挤压糊化处理对苦荞粉理化性质的影响

周星杰，余少璟，陈 凯，吉梦莹，辰巳英三，栾广忠,*

（1.西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100；2.日本国际农林水产业研究中心，日本 筑波 305-8686）

苦荞（Fagopyrum tartaricum（L.）Gaerth）亦称为鞑靼荞麦，蓼科荞麦属，一年生草本植物，适宜生长于寒冷地区[1]。主要分布于我国西南地区的云南、四川、贵州等省，其中四川省凉山州是我国苦荞种植面积最大的产区[2]。苦荞具有丰富的营养价值，其蛋白、脂肪、维生素以及微量元素普遍高于小麦、玉米等主要粮食作物，而且还含有禾谷类粮食所缺少的类黄酮和叶绿素[3]。此外，苦荞籽粒中含有生物类黄酮、多肽、糖醇及D-手性肌醇等功能活性成分，具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗衰老、清除自由基等保健和生理功能[4]。

苦荞中面筋蛋白含量低，不能形成具有黏弹性的面团，而且苦荞粉加水后，芦丁会被芦丁降解酶迅速降解成槲皮素，导致苦荞面制品口感苦涩，影响其在馒头、面条等主食中的应用。挤压技术属于干法预糊化技术，是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等过程为一体的高新技术，已广泛应用于谷物加工中[5-6]。研究发现挤压技术能够有效地改善不同植物来源的面粉和淀粉的功能性质及其营养价值[7-8]。物料在挤压处理过程中受到高温高剪切的作用，造成淀粉颗粒部分解体，组织中排列紧密的胶束被破坏，发生分子间的相互交联，形成了网状的空间结构[9]。在对苦荞的研究中，王思明等[10]发现在挤压膨化过程中脂肪可以与淀粉形成一种淀粉-脂肪复合物，该复合物会对膨化效果产生影响。Sensoy等[11]的研究表明挤压处理不影响荞麦粉中芦丁含量和抗氧化活性。巩发永[12]对比了挤压膨化和气流膨化对苦荞粉的影响，发现二者均能明显改善苦荞粉的水溶性、吸水性以及延展性；王盼等[13]研究发现挤压条件对苦荞粉水化特性、糊化特性和凝胶特性均有显著影响。以上相关研究侧重于挤压处理条件对苦荞粉理化性质的影响，而挤压处理过程中淀粉糊化是一个重要的现象，但目前关于糊化程度和苦荞粉理化性质关系的研究较少。本实验通过挤压糊化处理得到不同糊化度苦荞粉，并研究其理化性质及微观结构，期望为苦荞面制品的开发以及在面条、馒头、饺子皮等主食中的应用提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦荞籽粒：品种为西农9940，2015年种植并收获于陕西省靖边县，由乔沟湾乡红盛小杂粮专业合作社提供。

α-淀粉酶（酶活力3 700 U/g） 北京索莱宝生物科技有限公司；芸香叶苷（纯度≥95%） 国药集团化学试剂有限公司；芦丁（纯度≥98%） 天津一方科技有限公司；槲皮素（纯度≥98%） 上海阿拉丁生化科技有限公司；糖化酶（酶活力10万 U/mL） 上海晶纯生化科技股份有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-400A倾斜式高速万能粉碎机 北京中兴伟业仪器有限公司；8400全自动凯氏定氮仪 丹麦福斯仪器有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；DK-98-I电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司；UV/V-1600型紫外-可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；TG16-WS离心机湘仪离心机仪器有限公司；RE52-86A旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；YJP100单螺杆挤压膨化机由山东理工大学研制；Mastersize2000激光粒度分析仪 英国马尔文公司；Q2000差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 美国TA仪器公司；台式扫描电子显微镜 日本日立公司；CM-5分光测色计 日本柯尼卡美能达控股公司；快速黏度分析仪（rapid visco analyzer，RVA） 瑞典波通仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 不同糊化度苦荞粉的制备

