小米挤压粉与小米生粉理化性质与营养品质的差异比较

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(1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学食品与健康学院,北京 100048;2.中国农业大学食品科学与营养工程学院,国家果蔬加工工程技术研究中心,植物蛋白与谷物加工北京市重点实验室,北京 100083)

小米起源于我国的黄河流域,是中华民族的哺育作物,至今已有8000年的历史[1]。与其他粮食作物相比,小米具有抗旱、抗病虫害、生长周期短等优势[2],是亚洲、非洲东部以及欧洲南部等干旱半干旱地区的主要粮食作物,对粮食安全起着十分重要的作用,近年来更是由于其众多潜在的营养价值和食疗保健功效而受到越来越多的关注[3]。对于小米等淀粉质食品原料而言,挤压膨化技术已成为原料预处理方式的重要一种[4-5]。许多研究已表明,预糊化淀粉质原料的吸水性、保水性、粘弹性以及冻融稳定性均较好,有利于食品成型、延缓老化和稳定食品内部结构[6-7]。通过在食品原料中预先混入一定量的挤压膨化粉来制作高含量杂粮食品的方法正逐渐被应用于杂粮食品行业[8],且取得良好成果。有关小米挤压膨化的研究亦不断被报道,如蒋长兴等优化了挤压膨化小米粉制备的工艺参数[9],巩敏等分析了小米籽粒性状及理化性质对小米膨化后品质特性的影响[10],赵学伟等探究了小米挤压膨化产品的吸湿动力学和干燥动力学[11],沈静等[8]将小米挤压粉与小米生粉按照1∶1预先混合后,成功制作出口感、品质均较好的纯小米面条。

风味是食品品质评价的一项重要指标,Sides等研究认为,除了原料本身的香味外,热处理是谷物类风味成分的主要来源[12]。与未处理燕麦片相比,微波和蒸煮处理后的燕麦片均产生了更多的醛类,分别占总挥发性成分的62.05%和80.65%,而焙烤处理的燕麦片除了产生了较多醛类(33.95%),还产生了较多的吡嗪类(38.82%)与嘧啶类(20.12%),呈现出浓郁的烤香味[13]。挤压膨化是小米等淀粉质食品加工过程的一种热处理方式,然而目前有关挤压膨化处理对小米粉风味特性的影响未见报道。

鉴于此,本研究全面探究了挤压膨化处理对小米粉粒径、色泽、密度、风味以及营养组分的影响,以期为小米挤压粉的基础理论研究和生产应用提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

东方亮小米(市售) 山西东方物华农业科技有限责任公司;硫酸铜、氢氧化钾、无水乙醚等实验用所有化学试剂 国药集团化学试剂北京有限公司。

AR5120电子天平 美国奥斯豪有限公司;HY-04A高速粉碎机 北京环亚天元机械技术有限公司;SYSLG30-IV双螺杆挤压机 济南赛百诺科技开发有限公司;10A-VP高效液相色谱仪 日本岛津公司;7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司;L-8900氨基酸分析仪 日本日立公司;SC-80C全自动色差仪 北京康光光学仪器厂;RVA快速粘度分析仪 波通瑞华科学仪器北京有限公司;LS230激光粒度分析仪 美国贝克曼库尔特有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小米生粉和挤压粉的制备 将小米粉碎后,过80目筛(直径0.2 mm),得到小米生粉。将小米生粉调节水分含量至16%后,加入双螺杆挤压膨化机中进行挤压膨化,其中螺杆转速为30 r/min,一区至四区温度分别为60、90、120和175 ℃。膨化后的物料重新粉碎后,过80目筛,得到小米挤压粉。

1.2.2 小米生粉和小米挤压粉粒径测定 分别将0.4 g的小米生粉和小米挤压粉混入20 mL无水乙醇中,180 W/40 kHz超声震荡10 min以使物料颗粒分散均匀,按照粒径分析仪操作指南,在1800 r/min的转速下依次测定小米生粉和小米挤压粉的粒径。

