挤压膨化对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率的影响

王 庆,张 光,杨春华,吕铭守,刘琳琳,王尚杰,石彦国

(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)

挤压膨化对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率的影响

王 庆,张 光,杨春华,吕铭守,刘琳琳,王尚杰,石彦国*

(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)

以大米粉为原料,采用挤压膨化法研究挤压膨化对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率的影响,通过单因素及正交实验分析了物料含水量、螺杆转速、第五区温度对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率的影响,分析得出挤压膨化大米粉的最佳参数为:物料含水量为18%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃;在此实验条件下进行验证实验,糊化度为90.72%,蛋白质体外消化率为82.80%,挤压膨化后大米粉蛋白质体外消化率比未经挤压处理的大米粉蛋白质体外消化率提高了10.31%。本研究为大米精深加工提供一定的参考。

大米粉,挤压膨化,糊化度,蛋白质体外消化率

大米又称“稻米”,是我国人民的主要粮食作物之一。大米中含有碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质及微量元素[1],为人体生命活动提供能量和营养。目前,大米的主要食用方式为蒸、煮[2],产品形式单一,大米食品的营养物质在加工过程中会随时间的增加而流失[3-4],容易出现“回生”的现象而影响到口感[5-6],此外,大米蛋白中含有较多的二硫键及表面疏水的氨基酸残基[7],这对大米制品的精深加工及应用都造成了一定的不利影响。

挤压膨化技术具有生产效率高、成本低、生产种类多、物料浪费少、营养损失少、易消化吸收、有利于长期储存等特点[8-10]。经过预处理的原料在机腔内部的高温、高压、高剪切力的条件下,淀粉发生糊化、裂解,糊化度会明显提高[11],糊化度越高越易被人体中的酶水解,有利于消化吸收[12];蛋白质发生变性及重组,蛋白质体外消化率也会随工艺参数的改变而变化[13-14],Prudencio-ferreira和Fischer分别通过挤压膨化对大豆分离蛋白挤出物及小麦蛋白挤出物中的二硫键含量进行测定,得出挤压膨化可以降低原料中的二硫键含量[15-16],主要是由于挤压过程中的机械剪切作用破坏了蛋白质分子间的二硫键及疏水的表面氨基酸残基,使原来被包裹住易被酶解的位点暴露出来,进而提高消化率[17]。当物料从模孔喷出的瞬间,由强大压力差及第五区温度的作用下,水分快速闪蒸,物料发生膨化,在外观形态和组织结构上发生改变,从而达到挤压膨化的目的[18]。

本研究采用挤压膨化技术处理大米粉,在不同工艺参数条件下得到挤压产品,分析其糊化度及蛋白质体外消化率随工艺参数条件改变的变化规律,在保证较高蛋白质体外消化率的条件下,以提高大米粉的糊化度,为大米精深加工提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

东北五常香米 哈尔滨亿鸿达米业有限公司;硫酸钾 分析纯,天津市天力化学试剂有限公司;硫酸铜 分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;硫酸、硫代硫酸钠 分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司;氢氧化钠 分析纯,天津市禹明化学试剂厂;盐酸 分析纯,北京化工试剂厂;硼酸 分析纯,上海化学试剂采购供应五联化工厂;碘 分析纯,天津市富宇精细化工有限公司;碘化钾 分析纯,上海展云化工有限公司;糖化酶(酶活1∶100000)、胃蛋白酶(酶活1∶10000)、胰蛋白酶(酶活1∶250) 均为生化试剂,北京博奥拓达科技有限公司。

DSE-25型双螺杆挤压机 德国Brabender公司;ALC-210.2型电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;DHG-9203A型电热恒温干燥箱、HWS24型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;FW135型中草药粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;DGB/20-002型台式干燥箱 中华人民共和国重庆实验设备厂制造;KDY-9820型凯氏定氮仪 上海洪纪仪器公司;TDZ4-WS型台式低速离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大米粉挤压膨化研究的技术线路 大米→粉碎(过40目筛)→调节水分→挤压膨化→冷却→密封保存→测定糊化度及蛋白质体外消化率

1.2.2 大米粉的挤压膨化单因素实验 在大量预实验的基础上确定了前四个区温度和喂料速度,不当的工艺参数会造成双螺杆挤压机无法正常进行膨化。因此在进行挤压膨化实验前,设定挤压膨化机的前四个区温度依次为90、110、140、160 ℃,保持喂料速度为35 r/min。

1.2.2.1 物料含水量对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 改变物料含水量依次为12%、15%、18%、21%、24%,设定第五区温度为200 ℃;螺杆转速200 r/min,进行实验,测定样品的糊化度及蛋白质体外消化率。

1.2.2.2 螺杆转速对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 改变螺杆转速依次为170、180、190、200、210 r/min;物料含水量为18%。设定第五区温度为200 ℃,进行实验,测定样品的糊化度及蛋白质体外消化率。

