复合全谷物挤压膨化产品的配方优化研究

孙元琳 仪 鑫 李云龙 胡俊君 刘 瑞

(运城学院生命科学系1，运城 044000) (山西省农科院农产品加工研究所2，太原 030031)

复合全谷物挤压膨化产品的配方优化研究

孙元琳1仪 鑫2李云龙2胡俊君2刘 瑞1

(运城学院生命科学系1，运城 044000) (山西省农科院农产品加工研究所2，太原 030031)

以黑小麦、荞麦、燕麦为原料，通过挤压膨化技术，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响。结合模糊数学综合评判方法，对挤压膨化产品进行感官评定，以膨化率和感官评定结果作为产品综合评分，采取五分制，采用响应面分析法对挤压膨化产品配方进行优化，得到全谷物挤压膨化产品的最佳配方为：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%。在此优化条件下，复合全谷物挤压膨化产品的综合评分为3.94，产品可被大多数人接受。

黑小麦 荞麦 燕麦 全谷物 挤压膨化

随着世界发达国家肥胖发生率的日益增加，直接与肥胖相关的糖尿病、心血管疾病等慢性代谢性疾病的发生率也不断上升，成为影响人类健康的重大社会问题[1]。全谷物食品是当今世界认为是有效防止“富贵病”的健康食品[2-3]。研究表明[4-6]，全谷物食品富含膳食纤维、维生素、矿物质和酚类抗氧化物质等功能成分，长期摄入全谷物食品对II型糖尿病、肥胖、心血管疾病以及结肠癌等慢性疾病具有预防作用。

全谷物是指作为谷物食品原料的麸皮、胚乳与胚芽的构成比例与天然谷物颖果构成相同[3]。全谷物食品是其加工而成的产品，即全谷物食品在食用时，须含有颖果全部麸皮、胚芽和胚乳及颖果中所有的天然营养物质[7]。虽然全谷物食品的营养价值逐渐被消费者认可，但由于全谷物食品的口感粗糙、适口性差等问题，全谷物食品的开发存在着一系列亟待解决的关键技术难题。

挤压膨化技术是集混合、搅拌、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等加工为一体，可连续操作的现代加工技术。娄海伟等[8]发现挤压蒸煮使豆渣中不溶性膳食纤维降解，使可溶性膳食纤维含量显著提高。杜双奎等[9]研究了挤压膨化过程中物料组分的变化，发现挤压过程中脂肪与淀粉、蛋白质形成脂肪复合体，可降低脂肪氧化速度，延长产品货架期。Hole等[10]研究发现燕麦及大麦全谷物经挤压后，结合态酚酸的生物利用度提高。Awika等[11]研究发现挤压膨化能够破坏细胞壁结构及高分子酚类化合物间的共价键，从而提高酚类物质的可利用性。研究报道，挤压膨化加工可有效降解不溶性膳食纤维、提高可溶性膳食纤维、低聚糖、低聚肽、氨基酸等多种营养活性物质含量，并具有抑制淀粉老化、改善口感、提高消化率、延长食品货架期等特点而广泛应用于农产品加工领域[12]。

本试验选用黑小麦、燕麦、荞麦全谷物粉为主要原料，通过挤压膨化技术，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料对复合全谷物膨化产品品质的影响，确定复合型全谷物营养早餐的基础配方，研制出一种营养、方便的全谷物挤压膨化早餐食品，对于改善人类膳食结构以及全谷物食品的开发具有重要的科学价值和实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑小麦：山西省农科院棉花研究所提供；燕麦、荞麦：山西省农科院农产品加工研究所提供；大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖等：市售。

FMGM-36双螺杆挤压膨化机、流化床干燥机：湖南富马科食品工程技术有限公司；五谷杂粮磨粉机：广州市旭郎机械设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 挤压膨化产品工艺流程