1.2.3 小米生粉和小米挤压粉表观密度测定 参照GB/T 6373-2007给定体积称量法,在相同情况下使小米生粉和小米挤压粉自由下落并装满一个10 mL量筒,计算占有1 mL体积的重量即为表观密度(g/mL)。

1.2.4 小米生粉和小米挤压粉静止角测定 分别让小米生粉和挤压粉从20 cm处自由落到水平面上,测定所形成的圆锥体母线与底平面的夹角[14]。

1.2.6 小米生粉和小米挤压粉风味测定 采用顶空固相微萃取收集小米生粉和小米挤压粉的挥发性风味成分,将CAR/AB/PDMS萃取头在气相色谱(GC)进样口250 ℃老化1 h。取5 g待测粉、0.5 mg氯化钠、5 mL去离子水和4 μL浓度为2 μg/mL的丙酸丙酯置于15 mL顶空瓶中,用封口膜封好,置于60 ℃水浴中平衡20 min。萃取针顶空吸附40 min后拔出萃取针,迅速插入GC进样口进行分析。

使用 DB-Wax极性毛细管柱(15 m×320 μm×0.25 μm),进样口温度为250 ℃,载气为氦气,流速为1.0 mL/min,不分流。柱箱起始温度均为50 ℃,保持3 min,以5 ℃/min 的速率升高到160 ℃,保持3 min,然后再以10 ℃/min的速率升高到240 ℃,保持10 min。质谱接口温度为250 ℃,电离方式为EI,轰击电子能量为70 eV,离子源温度为 230 ℃,总离子流强度为110 mA。根据GC-MS总离子流图中的出峰时间和对各峰的离子扫描,进行NIST08.L谱库检索,仅计算匹配度大于80%的成分[16]。

1.2.7 小米生粉和小米挤压粉营养成分测定 蛋白质含量测定时首先加入硫酸铜溶液,生成沉淀,然后按照国标GB 5009.5-2010方法测定沉淀中的含氮量,直链淀粉含量的测定采用双波长碘蓝比色法,其余所有营养成分测定均按照国家标准方法进行,水分:GB 5009.3-2010;脂肪:GB/T 5009.6-2003;碳水化合物:GB/Z 21922-2008;维生素A:GB/T 5009.82-2003;维生素E:GB/T 5009.82-2003;硫胺素:GB/T 5009.84-2003;核黄素:GB/T 5009.85-2003;钙:GB/T 5009.92-2003;磷:GB/T 5009.87-2003;钾:GB/T 5009.91-2003;氨基酸:GB/T 5009.124-2003;脂肪酸:GB/T 22223-2008。

表1 小米生粉和小米挤压粉的物理性质比较Table 1 Comparison of the physical properties of raw and extruded foxtail millet flour

注:*代表两样本间有显著差异P<0.05,**代表两样本间有极显著差异P<0.01。

1.3 数据处理

所有理化性质相关的指标均进行三次平行测定,结果以Mean±SD的形式表示;所有营养成分和风味相关指标均进行两次平行测定,结果以平均值的形式表示。采用SPSS Statistics 20.0 配对样本t-检验进行显著性差异分析,并以P<0.05表示有显著性差异,P<0.01表示有极显著差异。

2 结果与分析

2.1 小米生粉和小米挤压粉的物理性质比较

挤压膨化后,小米粉的粒径极显著增大、密度极显著减小(表1,P<0.01),这与挤压膨化过程中物料的宏观理论变化过程相一致,即呈溶融状态下的物料在压力释放的瞬间,水分急剧汽化、体积迅速膨大,形成结构蓬松的多孔海绵状结构[17],类似变化可见于燕麦全粉、鹰嘴豆淀粉等[6,18]。如沈丹等发现,挤压膨化后原本分散的鹰嘴豆淀粉颗粒粘连聚集成大的多孔颗粒,粒径变大,密度变小[6]。小米挤压粉的静止角极显著大于小米生粉(表1,P<0.01),这可能是由于挤压膨化后的小米粉吸水性增强,颗粒间易粘连,而且表面光滑度下降,颗粒间摩擦力增加。此外,挤压膨化过程中,淀粉、蛋白质等的内部结构在高温、高压、高剪切力的作用下发生剧烈变化,亦可造成小米挤压粉的粒径增加、静止角增大以及流动性变差[19-21]。具体而言,蛋白质变性、高级结构被破坏、内部疏水基团外露,导致蛋白质分子间通过疏水作用而形成分子量较大的聚集体[19-20],直观表现为粒径增大。淀粉颗粒糊化,小分子溶出物质增多[21],导致挤压粉颗粒间的粘连性增加。

