挤压处理对青稞粉质构性质及消化性的影响

刘萍，徐慧静

（天津市食品安全检测技术研究院，天津300308）

青稞富含功能性营养成分，如β-D-葡聚糖、原花青素、黄酮醇、黄酮和醌类等，有利于预防各种疾病，如糖尿病，高血压和其它心血管疾病[1]。

青稞原料的质构特性对其终产品的食用品质有较大的影响，其中糊化性质是影响青稞在食品中利用的关键性质之一。淀粉糊化有许多种方法，不同的糊化处理会导致青稞粉微观结构、宏观性质和消化过程的变化。螺杆挤压是最常见的连续混合操作。螺杆挤压的主要优点之一在于其灵活性：可根据需要而改变机筒温度、螺杆转速等物理参数，对挤出物料的品质进行调整[2]，通常在5 s～10 s内完成挤压操作，最长只需1 min，其温度可达200℃，食品物料在由热、剪切和压力的组合下被挤压熟化[3]。这种高温高压处理下得到的食品原料，可最大程度提高食品的可消化率、降低酶活；而对食品的有害影响，如褐变、营养损失往往很小。因此挤压处理已被用于有效改善不同植物来源全粉及淀粉的功能特性，并增强其营养价值[4]。有学者研究发现，随着挤压过程中水分的增加，淀粉糊化和有机物的体外消化率降低[5]。此外，增加物料的水分含量可提高淀粉峰值糊化温度和糊化程度，同时缩小糊化温度范围降低淀粉的糊化焓[6]。据报道，挤压过程可改变混合大米-豆粕的体外消化率[7]，大豆粉的增加或水分含量的降低会导致蛋白质体外消化率增加。体外消化试验表明，提高挤压处理原料中的可溶性β-葡聚糖含量则有助于提高的挤出物中慢消化淀粉的含量[8]。在挤出后观察到β-葡聚糖和可溶性膳食纤维含量增加，而不溶性膳食纤维含量显著下降[9]。Masatcioglu研究了挤压蒸煮对高直链玉米淀粉中酶抗性淀粉（resistant starch，RS）形成的影响[10]。

目前对于挤压后青稞的质构性质变化及挤压处理对青稞粉消化性的影响还未见报道，本文应用挤压技术处理青稞粉，研究挤压处理对青稞粉的质构性质，如糊化、微观结构的影响，并对挤压青稞粉的消化性进行评价，以期为扩大青稞原料的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞粉（品种为白青稞，其含水率9.3%，粗蛋白10.2%，粗脂肪3.5%，淀粉74.4%）：青海康普生物科技股份有限公司。胃蛋白酶（酶活2 000 U/g）、唾液淀粉酶（酶活1 200 U/g）：Sigma公司；氢氧化钾（分析纯）：北京化工厂；醋酸钠（分析纯）：天津市北方天医化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

快速黏度分析仪（Techmaster）：瑞典波通；扫描式电子显微镜（KYKY-EM6000C）：日本日立公司；旋转双螺杆挤出机（SLG30-IV）：中国山东济南赛百诺科技发展有限公司。

1.3 方法

1.3.1样品制备和试验设计

将青稞粉过80目筛，按照试验要求调节水分后，送入同向旋转双螺杆挤出机（螺杆直径D为32 mm，长径比L/D=11，模口直径为：15 mm）。挤压膨化后，将获得的挤压膨化条破碎成小段，置于40℃烘箱中烘干3 h～4 h，之后用高速破碎机粉碎成粉末状原料备用。

1.3.2 糊化度测定

糊化是指淀粉分子在水温升至53℃以上时，淀粉分子溶胀、分裂成均匀的糊状溶液的过程。参照文献[11-12]研究方法，准确称取青稞粉0.2 g（过80目筛）于200 mL锥形瓶中，加入98 mL蒸馏水，摇晃均匀后，加入2 mL 10 mol/L的KOH溶液，磁力搅拌5 min后离心（3 500r/min 20min）。准确量取上清液0.2 mL于100 mL锥形瓶中，加0.2 mL 0.2 mol/L HCl溶液，再加入15 mL蒸馏水稀释，最后加入0.2 mL碘溶液，震荡均匀，在600 nm紫外分光光度计下测定吸光度，此时得到吸光度值A1。

