挤压膨化技术对早餐谷物营养的影响

魏学明，张 光，刘琳琳，陈凤莲，杨春华

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

挤压膨化技术对早餐谷物营养的影响

魏学明，张 光，刘琳琳，陈凤莲，*杨春华

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

挤压膨化技术是现代食品工程高新技术之一。近年来，谷物早餐食品得到人们的广泛认可。通过介绍挤压膨化技术的过程机理与优点、挤压膨化技术及谷物早餐的研究进展，综述了挤压膨化技术对食物营养及其消化吸收率的影响。

挤压膨化技术；谷物早餐；营养成分；消化吸收率

0 引言

中国居民膳食结构中谷物占有较大比例，谷物中含有丰富的营养物质，能满足人体大部分生理需求。应用挤压膨化技术生产谷物方便早餐，具有生产效率高、生产成本低、原料利用率高等优点，能保留谷物中绝大多数营养成分。营养方便早餐食品的生产既满足了人们的营养需求，也方便了人们的生活，因此挤压膨化营养方便早餐拥有广阔的市场前景。

1 挤压膨化技术及其研究进展

挤压膨化技术是将物料的混合、破碎、蒸煮、杀菌、膨化及成型等加工过程合为一体，实现一系列单元的同时进行连续操作的现代加工技术［1］。

1.1 挤压膨化过程机理

挤压膨化是通过热能、剪切和压力等综合作用，使水分在喷出模口时瞬间汽化，对食品进行膨化的一种技术，是一个短时高温、高压的加工过程。挤压机内螺杆、螺旋不断转动，当物料进入挤压机后，随着螺杆、螺旋的转动被向前输送，由于螺杆与机筒、物料与机筒、物料之间的强烈摩擦以及挤压机套筒外加的热量使物料处于高温、高压环境呈熔融状态，当物料进入模头前，熔融态的物料完全呈流体状态，最后由模孔被挤出瞬间到达常温常压状态，物料的体积也瞬间膨化，致使食品内部淀粉体爆出许多微孔，体积急剧膨胀，形成质构疏松的膨化食品［2］。

1.2 挤压技术的优点

挤压技术应用范围广，可用于加工各种豆类、谷类、薯类等，也可以生产各种膨化食品和休闲食品［3］。挤压设备往往具有良好的连续工作性能，生产效率高，从而降低了生产成本；可以改善食品原料的质构特性、密度、复水性等，从而改善产品口感和风味，有利于粗粮细做，使粗粮更容易被人们接受［4］。改变原料种类或改变挤压设备模头，即可生产出多种不同口味、形状的产品。生产过程中几乎无废弃物排出，只在开机和停机时排出少量原料，减少了物料的浪费。挤压过程是一种短时的加工过程［5］，物料短时间受热，能最大限度保存原料的营养。挤压加工时，由于淀粉、脂肪、蛋白质的降解，有利于人体的消化吸收。物料在模头挤出时，闪蒸掉部分水分，使α化定型，不易回生，也延长了食品的货架期［6］。

1.3 挤压膨化技术的研究进展

18世纪末，Jarsen等人［7］首先使用以活塞驱动的挤压装置来生产铅管，这是挤压技术应用在工业上最早的例子。1856年，沃德首次申请了关于食品挤压技术的专利，这也是食品挤压技术的最早文献［8］。1869年用于生产香肠的第1台双螺杆挤出机被生产出来，大大方便了香肠的生产［9］。此后，挤压技术的优越性逐渐突显，到1935年被较广泛地应用于焙烤、糖果等食品工业［7］。20世纪50年代初，挤压蒸煮技术得到了迅速发展，由于挤压加工较焙烤加工更加省时省力，所以当时的饼干焙烤加工很大程度上被挤压技术所取代。这段时期，挤压技术首次被应用于宠物膨化食品加工。挤压机也由单一功能向多功能发展。20世纪60年代中期，挤压快餐食品得到迅速发展，挤压加工技术也由单纯生产谷物食品，发展到生产饲料和组织蛋白等。1970年，Arkinsion［10］发现挤压机可以使生物聚合物组织化，剪切应力使生物聚合物组织重新排列，彼此发生反应，形成新的组织结构。1980年以来，挤压机作为一种生化反应器，在食品工业中的应用领域也得到不断拓展［11］。20世纪90年代后，美国、意大利、德国、法国等多个国家的不同食品挤压机生产厂家，生产出各种系列的食品挤压机。时至今日，挤压膨化技术作为一种成熟的食品加工技术，被广泛应用于食品行业，挤压产品遍及世界各地，仅挤压膨化食品年产值达十几亿美元。现在，已研制出多种不同类型挤压机，可生产出多种颜色、风味各异的食品。挤压机模头得到进一步改进，挤压机作用机理也有很大进步。