原辅料→分别计量→混合→螺旋喂料器→双螺杆挤压膨化→流化床干燥→成品。

将黑小麦、燕麦、荞麦全谷物粉以3∶1∶1的比例混合均匀。称取 5 kg全麦粉并加水混合均匀，在食盐添加量5%、CaCO30.3%的条件下，进行大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的单因素试验。按照设定的参数(喂料速度25 kg/h，水2.0 kg/h，螺杆转速130 r/min，腔体温度为60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃)将主料均匀加入到膨化机中，膨化产品经流化床干燥30 min。

1.2.2 单因素试验设计

进行大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖添加量的单因素试验，分别测定挤压产品膨化率、WSI、WAI含量，并采用数学模糊法进行感官评价。

大豆蛋白添加量：固定大豆卵磷酯0.4%，蔗糖添加量9%，大豆蛋白添加量分别为1%、3%、5%、7%、9%。

大豆卵磷酯添加量：固定大豆蛋白添加量5%，蔗糖添加量9%，大豆卵磷酯添加量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%。

蔗糖添加量：固定大豆蛋白添加量5%，大豆卵磷酯添加量0.4%，蔗糖添加量分别为3%、6%、9%、12%、15%。

1.2.3 响应面试验设计

根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，选取大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量及蔗糖添加量3个因素，设计三因素三水平响应面分析试验，以综合评分为响应值进行优化试验，因素水平编码设计见表1。

表1 因素水平表

1.2.4 膨化率测定

用游标卡尺测量产品的直径，每个因素测10个样品，取其平均值作为该产品直径，产品膨化率为产品直径与模头孔径之比。利用线性插值法把膨化率转化为5分制，具体操作为：将所有产品中膨化率最大值Xmax设置为5.0分，最小值Xmin设置为1.0分，其他膨化率所对应的分值S计算公式为：

1.2.5 水溶性指数(WSI)和吸水性指数(WAI)测定

准确称取0.5 g(干计)样品，加入10 mL水(30 ℃)，置于30 ℃恒温水浴锅中，连续轻轻晃动30 min后，于3 000 r/min 离心15 min，将上清液和沉淀物分离，沉淀物质量为X1，上清液放于已恒重的铝盒中，在120 ℃下烘至恒重，烘干物质量为X2。

WAI=X1/m，WSI=X2/m，其中m为样品质量。

1.2.6 感官评定

感官评定采用模糊综合评价法[13]。评定小组由10名经过感官评价培训的人员组成，以表观、脆度、粗糙度、风味为因素集，以好、较好、中等、较差、差为评语集，根据感官评定结果，建立4个单因素评价矩阵，采用数学模糊评价方法对其进行分析。感官评定指标如表2所示。

表2 感官评定指标

因素集U={表观u1，脆度u2，粗糙度u3，风味u4}；

评语集V={好，较好，中等，较差，差}；

权重集X={0.3，0.3，0.2，0.2}，即表观均一性30分，脆度30分，粗糙度20分，风味20分，共100分。

通过模糊线性转化，得到各产品的感官评定分数H。经过模糊线性转化，再根据模糊综合评判模型原理，计算综合隶属度，得到模糊综合评判的结果向量Y，Y=X×R。式中：X为U权重向量；R为对样品感官评定结果进行归一化处理后得到的模糊关系矩阵。

首先用适当的数量把评语集V中的因素vj量化，vj的下标作为量化指标，把结果向量Y中的元素yj看成样本对vj等级归属的权重，然后求加权和，得到各产品的感官评分H。

综合评分=S×60%+H×40%

2 结果与分析

2.1大豆蛋白对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

大豆蛋白对复合全谷物挤压膨化产品膨化率、WSI、WAI的影响如图1所示。图1表明，产品膨化率随着大豆蛋白添加量增加呈现下降的趋势，这可能是由于大豆蛋白可以与淀粉形成复合物，影响挤压熔融物料黏度，从而影响产品的膨化率。此外，产品感官评价随着大豆蛋白添加量的增加呈现先增大后减小的趋势，这是由于大豆蛋白具有良好的持水性，可以促进水分均匀分布，适当添加能改善产品的组织结构，同时，大豆蛋白具有润滑作用，添加过量会导致物料在挤压腔停留时间延长，使大豆蛋白过度降解，产生苦味肽，产品产生苦味，这与吴卫国等[14]研究主要配料对挤压产品品质影响中的结果相一致。当大豆蛋白添加量为5%时，产品的组织结构、表观及口感均较佳。

