挤压膨化工艺制备红小豆速食粉的研究

朱珠，张传智，王维坚，田海娟，王骞，赵丽艳

（1.吉林工商学院粮油食品深加工吉林省高校重点试验室，吉林长春130062；2.吉林工商学院食品学院，吉林长春130062）

红小豆，亦称“小豆、赤豆、赤小豆”，是菜豆族豇豆属植物赤豆的种子[1]。原产于我国，产区主要分布在华北、东北、西北地区，每年产量为20 万t～40 万t，我国在红小豆的种植和出口量上均居世界之首[2]。红小豆的碳水化合物含量为55%～60%，蛋白质含量为18%～23%，膳食纤维7%～19%[3]。红小豆富含核黄素、硫胺素、黄酮、花色素和花色苷、烟酸、皂素类化合物等大量的功能活性物质[4-5]。资料表明，这些物质的抗氧化性较好，能够快速有效除去各种有害的自由基。研究表明，红小豆中的功能性成分对伤寒杆菌、福氏痢疾杆菌、金黄色葡萄球菌等都具有明显的抑制甚至将其杀灭的作用[6]。随着现代社会生活节奏的日益加快，人们对方便食品的需求量明显提高，即食食品的生产将是未来发展的要求[7]。目前，我国红小豆相关食品大部分是作坊式手工操作，工业化程度低。将红小豆加工成即食粉，以其食用方便快捷，营养丰富，口感好而受到消费者欢迎，目前红小豆即食粉生产中的熟化方式主要采用间歇式的湿热蒸煮方式，该种方法加工工艺复杂，生产力低下，制约其工业化大生产[8-9]。本研究采用双螺杆挤出技术对红小豆粉进行熟化处理，生产力得到大幅度提高，同时短时的加热能够最大限度的保留红小豆内的热敏性功能性成分。

1 材料与方法

1.1 材料

红小豆，白砂糖，膳食纤维：市售。碳酸钙：蓬莱市海洋生物化工有限公司提供。乳酸锌，乳酸亚铁：郑州成果食品添加剂有限公司。麦芽糊精：大成新资源有限公司。

1.2 仪器与设备

BPG-9240A 型精密鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；GB1302 型电子精密天平：梅特勒-托利多仪器有限公司；DS32-ⅡA 双螺杆挤压机（螺杆转速1 Hz＝7.5 r/min）：济南赛信膨化机械有限公司；SQW-6DI 超微粉碎机：山东三清不锈钢设备有限公司；WF-250 型多功能粉碎机：上海蓝深制药机械有限公司。

