挤压膨化处理对婴幼儿米粉理化和体外消化特性的影响

张亭亭 邢贝贝 赵 强 熊 华

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室 南昌 330047）

稻米（Oryza sativa L.）属禾本科植物，是世界上最主要的粮食作物之一，年产量可达5亿t左右，是世界上约1/5人口的主粮[1]。大米作为居民膳食的主要部分，据现代营养学分析，大米含有淀粉、蛋白质、脂肪、维生素B1、A、E以及多种矿物质[2]。大米淀粉具有易消化性，其消化率可达98%～100%；大米蛋白是低抗原性蛋白，且大米结合蛋白具有完全非过敏性，在婴幼儿和特种食品以及药品中被广泛应用[3-4]。婴幼儿米粉是以大米为主要原料，是母乳或婴儿配方食品不能满足婴幼儿营养需要以及在婴儿断奶期间，给予婴幼儿营养补充的辅助食品[5]。米粉的加工方法主要有挤压膨化和辊筒干燥两种，即干法生产与湿法生产。

挤压膨化技术是一种具有高效性、连续性等特点的新型食品加工技术，近年来它的发展迅速，现已广泛应用于食品、饲料等加工领域，且在改善粗粮口感，提高蛋白、淀粉消化率等方面具有重要作用[6-7]。加工原料中淀粉的组成和特性是影响挤压制品特性的主要因素之一。在挤压膨化过程中，原料主要发生了水分含量降低，还原糖含量增加，粗脂肪以及脂肪酸值的变化[8-9]。陈建省等[10]研究了添加面筋蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响，发现添加面筋蛋白的数量和类型对淀粉糊化特性有较大影响，随着面筋蛋白添加量的增加，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、黏度面积和峰值时间显著降低。杜双奎等[11]研究了不同品种玉米挤压膨化的特性，得出在相同的挤压膨化工艺条件下，不同玉米品种的挤压膨化特性有差异，其中挤压膨化物的径向膨化率、容积密度、水溶性指数、吸水性指数，硬度差异较大，而挤压膨化时的扭矩、压力产量以及机械能耗差异较小，这均与玉米籽粒理化特性不同有关。Sokney等[12]研究表明，玉米经膨化加工后，其糊化度可由13.4%提高到81.55%，淀粉糊化的同时，往往发生分子降解反应，生成葡萄糖、麦芽糖等小分子物质，在一定程度上提高了淀粉的消化特性。

目前，有关大米的挤压膨化研究，主要基于膨化工艺（如进料速度、水分含量、加热温度）及添加辅料的研究等[13-15]，部分制品甚至挤压不成形，且仅限于实验室研究。本研究以粳米、籼米、糯米类别大米中典型的代表——东北大米（粳米）、江西早籼米、泰香米（籼米）、糯米4种大米为原料，采用工业挤压膨化生产线制备婴幼儿米粉基料，探究不同品种大米（淀粉组成不同）所制得米粉的理化及消化特性的差异，以及挤压膨化处理的影响，从而揭示不同大米品种间成分的差异对干法制备米粉的宏观性质、微观结构、消化性及分子作用之间的影响，为婴幼儿米粉的生产合理选材，为大米及其它谷物健康食品功能化理性设计与制造提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试东北大米、江西早籼米、泰国香米、糯米4种大米原料，南昌天虹商场超市；总淀粉、直链淀粉测定试剂盒、D-葡萄糖检测试剂盒、淀粉葡萄糖苷酶，爱尔兰Magazyme公司；A3176α-淀粉酶、P7000胃蛋白酶、P7545胰蛋白酶，美国Sigma公司。其它所用试验试剂均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

双螺杆膨化机（SLG65-CJ），济南大億膨化机械有限公司；摇摆式高速万能粉碎机（DFY 500），温岭市林大机械有限公司；精密pH计（FE20），梅特勒-托利多仪器有限公司；恒温磁力搅拌器（HH-6D），金坛市良友仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9070A），上海精宏实验设备有限公司；低速大容量多管离心机（LXJ-IIB），上海安亭科学仪器厂；凯氏定氮仪（K9840），济南海能仪器股份有限公司；X-射线衍射仪（D8 ADVANCE），德国BRUKER公司；差示扫描量热仪（DSC 8000），美国珀金埃尔默公司；双光束紫外可见光分光光度计（TU-1900），北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 将4种大米分别进行粉碎，过80目筛，调节水分含量为18%。将4种米粉进行双螺杆膨化机进行处理，挤压膨化参数：螺杆转速120 rad/min，1区温度为60℃，2区温度为120℃，3区温度为135℃。挤压制品粉碎过100目筛，待用。

