发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理改善全谷物糙米粉冲调性的工艺优化

张冬媛 张名位 邓媛元 马永轩 魏振承 张瑞芬张 雁 唐小俊 遆慧慧 刘 磊 张 晖

（江南大学食品学院1，无锡 214122）

（广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所农业部功能食品重点实验室／广东省农产品加工重点实验室2，广州 510610）

发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理改善全谷物糙米粉冲调性的工艺优化

张冬媛1，2张名位2邓媛元2马永轩2魏振承2张瑞芬2张 雁2唐小俊2遆慧慧2刘 磊2张 晖1

（江南大学食品学院1，无锡 214122）

（广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所农业部功能食品重点实验室／广东省农产品加工重点实验室2，广州 510610）

以发芽糙米为原料，优化高温α－淀粉酶辅助双螺杆挤压膨化处理的工艺条件，以改善糙米粉的冲调性，并提高其消化利用率。采用Box－Behnken试验设计优化发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理的工艺条件，以糙米粉的水溶性指数为响应值，建立包括物料含水量、挤出温度和螺杆转速的三因素回归模型。试验确定了发芽糙米的最佳挤压膨化条件为：高温α－淀粉酶添加量70 U／g、物料含水量17%、挤出温度134℃、螺杆转速29.6 Hz。在该工艺条件下，发芽糙米粉的水溶性指数达39.8%，与糙米经发芽—挤压膨化协同处理和经高温α－淀粉酶—挤压膨化协同处理相比，所得糙米膨化粉的冲调结块率分别下降55.4%和73.8%，淀粉的消化率分别提高9.9%和7.6%。试验证明糙米经发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理能显著改善其膨化粉的冲调性和淀粉消化性能。

全谷物糙米 发芽 挤压膨化 高温α－淀粉酶 冲调性

糙米是一种典型的全谷物，由于其含有丰富的营养成分和酚类等生物活性物质，具有抗氧化和预防退行性疾病等多种生物活性［1］。糙米因含有较为致密的种皮和果皮，不容易烹煮，给其直接食用带来不便，目前多用来加工速食糙米粉、糙米片、糙米饮料等方便食品。速食糙米粉同其他糊类方便食品一样，一直面临着如何提高冲调性、降低结块、提高淀粉消化利用率等问题［2］。

糊粉类方便食品的冲调性是指加入温开水后，其分散性、水溶性、组织结构、黏度与口感等特性的综合指标。由于水溶性指数容易量化，常被作为评价冲调性的代表性指标。水溶性指数提高，不仅使冲调性得到改善，而且可以提升食物的消化利用率［3］。为了提高糙米粉的水溶性指数，目前多采用挤压膨化和发芽处理。糙米经挤压膨化后淀粉发生糊化和降解［4－6］，部分蛋白质裂解，水溶性膳食纤维增多，膨化糙米粉呈现疏松多孔的结构［7］，水溶性显著提高；而糙米在发芽的过程中，淀粉等大分子物质部分水解，水溶性物质增多［8］。韩永斌等［9］研究表明，糙米经过发芽和挤压膨化后，水溶性指数提高了78%。另有研究表明，将α－淀粉酶添加到淀粉质原料中进行挤压处理，可进一步提高挤出物的水溶性指数。Govindasamy等［10－11］利用高温 α－淀粉酶辅助挤压膨化的方法处理西米淀粉，挤出物的水溶性指数可提高63%。Myat等［12］将挤压膨化与高温α－淀粉酶结合，在95℃和115℃下，玉米淀粉挤出物的水溶性指数分别提高2.26倍和2.04倍。许亚翠等［13］优化了添加高温α－淀粉酶制备膨化精白米粉的最佳挤压条件，使膨化米粉溶解度提高。

目前改善糙米粉冲调性和消化利用率的研究多是单独采用原料发芽、生物酶处理，或物理的挤压膨化处理等。已有的将物理和生物方法相结合的工艺研究也是针对精白米或纯淀粉原料的。为此，本研究以发芽糙米为原料，利用高温α－淀粉酶辅助双螺杆挤压膨化处理，以糙米粉的水溶性指数为指标，优化其工艺参数，以进一步改善糙米粉的冲调性，并提高其消化利用率。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

水稻：品种为黄花黏，产自广州，2013年3月播种，7月收获，稻谷常温保存。

高温α－淀粉酶：无锡锐阳生物科技有限公司，酶活20 000 U／mL；猪胰α－淀粉酶：广州齐云生物技术有限公司，酶活30 000 U／g；糖化酶：奥博星生物技术有限公司，酶活10 000 U／g。