1.3 工艺流程及试验方法

1.3.1 工艺流程

红小豆→预处理→红小豆粉→双螺杆挤出→粗粉碎→调配→超微粉碎→包装成品

1.3.2 方法

1.3.2.1 样品水分的测定

按GB/T 21305-2007 《谷物及谷物制品水分测定法测定》。

1.3.2.2 样品糊化度的测定

糊化度的测定采用酶水解法[10]测定。

1.3.2.3 样品膨化度的测定

本研究膨化度测定方法采用径向膨化度测定法，用游标卡尺测量挤出样品的直径，每个样品随机测定10 次，求其平均值作为挤出样品的直径D/cm。膨化度表示为：

膨化度=D/d

式中：D 为挤出产品平均直径/cm；d 为模口直径/0.40 cm。

1.3.2.4 红小豆粉配制

红小豆清选除杂，用流动水冲洗、干燥，然后粉碎至粒度为60 目（0.246 mm）。加入适量水混合均匀，密封放置2 h～4 h 使水分充分混均，制得红小豆粉。

1.3.2.5 双螺杆挤出单因素试验

螺杆转速考察：在物料水分含量为18%、挤出温度150 ℃的条件下，考察螺杆转速为24、27、30、33、36、39 Hz 时挤出处理对物料膨化度和糊化度的影响。

水分含量考察：在温度150 ℃、螺杆转速30 Hz 的条件下，考察水分含量为12%、14%、16%、18%、20%、22%时挤出处理对物料膨化度和糊化度影响。

挤出温度考察：在水分含量18%、螺杆转速30 Hz的条件下，考察120、130、140、150、160、170 ℃时挤出处理对物料膨化度和糊化度的影响。

1.3.2.6 调配

挤出产品烘干后进行粉碎，然后对得到的熟化红小豆粉进行营养功能调配。以营养健康、食用方便为目标，本研究采用白砂糖、玉米膳食纤维、麦芽糊精为辅材，以提高产品的感官品质及营养成分。同时根据同类产品的矿物质需求，对钙、铁、锌等元素通过添加强化剂的方式进行补充强化。以上各种原料按照适当的比例添加混合后，通过超微粉碎机进行粉碎至200 目，制得红小豆冲调粉。

调配的原则主要有以下三方面：

1）能量、蛋白质、碳水化物、脂肪、膳食纤维的含量能够达到该类产品的标准。

2）矿物质、维生素等达到早餐的合理营养要求。

3）产品具有良好的组织状态、滋味、风味、口感、颜色等，符合中国人的饮食习惯。

1.3.2.7 冲调试验

取红小豆冲调粉一份，加入6 份85 ℃～95 ℃水，搅拌均匀，以表1 所示评分标准，进行感官评定。

表1 综合评分标准Table 1 Global evaluation standard

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 螺杆转速对物料膨化度和糊化度的影响

螺杆转速对物料膨化度和糊化度的影响，见图1。

图1 螺杆转速对挤出处理的影响Fig.1 Effect of screw rotation speed on extrusion process

由图1 可知，当螺杆转速在24 Hz～30 Hz 时，物料的糊化度呈上升趋势，当螺杆转速为30 Hz 时，糊化度达到最大值95.68%；随着螺杆转速继续增加，糊化度下降。物料的糊化度大小与其在挤出腔内的停留时间及温度有关。螺杆转速越低，物料在挤出腔内停留时间越长，受高温作用的时间越长，糊化效果好。相反，螺杆转速过大，物料在挤出腔内停留时间过短，热处理进行的不彻底，糊化效果差。另一方面，螺杆转速增加，物料与螺杆和机筒的剪切力摩擦增加，物料受到的作用力增强，淀粉的牢固结构更容易破坏，淀粉分子内和分子氢键和淀粉晶体也更容易破坏，所以糊化度增加。

在一定的喂料速度下，螺杆转速决定了挤压过程中套筒内的物料填充程度，进而影响其在套筒内的摩擦力、升温速率和压力，最终影响挤出产品的膨化度。从图1 可以看出，螺杆转速从24 Hz 到33 Hz 时挤出产品的膨化度随之增长，螺杆转速大于33 Hz 时膨化度下降，这是因为物料的糊化度下降，导致膨化度降低。综合以上考虑，螺杆转速选择为33 Hz。

2.1.2 水分含量对物料膨化度和糊化度的影响

水分含量对物料膨化度和糊化度的影响，见图2。

图2 水分含量对挤出处理的影响Fig.2 Effect of water content on extrusion process

从图2 可以看出随着物料水分含量的提高，物料的糊化度和膨化度均呈先提高后下降的趋势，当物料分水含量为16%时，挤出产品的膨化度最高为3.378，物料水分含量为18%时，糊化度最高为93.25%。物料膨化的原理是水分在挤压腔内经高温高压作用，在挤出的瞬间水分快速汽化，形成均匀的气腔，使挤出产品呈现膨化状态，物料含水量高时，淀粉和蛋白质吸水增加，蛋白质变性，物料的黏稠度增大，物料与挤压螺旋构件间摩擦力增大，膨化度和糊化度升高；当物料的含水量继续增加时，物料中的水分充当了润滑剂的作用，物料在机筒内所受剪切、磨擦作用减弱，阻力减小，停留时间短，使模头出口压力降低[11]。由于水分在模口处汽化而吸收大量的气化潜热，使得机筒及模头出口处温度降低，难以形成高温高压状态，从而使挤出产品的膨化度和糊化度均降低。综合以上所述，水分添加量以18%为最佳。