另准确称取青稞粉0.2 g 200 mL锥形瓶中，加入95 mL蒸馏水，摇晃均匀，加5 mL 10 mol/L的KOH溶液，磁力搅拌5min后离心（3 500r/min 20min）。准确量取上清液0.2 mL于100 mL锥形瓶中，加入0.5 mol/L HCl溶液0.2 mL中和，再加入15 mL蒸馏水稀释，最后加入0.2 mL碘溶液，震荡均匀，在600 nm紫外分光光度计下测定吸光度，此时得到吸光度值A2。

1.3.3 膨化度测定

膨化度是指青稞粉送入挤压膨化机进行膨化前与膨化后的体积比。这个比例越小，膨化度越高。取同一青稞粉挤压膨化后的产品，随机取用不同位置的膨化条，采用游标卡尺测定其直径，每个样品随机测定20次，取平均值，除以挤压机模口直径，得到半成品径向膨化度。计算公式如下：

式中：d1为挤压半成品的直径，cm；d0为挤压机膜孔直径，cm。

1.3.4 水溶性指数（water solubility index，WSI）和吸水性指数（water absorption index，WAI）测定

将挤压膨化后的半成品打粉后，过80目筛备用。

准确称取原青稞粉或挤压产品2.0 g，置于己知恒重的离心管中，加入25 mL蒸馏水震荡，直至产品粉末完全分散于水中。在30℃水浴锅中保温30 min，每10 min振荡一次。4 000r/min离心30min后取上清液，倾倒于已知恒重的平皿中，于105℃的烘箱中蒸发干燥，至恒重[13]。水溶性指数和吸水性指数按下式计算：

式中：WSI为水溶性指数；WAI为吸水性指数；W0为青稞粉质量，g；W1为离心管质量，g；W2为平皿质量，g；W3为平皿和上清液质量之和，g；W4为离心管和沉淀质量之和，g。

1.3.5 淀粉体外消化特性测定

分别称量200 mg的挤压前后的青稞粉于100 mL锥形瓶中；加入300 μL唾液淀粉酶溶液，震荡5 min；加入15 mL胃蛋白酶，放于水浴恒温震荡器中，调节转速20 r/min、温度37℃反应30 min。在反应混合物中加入15 mL 0.02 mol/L氢氧化钠溶液；加入25 mL无酶醋酸钠缓冲溶液后，再加入10 mL复合酶溶液。在37℃下继续反应12 h，在3、6、9、12 h分别取1 mL反应液；然后于10 000 r/min离心10 min；将上清液在沸水浴中灭酶10 min，冷却后用葡萄糖氧化酶法测定反应液中葡萄糖含量。测3次，取平均值，并绘制消化曲线。

1.3.6 快速黏度分析（rapid viscosity analysis，RVA）曲线测定

RVA参数由RVA-4分析仪（Newport Scientific Pvt.Ltd，Sweden）在预热30 min后根据提供的Thermocline软件通过标准方法2分析样品来确定。

1.3.7 电镜扫描

挤压前后的样品用锋利单面刀片切取，粘在样品台上，喷金，通过KYKY-EM6000C型扫描电子显微镜观察并照相（5 kV）。

1.4 统计分析

所有试验至少进行3次平行试验。结果表示为平均值±标准偏差。使用统计分析系统（Chi-cago，IL，USA，Version 22.0）进行统计学分析。选择方差分析（ANOVA）来分析数据。p＜0.1的概率被认为是统计学上显著的。

2 结果与分析

2.1 水分含量，料筒温度和螺杆转速对青稞粉糊化度的影响

调节挤压过程中物料的水分含量，机筒温度和螺杆转速，以研究其对青稞粉挤出特性的影响，结果如图1所示。

图1 挤压过程参数对青稞粉糊化度的影响Fig.1 Effect of exclusion parameters on gelatinization degree of extruded barley powder

从图1（a）中可以看出，随着物料的含水量增加，产品的糊化度先上升后下降，在水分含量为15%时达到最大值。分析其原因是当物料水分含量相对较高时，机筒内物料黏度随着物料湿度的增加而降低，使其停留在挤压腔体内的时间减少，并且在进入模口处时，不能实现合适的高温高压的状态，致使糊化度降低，与前人研究基本一致[14]。

从图1（b）中可以看出，糊化度随温度升高呈现先增加后下降的趋势，在140℃时达到峰值。原因可能是当温度达到120℃～140℃时，温度和湿度条件是合适的，并且淀粉分子的裂解程度较好，从而实现最大的糊化度。