2 谷物早餐

谷物早餐食品是以玉米、大米、小麦、燕麦等谷物为主要原料加工而成，加入牛奶或稍煮沸片刻就可食用的早餐食品［12］。谷物早餐食品的发展起源于100多年前的美国，可分为2种类型：一是在食用前需烧煮或加沸水（即热食），如燕麦粥、速煮麦片粥等；二是完全加工好、随时可食用的谷物，如玉米片。谷物早餐含有丰富的营养，不含添加剂，能基本满足人们对营养的需求。近年来，谷物早餐食品逐渐被人们接受和重视。

19世纪末，美国的Will Kellogg第一次加工谷物早餐食品。此后，谷物早餐食品在世界各国发展起来。现在在美国，谷物早餐食品是消费量最大的一种早餐食品，以其食用方便、品种多样和营养丰富的特点深受人们喜爱。1997年，美国早餐谷物食品的总产值达到92亿美元，并以每年3%的增长率持续增长［13］。国内关于谷物早餐的研究，近年来才逐渐成为热点。王亮［14］研究了挤压参数以及物料组成成分对早餐谷物质构特性的影响，挤压参数包括挤压机套筒温度、挤压转速、进料水分；物料组成成分包括淀粉、蛋白质及脂肪含量。同时以螺杆转速、四区温度及进料水分为自变量，以脆性、保脆性、碘价、过氧化值以及综合指标为因变量，通过响应面法研究分析了各挤压参数间的相互影响和内在联系。吴卫国［15］开发了以五谷杂粮为基础原料，采用双螺杆挤压生产方式生产的谷物早餐食品，并就挤压过程中原料不同成分之间的相互作用和各挤压操作参数对产品品质的影响，以及挤压早餐谷物各品质指标之间的相互联系等方面进行了研究。文新华［16］通过分析原料的成分，并根据挤压产品的感官指标，确定了谷物早餐的配方，探讨了挤压工艺最优条件，并形成了工业化生产谷物早餐食品的完整技术。

3 挤压膨化技术对早餐谷物营养成分的影响

挤压过程因其高温高压的特性，可破坏谷物中的有害因子。大豆制品的豆腥味是由于大豆中含有脂肪氧化酶催化脂肪发生氧化反应，产生不愉快的味道，高温挤压过程可以将脂肪氧化酶破坏，从而避免了不良风味的产生。另外，谷物中的一些天然毒性物质（如胰蛋白酶抑制因子等）在挤压过程中也同样可以被破坏掉，大豆原料经过高湿挤压后，蛋白质的体外消化率提高了12.1%，达到94.6%［17］。除此之外，谷物在挤压机内经过混合、搅拌、摩擦积累能量达到高温高压，原料受到热能、机械剪切和压力等综合作用，促使营养成分发生变化，可提高谷物的消化吸收率。

3.1 挤压膨化技术对淀粉的影响

淀粉是一种天然的植物多糖，是人类碳水化合物的主要来源之一［18］。在各类挤压膨化食品中，淀粉质食品占最主要部分。淀粉是谷物食品中的主要组成成分，天然谷物中淀粉吸水性很小、口感差，不易被淀粉酶分解，难以被人体消化吸收；淀粉糊化后，吸水性变大，易受淀粉酶作用，提高了在人体内的消化吸收率。淀粉是谷物中的主要成分，因此淀粉的糊化在谷物食品加工过程中是最重要的变化。早餐谷物在挤压过程中，淀粉粒解体，淀粉被充分糊化，在挤出瞬间蒸发掉部分水分，使α化定型，不易回生，形成膨化食品的骨架，也延长了食品货架期［19-20］。挤压过程中淀粉发生糊化，其糊化程度与挤压机操作参数有密切关系。随着物料水分含量的增加、加工温度的升高、螺杆转速及喂料速度的协同改变，膨化度和糊化度均呈现先增大、后减小的趋势［21］。杨铭铎［8］对谷物淀粉通过不同方法实现的糊化等进行了对比，发现淀粉经挤压膨化实现的糊化较蒸煮实现的糊化更彻底、更稳定。在挤压过程中，淀粉受到高温高剪切作用，淀粉链被切断，形成小分子的寡糖，淀粉得到一定程度的降解。研究表明，较高的挤压机模头温度和较低的喂料水分可以加大淀粉的降解程度。在一定范围内，随螺杆转速的提高，淀粉降解程度增加，而螺杆转速过高，反而会使淀粉降解程度降低。

3.2 挤压膨化技术对脂肪的影响

挤压膨化过程中，脂肪会与淀粉和蛋白质形成组织紧密、难被水解的复合物，从而使脂肪含量减少；不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸之间的比例降低，反式脂肪酸会有所增加，膨化后谷物中总脂肪含量降低。脂肪复合体的生成，使脂肪受到淀粉和蛋白质的保护，有利于防止脂肪的氧化，延长谷物早餐食品的货架期。

