加量 =(麦麸粉含水量 +水添加量)×物料中酸液浓度/(酸浓度 -物料中酸液浓度)。

准确称取 5份不同粒度的麦麸粉,每份 2 500 g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的盐酸溶于麦麸粉质量分数 20%的水中,配成酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度达到 0.02 mol/L,在膨化温度 100℃、转速 150 r/min条件下挤压膨化。试验设置 20、30、40、50、60目 5个水平。

准确称取 5份 50目的麦麸粉,每份 2 500 g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的盐酸分别溶于麦麸粉质量分数 10%、15%、20%、25%、30%的水中,配成酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度都达到 0.02 mol/L,在膨化温度 100℃、转速150 r/min条件下挤压膨化。

准确称取 5份 50目的麦麸粉,每份 2 500 g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的盐酸分别溶于麦麸粉质量分数 25%的水中,配成 5种浓度的酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度分别达到 0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L,在膨化温度100℃、转速 150 r/min条件下挤压膨化。

准确称取 5份 50目的麦麸粉,每份 2 500g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的盐酸溶于麦麸粉质量分数 25%的水中,配成酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度达到 0.03 mol/L,在转速 150 r/min、不同膨化温度条件下进行挤压膨化。试验设置 80、90、100、110、120℃5个水平。

准确称取 5份 50目的麦麸粉,每份 2 500 g,分别置于调粉机中搅拌,将一定量的盐酸溶于麦麸粉质量分数 25%的水中,配成酸溶液,在搅拌过程中喷入,最终使物料中的酸液浓度达到 0.03 mol/L,在膨化温度 110℃,不同转速条件下进行挤压膨化。试验设置 50、100、150、200、250 r/min 5个水平。

1.4.2 多因素试验

加酸挤压膨化麦麸膳食纤维改性工艺条件的优化,在单因素试验的基础上,以水添加量,酸液浓度、膨化温度、转速进行多因素试验,SDF含量 (干基)为考核指标。

1.5 测定方法

1.5.1 营养成分的测定

脂肪的测定:索氏抽提法 (GB/T5009.6—2003);蛋白质的测定:凯氏定氮法 (GB/T5009.5—2003);淀粉的测定:前处理同酶解法 (GB/T5009. 9—2003),测定用 DNS比色法;水分的测定:直接干燥法 (GB/T5009.3—2003);灰分的测定:直接灰化法(GB/T5009.4—2003);植酸的测定:钼蓝比色法;总膳食纤维(TDF)、水溶性膳食纤维(SDF)与水不溶性膳食纤维(I DF)的测定:AACC32—07法。

1.5.2 膨胀力的测定[5]

准确称取 1.000 g样品,放入带刻度的玻璃试管中,加入 10 mL蒸馏水,搅拌均匀后,在室温下静置24 h,读出试样此时的体积分数。

膨胀性 =膨胀后体积∕样品干重

1.5.3 持水力的测定[6]

准确称取 1.000 g样品,置于 100 mL烧杯中,加蒸馏水 70 mL,电磁搅拌 24 h,转移至离心杯中,在3 500 r/min的速度下离心 30 min,取出,倾去上清液,称质量。

持水力 =(湿质量 -干质量)/样品干质量 × 100%

1.5.4 结合水力的测定[7]

准确称取 1.000 g样品,置于平皿中,加入 20℃蒸馏水 20 mL,室温下保持 1 h后移置定量滤纸上沥干水分,将湿样移入 10 mL刻度离心管中,在 4 000 r/min下离心 5 min,倾去上清液,称质量。

结合水力 =(湿质量 -干质量)/样品干质量 × 100%

2 结果与分析

2.1 麦麸主要成分分析

麦麸进行筛选、烘干,对其主要成分分析,结果如表1所示。

表1 麦麸的主要成分

从表 1可以看出,麦麸中膳食纤维含量很高,其次是淀粉和蛋白质,SDF含量较低(1.83%),占总膳食纤维含量的 0.04%。这与陶颜娟等[8]的研究结果相似(总膳食纤维 45.5%,SDF含量 1.83%),但与孙颖等[9]的研究结果 (总膳食纤维含量 44.72%, SDF含量 4.12%)有较大差异,这可能与小麦品种、脱麸工艺等有较大关系。