用实验室粉碎机将苦荞籽粒粉碎30 s，过30 目筛，弃去外壳，将筛下物继续粉碎2 min，过80 目筛，得苦荞粉。通过调节苦荞粉水分质量分数及挤压机螺杆转速、温度、模孔大小得到不同糊化度的苦荞粉，以不经任何处理苦荞粉作为对照。然后利用粉碎机粉碎4 min，过80 目筛，备用。

1.3.2 苦荞粉粒径测定

取少量苦荞粉，通过激光粒度仪进行粒度分析，重复3 次。并用Mastersizer 2000分析软件处理数据，粒径用体积平均粒径D[4,3]表示。

1.3.3 苦荞粉糊化度的测定

糊化度的测定参考熊易强[14]的方法，糊化度按式（1）计算。

1.3.4 苦荞粉主要化学成分测定

苦荞粉的主要化学成分分别按以下方法测定。水分质量分数：参照GB/T 5009.3—2010《食品安全国家标准 食品中水分的测定》；蛋白质质量分数：参照GB/T 5009.5—2010《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；淀粉质量分数：参照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的测定》；脂肪质量分数：参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》；灰分质量分数：参照GB/T 5009.4—2010《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》。

1.3.5 苦荞粉总黄酮含量测定

苦荞粉中总黄酮的提取及测定参照田汉英等[15]的方法，将苦荞粉与甲醇溶液按料液比1∶20混匀，超声提取（60 Hz、25 ℃）10 min，3 500 r/min离心12 min取上清液，重复提取3 次。合并3 次提取液，于45 ℃真空旋转蒸发后用甲醇溶解并定容至25 mL，冷冻贮藏备用。测定总黄酮含量前，将提取液温度恢复至室温后，采用NaNO2-Al(NO3)3法测定。

1.3.6 苦荞粉破损淀粉质量分数测定

苦荞粉中破损淀粉质量分数参照GB/T 9826—2008《粮油检验 小麦粉破损淀粉测定 α-淀粉酶法》中的方法进行测定。

1.3.7 苦荞粉色度的测定

苦荞粉色度值采用CM-5分光测色计参考Martínez等[16]的方法测定，将样品平铺到培养皿中，通过D65光源，10º观察角进行观察，重复3 次。

1.3.8 苦荞粉吸水性指数和水溶性指数测定

吸水性指数（water absorbability index，WAI）和水溶性指数（water solubility index，WSI）的测定参照Anderson等[17]的方法。准确称取2.500 g样品，加入20 mL蒸馏水，振荡分散，30 ℃下保温30 min，每隔5 min手摇30 s，3 000 r/min离心15 min。上清液倾倒于恒质量的铝盒中，在105 ℃的烘箱中蒸发至恒质量。计算公式如式（2）、（3）所示。

1.3.9 苦荞粉保水性测定

参照AACC 56-20 Hydration Capacity of Pregelatinized Cereal Products方法测定。

1.3.10 苦荞粉糊化特性测定

参考LS/T 6101—2002《谷物黏度测定 快速黏度仪法》，取不同糊化度的苦荞粉3.500 g，加入25.0 mL的蒸馏水，按14%湿基校正试样质量与加水量，放入专用铝制测量筒内，用搅拌桨上下搅拌5～8 次后，上机进行测定，重复测定2 次。

1.3.11 苦荞粉热力学特性测定

采用DSC仪测定不同糊化度苦荞粉的热力学特性。称取3 mg苦荞粉和9 μL蒸馏水，加入DSC仪坩埚内。DSC测定条件：起始温度20 ℃，终止温度120 ℃，升温速率为10 ℃/min，重复测定3 次。

1.3.12 苦荞粉微观结构观察

取一定量不同糊化度的苦荞粉均匀地洒在黑色双面胶上并固定在载物台上，用镀金机喷金后用扫描电子显微镜观察其微观结构，放大倍数为2 000[18]。

1.4 数据统计与分析

采用DPS7.05软件对数据进行分析，多重比较采用Duncan’s新复极差法分析，P＜0.05表示有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同糊化度苦荞粉的制备