图1 大豆蛋白对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

图1表明，产品WAI随大豆蛋白添加量增加而增加，WSI随其增加而减小。综合大豆蛋白对产品膨化率、WAI、WSI、感官评价及FOs含量的影响，大豆蛋白添加量水平确定为1%、3%、5%。

2.2大豆卵磷脂对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

大豆卵磷脂对复合全谷物挤压膨化产品膨化率、WSI、WAI的影响如图2所示。由图2可以看出，产品膨化率随着大豆卵磷脂添加量增加呈现先增大后减小的趋势。此前，Colonna[15]研究了油脂类物质对挤压产品的影响，本结果与其结果相一致。这是由于大豆卵磷脂会如油脂一样，与淀粉形成复合物，能够降低物料在挤压腔内的黏度，可以降低气泡的表面张力，促进水分蒸发，从而提高了产品的膨化率，膨化率最大可达到2.55；当大豆卵磷脂量添加到一定程度时，继续添加大豆卵磷脂，产品膨化率会减小，膨化率最小为2.29，这是由于大豆卵磷脂添加过多使物料黏度过小，物料在挤出模口时，水分急剧蒸发，形成的结构孔洞过大，产品挤出后孔洞不能维持而缩小导致膨化率降低。产品的感官评价随着大豆卵磷脂添加量的增加呈现先增大后减小的趋势。适当添加大豆卵磷脂可以促进水分在物料内均匀分布，使组织结构均匀细密，表面结构光整；添加过量(超过0.4%)后， 产品内部气孔变大，不均匀，并且表面变得粗糙。

图2 大豆卵磷脂对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

图2显示，产品WAI随着大豆卵磷脂添加量增加而增加，WSI随其增加而减小。这是由于大豆卵磷脂能够与淀粉形成复合物，能够抑制淀粉降解，从而使其WSI降低。结合大豆卵磷酯的添加对产品膨化率、WAI、WSI、感官评价的影响，确定大豆卵磷脂添加量水平为0.3%、0.4%、0.5%。

2.3蔗糖对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

蔗糖的添加对复合全谷物挤压膨化产品膨化率、WSI、WAI的影响如图3所示。图3显示，产品膨化率随着蔗糖添加量的增加呈现先增大后减小的趋势，这可能是由于适当的蔗糖添加量可以降低物料黏度，减小水蒸汽膨胀阻力，从而增大产品膨化率[14,16]，膨化率最大可达到2.41；但是蔗糖本身存在一定黏度，过量添加(超过9%)不但不能减小物料黏度，反而使物料黏度增大，增加了气泡表面张力，导致产品的膨化率减小，膨化率最小为2.11。产品感官评价随着蔗糖添加量增加呈现先增大后减小的趋势。这是由于适当的添加蔗糖可以改善组织结构，使气泡大小一致，分布均匀，添加过量不仅会使产品的表面变得粗糙，也会使产品口感过甜、变硬，因此蔗糖的添加量不宜过高。

图3 蔗糖对复合全谷物挤压膨化产品品质的影响

图3显示，产品WAI随着蔗糖添加量的增加呈现下降的趋势，而WSI随着蔗糖添加量的增加呈现升高的趋势，这可能是蔗糖属于非还原性糖，亲水能力较弱，使产品WAI下降，在挤压膨化过程中蔗糖抑制淀粉吸水糊化的能力较弱，淀粉糊化降解随着蔗糖添加量增加而加强，使得产品吸水性指数升高。结合蔗糖的添加对产品膨化率、WAI、WSI、感官评价的影响，蔗糖的添加量水平确定为6%、9%、12%。

