青稞棒挤压膨化工艺优化及其品质特性的研究

毋修远，徐超，2，*，谢新华，2，陈怡瑾，赵浩乐

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州450002；2.农业部大宗粮食加工重点实验室，河南郑州450002）

青稞（barley flour，BF）是一种禾谷类作物，又称裸大麦、米大麦。青稞营养丰富，具有“三高两低富硒”（高蛋白、高纤维、高维生素、低脂肪、低糖、富硒）的特征，特别是β-葡聚糖含量是小麦的50倍，β-葡聚糖具有清肠、调节血脂、降低胆固醇、抗肿瘤、提高免疫力等生理功能[1]。青稞作为藏区人民日常饮食独有的加工原料，藏民通常喜欢把青稞粉做成“糟耙”招待客人，青稞粉还可用于制作面包、麦片粥、米花、糕点等[2]。虽然青稞是一种优质的食品原料，但青稞产品的开发仍处于初级阶段，主要表现在传统食用地区产品单一，附加值低[3]，因此制作方便携带与食用、具有良好受众范围和运输便利性的产品，对青稞的深加工利用具有重要意义。

挤压膨化作为一种经济实用的新型加工方法，主是通过水分、热能、机械剪切和压力等综合作用形成的高温高压短时加工过程[4]。挤压膨化食品由于具有容易被人体吸收、便于长期保存和风味、口感好等特点[5]，已被广泛应用于食品生产中，并得到迅速发展[6]。目前国内外研究人员已经通过对加水量、挤压温度、螺杆转速、喂料速度等影响膨化食品品质的工艺参数的研究[7]，深入探索了小麦、大米、小米等谷物的挤压特性及青稞面条、青稞杂粮复配和膨化青稞粉的应用，但对纯青稞粉挤压膨化的直接产品的研制还较少，对产品膨化前后理化特性的探索缺少系统性研究[8]。

本试验拟以青海省纯青稞粉为原料，以膨化度和感官评定为指标，优化挤压工艺条件，研究挤压工艺条件对青稞膨化特性的影响，找到膨化青稞棒的最适工艺，并分析青稞在挤压膨化前后主要理化特性的变化，验证青稞膨化产品的可行性，为青稞食品的深加工利用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要试验材料

青稞粉：青海省湟中县优质青稞粉。

1.1.2 主要仪器设备

ZH65-X型双螺杆挤压膨化机：济南卓恒膨化机械有限公司；RVA4500型快速黏度分析仪：波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；TA-XT plus型物性测试仪：英国 Stable Micro System 公司；KDY-04 08（B）型半自动定氮仪、ZF-06型脂肪仪：上海瑞正仪器设备有限公司。

1.2 方法

1.2.1 青稞棒加工单因素试验

因产品开发需要，选择青稞膨化度为影响膨化青稞棒的主要因素，利用Ⅳ区温度、加水量、螺杆转速、喂料速度的不同研究其对膨化青稞棒的影响，通过单因素试验选取正交试验的因素和水平。腔体温度的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的温度设定分别为40、70、100℃。

1.2.1.1 Ⅳ区温度对青稞膨化度的影响

加水量18%、螺杆转速406r/min、喂料速度40 Hz，Ⅳ区温度分别为 140、150、160、170、180、200 ℃，通过青稞棒膨化度选择Ⅳ区温度。

1.2.1.2 加水量对青稞膨化度的影响

挤压温度180℃、螺杆转速406 r/min、喂料速度40 Hz，加水量分别为12%、14%、16%、18%、20%、22%，通过青稞棒膨化度选择加水量（混合均匀，过80目筛）。

1.2.1.3 螺杆转速对青稞膨化度的影响

挤压温度180℃、加水量18%、喂料速度40 Hz，螺杆转速分别为 290、319、348、377、406、435 r/min，通过青稞棒膨化度选择螺杆转速。

1.2.1.4 喂料速度对青稞膨化度的影响

挤压温度180℃、加水量18%、螺杆转速406r/min、喂料速度分别为 20、30、40、50、60 Hz，通过青稞棒膨化度选择喂料速度。

1.2.2 青稞棒加工工艺优化设计

在单因素试验的基础上，选取加水量（A）、挤压温度（B）、螺杆转速（C）、喂料速度（D）作为试验因素，以青稞棒的感官评定得分为指标，按照四因素三水平正交表L9（34）进行正交试验设计，如表1所示，选取青稞棒的最佳加工工艺条件。

