加工条件对低能高纤食品理化特性的影响

王丹丹，张建友，丁玉庭

(浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)

利用食品加工的副产物如麦麸、豆腐渣、麦胚等高膳食纤维原料可加工成低能量、高纤维的食品。麦麸是小麦面粉厂的主要加工副产品，是麸皮和一定数量的胚乳与麦胚组成的混合物。麦麸中含有丰富的蛋白质、脂肪、膳食纤维、维生素 (B1、B2、E)、矿物质、低聚糖、酶类 (β-淀粉酶、植酸酶、羧肽酶、脂酶)及酚类化合物等成分［1］。豆腐渣是生产豆制品的副产品，含有丰富的蛋白质、纤维以及多种矿物质及维生素，具有很高的食疗价值，但目前加工生产中的大量豆腐渣被视为废弃物未好好利用。麦胚和豆腐渣同样具有很高的营养价值，是珍贵的保健食品。利用麦麸和豆腐渣加工成挤压食品，它具有以下经济意义:低脂肪，是一种理想的减肥食品。因为其原材料，都是一些高蛋白，高纤维而低脂肪的材料，加工完成后不仅因为其中的高纤维有助于消化，而且因是低脂肪，更是一种高质量的减肥食品。高营养，食品中富含人体所需的各种氨基酸，维生素，矿物质等营养物质。易储存。挤压食品经过膨化后，其中的水分含量只有6%～8%，不利于细菌的繁殖与生长，有利于食品的长期保存。采用双螺杆挤压加工方法，研究各操作参数对挤压食品硬度、持水性及水溶性蛋白含量的影响，优化最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦麸皮、小麦胚芽 (杭州恒天面粉集团有限公司)，豆腐渣 (杭州世纪联华超市)，海藻酸钠 (食品级 国药集团化学试剂有限公司)，乳酸钙(食品级 华东师范大学化工厂)。

1.2 设备

SLG32-Ⅱ双螺杆挤压机 (济南赛百诺科技开发有限公司)，751-GW分光光度计 (上海第三分析仪器厂)，DHG-9070型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)，物性测定仪 (TAXT2i/50型，英国stable Microsystems)。

1.3 方法

试验采用挤压温度 (X1)，螺杆转速 (X2)，物料湿度 (X3)及粒度 (X4)4因素5水平。-2， -1，0，1，2代码分别为 X1:130，140，150，160，170 ℃;X2:150， 200，250，300，350 r·min-1;X3:25%，30%，35%，40%，45%;X4:20目 (孔径 0.84 mm)，40目 (孔径0.42 mm)，60目 (孔径0.25 mm)，80目 (孔径0.177 mm)，100目 (孔径0.149 mm)。

实施可旋转中心组合设计 (表1)，应用响应面分析，优化最佳工艺参数。并用 Design-Expert7.1.6 Trial统计软件，通过其响应面回归(RSREG)过程进行数据分析。

1.4 测定项目

硬度测定。挤出物烘干至水分含量为16%，挤出物的质地特性用TA-XT2物性分析仪测定。采用TPA测试程序，2 mm的圆柱形探头，测前速度:2.0 mm·s-1，测试速度:2.0 mm·s-1，测后速度:5.0 mm·s-1，压缩比例:60%［2］。

持水性 (WAI)测定。称取约0.5 g过80目筛的粉样 (W1)放入已知质量 (W2)的50 mL离心管内，加入10 mL蒸馏水，将离心管置于30℃水浴锅中，振荡混合均匀，静置30 min，4 500 r·min-1离心10 min，取出，倒出上层液体，称重(W3)［3］。产品持水性 /(g·mL-1)=(W3-W2-W1)/W1×100。

水溶性蛋白测定。5 g挤压产品室温下于40 mL浓度为0.05 mol·L-1Tris-HCl的缓冲液 (p H值7.5)中搅拌水化2 h，然后于13 500 r·min-1离心15 min，获得上清液。将上清液超滤后采用双缩脲法测定蛋白质含量 (以干基计)［4］。

2 结果与讨论

实施可旋转中心组合的试验结果见表1。

表1 试验设计方案和试验结果

2.1 硬度

硬度是质构探头第1次穿过挤压物时所需的最大压力，能够反映该产品的结构状态［5-6］。有研究表明［7］，硬度的变化主要取决于挤压物膨化度及容积密度，高容积密度、低膨化度的挤压物硬度高。

通过产品 (挤压物)硬度的方差分析，可得硬度的数学模型:Y1=3 550.63+533.20X1-120.21X2-930.43 X3+731.68 X4+53.99 X1X2+94.38 X1X3- 374.43X1X4- 535.26 X2X3-854.79X2X4-357.15 X3X4+593.10X12+106.72 X22+178.92 X32+468.68 X42。

由方差分析结果可看出，X3及X4对硬度影响显著 (F=66.48*和F=41.11*)，X1对硬度影响极显著 (F=21.83＊＊)，而 X1X1、X4X4对硬度影响显著 (F=7.30*和 F=4.56*)，X2对硬度影响较小 (F=1.11)。