1.2 主要仪器与设备

DS30－Ⅱ型双螺杆膨化机：山东赛信膨化机械有限公司；XFB－1000中草药粉碎机：吉首市中诚制药机械厂；MV－1000W分液漏斗振荡器：东京理化EYELA；DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司；PCE－E3000型恒温水浴震荡器：苏州威尔实验用品有限公司。

1.3 方法

1.3.1 稻谷发芽处理

将稻谷除杂清洗后用1%的次氯酸钠溶液浸泡消毒20min，经桶装蒸馏水漂洗数次后，用0.05%的次氯酸钠溶液浸泡12 h，再用蒸馏水洗至pH中性。将该稻谷转移至浅槽容器中进行催芽培养，控制温度（30±3）℃，期间补充喷蒸馏水保持稻谷湿润，培养至芽长0.5～1mm时，置于40℃热泵干燥箱中烘干，用砻谷机砻谷去除稻壳，用中草药粉碎机将发芽糙米粉碎，过60目筛，供挤压膨化处理用。

1.3.2 挤压膨化工艺的操作要点

量取一定量的高温α－淀粉酶酶液，溶解于一定量的蒸馏水，按照试验设计与定量的发芽糙米原料混合均匀。物料经过DS30－Ⅱ型双螺杆膨化机挤压膨化处理，待出料稳定后收集挤出样品，置于55℃恒温烘箱中干燥2 h，干燥样品粉碎并过80目筛，密封保存备用。

1.3.3 高温α－淀粉酶辅助挤压膨化工艺的单因素试验

1.3.3.1 物料含水量对膨化粉水溶性指数（Water Solubility Index，WSI）及吸水性指数（Water Absorption Index，WAI）的影响：将发芽糙米进行水分调整，分别设置12%、14%、16%、18%、20%、22%6个水分处理，螺杆转速30 Hz，机筒前端、中端和末端的温度分别为60、98、140℃，酶添加量为55 U／g发芽糙米粉。

1.3.3.2 螺杆转速对膨化粉WSI及WAI的影响：螺杆转速分别设置20、24、28、32、36、40 Hz 6个转速处理，物料含水量为16%，机筒前端、中端和末端温度分别为60、98、140℃，酶添加量为55 U／g发芽糙米粉。

1.3.3.3 挤出温度对膨化粉WSI及WAI的影响：固定机筒前两区的温度，设置膨化机末端温度（挤出温度）分别为 110、120、130、140、150、160℃6个处理，物料含水量为16%，螺杆转速28 Hz，酶添加量为55 U／g发芽糙米粉。

1.3.3.4 高温α－淀粉酶酶添加量对膨化粉WSI及 WAI的影响：酶添加量分别设置为 30、40、50、60、70、80 U／g 6个处理，物料含水量为16%，螺杆转速28 Hz，机筒前端、中端和末端温度分别为60、98、130℃。

1.3.4 高温α－淀粉酶辅助挤压膨化工艺优化试验

综合单因素试验的结果，确定高温α－淀粉酶的用量为70 U／g物料，选取物料含水量（X1）、挤出温度（X2）、螺杆转速（X3）设计中心组合试验，以水溶性指数（Y）作为响应值，采用Box－Behnken中心设计原理，确定最佳的挤压膨化条件。试验因素水平及编码水平表见表1。

表1 发芽糙米挤压膨化工艺Box－Behnken试验因素水平编码

1.3.5 不同处理膨化粉的对比试验

在优化的最佳工艺条件下，设置4组对比试验：组Ⅰ为糙米不发芽直接挤压膨化处理（Extrusion of Brown Rice，EBR）、组Ⅱ为糙米不发芽经高温α－淀粉酶辅助挤压膨化处理（Extrusion of Brown Rice with Enzyme，EBRE）、组Ⅲ为发芽糙米直接经挤压膨化处理（Extrusion of Germinated Brown Rice，EGBR）、组Ⅳ为发芽糙米经高温α－淀粉酶辅助挤压处理（Extrusion of Germinated Brown Ricewith Enzyme，EGBRE）。

1.3.6 WSI和WAI的测定方法

参照Anderson等［14］的方法略加修改：准确称取2.5 g的样品于50mL离心管中，加入30mL去离子水（水温28℃），以275 r／min的速率振摇30min，3 000×g离心15min，分离上清液和沉淀物。上清液倾倒于恒重的称量瓶中，在105℃的温度下蒸发干至恒重。WSI和WAI按下式计算：