2.1.3 挤出温度对样品膨化度和糊化度的影响

挤出温度对样品膨化度和糊化度的影响，见图3。

图3 挤出温度对挤出处理的影响Fig.3 Effect of extrusion temperature on extrusion process

挤出温度是挤压膨化中很重要的因素之一。温度是促进蛋白质变性、淀粉糊化和其他成分熟化的必要条件，因此温度对于产品性状有很大的影响。从图3可以看出，随着挤出温度的升高产品的膨化度和糊化度均呈先提高后下降的趋势，在160 ℃时糊化度和膨化度达到最大值。物料中淀粉的糊化是在适当的温度吸收足够的水分和热量的条件下进行的。物料的糊化度在一定范围内随着温度的升高而增大，但是温度过高会导致部分淀粉焦炭化，从而影响挤出产品的品质。物料温度在160 ℃以上时，淀粉晶体熔融，物料黏度下降，支链体解离，成为线状分子，并沿轴向定向流动，在模头内流动阻力下降，出口处压力下降，对气体的束缚能力较弱，以致气泡形成过程中较早地破裂，因此挤出产品膨化度下降。综上所述及由图3 所示，挤出温度选择160 ℃为宜。

2.2 产品的调配

2.2.1 矿物元素配料的确定

本研究选用碳酸钙、乳酸亚铁、乳酸锌作为钙、铁、锌的强化剂。碳酸钙具有价格相对便宜、含钙高，易为人体所吸收等特点，同时可作为产品品质改良剂。乳酸亚铁和乳酸锌具有价格相对适中，基本无异味，易被人体吸收等特点。本研究中各矿物质强化剂所选的剂型及有效含量为：碳酸钙（40%），乳酸铁（三水乳酸亚铁，含铁19.39%），乳酸锌（三水乳酸锌，含锌22.2%）。根据GB 14880-94《食品营养强化剂使用卫生标准》确定早餐谷物中各矿物质的添加量分别碳酸钙0.6%、乳酸亚铁0.015%、乳酸锌0.015%。

2.2.2 辅料的确定

本研究中红小豆粉为主要原料，其所占比例应大于50%；该类产品膳食纤维添加量一般小于8%，糖含量6%～14%，麦芽糊精15%～25%。根据以上添加范围，以膳食纤维添加量、糖添加量和麦芽糊精添加量为因素变量，以产品的感官指标考察指标，设计四因素三水平的正交试验，试验设计因素水平表见表2。

表2 L9（34）正交试验因素和水平Table 2 Factors and levels in the L9（34）orthogonal array design

按表2 正交试验因素水平表进行试验，以表1 的考核指标表进行感官评分，试验结果如表3 所示。

表3 L9（34）正交试验设计结果Table 3 Result of Design of L9（34）Orthogonal test

由表3 的极差（R）大小可知，麦芽糊精（A）、膳食纤维（B）和糖（C）三个因素影响感官评价的主次关系为A＞C＞B。根据极差分析，得出各因素的最优组合为A2B1C2。同样，从表中直观结果中可以看出，4 号试验组A2B1C2组合评分最高，所以本研究的辅料配方选择为：麦芽糊精添加20 %，膳食纤维添加4 %，糖添加量为9%时，产品的评分最高。

3 结论

本研究采用双螺杆挤出技术对红小豆粉进行处理，通过瞬时高温高压作用使红小豆粉熟化，以物料的糊化度和膨化度为考察指标，考察水分含量、挤出温度、螺杆转速对红小豆粉熟化的影响。通过单因素试验确定最佳工艺条件为：物料水分含量18%、挤出温度160 ℃、螺杆转速33 Hz。挤出物料经粗粉碎后进行调配，选择碳酸钙、乳酸亚铁、乳酸锌作为钙、铁、锌的强化剂，添加量分别碳酸钙0.6%、乳酸亚铁0.015%、乳酸锌0.015%；辅料添加量为：麦芽糊精添加20%，膳食纤维添加4%，糖添加量为9%时。

本研究制作的红小豆冲调粉营养均衡丰富，具有良好的组织状态、滋味、风味、口感、颜色等，符合中国人的饮食习惯。能量、蛋白质、碳水化物、脂肪、膳食纤维的含量达到了该类产品的标准；同时营养均衡丰富。

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