回归方程可信度分析，决定系数为91.83%，表明91.83%的数据可以用该模型进行解释，说明方程可靠性较高。离回归标准差为11.581，说明回归的拟合程度较好，变异系数为7.3%，较低，说明实验操作可信。分析表明该回归方程为优化低能量高纤维产品硬度工艺条件的一个良好模型。

2.1.1 套筒末端温度对硬度的影响

由图1-3可知，产品的硬度随着机筒末端温度的增加而增加。这主要是因为当温度较低时，随机筒温度的增加，物料在机筒内不断熔融，产品组织化形成［8］，硬度不断升高。当温度较高时，物料在机筒内已充分熔融，温度过高，蛋白质会发生“美拉德(Maillard)”反应，膨化度降低，硬度过高。

2.1.2 螺杆转速对硬度的影响

由图4和5可看出，在低螺杆转速时，硬度随物料粒度的大小的变化更为敏感。原因是在低转速条件下，物料在机筒内停留时间较长，样品的粒度越小结合得越紧密，使得挤压后的产品硬度增大。在高转速时，物料在机筒内停留时间缩短，产品组织化程度较低。

2.1.3 物料湿度对产品硬度的影响

由图2、图4及图6可以看出，随着物料水分的增加，产品硬度明显降低。由图1可知，在低温条件下，物料在机筒中未达到充分的熔融状态，随着水分含量的增加挤压腔体内压力和机械能耗降低，产品组织结构松散，产品硬度不断降低且易断裂。在温度较高时，物料各组分在机筒内达到充分熔融，水分含量增加导致膨化度增加，因此产品硬度略为下降［9-10］。

图1 末端温度和螺杆转速对硬度的影响

图2 末端温度和物料湿度对硬度的影响

图3 末端温度和物料粒度对硬度的影响

2.1.4 物料粒度对产品硬度的影响

由图3、图5及图6可以看出，随着物料粒度的减小硬度增大。原因在于粒径过大，在同样的温度、压力和剪切力作用下，原料与水和机筒内壁接触面积较小，受热较慢，同时，较大的颗粒不易被水充分湿润［11］，产品组织结构较为松散。随着粒度的减小，原料间静电作用加大，样品在挤压腔里结合紧密，硬度增大。

2.2 持水性

产品持水性的方差分析结果可以得出持水性的数学模型:Y2=5.49+0.26 X1+0.043 X2-0.31 X3-0.47X4+0.23 X1X2-0.41 X1X3-0.58X1X4-0.020 X2X3-0.040 X2X4+0.37 X3X4-0.37 X12-0.38 X22-0.072 X32+0.059 X42。

图4 螺杆转速和物料湿度对硬度的影响

图5 螺杆转速和物料粒度对硬度的影响

图6 物料湿度和物料粒度对硬度的影响

X3及X4对WAI影响显著 (F=6.10*和 F=14.47*)，而 X1、X1X4对 WAI影响也显著 (F=4.17*和 F=3.66*)，X2对持水性影响较小 (F=0.12)。

2.2.1 套筒末端温度对产品持水性的影响

由图7-9可知，挤压温度的上升使得产品的持水性先增加后减少。且在150℃左右时达到最大值。温度是影响蛋白质变性和热机械强度的重要因素，因此是影响产品持水性的重要因素［12-13］。粒径较大时 (20～60目)，持水性随温度的变化趋势较大。高温度易导致物料发生焦糖化，持水性下降，挤压温度主要通过影响产品组织结构而影响产品的持水性。

2.2.2 螺杆转速对产品持水性的影响

图7 末端温度和螺杆转速对WAI的影响

图8 末端温度和物料湿度对WAI的影响

图9 末端温度和物料粒度读WAI的影响

由图7、图10-11可知，持水性随着螺杆转速的增加先增加后减小，原因可能是在螺杆转速较低时，原料在挤压机内停留时间长，水分损失多，挤压作用明显，持水性相应增大;而在螺杆转速较高时，物料在挤压机内停留时间短，水分损失少，持水性相应减小。故螺杆转速可以影响物料水分从而影响 持水性［14］。

2.2.3 物料湿度对产品持水性的影响

由图8、图10及图12可以看出，随着物料水分含量的增加，产品持水性先增后减。水在挤压过程中具有增加聚合物链段的分子运动性、增塑性、降低扭矩和机械能耗等作用［15］。在低水分条件下，分子间运动能力弱，蛋白质之间反应较少，不易形成空间网状结构，持水性低。随着水分含量的增加，分子之间作用增强及水蒸气的产生均促进了挤压物空间结构的形成，持水性能升高。但较高的物料水分使得挤压过程中扭矩和机械能耗降低，物料在挤压过程的摩擦减少，蛋白质之间相互作用较少，产品结构较为致密，持水性降低。

2.2.4 物料粒度对产品持水性的影响

图10 螺杆转速和物料湿度对WAI的影响

图11 螺杆转速和物料粒度对WAI的影响

图12 物料湿度和物料粒度对WAI的影响

由图9、图11及图12可以看出，随着物料粒径的减小持水性降低。试验表明，在粒径为40～60目范围内的物料，其挤压产品表面光滑、平整，口感细腻，既能保持适当的硬度和咀嚼度，而且具有良好的组织化结构。