1.3.2 水分含量的测定 参照GB/5009.3-2010《食品中水分的测定》进行测定。

1.3.3 径向膨化度的测定 膨化度指原料膨化后与膨化前的体积比。具体到生产过程中，是膨化样品的截面积与模孔的截面积的比例。使用千分尺测定样品直径，测定10次求平均值[16]。计算公式如下：

1.3.4 吸水指数（WAI）和水溶性指数（WSI）的测定 根据Anderson等[17]的方法测量挤出样品的WAI和WSI。将2 g干基样品在30℃下分散在一定量的水中30min，每5min轻轻搅拌。然后，使用离心机在3 000×g下离心15min。将上清液放入培养皿中，置于烘箱中90℃干燥6 h至恒重[18]。WAI和WSI计算如下：

1.3.5 直链淀粉和总淀粉含量的测定 采用Magazyme直链淀粉/支链淀粉分析试剂盒，根据Concanavalin A（Con A）法进行测定[19]。具体步骤：准确称取20mg（精确到0.1mg）样品于具塞试管中，加入1mL DMSO使用涡流混匀机混匀。之后，加入2mL 95%的乙醇振荡混匀后再加入乙醇4 mL，为避免淀粉聚沉，常温下置于摇床振荡过夜。第二天，取试管于2 000×g离心5min，将沉淀沥干，加入2mL DMSO，沸水浴加热15min后加入2mL Con A溶剂，混匀后用Con A溶剂定容至25mL（此为溶液A）。直链淀粉测定方法：取溶液A 1.0mL于2.0mL离心管中，加入0.5mL Con A试剂，多次混匀后，静置1 h，之后 14 000×g离心10min后取上清液1mL至15mL离心管，加入3 mL 100mmol/L pH 4.5醋酸钠缓冲液，沸水浴5 min后，40℃水浴下加入0.1mLα-淀粉酶/淀粉葡萄糖苷酶试剂，混匀后40℃保温30min。2 000×g离心5min后取上清液1.0mL，加入4mL GOPOD（葡萄糖氧化酶/过氧化物酶/4-氨基安替比林/对经基苯甲酸混合物），40℃保温20min后在波长510 nm处测定吸光度。

总淀粉测定：取溶液A 0.5mL，加入4mL 100mmol/L pH 4.5醋酸钠缓冲液，0.1mLα-淀粉酶/淀粉葡萄糖苷酶试剂，40℃下保温10min后取1.0mL，加入4mL GOPOD，40℃保温20min后于波长510 nm处测定吸光度。

1.3.6 热力学性质的测定（DSC） 用分析天平准确称取5～8mg的样品（干基计）于DSC专用铝盒中，然后用压片机将铝盒密封，放进差示扫描量热仪的样品架上进行DSC扫描。以空白盘作为参比，充入氮气，流量40mL/min，升温速率为10℃/min，温度测定范围为0～160℃。使用软件从DSC曲线计算起始温度（T0），变性温度（Tp），终止温度（Te）和变性焓（ΔH）。试验平行 3 次。

1.3.7 体外消化率的测定 参照Englyst等[20]的体外模拟酶水解法，稍作改进，测定淀粉的消化性。准确称取200mg淀粉干基样品于50mL带旋盖的离心管中，添加15mL pH=5.2的乙酸钠缓冲溶液，混匀后加入含有淀粉葡萄糖苷酶（30 U）和猪胰 α-淀粉酶（3×103U）的混酶10mL，置于37℃恒温水浴摇床中振荡并准确计时，分别在水解20 min和120min后取出0.5mL水解液置于4mL 95%的乙醇溶液中，沸水浴灭酶，然后用GOPOD试剂盒法测定葡萄糖含量[21]。每个样品平行测定3次，计算公式如下：