WSI＝蒸干上清液后残余物质量／样品干质量×100%

WAI＝倾出上清液后凝胶的质量／样品干质量

1.3.7 结块率的测定方法

参照刘静波等［15］的方法并略作修改，称取5 g样品置于250mL的烧杯中，加入70℃的去离子水100mL，以10 r／min速率搅拌30 s。取20目的筛网对米糊进行过滤，用清水漂洗筛上物1次，沥干后于105℃恒温干燥箱内带筛网烘干至恒重。结块率计算公式如下：

结块率＝（结块物的质量 ／样品干重）×100%1.3.8 淀粉消化率的测定方法

参照Englyst等［16］的方法并略作改动。准确称取0.3 g样品，加入10mL醋酸缓冲液（0.2mol／L，pH 5.2）使样品分散均匀，再加入10mL混合酶液（290 U／mL猪胰 α－淀粉酶，15 U／mL糖化酶）。将反应体系置于37℃、120 r／min下水浴振荡。在酶解反应120min后，放入沸水浴中灭酶10min，冷却后6 000×g离心10min，取上清液定容。定容液用DNS法测定葡萄糖的质量。总淀粉质量参照GB／T 5009.9—2008测定。

淀粉消化率 ＝［（G120－FG）×0.9／TS］×100%

式中：G120为120min内水解产生的葡萄糖质量／mg；FG为酶水解前样品中游离葡萄糖质量／mg；TS为样品总淀粉质量／mg。

1.3.9 统计分析

采用SPSS17.0软件进行数据方差分析，应用Duncan’s多重比较法检验数据的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 高温α－淀粉酶辅助挤压膨化工艺条件对发芽糙米WAI与WSI的影响

2.1.1 物料含水量

物料水分对发芽糙米膨化粉WSI和WAI的影响见图1。随着物料中含水量的增加，膨化粉WSI先增加后降低，之后进入平缓期。在含水量低于16%时，提高物料中含水量可以显著增加膨化粉的WSI（P＜0.05）。可能是由于水分过少时，淀粉糊化程度低，淀粉酶的作用也受到限制，WSI较低而WAI较高。当含水量增大到适宜水平时，淀粉迅速糊化并部分降解；高温α－淀粉酶对糊化的淀粉作用强烈，淀粉被迅速切断成小分子物质，糙米粉WSI显著提高。当含水量继续提高，膨化粉WSI逐渐降低（P＜0.05）。当物料含水量达到20%以后，膨化粉WSI不再随物料含水量变化，保持在35%左右（P＞0.05）。膨化粉WAI的变化趋势与WSI相反。这是因为水分含量提高时，水的润滑作用加强，机筒内的摩擦作用减小，外部提供给物料的机械能和热能相应减少，一方面大量能量用于水分的汽化而使淀粉糊化的能量减少，另一方面挤出物残留水分高，膨胀度低，未能形成疏松多孔的结构，水溶性较差。

图1 物料含水量对发芽糙米膨化粉WSI及WAI的影响

2.1.2 螺杆转速

图2 螺杆转速对发芽糙米膨化粉WSI及WAI的影响

螺杆转速对发芽糙米膨化粉WSI与WAI的影响见图2。随着螺杆转速的提高，膨化粉WSI先增高再降低，随后趋于平缓；相应WAI则先降低后逐渐回升并趋于平稳。当螺杆转速低于28 Hz，加快转速可以显著提高膨化粉WSI（P＜0.05）。当螺杆转速超过28 Hz后，WSI急剧下降。这是由于在相对较低的转速范围内，提高螺杆转速使得剪切和摩擦产热作用加强，强烈地破坏淀粉颗粒的紧密结构，有助于高温α－淀粉酶的作用；同时，水分蒸发加快，利于聚合物气泡的生成，产品表面疏松多孔，使糙米粉WSI提高。但当螺杆转速过高时，物料在机筒内停留时间过短，来不及吸收充足的能量发生充分的糊化作用和降解反应，高温α－淀粉酶也没有发生明显的作用。