2.2 酸添加剂的确定

从表 2可以看出,麦麸挤压膨化时,添加酸可有效提高挤压麦麸的 SDF含量。不同种类的酸对麦麸的作用效果有较大差异,盐酸作用效果最好,SDF质量分数提高33.17%;其次是硫酸、乙酸,SDF质量分数分别提高26.71%、13.17%;乳酸作用效果最小,SDF质量分数提高2.63%。这主要是由于麦麸挤压膨化时,在酸的催化作用下提高了纤维高聚物连接键的断裂;在同一浓度下酸水解能力越强[10],SDF含量越高。因此,在本试验条件下选择盐酸为酸添加剂。

表 2 酸添加剂对麦麸可溶性膳食纤维的影响

2.3 加酸挤压改性麦麸膳食纤维工艺条件的确定

2.3.1 物料粒度对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响

从图 1可以看出,当物料粒度低于 50目时,SDF含量随物料粒度的增大而增大,并达到一最大值(13.31%);当粒度超过 50目时,SDF含量随物料粒度的增大反而有所下降。这可能是由于粒度决定物料的比表面积,而纤维高聚物发生断裂的作用力主要来自机腔内的挤压力和剪切力,在一定膨化温度、转速等条件下,适宜的物料粒度其所受挤压力和剪切力最大,纤维高聚物易发生断裂,SDF含量就高[5]。因此,在本试验条件下确定物料粒度为 50目。

图 1 物料粒度对 SDF含量的影响

2.3.2 水添加量对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响

图 2 水添加量对 SDF含量的影响

由图 2可以看出,在水添加量为 10%～25%范围内,SDF含量随着水添加量的增加而升高,但当水添加量超过 25%时,SDF含量又开始下降。这主要是由于水添加量较小时 (低于 25%),物料吸水不均匀,导致麦麸较难形成熔融状态,同时酸液分布不匀,酸的催化作用被削弱;当水添加量为25%时吸水充分,纤维高聚物连接键易被断裂,从而有效提高 SDF含量;当水添加量较高时 (高于25%),物料润滑,机腔内挤压和剪切作用力又被减小,纤维高聚物结构不易被破坏,从而使 SDF含量略有降低。因此,在本试验条件下确定水添加量为25%。

2.3.3 酸液浓度对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响

从图 3可以看出,挤压膨化麦麸 SDF含量随着酸液浓度的增加而增加,这说明酸浓度越大,越能增加纤维组织的软化程度,水解作用增强,从而加剧纤维高聚物连接键的断裂。但是浓度过高 (超过 0.03 mol/L),膨化时有刺鼻气味。因此,在本试验条件下确定酸液浓度为 0.03 mol/L。

图3 酸液浓度对 SDF含量的影响

2.3.4 膨化温度对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响

图4 挤压温度对 SDF含量的影响

从图 4可以看出,挤压膨化麦麸 SDF含量随着膨化温度的提高而增大,当膨化温度为 110℃时, SDF含量达到最大值(16.89%),而后 SDF含量又开始下降。这可能是由于随着膨化温度的提高,加剧了水分子和盐酸分子的运动,从而比较容易渗透到纤维高聚物的空间结构内,酸的水解作用增强,在挤压和剪切力等强作用力下,膳食纤维发生降解,SDF含量增加,如膨化温度过高 (超过 110℃)会造成膳食纤维发生强烈降解,同时伴有焦糊味,从而降低SDF含量。因此,在本试验条件下确定膨化温度为110℃。

2.3.5 转速对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响

从图 5可以看出,转速对麦麸可溶性膳食纤维含量有一定的影响,在转速 50～200 r/min范围内随着转速的提高,挤压麦麸的 SDF含量不断增加,当转速超过 200 r/min时挤压麦麸的 SDF含量有所下降。这可能是在转速 50～200 r/min范围内转速快,剪切力大,有利于大分子的降解,从而使 SDF含量提高;而在较高转速时(超过 200 r/min),由于物料在机桶内,作用时间缩短,纤维高聚物糖苷键还未完全断裂就被挤压出来,使 SDF含量下降。因此,在本试验条件下确定转速为 200 r/min。

图5 转速对 SDF含量的影响

2.3.6 加酸挤压改性麦麸膳食纤维工艺条件的优化

在单因素试验的基础上,为了获得加酸挤压改性麦麸膳食纤维最佳工艺条件,以酸液浓度、水添加量、膨化温度和转速进行多因素试验。因素水平见表 3,试验结果见表 4。

表3 因素水平表

从表 4可以看出,影响加酸挤压改性麦麸膳食纤维的主要因素是酸液浓度,其次是膨化温度和水添加量,转速影响最小。最适工艺条件为 A3B3C3D3,即酸液浓度 0.035 mol/L、水添加量 27.5%、膨化温度 115℃和转速225 r/min,经验证 SDF质量分数为18.31%。