从图1（c）可以看出，随着螺杆转速的增加，糊化度呈现先升高后降低的趋势，当螺杆转速为125 r/min时，糊化度最高。原因可能是过高的转速导致物料在机筒内停留时间较短，并且物料来不及吸收足够的热量就冲出模口，导致无法在高温高压状态下，达到良好的糊化度。

2.2 水分含量、料筒温度和螺杆转速对青稞粉糊化度的交互影响

设计综合试验以分析探讨水分含量、料筒温度和螺杆转速对青稞粉糊化度的交互影响，结果见表1、表2。

表1 青稞粉挤压熟化方法条件L9（34）正交试验设计及结果Table 1 L9（34）orthogonal array design and results of extrusion conditions of barely powder

表2 挤压过程各参数交互影响的方差分析结果Table 2 Results of variance analysis

由表2的极差分析可知，3个因素对青稞粉挤压熟化方法的糊化度的影响大小依次为物料水分含量（A）＞螺杆转速（C）＞机筒温度（B），其中物料水分含量和螺杆转速对糊化度的影响显著。在设计试验范围内，优化得到最有利于青稞粉糊化效果的过程参数为A1B3C3，即物料水分为13%、机筒温度为160℃、螺杆转速为150 r/min，在此条件下进行验证试验，得到青稞粉的糊化度达到94.8%。

2.3 挤压条件对青稞粉挤压特性的影响

研究水分含量、料筒温度和螺杆转速对挤压后青稞粉的膨胀比、WSI和WAI的影响，结果如图2所示。

图2 挤压过程参数对青稞粉膨的影响Fig.2 Effect of exclusion parameters on expansion ratio of extruded barley powder

从图2可以看出，青稞挤压产品的膨化度随着物料含水量的增加先上升后下降，在水分含量为17%时达到最大值。当物料含水量低于17%时，由于物料内部缺乏足够的游离水，青稞粉在出模口时难以迅速气化从而产生膨化气孔。当物料含水量高于17%时，半成品的膨化度急剧下降，文献显示[15]这可能是因为物料表面存在过量的游离水，结合水无法迁移出物料内部，使物料难以膨化。

WSI随着物料水分含量的增加呈先上升后下降的趋势，而吸水性指数（WAI）呈先上升后下降的趋势。当水分含量逐渐增加时，挤压腔体内物料黏度降低，停留时间缩短，物料受到的剪切力减弱。粗纤维、蛋白质和淀粉等大分子物质的裂解程度低，产生的水溶性物质减少[16]；大分子破损程度的降低和暴露在外的吸水性成分的减少伴随着WAI的下降[17]。

青稞挤压产品的膨化度随着机筒温度的增加呈现先上升后下降的趋势，半成品的膨化度急剧增加，当温度高于140℃时膨化度下降，但趋于平缓。原因可能是当温度逐渐升高时（＜140℃），物料的熔融态加速，并且在剪切力的作用下，淀粉颗粒发生破损，膨化更容易发生；但是当温度再次升高（＞140℃），物料在此水分含量下可能吸收的热量增加，不能达到比较良好的熔融态，且在高温下，物料易发生焦糖化反应，导致膨化度降低[18]。

WSI和WAI随温度增加呈现先增加后下降的趋势，均在140℃时达到峰值。可能是因为青稞内淀粉、蛋白质等大分子物质在140℃左右受到的剪切力最佳，裂解程度最佳，暴露在外的亲水物质增加，因此WSI达到最大；而此条件下得到的挤压粉内充满较大的孔隙，水分更容易进入淀粉颗粒中，淀粉颗粒开始吸水膨胀，故WAI也达到最佳。随着温度的持续升高，高温会导致焦糖化反应加速，导致WSI和WAI降低[19]。

青稞挤压产品的膨化度随着螺杆转速的增加呈现先上升后下降的趋势（75 r/min～150 r/min）。原因可能是，在低转速下青稞粉受到的剪切作用、摩擦作用等机械力较弱；而随着转速增加，物料在挤压腔体中受到的这两种力又会逐渐增加[20]，当达到一个相对合适的值时（125 r/min左右），就会导致部分直链淀粉和支链淀粉发生裂解，淀粉分子间的氢键作用被削弱[21]，分子骨架的自由空间加大，膨化度增加；如果螺杆转速继续增加，过快的转速就会导致青稞粉受到的机械力强度过大，反而出现“重组”现象，即断裂的淀粉分子又在高强度的外力下重新聚集，导致膨化度降低；然而，在175 r/min时发生回弹，这可能与挤压机的不稳定状态有关，导致此条件下出现膨化度增加。