2.1.3 挤出温度

挤出温度对发芽糙米膨化粉WSI与WAI的影响见图3。在低温区段，膨化粉WSI随挤出温度的升高而显著提高（P＜0.05），但是当温度高于130℃后，膨化粉的WSI迅速下降至较低水平，小于30%。WAI随挤出温度的升高先降低后又增高，与WSI呈相反的变化趋势。温度是淀粉糊化及高温α－淀粉酶发挥作用所必须的，但是过高的温度又会使物料组分间发生复合作用，阻碍淀粉等大分子物质的降解作用，且高温α－淀粉酶也会过早失活，因此。机筒温度应控制在相对较低的范围内，在保证物料熟化的基础上，尽量提高高温α－淀粉酶的活性。

图3 挤出温度对发芽糙米膨化粉WSI及WAI的影响

2.1.4 高温α－淀粉酶添加量

图4 高温α－淀粉酶用量对发芽糙米膨化粉WSI及WAI的影响

高温α－淀粉酶添加量对膨化粉WSI和WAI影响的结果见图4。酶添加量由30 U／g增加到60 U／g，膨化粉WSI逐步增长，当酶添加量到达70 U／g后，膨化粉WSI的提高没有差异显著性（P＜0.05），说明在该条件下，酶解能力达到了饱和，继续提高酶添加量对于WSI的提高作用不明显。因此，从酶用量少而高效的原则考虑，确定后续响应面试验的酶用量为70 U／g物料，不再对该因素进行优化。

2.2 高温α－淀粉酶辅助挤压膨化工艺条件优化

2.2.1 回归模型的拟合及方差分析

试验安排与结果如表2所示。以物料水分X1、挤出温度X2、螺杆转速X3为试验因素，WSI为考察指标的二次回归模型为：

该回归模型的方差分析结果见表3。模型的决定系数R2为0.978 2，变异系数为1.55，回归模型达到了极显著水平（P＜0.01）。对模型进行优化，保留P＜0.25的项，得到优化后的回归模型如式（2），对其进行方差分析，其决定系数R2为0.977 9，变异系数为1.46，失拟项的P值为0.922 6。

表2 Box－Behnken试验设计方案与结果

表3 回归模型方差分析

2.2.2 双因素交互作用分析

由表3可见，物料水分含量和螺杆转速之间的交互作用对发芽糙米膨化粉的WSI有显著影响，其交互作用的等高线图及响应面如图5所示。其他因素固定在零水平条件下，当水分含量处于较低水平时，WSI随含水量增加有较明显的提高，当含水量高于零水平后，WSI呈现下降的趋势；当含水量一定时，WSI随着螺杆转速的增加也呈现先增高后降低的趋势。该交互作用对WSI的影响超过了单一物料含水量的影响，表明螺杆转速对熔融聚合物中水分的变化有着重要影响。

图5 物料含水量和螺杆转速对发芽糙米粉WSI的交互影响效应等高线图及响应曲面图

2.2.3 最佳条件优化及验证

利用Design－Expert 6.0软件对回归模型进行规范性分析，得到一个稳定点，该点各因子的编码值X1＝17.0%、X2＝133.98℃、X3＝29.57 Hz，物料添加70 U／g的高温α－淀粉酶，对应的WSI为40.9%。为了便于实际操作，确定挤压膨化的工艺条件为：物料含水量17%、挤出温度134℃、螺杆转速29.6 Hz，高温α－淀粉酶添加量70 U／g。在该条件下进行了验证试验，测得的WSI为（39.8±1.3）%，实际值比预测偏低2.7%，说明该模型合理有效，具有参考价值。

2.3 发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理对膨化粉结块率及消化率的影响

2.3.1 膨化粉的结块率

糙米经发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理（EGBRE）与经挤压膨化处理（EBR）、高温α－淀粉酶—挤压膨化处理（EBRE）、发芽—挤压膨化处理（EGBR）处理后，其膨化粉的冲调结块率结果见图6。

图6 膨化粉的冲调结块率

由图6可见4种不同处理所得膨化粉的结块率呈现显著差异（P＜0.05），其中，EGBRE处理的膨化粉结块最低，仅1.52%，与 EBR、EBRE和EGBR处理相比，其冲调结块率分别下降84.2%、73.8%和55.4%。

糙米在发芽过程中，内源淀粉酶被激活，淀粉不断地被降解，膨化粉复水时不易结块。将高温α－淀粉酶与发芽处理及挤压膨化相结合，更加高效地降解淀粉，产生大量的糊精和还原糖。这些小分子的物质易溶于水，且由于淀粉链断裂，暴露出更多的亲水基团，使得膨化粉的结块现象明显减少，略加搅拌即可形成黏度适中的均匀糊状物。