式中，G20——淀粉样品酶水解20 min后产生的葡萄糖量，mg；G120——淀粉样品酶水解120 min后产生的葡萄糖量，mg；FG——酶水解前淀粉样品中游离的葡萄糖量，mg；TS——总淀粉干基重，mg。

米粉样品中蛋白质的体外消化性测定，模拟胃肠道采用胃蛋白酶（Pepsin）和胰蛋白酶（Pancreatin）消化模型，两阶段连续消化的方法。具体操作过程参照Zhao等[22]的方法，稍作改动。具体过程：配制蛋白去离子水溶液（1 g/100mL）300 mL，2mol/L盐酸溶液调节pH值至2.0，置于37℃恒温振荡水浴锅中恒温后，加入胃蛋白酶（质量分数2%，基于蛋白质量）反应2 h。接着，1mol/L NaOH溶液调节pH值至7.5，加入胰蛋白酶（质量分数2%，基于起始溶液中的蛋白质量）继续反应2 h。然后，置反应容器于沸水浴中停留10min终止反应。试验中，每隔30min平行取出3组5mL的消化液。试验重复3次。氮释放过程的分析，采用三氯乙酸沉淀方法。5mL的消化液加入同体积15 g/100mL三氯乙酸溶液，离心（10 000×g，15 min）去上清，沉淀再用同浓度的三氯乙酸溶液清洗1次。沉淀物以及起始样品中的蛋白含量采用凯氏定氮法进行测定（大米蛋白N×5.95）。体外消化率的计算公式为：

式中，N0——起始样品中三氯乙酸不溶解的氮的质量，mg；Nt——在t时刻取出样品三氯乙酸不溶物的氮的质量，mg；NT——起始样品中的总氮质量，mg。

1.3.8 数据分析所有数据结果都以“平均值±方差”表示，试验平行3次。数据采用SPSS 16.0统计软件进行One-way ANOVA方差分析，所有测试显著性水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 样品形貌及水分含量

由图1可以看出，不同大米品种挤压膨化制品未粉碎前的表观特征有明显区别。早籼米制品相比于其它3种大米制品，其表面粗糙程度相对较平滑，而另外3种，尤其是糯米制品的表面相对粗糙，而质地最为细密，这些可能与总淀粉含量及其组成不同有关（见淀粉含量分析结果），因为籼米淀粉中含有较高的直链淀粉，直链淀粉的线性结构使得其在挤压膨化过程中受到的剪切力较小，表观平滑度就相对较高。同时，膨化米粉产品的外观可能还受米粉中水分含量的影响。

由表1可以看出，在原料含水量相同的情况下，经过挤压膨化处理，4种挤压膨化米粉的含水量表现出显著差异（P＜0.05），同时挤压膨化处理前、后总含水量平均降低35%。由于在挤压膨化过程中，受到高温作用使原料中的水分迅速蒸发，可能是由于样品成分的结构性差异，使得其对水分的保留能力不同。早籼米制品中水分含量最低为11.05%，可能由于籼米淀粉中含有较高的直链淀粉，线性结构导致其锁水能力较差，而支链淀粉的分支结构可以使其对水分的保留能力较高；但同样是籼米类型，泰国香米应该与江西早籼米的淀粉结构不同。

图1 4种大米挤压膨化样品Fig.1 Four kinds of rice extruded samples

表1 挤压膨化样品的基本性能指标Table1 Basic properties index of rice extruded samples

2.2 径向膨化度

由图1中可以看出，原始米粉在含水量相同的情况下，经过挤压膨化处理，其表观膨化度差别表现较大。如表1所示，径向膨化度最高的是籼米制品为10.41%；糯米制品的径向膨化度最低为8.62%。在高温条件下，淀粉吸水溶胀发生糊化，从挤压套筒中挤出瞬间，因为温度骤降，气压变低，水分迅速蒸发，形成具有一定孔洞结构的制品。挤压产品的膨化度主要受样品中淀粉的组成和含水量影响。在挤压膨化过程中，由于样品本身结构差异，使得其分子结构受到的剪切力大小不同，导致样品中大分子的降解程度存在一定差异。糯米淀粉的主要成分是支链淀粉，由于受到较大的剪切力作用，淀粉的降解程度更大，导致它的膨化度相对较小；而早籼米中直链淀粉含量较高，线性结构导致其受到的力小于其它3种大米，表现的膨化度就相对较高[23]。