2.3 水溶性蛋白含量

由产品水溶性蛋白的方差分析结果可以得出水溶性蛋白的数学模型:Y3=3.18-0.38X1-0.52 X2-0.083 X3-0.43 X4+0.100 X1X2+0.20X1X3-0.20 X1X4-0.050 X2X3+0.25 X2X4+0.050X3X4-0.94 X12-0.89X22-0.39X32-0.84X42。

X1、X2及 X4对水溶性蛋白影响显著 (F=16.79*，F=30.84*和 F=21.69*)，X3对水溶性蛋白影响较小 (F=0.80)。

2.3.1 套筒末端温度对产品水溶性蛋白含量的影响

由图13-15可知，温度与水溶性蛋白含量之间呈抛物线关系，且有最大值，水溶性蛋白的含量先略有增加后减少。这可能是由于在温度低于160℃时，随温度的增加，淀粉的糊化度增加，物料处于熔融状态，流动性随温度的升高而增加，导致物料在机筒内的时间相对缩短，所以蛋白质变性减少。而在温度超过160℃时，高温加剧了美拉德反应，蛋白质损失，水溶性蛋白降低。

图13 末端温度和螺杆转速对水溶性蛋白的影响

图14 末端温度和物料湿度对水溶性蛋白的影响

图15 末端温度和物料粒度对水溶性蛋白的影响

2.3.2 螺杆转速对产品水溶蛋白含量的影响

由图13、图16和图17可知螺杆转速和水溶性蛋白含量之间呈抛物线关系。这可能是在低转速的情况下，随螺杆转速的增加，物料在腔体的停留时间缩短，物料的受热时间减少，导致蛋白质变性相对减少。在转速较高时，剪切力增大，并造成物料间相互摩擦产生大量热量，虽然高转速时物料在腔体内停留时间短，但不足以弥补因物料间相互摩擦以及剪切力增大而造成的蛋白质变性，因此蛋白质含量降低。

2.3.3 物料湿度对产品水溶性蛋白含量的影响

图16 螺杆转速和物料湿度对水溶性蛋白的影响

图17 螺杆转速和物料粒度对水溶性蛋白的影响

图18 物料湿度和物料粒度对水溶性蛋白的影响

由图14、图16及图18可以看出水分含量与水溶性蛋白含量之间呈抛物线关系，且有一最大值。在低水分条件下，分子间运动能力弱，蛋白质之间和蛋白质—多糖之间的交联不能充分进行［16］，蛋白质结构变化相对较少。随着水分含量的增加，分子运动性和塑性增强，反应物之间交联加剧，蛋白质变性程度增加。随着水分含量的进一步增加，即高于X3=0(35%)时，由于淀粉水解的糖类与蛋白质发生美拉德反应加剧，蛋白质损失。所以在水分含量高于35%时，水溶性蛋白呈减少趋势。

2.3.4 物料粒度对产品水溶性蛋白含量的影响

由图15、图17及图18可以看出，物料粒度与水溶性蛋白含量之间呈抛物线关系，且有一最大值。在粒度20～60目范围内，水溶性蛋白含量随着粒度的增加而增加，当粒度为60目时，水溶性蛋白含量达到最大值，但粒度超过60目时，水溶性蛋白含量又开始下降。当粒径较大时，在同样的温度、压力和剪切力作用下，原料与水和机筒内壁接触面积较小，受热较慢，蛋白质变性程度较低，所以水溶性蛋白含量较高;当粒度较细时，由于原料间静电作用加大，机筒内物料之间的交联作用增加，尤其是蛋白质与淀粉之间的美拉德反应加剧，导致蛋白质变性程度增加，水溶性蛋白含量减少。

3 小结

以麦麸、豆渣及麦胚为主要原料生产低能量高纤维产品时，工艺参数的选择对产品特性有重要影响。试验结果表明，在挤压组织化过程中，挤压温度、物料水分含量及粒径对产品挤压组织化、产品质量的影响最显著，其次是螺杆转速。挤压温度是原料是否可以组织化的关键因素，物料水分含量则影响着产品能否形成较好组织化结构的重要因素，物料粒度影响挤压产品的组织化结构和感官质量，螺杆转速主要影响物料在挤压机内的滞留时间和螺杆对物料的剪切作用。

挤压产品的硬度随着末端温度增加而增加，随着物料湿度及粒度的增大降低;挤压产品的持水性随着末端温度及物料湿度的增加先增大后减小，随着物料粒度的增大而增大，螺杆转速对硬度及持水性的影响不明显;挤压产品的水溶性蛋白随着末端温度、螺杆转速、物料湿度及物料粒度的增加先增大后减小。

综合考虑物料水分、机筒温度、螺杆转速及模孔直径对产品质构、持水性、水溶性蛋白含量等的影响，本试验得出低能量高纤维产品挤压组织化的最优参数组合为:物料水分为30%，机筒温度为150℃，螺杆转速为 200 r·min-1，物料粒度为40目。

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