表4 正交试验结果

2.4 加酸挤压改性麦麸膳食纤维对其主要理化特性的影响

固定物料粒度 50目、水添加量 27.5%、膨化温度 115℃和转速 225 r/min。加酸 (盐酸,酸液浓度0.035 mol/L)和未加酸对挤压麦麸主要理化特性的影响见表5。

表 5 加酸和未加酸对挤压麦麸主要理化特性的影响

从表 5可以看出,加酸挤压改性麦麸膳食纤维和未加酸挤压改性麦麸膳食纤维相比,挤压麦麸的SDF含量、持水力、结合水力和膨胀力都有不同程度的提高,分别提高 80.93%、42.39%、55.53%和66.97%。这说明加酸挤压改性的麦麸的理化特性得到改善。

3 结论

3.1 影响加酸挤压改性麦麸膳食纤维的主要因素是酸液浓度,其次是膨化温度和水添加量,转速影响最小。最佳工艺条件为物料粒度 50目、水添加量27.5%、盐酸浓度 0.035 mol/L、膨化温度 115℃和转速 225 r/min。

3.2 加酸挤压改性麦麸膳食纤维和未加酸挤压改性麦麸膳食纤维相比,挤压麦麸的 SDF含量、持水力、结合水力和膨胀力分别提高 80.93%、42.39%、55.53%和 66.97%。

[1]朱小乔,刘通风.小麦麸的功能组分及其在食品中的开发应用[J].粮油食品科技,2008,8(6):18-23

[2]陈建宝.麦麸的挤压膨化加工及其对麦麸主要成分的影响研究[D].杭州:浙江工业大学,2008

[3]韩东平,刘玉环,李瑞贞,等.提高豆渣膳食纤维活性改性研究[J].食品科学,2008,29(8):670-672

[4]董海洲,刘传富,乔聚林,等.豆渣膳食纤维挤压改性工艺条件的研究[J].中国粮油学报,2008,23(6):81-84

[5]陈雪峰,吴丽泽,刘爱香.挤压改性对苹果膳食纤维物理化学性质的影响 [J].食品与发酵工业,2005,31(12): 57-60

[6]郑慧,王敏,吴丹.超微处理对荞麦理化及功能性质影响的研究[J].食品与发酵工业,2006,32(8):5-9

[7]祝威.挤压蒸煮法改善玉米膳食纤维功能特性的研究[D].长春:吉林农业大学,2003

[8]陶颜娟,钱海峰,朱科学,等.麦麸膳食纤维对面团流变学性质的影响[J].中国粮油学报,2008,23(6):28-32

[9]孙颖,朱科学,钱海峰,等.小麦麸膳食纤维脱色工艺的研究[J].食品工业科技,2008,29(6):242-247

[10]刘传富,张绪霞,董海洲,等.加酸挤压膨化玉米粉工艺条件及其品质影响研究[J].食品与发酵工业,2007,33 (7):71-73.

ExtrusionModification ofWheatBran with AddingAcid and Effects on Physicochemical Property

Wang Zhaosheng1Liu Chuanfu1Dong Haizhou1Li Xiaoqing2ZhangMing1

(College of Food Science and Engineering,Shandong AgriculturalUniversity1,Taian 271018)
(College of Food Science and Engineering,South China AgriculturalUniversity2,Guangzhou 510642)

The extrusion modification ofwheat bran using acid as catalystwas studied,and the influence of the modification on the physicochemical property ofwheat bran was discussed.Results:The determined opti mum techno2 logical conditions arematerialparticle size 50 mesh,moisture 27.5%,hydrochloric acid concentration 0.035 mol/L, extrusion temperature 115℃,and screw speed 225 r/min.Compared with the product of extrusion without acid,the SDF content,water holding ability,water combination and expansibility of product are improved by 80.93%, 42.39%,55.53%,66.97%,respectively,so the physicochemical property of the wheat bran extruded with adding acid is improved.

wheat bran,adding acid,extrusion modification,dietary fiber,physicochemical property

S377 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)03-0011-05

2009-05-12

王兆升,男,1970年出生,讲师,食品科学与工程

董海洲,男,1957年出生,教授,博士生导师,食品科学与工程