挤压膨化后,小米粉的L*值显著减小(P<0.05)和b*值极显著减小(P<0.01),即与小米生粉相比,小米挤压粉亮度减小、色泽变暗、黄色减弱、红色增强、肉眼可观察到色泽的差异(表1)。这可能与高温高压作用下,淀粉、蛋白质等大分子物质降解,产生小分子还原糖[22-23]与游离氨基酸,并发生美拉德反应或焦糖化反应有关[24]。

2.2 小米生粉和小米挤压粉的特征风味比较

小米生粉中共检测到19种挥发性成分(表2),其中仅十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷、(E)-2-庚烯醛、十五烷和正十五酸5种物质同时存在于小米生粉(相对质量分数共占28.41%)和小米挤压粉(相对质量分数共占8.58%)中。小米生粉中挥发性物质种类较少且以杂环类物质——甲苯含量最高(相对质量分数高达32.82%),但甲苯通常被认为是贮藏肉以及鱼类产生不愉快气味的原因[25],其次是一般不具有明显香味且阈值较高的饱和烷烃类物质。小米生粉中可检测到正己醇和糠醇2种醇类物质,含量虽略高于挤压粉,但均为阈值较高的饱和醇[26],因此可能对风味的贡献并不大。此外,小米生粉中并未检测到酮类物质。上述几点可能是小米生粉无明显香味的主要原因。

经挤压膨化后,小米挤压粉中共检测到30种挥发性成分(表2),种类明显增多。醛类物质一般阈值较低且具有清香、果香和脂香等令人愉悦的气味[27]。徐兴凤等在分析了4种不同籼米米饭的风味成分后认为醛类化合物是影响籼米风味的主要物质[28]。本研究中小米挤压粉的挥发性风味物质同样以醛类为主,相对质量分数高达52.34%。虽然小米挤压粉中不饱和醛类物质的含量明显低于饱和醛,但其阈值亦明显低于饱和醛,因此对风味的贡献不容忽视。刘莹莹等将研究认为己醛、辛醛、(E)-2-壬烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、1-辛烯-3-醇、间二甲苯和 2-戊基呋喃等8种物质为谷子的特征风味物质,且(E,E)-2,4-癸二烯醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛对整体风味贡献最大,贡献率达到94.46%[29]。小米挤压粉中同样也存在己醛、壬醛和(E,E)-2,4-癸二烯醛等挥发性风味物质,尤其是己醛,其相对质量分数高达34.58%。据此推测,醛类,尤其是己醛,可能是小米挤压粉的主要风味贡献物质。酮类物质一般具有良好的水果香味,可能是蒸煮小米的重要风味贡献者[16]。但小米挤压粉中仅检测到少量酮类物质,这一结果与其他研究数据一致[30],表明酮类物质并不是小米挤压粉的主要风味来源。小米挤压粉中的杂环类物质以呋喃、吡嗪类为主,这两类物质是热加工食品香味的主要来源[31]。挤压膨化过程中,小米粉在高温高压的作用下发生美拉德反应产生吡嗪类物质,发生焦糖化反应产生呋喃类物质。综上所述,挤压膨化处理赋予小米挤压粉更加丰富的令人愉悦的气味,在小米制品的加工过程中,将一定量的小米挤压粉添加到小米生粉中,将大大改善成品风味。

表2 小米生粉和小米挤压粉的特征风味物质比较Table 2 Comparison of the volatile flavor compound profiles of raw foxtail millet flour and extruded millet flour