2.3 吸水指数（WAI）和水溶性指数（WSI）

4种挤压膨化米粉样品的WAI和WSI分析结果如表1所示。由表中数据可以看出，普通大米与糯质大米间WAI差异性明显（P＜0.05），普通大米之间差异不显著（P＞0.05），这与 Jongsutjarittam等[18]的研究发现一致。经过挤压膨化处理，米粉的吸水指数和水溶性指数升高（原始米粉对应的数据结果极低可忽略，此处未表），这主要是依赖机械力作用，破坏了淀粉大分子的原始结构，从而导致米粉样品的WAI升高；另一方面，淀粉凝胶化之后比天然的淀粉吸水性更好（大米80%以上为淀粉）。4种米粉之间的WAI值的差异，一方面可能是由于淀粉组成的差异造成的；另一方面，在挤压膨化过程中，高温高压以及高剪切力的作用使得淀粉粒子受到严重破坏，破坏程度可能会影响其对水分的吸收能力。由表1可以看出，糯米制品的吸水指数1.56%显著低于其它3种大米，这正是由于糯米中含有较高的支链淀粉，导致其在挤压膨化过程中受到剪切力较大，淀粉破损程度更严重，导致其WAI相对较低。

此外，高温高压高剪切力的作用使大分子降解成小分子，从而使米粉的水溶性变好[24]。WSI主要显示原始米粉经过挤压膨化处理之后粒子的破坏程度。在不同米粉之间WSI存在显著性差异（P＜0.05），同样是由淀粉组成差异造成。由表1可知糯米制品的WSI值最高为72.32%，这主要是由于糯米淀粉中的主要成分是支链淀粉，相比于直链淀粉，支链淀粉的分支结构，易于受到剪切力的作用而降解，因此其大分子结构受到的破坏程度更大[6]。

2.4 直链淀粉和总淀粉含量

4种大米原始米粉和挤压膨化米粉中直链淀粉和总淀粉含量如图2所示。经过挤压膨化处理，直链淀粉含量较原始米粉稍微降低，这是由于直链淀粉的结构为线性结构，在挤压膨化过程中，可以顺着螺杆转动方向移动，可是由于高温以及高剪切力的作用，直链淀粉也会发生一定程度的降解。在糊化过程中，淀粉吸水溶胀，淀粉内部的直链淀粉会被释放出来，所以挤压膨化前、后，直链淀粉的变化并不显著（P＞0.05）。另外，对于总淀粉含量，早籼米总淀粉由于含有大量直链淀粉，处理前、后其含量没有显著变化（P＞0.05），而其它品种显著降低（P＜0.05）。降低的主要原因是挤压膨化过程中高剪切力的作用，使得大分子的支链淀粉降解成小分子寡糖或葡萄糖[25]，同时发生了美拉德反应，使得米粉呈现出一定的色泽。

2.5 热力学性质分析（DSC）

图2 挤压膨化和原始米粉直链淀粉和总淀粉含量Fig.2 The amylose and total starch content of extruded and original rice flour

表2是不同品种大米挤压膨化米粉的DSC热力学性质结果，从表中的数据可以看出，4种米粉的起始糊化温度差异不显著（P＞0.05），然而峰值温度差异明显，较高的Tp值表明有较高的热稳定性，由表可知，早籼米的热稳定性最高，其峰值温度为101.94℃，原因可能是其含有较高线性结构的直链淀粉，使早籼米在挤压膨化过程中，形成了更高热稳定性的结构。此外，ΔH表示疏水基团或氢键破裂而吸收或者放出的热量，或者是米粉中有序结构的比例[22]。从表中可知东北大米的ΔH值最大为15.63 J/g，而早籼米的ΔH值最小为10.03 J/g，由于挤压膨化条件一致且2区温度达120℃，表明早籼米仅需较少的热能即可达到凝胶化的有序结构。样品在挤压膨化过程中，机械力作用使淀粉内部分子短链和支链分子重排，同时使疏松的结构更加紧实，从而使淀粉内部有序结构比例增加[26]。