表1 挤压机参数设置及所得苦荞粉糊化度Table 1 Extrusion parameters setting and gelatinization degree of tarkary buckwheat flour

通过调节物料含水量、螺杆转速、挤压温度等挤压条件成功制得不同糊化度的苦荞粉。挤压条件及所得挤压糊化苦荞粉的糊化度见表1。未进行挤压糊化处理的苦荞粉作为对照，也测得18.2%的糊化度，这可能是由于机械粉碎过程中机械撞击、剪切等产生的高温造成少量苦荞粉糊化。

图1 不同糊化度苦荞粉的DSC曲线Fig. 1 DSC curves of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

表2 不同糊化度苦荞粉的热力学特性Table 2 Thermal properties of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

不同糊化度苦荞粉热特性分析见图1。可以看出吸收峰随着糊化度的增加逐渐变小，说明随着糊化度升高，苦荞粉的焓值∆H减小，糊化度为94.2%的苦荞粉的焓值为0，说明苦荞粉几乎完全被糊化；这一测定结果与糊化度的测定结果相对应。进一步的数据分析见表2，发现随着糊化度增加，T0、Tp呈上升趋势（P＜0.05），说明苦荞粉的起始糊化温度、峰值温度增大，这可能是因为在挤压处理的过程中易糊化淀粉先糊化造成的。而Tc无显著变化（P＞0.05），说明挤压糊化处理对糊化终止温度未产生影响。

2.2 苦荞粉主要化学成分

不同糊化度苦荞粉中水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分质量分数和总黄酮含量见表3。

表3 苦荞粉中主要化学成分Table 3 Major chemical components of tartary buckwheat flour

与对照相比，挤压糊化处理后苦荞粉中淀粉、粗蛋白和灰分质量分数总体变化不显著（P＞0.05）。而粗脂肪质量分数及总黄酮含量随糊化度升高明显降低（P＜0.05）。本研究中挤压处理理论上不会造成脂肪或黄酮类物质的减少，测定值之所以降低可能是因为挤压过程中脂肪与直链淀粉结合形成淀粉脂络合物[19]，蛋白质与黄酮类物质结合[20]，从而影响其提取所致。

2.3 不同糊化度苦荞粉的色度

苦荞粉色度之间的差异可用测色仪测定结果来定量表示，从表4可知，随糊化度增加，苦荞粉亮度显著下降（P＜0.05）。a*值随糊化度增加，先减小后增大，总体上为中性色。而从b*值来看，苦荞粉颜色均偏黄色，且随糊化度增加先升高后降低。挤压处理后苦荞粉颜色的变化，可能与苦荞粉中黄酮类物质、多酚类物质等呈色物质的含量有关[21-22]。

表4 不同糊化度苦荞粉的色度Table 4 Color parameters of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

2.4 不同糊化度苦荞粉的破损淀粉质量分数、保水性、WAI和WSI

保水性可表示粉体的持水能力[23]，破损淀粉对面粉品质产生显著的影响，其吸水率比未破损淀粉的吸水率高2.5 倍左右[24]；WAI表征的是样品在水中分散吸水的能力；WSI表征的是样品在水中的溶解能力[25]。从表5可看出，与对照相比，破损淀粉质量分数显著增加（P＜0.05），说明挤压糊化处理过程中大量淀粉组织结构被破坏。糊化度为37.7%苦荞粉的保水性和WAI略低于对照，但无显著性差异。继续增加苦荞粉的糊化度，其WAI和保水性均显著增加（P＜0.05），这是因为淀粉糊化破坏了颗粒完整性，致使淀粉分子溶出，水分子通过氢键与直链/支链淀粉分子的游离羟基结合，导致苦荞粉对水的吸收量增多，结合力增强[26]。糊化度对WSI的影响并不规律，进一步对苦荞粉的粒径分析发现，对照组以及糊化度为37.7%、56.3%、74.3%、94.2%苦荞粉的体积平均粒径分别为71.25、28.95、93.19、43.62、252.93 μm，所以糊化度对WSI的影响并不规律可能与苦荞粉的颗粒度有关。当糊化度为94.2%时，苦荞粉的WSI最高，是对照的2.6 倍。此外，糊化度为37.7%苦荞粉的保水性和WAI略低与对照也可能与粒径有关，研究发现一定范围内减小粒径可以增加水合能力，但粒径过小破坏了蛋白质和纤维的结构，反而使水合能力降低[27]。