续表

表3 小米生粉和小米挤压粉的营养成分比较(干基)Table 3 Comparison of the nutritional composition of raw and extruded foxtail millet flour(dry basis)

2.3 小米生粉和小米挤压粉的营养成分比较

小米生粉和小米挤压粉的营养成分比较如表3所示。挤压膨化过程中,当熔融状态的物料冲出模头时,温度和压力瞬间急剧下降,水分子体积膨胀汽化,从而造成小米挤压粉水分含量的下降[4]。碳水化合物、蛋白质、脂肪是小米的三大主要营养成分,它们的含量和组成也是影响挤压膨化效果的重要因素。谷物原料及淀粉在高温高压及强大剪切力的作用下,不仅会发生淀粉的糊化,而且会发生淀粉的降解,即淀粉在挤压腔内各种机械力的作用下,氢键断裂,导致大分子淀粉颗粒降解呈小分子的还原糖和糊精等[32-33]。虽然有研究表明,淀粉的降解发生在支链部分的几率高于直链部分[34],但本研究数据显示,小米挤压粉的淀粉含量,包括直链淀粉含量,均略低于小米生粉。

经挤压膨化处理后,小米粉中的蛋白质含量下降,这与其它膨化谷物产品的变化类似。陈建宝等[35]研究发现,挤压膨化后麦麸的水溶性蛋白、盐溶性蛋白和不溶蛋白含量减少,但醇溶性蛋白和碱溶性蛋白含量增加;挤压后,麦麸中的淀粉和蛋白质的体外消化率都有所提高。这一方面可能是由于挤压膨化过程中部分蛋白质发生降解,蛋白氮转变成了非蛋白氮[36];另一方面,变性蛋白质的疏水羟基外露,彼此间通过二硫键或疏水键结合形成更加稳定的结构,或与脂质结合形成复合物,从而影响蛋白质的测定[37]。

与大米、小麦等常规谷物相比,小米中的脂肪含量较高,挤压膨化过程中可见明显脂滴外流现象。此外,挤压过程中,与直链淀粉、蛋白质形成复合物也是挤压粉脂肪含量下降的原因[38]。与之相对应的是脂溶性维生素E,尤其是γ-维生素E含量的极显著下降。食品中碳水化合物的含量是由整体减去水分、灰分、蛋白质和脂肪含量而得到的,因此上述物质含量的减少造成了碳水化合物的相对增加。此外,挤压膨化对小米粉中钙、磷、钾的含量影响不大。

虽然挤压膨化过程中部分蛋白质降解产生氨基酸,但整体而言,小米挤压粉的总氨基酸含量减少,这可能主要是由于淀粉降解产生的大量还原糖与氨基酸之间发生美拉德反应[39]。需要注意的是,氨基酸的减少并非按比例进行。Ilo等[40]发现赖氨酸、胱氨酸和蛋氨酸在玉米挤压膨化过程中损失较多。本研究中小米挤压粉的脯氨酸、亮氨酸和谷氨酰胺等损失较多,表明挤压膨化过程中具体氨基酸的变化与原料种类密切相关。

对挤压膨化前后小米粉的脂肪酸组成进一步分析可知,小米挤压粉的饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量减少,多不饱和脂肪酸含量增加,其中亚油酸增加19.92%、亚麻酸增加63.40%。这可能与挤压过程中过氧化物酶、脂肪氧化酶的失活有关[5]。

3 结论

挤压膨化使得小米挤压粉的密度极显著低于小米生粉(P<0.01),粒径和静止角极显著高于小米生粉(P<0.01),产生较多阈值较低,风味贡献较大的醛类(尤其是己醛)、呋喃类和吡嗪类挥发性风味物质,使得小米挤压粉的风味显著优于小米生粉。但挤压膨化处理并未造成小米挤压粉营养成分的大幅度改变。因此,在小米类食品加工过程中,将小米挤压粉添加到小米生粉中,在保证营养的同时可以增强成品风味、改善成品口感、提高成品质量。对小米挤压粉与小米生粉理化性质和营养品质的差异分析为后期小米类制品的开发提供了理论基础,具有实际指导意义。