3.3 挤压膨化技术对蛋白质的影响

谷物早餐进行挤压膨化过程中，由于高温、高压、高剪切力以及热能的作用，破坏了蛋白质的三、四级结构，使大分子的蛋白质发生降解成为小分子的肽和氨基酸，氨基酸极易与早餐谷物中的糖类发生美拉德反应，导致蛋白质含量减少［21］。在挤压过程中，蛋白质分子结构由折叠状伸展为直线状，发生变性。研究发现，蛋白质变性程度随挤压机套筒温度降低、喂料水分增大、螺杆转速升高而降低。挤压膨化过程中蛋白质分子发生变性，更容易受到酶的作用，蛋白质分子降解，从而提高了蛋白质的消化率。挤压加工也可以破坏谷物中干扰蛋白质消化的化合物，从而提高蛋白质的消化吸收率。

挤压加工也会降低某些蛋白质的营养价值。在挤压过程中物料中淀粉降解产生的还原糖及其他羰基化合物，会与物料中的游离氨基酸及挤压过程中蛋白质降解产生的游离氨基酸发生美拉德反应，从而限制了某些氨基酸的吸收，降低了蛋白质的效价。

3.4 挤压膨化技术对维生素的影响

膨化加工对部分维生素的影响较大，研究表明随着挤压温度的升高、螺杆转速的降低、挤压原料含水量的降低及模头孔径的减小，维生素含量的损失量增大。研究发现，VA，VE，VC，VB1和叶酸对膨化加工敏感；与此相反，其他B族维生素，如VB2，VB6，VB12，泛酸和生物素等在挤压过程中变化不明显。

3.5 挤压膨化技术对矿物质的影响

挤压膨化过程对矿物质的影响较小，矿物质含量基本没有损失，但是铁强化挤压膨化食品会影响食品色泽的劣变，还会加快脂肪氧化。

3.6 挤压膨化技术对风味物质的影响

在挤压膨化过程中，物料中某些呈味物质会发生化学变化，还有一些香气成分随水蒸气蒸发而逸散，导致气味劣化。另一方面，由于还原糖与含氮化合物发生的美拉德反应，为挤压食品提供了焦煳香味。挤压膨化后的糊化淀粉和蛋白质对香气成分也有一定的保护作用，提高食品贮藏过程中风味的保存。

4 结论

应用挤压技术加工谷物早餐，其高温高压过程破坏了谷物中的一些有害因子，使淀粉糊化、脂肪含量降低、蛋白质降解，提高谷物的消化吸收率，还可以赋予谷物早餐一些熟谷物的香味。挤压膨化技术瞬时加工的方法能最大程度保留谷物的营养物质，但对谷物营养也存在不良影响，挤压膨化技术使不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例增加，反式脂肪酸含量增加，降低了脂肪的效价；也因美拉德反应的发生，限制了某些必需氨基酸的吸收，降低了蛋白质的效价；谷物中的香气成分也随水蒸气的闪蒸而有所损失。总体而言，挤压膨化技术在谷物早餐中的应用较其他加工方法有较大的优势，对谷物早餐的工业化生产也提供了最大的方便性，是一种具有长久应用价值的早餐谷物生产方法。

5 展望

我国是一个谷物生产大国，但大众对于谷物的加工食用多处于原始的家庭式加工，对方便谷物早餐的认识较少，一定程度上影响早餐谷物的发展；我国谷物早餐食品的市场基本被外企垄断，国内仅南方人家、中粮等个别企业生产，价格偏高，不为大众所接受。我国谷物资源丰富，生产玉米、大米、燕麦、小米等各种五谷杂粮，谷物中缺乏赖氨酸，加入豆类会使氨基酸组成更合理，利于吸收，各种谷物复配会使营养更加全面均衡，因此谷物早餐的复配将会是未来的发展趋势。

挤压膨化技术作为一种新型的食品加工技术，在我国得到了迅猛发展。我国是粮食生产大国，我国谷类食物种类繁多，合理搭配并通过挤压膨化技术生产谷物早餐不仅使我国丰富的谷类食物充分利用，而且其营养丰富、安全卫生、搭配均衡，同时也丰富了人们的生活，使粮食类作物保质期延长，因此应大力推广通过挤压膨化技术生产的谷物早餐。

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The Influence of Extrusion Technology on Food Nutrition

WEI Xueming，ZHANGguang，LIU Linlin，CHEN Fenglian，*YANG Chunhua
（Key Laboratory of Food Science and Engineering Colleges and Universities in Heilongjiang Province，Food and Engineering College，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China）

Extrusion expansion technology is one of the high technology of modern food engineering.In recent years，cereal breakfast food has been widely recognized.The process mechanism and the advantages of extrusion technology，the research progress of extrusion technology and the research progress of the cereal breakfast，the influence of extrusion technology on the food nutrition，the digestion and absorption rate are introduced in this paper.

extrusion expansion technology；cereal breakfast；nutrient component；digestion and absorption rate

TS213.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.04.017

1671-9646（2016）04a-0055-03

2016-02-26

魏学明（1990— ），女，硕士，研究方向为谷物化学与粮油食品。

*通讯作者：杨春华（1972— ），女，博士，副教授，研究方向为谷物化学与粮油食品。