表5 不同糊化度苦荞粉的破损淀粉质量分数、WAI、WSI和保水性Table 5 WAI, WSI, water retaining capacity and proportion of damaged starch of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

2.5 不同糊化度苦荞粉的糊化特性

糊化特性是食品加工中的重要性质，它直接影响了淀粉在食品工业中的应用。谷值黏度表示在蒸煮温度下已经破碎淀粉的蒸煮或热糊的稳定性[28]；最终黏度表示的是形成黏性糊状物的能力，主要取决于可溶性直链淀粉在冷却时的回生能力；回生值是最终黏度和谷值黏度之间的差，是由冷却阶段线性直链淀粉分子的缔合导致的回生，是评定面包老化程度的常用指标[29]。从表6可以看出，随糊化度增加，谷值黏度、最终黏度、回生值显著减小（P＜0.05），说明糊化度高的苦荞粉在冷却过程中不易变硬、老化。峰值时间缩短（P＜0.05），说明糊化度越高，在加热过程中，苦荞粉吸水膨胀形成胶体的时间越短，缩短了达到峰值所需时间。峰值黏度表征淀粉颗粒破损前的最大膨胀度，也是淀粉颗粒膨胀和破损的平衡点[30]，挤压糊化后苦荞粉峰值黏度均低于对照组的（P＜0.05）；表明在挤压糊化处理的过程中，淀粉发生糊化，淀粉颗粒膨胀并破裂，膨胀能力明显降低，进而使峰值黏度减小。此外除糊化度为56.3%以外，挤压糊化处理组苦荞粉的衰减值均高于对照组苦荞粉（P＜0.05），说明经过挤压糊化后苦荞粉热稳定性变差。

表6 不同糊化度苦荞粉的糊化特性Table 6 Gelatinization properties of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

2.6 不同糊化度苦荞粉的微观结构

图2 不同糊化度苦荞粉的微观结构Fig. 2 Microstructure of of tartary buckwheat flour with different gelatinization degrees

从图2可以看出，在相同放大倍数下，对照组的苦荞粉颗粒表面比较光滑，且多以圆形或不规则多边形形态存在，而随糊化度升高，苦荞粉颗粒形态发生了很大的变化，糊化度为37.7%时，苦荞粉颗粒基本保持原苦荞粉颗粒形态，但糊化度继续增加，完整的颗粒结构被破坏，可见苦荞粉颗粒互相黏合而变大，表面变得比较粗糙，有内凹和小孔存在，且无固定的形态。这可能是因为糊化度较高时，挤压温度和螺杆转速增加，淀粉在挤压过程中由固态经过渡态变成熔融态，冷却形成不固定的形态[31]。这也一定程度上解释了为什么挤压处理后破损淀粉含量升高、水合特性增强。

3 结 论

以上结果表明，挤压糊化处理后苦荞粉的理化性质发生了显著变化。挤压糊化处理后苦荞粉中的淀粉、粗蛋白和灰分质量分数变化不明显，总黄酮含量和粗脂肪质量分数减少，破损淀粉质量分数增加，水合能力增强，颜色变深。快速黏度分析结果表明挤压糊化处理后苦荞粉的糊化黏度降低，在冷却过程中不易老化变硬，但热稳定性变差；扫描电子显微镜结果表明挤压糊化处理后苦荞粉颗粒完整性被破坏，随糊化度增加，苦荞粉颗粒圆形或不规则多边形形态逐渐消失，形成较大的无规则形状颗粒，表面变得粗糙，且有裂纹和小孔存在。挤压糊化处理可以作为改善苦荞粉性质的一种有效技术手段，为苦荞面制品的进一步开发提供参考。

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