1.2.2.3 第五区温度对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 改变第五区温度依次为170、180、190、200、210 ℃;物料含水量为18%。螺杆转速200 r/min,进行实验,测定样品的糊化度及蛋白质体外消化率。

1.2.3 大米粉的挤压膨化正交实验 为了分析物料含水量、螺杆转速及第五区温度之间交互作用对糊化度及蛋白质体外消化率的影响,在单因素实验的基础上,设计正交实验,实验因素和水平见表1。

表1 L9(34)正交实验的因素和水平Table 1 Factors and levels of L9(34)orthogonal experiment

1.2.4 大米粉挤压膨化后糊化度的测定 采用糖化酶法测定糊化度[19]。

1.2.5 大米粉挤压膨化后蛋白质体外消化率的测定 蛋白质体外消化率的测定方法参考甄红敏[20]的方法,并做出适当改进。具体操作如下:准确称取1.0000 g的样品分散于25 mL磷酸缓冲溶液(pH=6.0,0.1 mol/L),加入10 mL HCl(0.2 mol/L)置于37 ℃水浴中预热5 min,加入由0.01 mol/L HCl配制的胃蛋白酶,在37 ℃恒温振荡器上反应120 min,用1 mol/L的NaOH 调节pH7.0 终止消化反应,以酶:底物为1∶100加入胰蛋白酶,消化120 min后4000 r/min离心15 min弃去上清液。采用凯氏定氮法(GB/T 5009.5-2010)测定残渣中的氮含量,体外消化率的计算公式如下:

式(1)

其中:X-蛋白质体外消化率,%;M-样品中的氮,g;m-未消化的氮,g。

1.3 数据处理

利用Excel软件及SPSS 17.0 软件对实验结果进行处理分析。

2 结果与讨论

2.1 大米粉的挤压膨化单因素实验结果

2.1.1 物料含水量对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 由图1可知,大米粉经过挤压膨化后糊化度、蛋白质体外消化率随物料含水量的增加均呈现出先上升后下降的趋势,当大米粉的含水量12%～21%范围内时,挤压膨化后的糊化度可以达到85%以上。蛋白质体外消化率在大米粉的含水量为12%～18%的范围内呈增加趋势,蛋白质体外消化率保持在80%以上。当物料含水量超过18%时,水分的润滑作用增强,大米粉在机筒内受到的剪切、摩擦作用减弱[21],导致大米粉糊化度及蛋白质体外消化率显著下降。

图1 物料含水量对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响Fig.1 Effect of material moisture on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

2.1.2 螺杆转速对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 由图2可知,螺杆转速为170～190 r/min范围内,大米粉糊化度随着螺杆转速的增加而增加,当转速继续增加时,糊化度下降。螺杆旋转产生的剪切作用对大米粉中的淀粉结构进行机械破裂而引起糊化,当螺杆转速超过190 r/min时,大米粉在机腔内的停留时间变短,进而使糊化度下降。

图2 螺杆转速对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响Fig.2 Effect of screw speed on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

蛋白质体外消化率在螺杆转速为170～190 r/min范围内增加,当超过190 r/min时,蛋白质体外消化率降低。这主要是由于在较低螺杆转速下,大米粉在腔体内所停留时间较长,吸收的热量使蛋白质由大分子分解成小分子,大米粉的蛋白质体外消化率得到了提高;当螺杆转速超过190 r/min时,物料由于在腔体内停留时间缩短,导致蛋白变性程度低，进而蛋白质体外消化率下降[22]。从图中还可看出,在较高的螺杆转速下(≥190 r/min)时的蛋白质体外消化率明显高于低转速下(<190 r/min)的蛋白质体外消化率,这可能与产生的剪切力作用的强度有关,其剪切力的强度影响了大米粉中的蛋白质结构,低转速的条件下,剪切力强度小,蛋白质结构未被完全展开,部分蛋白质的反应位点暴露的少,不利于酶解反应,也导致了蛋白质体外消化率降低。

2.1.3 第五区温度对大米粉挤压膨化后糊化度及蛋白质体外消化率的影响 由图3可知,大米粉经过挤压膨化后，糊化度随着第五区温度的升高先增加后降低。随着第五区温度的升高(170～200 ℃),大米粉吸收热量从而使糊化度逐渐增加,当第五区温度为200 ℃时,糊化度达到了最大值,再继续升高第五区温度,糊化度降低,可能是因为过高的温度导致淀粉分子发生降解,使可以发生糊化的淀粉含量减少,进一步导致糊化度的降低,部分挤压后的样品出现了焦糊,可能与淀粉分子发生降解有关。杨铭铎在谷物膨化机理的研究中,通过分析谷物挤压前后的淀粉、糊精以及还原糖的含量变化,也得出了在谷物膨化的过程中淀粉发生了降解的结论[23]。在玉米挤压膨化过程中糊化度可从13.4%提高到81.55%,淀粉发生糊化的同时也会发生降解反应,生成葡萄糖、麦芽糖等小分子物质[24]。