1.2.3 样品制备

挤压膨化后的产品分割为6 cm均匀小段，室温放置5 min后，置40℃烘箱中干燥2 h，放入自封袋备用，部分干燥后的膨化青稞棒用粉碎机粉碎，过80目筛网，置干燥环境中保存备用。

1.2.4 膨化度的测定

用游标卡尺测量挤压膨化后产品直径，每个样品随机测定5次，求其平均值作为产品的平均直径d1（mm），再除以模孔直径即得挤压膨化产品的膨化度[9]。膨化度用式（1）表示。

式中：c为膨化度，%；d1为挤压膨化产品的平均直径，mm；d2为模孔直径，0.3 mm。

1.2.5 青稞棒感官评价

随机选取10名具有一定专业知识的人员对产品进行感官评分。测试前产品随机编号，评定员根据产品的外观、口感、色泽、组织结构和气味接受性对其进行评分，感官满分为50分，感官评定标准见表2[10]。

表1 正交试验因素水平表Table 1 The orthogonal test factor table

表2 青稞粉挤压膨化产品感官评价指标及评分标准Table 2 Indicators and scoring criteria for sensory evaluation of barley flour extruded products

1.2.6 产品理化特性的测定

1）水分含量的测定：参照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》。

2）灰分的测定：参照GB 5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》。

3）蛋白质的测定：参照GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》。

4）脂肪的测定：参照GB 5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》。

5）淀粉的测定：参照GB 5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》。

6）膳食纤维的测定：参照GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。

7）糊化特性：分别准确称量3.0 g未处理和处理后的青稞粉，加入装有25.0 mL蒸馏水的样品盒中，充分搅拌后置于快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）样品槽中，用Standard 1（50℃保持1.5 min后加热，以15℃/min的速率升至93℃后保持2.5 min，再以15℃/min速度下降至50℃下保持1.5 min，搅拌器速度为160 r/min）程序进行测试。

8）质构特性：将处理前后青稞粉配置30.00%的粉糊，在沸水浴中糊化30 min，然后取约30 mL倒入平底离心管中，在4℃冰箱中放置24 h，采用物性测试仪TPA模式测定凝胶的质构特性，探头：P50，下降速度：1.0 mm/s；测试速度：1.0 mm/s；返回速度：1.0 mm/s；测试距离15.0 mm；触及压力：5 g。

1.3 数据处理

试验过程中，每个试验数据测定3次，求平均值，得出数据采用SPSS 13.0软件处理。

2 结果与分析

2.1 不同因素对青稞棒膨化度的影响

2.1.1 加水量对青稞棒膨化度的影响

以挤压温度180℃、螺杆转速406 r/min、喂料速度40 Hz为试验条件，测定青稞粉加水量（12%、14%、16%、18%、20%、22%）对青稞棒膨化度的影响，结果如图1所示。

图1 物料加水量和膨化度的关系Fig.1 The relationship between the amount of water added to the material and the degree of puffing

由图1可知，加水量在12%～18%范围内青稞棒膨化度随着加水量的增加而增加。而当加水量大于18%时，膨化度反而降低。当加水量较低时，青稞淀粉吸水少而且不均匀，物料糊化度差，导致物料膨化度不高，并且容易出现焦糊和机器堵塞现象。当加水量过高（大于18%）时，水分可能起到了稀释的作用，导致淀粉的挤压、剪切等机械力较小，从而膨化度下降[11]。

2.1.2 挤压膨化温度对青稞棒膨化度的影响

设定加水量18%、螺杆转速406 r/min、喂料速度40 Hz为试验条件，测定IV区挤压膨化温度（140、150、160、170、180、190、200 ℃） 对青稞棒膨化度的影响，结果如图2所示。

图2 挤压膨化温度和膨化度的关系Fig.2 The relationship between extrusion temperature and puffing degree