2.3.2 膨化粉淀粉消化率

糙米经发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理（EGBRE）与经挤压膨化处理（EBR）、高温α－淀粉酶—挤压膨化处理（EBRE）、发芽—挤压膨化处理（EGBR）处理后，其膨化粉淀粉消化率结果如图7所示。EBR、EBRE和EGBR 3种处理所得膨化粉的淀粉消化率差异不显著，而EGBRE处理的淀粉消化率显著提高（P＜0.05），与 EBR、EBRE和 EGBR处理相比，分别提高12.2%、9.9%和7.6%。这是由于糙米经过发芽、高温α－淀粉酶酶解及挤压的协同处理，淀粉熟化降解程度加大，人体消化利用率提高。

图7 膨化粉的淀粉消化率

3 讨论

淀粉酶的酶解作用可以显著降低谷物基冲调粉的结块率。许亚翠等［13］试验表明，高温型－淀粉酶的应用使膨化米粉的结块率由32.0%下降到11.3%。师俊玲等［17］研究了淀粉酶酶解程度对喷雾干燥燕麦粉结块率的影响，结果显示酶解度高则结块率显著降低。

研究显示发芽、淀粉酶和挤压膨化对淀粉消化性能均有改善作用。Xu等［18］的研究表明，经过发芽处理，糙米的抗性淀粉含量降低，可消化淀粉含量提高。袁海娜等［2］将中温α－淀粉酶与滚筒干燥相结，米粉在120min内的淀粉消化率提高了27.5%。Yahaghi等［19］和 Martínez等［20］研究证明，适宜的挤压使得淀粉对消化酶酶解作用敏感，消化率提高。

4 结论

通过响应面法，优化得到了发芽－高温α淀粉酶－挤压膨化协同改善速食糙米粉冲调性的工艺条件，在物料含水量17%、挤出温度134℃、螺杆转速29.6 Hz，高温α－淀粉酶添加量70 U／g的条件下，发芽糙米粉的水溶性指数可达39.8%，与糙米经发芽—挤压膨化协同处理和经高温α－淀粉酶—挤压膨化协同处理相比，所得糙米膨化粉的冲调结块率分别下降55.4%和73.8%，淀粉的消化率分别提高9.9%和7.6%，本研究表明糙米经发芽—挤压膨化—高温α淀粉酶协同处理能显著改善其膨化粉的冲调性和消化利用率。

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The Collaborative Process Optimization of Germination－Extrusion－Thermostableα－Amylase to Improve the Solubility of Brown Rice Powder

Zhang Dongyuan1，2Zhang Mingwei2Deng Yuanyuan2Ma Yongxuan2Wei Zhencheng2Zhang Ruifen2Zhang Yan2Tang Xiaojun2Ti Huihui2Liu Lei2Zhang Hui1

（School of Food Science and Technology，Jiangnan University1，Wuxi 214122）
（Sericultural and Agri－food Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences／Key Laboratory of Functional Foods，Ministry of Agriculture／Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing2，Guangzhou 510610）

The objective of the present study was to optimize the extrusion process conditions formodifying the solubility and biologcal availability of brown rice powder.The process was cooperated with germination and thermostableα－amylase.The effects ofmoisture，extrusion temperature，screwing speed and the amount of enzyme on water solubility index（WSI）of germinated brown rice powder were analyzed.The optimal parameters were water content 17%，extrusion temperature 134℃，screwing speed 29.6 Hz and amylase additive ratios of70 U／g.TheWSIof germinated puffing brown rice powder obtained after optimization was up to 39.8%，and the agglomeration rate fell by 55.4%and 73.8%comparing with the germinated puffing brown rice powder without thermostableα－amylase and assisting with thermostableα－amylase.Meanwhile，the starch digestibility increased 9.9%and 7.6%.The results showed thatgermination－extrusion－thermostableαamylase co－processing could significantly improve the solubility and biologcal availability of brown rice powder.

whole brown rice，germination，twin－screw extrusion，thermostableα－amylase，solubility

TS213.3

A

1003－0174（2015）06－0106－07

时间：2015－05－05 06：43

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20150505.0643.004.html

“十二五”国家科技支撑计划（2012BAD33B10，2012 BAD37B08），公益性行业科研专项（201303071，201403063），农业部“948”计划重点项目 （2011－G8（4）－5），广东省教育部产学研结合项目（2012B0911 00411）

2014－05－27

张冬媛，女，1988年出生，硕士，粮食深加工

张晖，女，1966年出生，教授，谷物与健康食品