图3 第五区温度对大米粉挤压膨化后及蛋白质体外消化率的影响Fig.3 Effect of the fifth zone temperature on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

当第五区温度从170 ℃增加到190 ℃时,蛋白质体外消化率增加,当第五区温度超过190 ℃后,蛋白质体外消化率降低。随着温度的升高,维持蛋白质的三、四级结构的结合力变弱,分子间氢键、二硫键等部分发生断裂,使原来呈折叠状的肽链伸展而导致蛋白质最终变性,其结构发生了延伸、重组,易被消化酶酶解的位点暴露出来,提高了蛋白质的体外消化率。当温度继续升高时,蛋白质容易形成大分子的聚集体,其中的二硫键也会在高温条件下重新发生交联,最终使蛋白质体外消化率下降。除此之外,温度升高时有利于发生美拉德反应,有利于生成风味化合物[25],当温度超过某一温度时,容易发生焦糊现象而产生“焦糊味”,口感变差。

2.2 挤压膨化对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率的正交实验及方差分析

通过单因素实验分析了大米粉挤压膨化后糊化度和蛋白质体外消化率的影响,以糊化度和蛋白质体外消化率为考察指标,利用 L9(34)正交实验研究物料含水量、螺杆转速和第五区温度三个因素对挤压膨化后大米粉的糊化度和蛋白质体外消化率的影响,如表2所示,方差分析结果见表3、表4。

表3 挤压条件对大米粉糊化度的方差分析Table 3 Analysis of variance for gelatinization degree of rice flour with various extrusion conditions

表4 挤压条件对大米粉蛋白质体外消化率的方差分析Table 4 Analysis of variance for protein digestibility of rice flour with various extrusion conditions

从表2、表3和表4可以看出:挤压膨化大米粉过程中,对糊化度影响最大的是螺杆转速,物料含水量次之,第五区温度的影响最小,螺杆转速对糊化度的影响显著,物料含水量和第五区温度对糊化度的影响不显著,最优组合为A2B1C2,即物料含水量为18%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃。对蛋白质体外消化率影响最大的是螺杆转速,第五区温度次之,物料含水量的影响最小,物料含水量、螺杆转速及第五区温度对蛋白质体外消化率影响均不显著,最优组合为A3B1C2,即物料含水量为21%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃。

在此实验条件下进行验证实验,当物料含水量为18%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃,大米粉糊化度为90.72%,蛋白质体外消化率为82.80%;当物料含水量为21%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃,大米粉糊化度为86.40%,蛋白质体外消化率为82.68%;未经过挤压处理的大米粉糊化度为0%,蛋白质体外消化率为75.06%,可见最优方案为:物料含水量为18%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃。

3 结论

通过挤压膨化对大米糊化度及蛋白质体外消化率的影响研究表明,螺杆转速对大米粉糊化度及蛋白质体外消化率均有较大的影响,通过L9(34)正交实验确定了挤压膨化大米粉的最佳参数为:物料含水量为18%,螺杆转速为190 r/min,第五区温度为190 ℃。在此实验条件下进行验证实验,挤压膨化后的大米粉糊化度为90.72%,蛋白质体外消化率为82.80%,未经过挤压膨化处理的大米粉蛋白质体外消化率为75.06%,挤压膨化后大米粉蛋白质体外消化率比未经挤压膨化处理的大米粉蛋白质体外消化率提高了10.31%,为大米精深加工提供一定的参考。

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Effect of extrusion on gelatinization degree and protein digestibility of rice flour

WANG Qing,ZHANG Guang,YANG Chun-hua,LV Ming-shou,LIU Lin-lin,WANG Shang-jie,SHI Yan-guo*

(Key Laboratory of Food Science and Engineering,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076，China)

Rice flour was chosen as raw material to study the effect of extrusion on gelatinization degree and protein digestility. The effect of material moisture content,screw rotation speed and the fifth area temperature on gelatinization degree and protein digestility of rice flour were investigated through single factor experiment and orthogonal experiment. Based on these above,the results showed the best parameters of rice expansion food was material moisture content of 18%,screw rotation speed of 190 r/min,the fifth area temperature of 190 ℃.Under this experiment conditions,gelatinization degree was 90.72%,protein digestility was 82.80%,which was improved by 10.31% in comparison with the protein digestility without extrusion. The study offered certain reference for deep processing of rice.

rice flour;extrusion;gelatinization dgree;protein digestibility

2016-10-24

王庆(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：稻米食品加工，E-mail：wang201010620151@163.com。

*通讯作者:石彦国(1960-)，男，硕士，教授，研究方向：谷物与大豆化学及加工原理，E-mail：yanguosh@163.com。

2014年黑龙江省应用技术研究与开发计划课题(GA14B201)；黑龙江省科技厅应用技术项目(G013B203)。

TS213.3

B

1002-0306(2017)07-0230-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.037