由图2可知，青稞棒膨化度随着温度的升高呈现先上涨后降低的趋势；当挤压膨化温度在180℃时，青稞棒膨化度最高。温度的升高加剧了青稞粉内水分子运动，使得水分子容易渗透到物料空间结构中，使得大分子降解，同时高温使得淀粉分子间的氢键断裂，淀粉产生糊化，膨化度提升[2]；当挤压温度过高时，物料因受热过大，容易在机筒内发生焦糊现象并且结成硬块，堵塞机筒内螺杆，造成机筒内部压强过大且不稳定，导致形成产品结构不均一，局部仍有少量未膨化开的淀粉晶体颗粒存在，造成青稞棒膨化度较低，颜色较深。因此，挤压膨化温度应该以180℃为最佳。

2.1.3 螺杆转速对青稞棒膨化度的影响

设定加水量18%、挤压膨化温度180℃、喂料速度 40 Hz为试验条件，测定螺杆转速（290、319、348、377、406、435 r/min）对青稞棒膨化度的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出，当螺杆转速小于348 r/min时，青稞棒膨化度随着螺杆转速的增加而增加；当螺杆转速大于348 r/min时，随着螺杆转速的增加膨化度呈现下降趋势。随着螺杆转速的增加，可能使得挤压仓内剪切力增加，大分子结构被打开，使更多淀粉链被打断而降解，同时螺杆的搅拌让水分在物料中分散更均匀，挤出物的结构和气孔也较为均一[12]。当螺杆转速越高时，物料在机筒内的受作用时间越短，从而不利于降解[13]，并出现受力不均，导致产品出现硬块、膨化不均等现象，表现出膨化度低[14]。

2.1.4 喂料速度对青稞棒膨化度的影响

设定加水量18%，挤压膨化温度180℃，螺杆转速348 r/min为试验条件，测定喂料速度（20、30、40、50、60 Hz）对青稞棒膨化度的影响，结果如图4所示。

图3 螺杆转速和膨化度的关系Fig.3 The relationship between screw speed and degree of expansion

图4 喂料速度和膨化度的关系Fig.4 The relationship between feed rate and degree of expansion

由图4可以看出，当喂料速度较低时，物料在机筒内受到的压力较低，不能产生很好的膨化效果。随着喂料速度的增加膨化度逐渐增加。当喂料速度为40 Hz时，青稞棒膨化度最大。当喂料速度大于40 Hz时，青稞棒膨化度随着喂料速度的增加而减小。这是由于喂料速度过大，青稞粉由于受热不均，部分青稞粉在机筒内得不到及时膨化，局部出现焦糊现象，使得产品的膨化度降低，同时容易发生堵塞现象。

2.2 青稞棒加工工艺的优化

2.2.1 正交试验结果与分析

正交试验因素水平表根据单因素试验结果，分别选加水量18%、挤压温度180℃、螺杆转速348 r/min、喂料速度40 Hz为最优参数，正交试验结果与分析见表3。

表3 正交试验结果与分析Table 3 The orthogonal experimental results and analysis

本试验结果分析采用方差分析法，首先进行F检测，方差分析结果见表4。

由表4可以看出，本试验研究的4个因素对产品的影响的主次顺序为：加水量>挤压温度>喂料速度>螺杆转速。其中 A2、B2、C3、D2分别为最适条件，即加水量为18%，挤压温度为180℃，螺杆转速为377 r/min，喂料速度为40 Hz时，青稞棒产品最优品质。由方差分析得加水量对青稞棒的感官品质影响最为显著[15]。

2.2.2 验证性试验

验证性试验结果见表5。

表4 正交试验方差分析结果Table 4 The analysis of orthogonal test variance results

表5 验证试验结果Table 5 Verifies the experimental results

由表5验证的实验结果可以看出，在加水量18%，挤压温度180℃，螺杆转速377r/min，喂料速度为40Hz时，得到的青稞棒的感官评定的得分最高。该条件下得到的青稞棒表面光滑无断裂，口感松脆不黏牙，色泽较均匀，并且组织结构呈致密多孔状，无大空洞出现，同时伴有浓郁的青稞麦香味。

2.3 挤压膨化对青稞粉理化指标的影响

2.3.1 挤压膨化对青稞粉基本组分的影响

在最佳工艺条件下挤压膨化后，对挤压膨化前后青稞粉内水分、灰分、蛋白质、脂肪、淀粉和膳食纤维含量进行测定，测定结果如表6所示。

表6 挤压膨化对青稞粉内营养品质含量的影响Table 6 Effect of extrusion on the content of inner nutrition of highland barley powder %