2.4 复合全谷物挤压膨化产品的配方优化

2.4.1 方差分析与回归方程建立

响应面优化复合全谷物挤压膨化食品配料添加的试验结果如表3，通过Design Expert数据软件进行回归分析，得到的方差分析结果如表4所示。由表4可知模型P值<0.000 1，该二次方程模型达到极显著水平，而模型失拟项P=0.737 0>0.05，检验不显著，表明其他因素对模型干扰程度小，说明响应面回归方程拟合度良好，决定系数R2为0.989 3，说明98.93%的响应值综合评分来源于所选自变量。该模型拟合优度R2和调整R2分别是0.944 9和0.975 5，两者基本吻合。该模型信噪比为21.612，大于4，说明该模型可用于预测。在该模型中，对综合评分影响显著的因素有A、B、C、AB、BC、A2、B2及C2，对数据进行二次多项式回归拟合，得到以大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量、蔗糖添加量为自变量的三元二次回归方程：

表3 响应面分析方案及试验结果

表4 方差分析结果

综合评分=3.94+0.039×A+0.048×B-0.061×C-0.043×AB-0.020×AC-0.037×BC-0.12×A2-0.12×B2-0.15×C2

2.4.2 响应面结果分析

根据回归分析结果绘制响应面图来考察各因素对产品综合评分的影响，由图4～图6所示，响应面坡度越陡，说明因素影响越大。由4图可知，大豆蛋白及大豆卵磷脂添加量对产品综合评分影响较大，随着大豆蛋白和大豆卵磷脂在0水平附近添加量的增加，产品综合评分随之提高。而大豆卵磷脂与蔗糖添加量间交互作用对产品综合评分有一定影响，大豆蛋白与蔗糖添加量间的交互作用对产品综合评分影响不大。

图4 大豆蛋白与大豆卵磷脂对产品综合评分影响的响应面

图5 大豆蛋白与蔗糖对产品综合评分影响的响应面

图6 大豆卵磷脂与蔗糖对产品综合评分影响的响应面

根据Design Expert数据分析软件分析，复合全谷物挤压膨化产品配料最佳添加量为：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.42%，蔗糖8.28%，此条件下综合评分预期为3.95。考虑到操作可行性，将条件调整为大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，进行验证试验，得到产品综合评分为3.94，与预期值基本相符，表明采用响应面优化复合全谷物挤压膨化产品配料的添加量是可行的，具有实用价值。

3 结论

在单因素试验的基础上，利用响应面分析法，以综合评分为响应值，确定了大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的最佳添加量：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，在此条件下，复合全谷物挤压膨化产品综合评分为3.94。

蔗糖的添加对产品的膨化率、硬度及表观影响较大，添加过量会使产品的膨化率降低，口感变硬，表观粗糙。大豆卵磷酯适量添加可以改善产品的组织结构。大豆蛋白的添加会使产品的膨化率下降，但适量添加可以改善产品的口感。

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Formula Optimization of Compound Whole-Grained Extrusion Product

Sun Yuanlin1Yi Xin2Li Yunlong2Hu Junjun2Liu Rui1

(Department of Life Science, Yuncheng University1, Yuncheng 044000) (Institute of Farm Products Comprehensive Utilization Shanxi Academy of Agricultural Sciences2, Taiyuan 030031)

Using black wheat, buckwheat and oats as raw materials, the effects of soybean protein, soybean lecithin and sucrose on the quality of whole grain extruded products were studied by extrusion technology. The sensory evaluation of the extruded products was carried out by the fuzzy comprehensive evaluation method. Expansion rate and sensory evaluation were used to be comprehensive score of five-grade making system. The extrusion product formulation was optimized by response surface methodology. The optimum formulas were thus obtained as follows: 3.3% of soybean protein, 0.4% of soy lecithin, 8.3% of sucrose. Under these conditions, the comprehensive score of the whole grain extrusion puffing product was 3.94 and the product could be accepted by most people.

whole grain, black-grained wheat, buckwheat, oats, extrusion

TS213

A

1003-0174(2017)11-0047-06

山西省自然科学基金(2012011031-1)，山西省高校研究生教改项目(2015JG16)，现代农业产业技术体系建设专项(CARS-08-D2-04),山西省“1311”工程重点学科项目(098-091704)

2016-11-30

孙元琳，1971年出生，女，教授，农产品加工与增值技术