随着螺杆转速的增加，WSI和WAI呈先增加后降低的趋势，在转速为125 r/min时达到最大值。结果表明在高螺杆转速的情况下，青稞粉在机筒内受到较大的剪切作用[22]，并且一些大分子物质如淀粉、蛋白质等发生裂解，水溶性成分增加，亲水物质暴露，吸水指数增加。

2.4 青稞粉挤压前后RVA曲线对比

RVA曲线可以反映谷物粉的糊化特性。通常，由黏性耗散引起的热效应和由于高剪切应力引起的机械效应都会引起聚合物的物理化学变化。挤出前后大麦粉末的粘贴性能和RVA凝胶化特性如图3所示。

图3 青稞粉挤压前后RVA曲线对比Fig.3 RVA curve of barley powder before and after extrusion

糊化温度是淀粉糊化容易度的指标。从图3中可以看出，挤压前的青稞粉的糊化温度为66.85℃；回升值反应了淀粉的凝胶化能力或回生程度，松懈值与膨胀淀粉粒的强度有关，反映了淀粉的稳定性。青稞粉的松懈值为1 564 cp，青稞粉的松懈值相对于小米和大米的值相对较低，这表明青稞粉在糊化后相对稳定[23]。然而与挤压前后青稞粉的高峰黏度和松懈值对比，挤压粉的该两组数值明显高于挤压处理前的数值，结果表明，经过挤压处理后的青稞粉中，蜡质淀粉含量增加，而蜡质淀粉中直链淀粉含量较低[24]，糊化起始时间越早，也就是说，当蜡质淀粉含量增加时，糊化温度相应降低，并且高峰黏度和松懈值相应增高。

2.5 青稞粉挤压前后微观结构对比

对青稞粉及其挤压粉进行电镜扫描，观察挤压熟化方法对其微观结构的影响，结果见图4。

挤压处理之后，青稞粉发生变化，原有的颗粒状态丧失，变为海绵状、多孔状态。从图4可以看出，未经挤压处理的青稞粉大多呈现出结构较为紧密的包裹状的椭圆形或圆形，推测此形态与机械损伤有关。而经过挤压处理后，挤压产品大多表现出不规则的鳞片状，并且几乎不存在原来的完整形态。这可能是因为，青稞粉物料在高温、高压、高剪切力的作用下形成一种凝胶状态，当它突然释放到常压时，凝胶状态的物料内的水分突然汽化消失，并且体积迅速膨胀变大，使物料形成疏松多孔的海绵体，这与许亚翠[25]的研究结果基本一致。

2.6 青稞粉挤压前后消化性评价

青稞粉及其挤压产品的消化速率测定结果见表3。

表3 挤压处理对青稞粉淀粉消化特性的影响Table 3 Effect on the digestion characteristics of barley powder by extrusion processing

从表3中可以看出，在消化过程中的前3 h，原青稞粉与挤压粉在葡萄糖释放速率方面存在非常显著的差异，一直持续到第3小时。在0 h～3 h的时间段内，与原青稞粉相比，青稞挤压粉的消化速率明显较高（p＜0.05）。结果表明，挤压处理后的青稞粉具有明显的易消化特性，这可能是由于挤压处理后青稞粉内部发生结构上的改变。

3 结论

本文通过研究挤压处理对青稞粉的糊化度、膨胀率、水溶性指数、吸水指数、质构性质及消化性的影响，得出对青稞粉熟化特性最有效的挤压处理过程参数为物料水分含量为13%、机筒温度为160℃、螺杆转速为150 r/min，在此条件下的青稞挤压粉的糊化度为94.50%。与挤压前的青稞粉相比，挤压后的青稞粉微结构发生变化，原有的杂粮颗粒紧密包裹状态丧失，变成海绵多孔状态。根据RVA分析，挤压后的青稞粉糊化温度降低，而峰值黏度和松懈值显著升高，谷值黏度、最终黏度、回生值、高峰时间均有所下降，RVA特性显示青稞粉挤压后变得更稳定并且更容易糊化。因此，在这些挤出条件下的青稞粉具有较为理想的物理化学性质和糊化特性以及体外消化特性，适合应用于食品中。