由表6可知，青稞粉经过挤压膨化处理，水分含量下降，尽管在挤压膨化前需要给样品添加一定水分，但挤压膨化过程中的高温使大量水分蒸发，使挤压膨化后的青稞粉水分含量更低，较低的水分含量使产品口感更加酥脆，并提升了产品的贮藏时间。蛋白质含量相比之前稍有减少，可能是在高温高压和剪切力处理下使得蛋白质分子结构发生改变，发生伸展、重组，导致蛋白质变性。挤压膨化后脂肪含量减少，可能是高温高压挤压作用下甘油三酯部分水解，产生单甘油和游离脂肪酸的原因。挤压膨化后膳食纤维含量显著增加，这与Bjorck等[16]研究结果一致，这主要是由于高温、高压、高剪切的作用使纤维分子间化学键裂解，导致分子的极性发生变化[17]。青稞粉淀粉含量明显减少，这是因为在挤压过程中淀粉链间的氢键断裂，淀粉粒解体，淀粉被充分α化，降解成低分子碳水化合物造成的[18]。

2.3.2 挤压膨化对青稞粉糊化特性的影响

对挤压膨化前后青稞粉糊化特性进行测定，测定结果如表7所示。

由表7可知，青稞粉的糊化温度为89.8℃，但RVA测定的糊化温度是指淀粉黏度刚开始升高的温度，通常所测糊化温度偏高[19]。崩解值反映了淀粉的热糊稳定性，青稞粉的崩解值为306.67 cp，明显小于小米淀粉的崩解值3 925 cp和大米淀粉崩解值2 092 cp～3 602 cp[17]，说明青稞粉有很好的热糊稳定性。青稞经挤压处理之后，回生值明显减少，青稞淀粉冷糊稳定性得到增加，这可能是因为淀粉糊化后直链淀粉的减少，凝胶中空间障碍变大而更难老化[20]。其峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、峰值时间均比原料不同程度降低。通过RVA结果可看出，在受到挤压膨化的高温高压处理后，青稞粉得到较高程度熟化，淀粉稳定性提到提升。

2.3.3 挤压膨化对青稞粉凝胶质构特性的影响

质构是反映产品感官特性的指标，在食品品质及加工方面具有指导意义。对挤压膨化前后青稞粉凝胶质构特性测定，结果如表8所示。

表7 挤压膨化对青稞粉糊化特性的影响Table 7 Effect of extrusion on the gelatinization characteristics of barley powder

表8 挤压膨化对青稞粉凝胶质构特性的影响Table 8 Effect of extrusion on the texture properties of barley gel

粉质的凝胶特性是实际生产的重要依据，挤压膨化处理后的青稞硬度下降，受到挤压后青稞淀粉容易发生破裂，易剪切稀化[21]。黏着性下降，处理后青稞粉恢复到原来分离状态所需要的力减少。咀嚼性与硬度相关性很高，二者都能反应坚实度大小，处理后青稞粉咀嚼性降低，说明处理后青稞粉口感变酥脆软绵。回复性反映了试样在受到一次压缩后迅速恢复变形的能力，处理后的青稞粉回复性增加，且存在显著性差异。可能是由于处理后的青稞粉粉质变的疏松，导致回复性较好。

3 结论

本试验研究得出，青稞棒挤压膨化的最佳工艺条件为，加水量为18%、螺杆的转速为377 r/min、挤压温度为180℃、喂料速度为40 Hz，且4个因素对产品感官品质的影响的主次顺序为：加水量>挤压温度>喂料速度>螺杆转速。与未处理青稞粉相比，挤压膨化处理显著提高了青稞棒膳食纤维含量，提升了青稞的保健功能特性；青稞棒淀粉糊化稳定性更好，改善了膨化青稞产品的贮藏及食用性能；青稞棒的硬度和咀嚼性降低，有利于口感酥脆无渣感。本试验得到了一种青稞膨化食品新工艺，并对其品质特性进行了分析，为青稞的精深加工利用提供了参考依据。