表2 挤压膨化米粉的DSC热力学参数Table2 DSC thermodynamic parameters of extruded rice powders

2.6 体外消化率的测定

图3表示的是不同品种大米挤压膨化米粉中淀粉的体外消化率。从图中可以看出，4种米粉的快速消化淀粉（RDS）含量均大于70%，表明经过挤压膨化处理得到的米粉淀粉消化特性良好[27]。在挤压膨化过程中，大米受到高温、高压、高剪切机械力作用，使得原始淀粉表面结构被破坏，消化酶更容易进入淀粉内部；同时挤压膨化作用，使淀粉大分子降解成小分子寡糖或者糊精，这样更便于人体消化吸收[28]。慢性消化淀粉（SDS）的分析结果中，糯米粉含量最高为24.08%，其它3种米粉含量相差不大，这可能是由于糯米粉中含有大量的支链淀粉所导致。4种米粉中抗性淀粉（RS）的含量均低于15%。抗性淀粉是不易被人体消化吸收的淀粉，因而降低RS含量将有助于提高米粉的消化特性。由表中可以看出，早籼米中RS含量最高，这可能由于它含有较高的直链淀粉，直链淀粉的线性结构，使得在挤压膨化过程中易于形成分子间氢键，聚集成抑制淀粉酶水解而不易被消化的淀粉聚合物。

图3 挤压膨化米粉中淀粉体外消化率Fig.3 In vitro digestibility of starch in extruded rice powder from different varieties of rice

图4 挤压膨化米粉中蛋白质体外消化率Fig.4 In vitro digestion of proteins in extruded rice powder from different varieties of rice

蛋白体外消化率评价由胃蛋白消化率（GDP）和总蛋白消化率（TDP）2个指标组成[29]。由图4可以看出，4种米粉中蛋白体外消化结果显示：在胃蛋白酶-胰蛋白酶连续作用过程中，前2 h蛋白的消化率在50%～60%之间，整个消化结束时，蛋白质的体外消化率在80%～85%之间，前、后两个时间段内，早籼米蛋白最易消化，而糯米更难消化。一般来讲，经过挤压膨化处理之后，米粉中的蛋白质更易于被人体消化吸收。在挤压膨化过程中，高温、高压、高剪切力的作用，使蛋白质表面的电荷趋于均一化，蛋白质分子结构展开、重组，分子间氢键以及二硫键断裂导致蛋白质的变性，这种变性使得蛋白酶更易进入其内部与酶切位点接触，从而提高消化率[30]。不同品种米粉之间蛋白质消化率的差异，可能与各自蛋白质组成、结构以及与淀粉的缠绕情况的差异性有关。

3 结论

通过对4种米粉的挤压膨化处理样品的分析，发现其品质特性和理化性质之间存在较大差异。直链淀粉含量的显著差异，导致挤压膨化米粉的膨化率、WSI、WAI之间存在显著差异（P＜0.05），糯米制品的WAI值最低为1.56%，而其WSI值最高为72.32%，这主要归因于其在挤压膨化过程中，粒子原始结构被破坏，损失了部分吸水性，而大分子降解为小分子，提高了其本身的水溶解性。热力学特征表明早籼米米粉热稳定性最高，同时，需要的转变热焓值最少即可使其凝胶化。由淀粉的体外消化特性对比得出，经过处理之后，RDS值没有明显差异（P＞0.05），相比较而言，糯米制品的RDS稍微低于其它3种米粉；而RS值存在明显差异（P＜0.05），籼米制品中的RS值显著高于其它3种制品，这主要是因为直链淀粉的线性结构在挤压膨化过程中，便于分子之间形成氢键，从而形成难以消化的聚合物。早籼米蛋白最易消化，糯米更难消化。本研究为今后婴幼儿米粉基料的选取和挤压膨化米粉的加工制备提供了一定的理论依据。

致谢本课题得到南昌大学研究生创新专项资金项目（cx2016208）资助。