挤压重组紫薯米工艺优化及其抗氧化活性研究

王洁洁,邵子晗,韩 晶,李雪玲,孙 玥,梁 进

(安徽农业大学,安徽省农产品加工工程实验室,安徽合肥 230036)

挤压重组紫薯米是以籼米粉和紫薯粉为原料,经均质、挤压、切割和干燥等工序制成的大米类似物。随着生活水平的不断提高,人们对米的精细要求也越来越高,这就导致稻谷在研磨过程中产生大量碎米,造成大米资源的浪费,而碎米富含营养物质[1],却通常用作饲料[2],所以对碎米再利用显得尤为重要。紫色甘薯因合成大量花青素[3],其薯皮呈紫黑色,薯肉为紫色至深黑色,是一种具有食用、药用以及保健作用于一体的奇特甘薯[4]。其块根不仅含有普通甘薯的各种营养物质,还富含具有强抗氧化作用的花青素[5]。目前市场上的紫薯功能性食品主要有紫薯粉皮、粉条、粉丝、馒头、面条、面包和紫薯饮料等,还有薯条、薯片、薯脯、薯仔等休闲食品[6]。但是以紫薯为添加物进行挤压加工制备重组米的相关研究还少见报道。因此,基于紫薯富含花色苷等功能成分,将其与碎米粉复合并通过挤压加工研制富含紫薯的质构重组米,对传统大米主食的营养功能化与产业化开发均具有重要的参考价值[7]。

本试验通过考察紫薯粉添加量、挤压温度、物料水分含量对紫薯挤压重组米的质构、感官及花色苷含量的品质特性的影响,以确定最佳工艺参数,为紫薯挤压重组米的生产工艺提供参考。此外,试验还采用DPPH法和ABTS法考察挤压重组紫薯米的体外抗氧化活性,为进一步探讨其功能特性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫薯粉(蛋白质4.4 g/100 g、脂肪0.8 g/100 g、碳水化合物70.2 g/100 g) 购于兴化市盛和食品有限公司;籼米粉(蛋白质8.5 g/100 g、脂肪1.1 g/100 g、碳水化合物78.1 g/100 g)、早籼米 芜湖市神农食品有限公司;ABTS[2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐]、DPPH[1,1-二苯基-2-三硝基苯肼] 购自美国sigma公司;其他试剂 均为国产分析纯。

DSE32-1双螺杆挤压机 济南盛润机械设备有限公司;DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱 上海申贤恒温设备厂;HH-2数显恒温水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司;UV9000紫外可见分光光度计 上海元析有限公司;AR224CN电子天平、STARTER210试验室pH计 上海奥豪斯有限公司;高速多功能粉碎机 永康市柏欧五金制品有限公司;JM-A10002电子天平 诸暨市超泽衡器设备有限公司;JW-3021H台式高速离心机 安徽嘉文仪器装备有限公司;HNY-200D智能恒温培养振荡器 天津欧诺仪器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 挤压重组紫薯米制备 将籼米粉与紫薯粉按一定比例混合均匀并调节水分含量后置于4 ℃冰箱中平衡4 h,平衡后放入双螺杆挤压机进料口,再一定的挤压温度下进料速率为13 Hz,螺杆旋转速率为13 Hz,切刀旋切速率为40 Hz。得到的挤压重组米放入50 ℃的烘箱中干燥4 h至水分含量低于14%以下。

1.2.2 单因素试验 固定挤压工艺参数中物料水分含量(干基水分含量)为28%和挤压温度(挤压机三区与四区的温度)为80 ℃,考察不同紫薯粉添加量(籼米粉替代率)3%、6%、9%、12%、15%对挤压效果;固定挤压工艺参数中物料水分含量为28%和紫薯粉添加量为9%,考察挤压温度70、75、80、85、90 ℃;固定挤压工艺中挤压温度为80 ℃和紫薯粉添加量为9%,考察物料水分含量24%、26%、28%、30%、32%。

1.2.3 响应面试验 根据单因素试验结果,选取紫薯粉含量、挤压温度以及物料水分含量3个因素,分别选取3个水平,进行响应面试验设计如表1所示。

表1 响应面试验设计

1.3 指标测定方法

1.3.1 质构评分 根据相关文献[8-9]所描述的方法进行适当的修改。在铝盒中加入1∶1的挤压重组紫薯米和蒸馏水在电饭锅蒸屉中蒸煮10 min后,冷却至室温,从样品蒸煮各个部分取出4粒对称放在质构仪载物台,使用P/36R探头对挤压重组紫薯米进行质构分析。测试前、测试期间和测试后的探头速度参数分别设置为5、0.5和5 mm/s。拉力为70%,触发力为5 g,每组6个平行,去除硬度最大和最小值的两个值后,取另外4组数据平均,分别得到样品米的硬度、弹性、咀嚼性和黏聚性等指标。

质构评分参考王会然[9]方法稍作修改:质构评分(100分)=硬度(25分)+黏聚性(25分)+弹性(25分)+咀嚼性(25分)。根据相关文献[9]的评分方法进行修改,评分方法采用线性插值法。该方法为:黏聚性、弹性及咀嚼性最大值Ymax规定为10分,最小值规定为Ymin为1分。将最终结果乘以10,换算为百分制。

其中,硬度指标与挤压重组米口感呈负相关。硬度最大值规定为1分,最小值规定为10分,其指标评分算法如下:

1.3.2 感官评分 由10名食品专业的评价员对挤压重组紫薯米进行感官评定。取10 g米放入已编号的小碗中对米粒进行感官评价,按照1.3.1中对挤压米进行蒸煮然后对米饭感官评分评分,去掉最高分和最低分取平均值作为最终结果。标准根据GB/T 15682-2008粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法改编,如表3所示。评价员根据感官评分标准得出的结果。

表3 Box-Behnken试验设计构与结果

表2 挤压重组紫薯米感官评分标准

1.3.3 花色苷含量测定 将挤压重组紫薯米在高速多功能粉碎机进行粉碎。用60%的乙醇溶液作为提取液,取2 g粉按照1∶20的料液比提取花色苷,60 ℃的水浴条件下提取90 min后,提取液离心(5000 r/min)5 min后,过滤得到花色苷的上清液,反复提取2次,合并上清液放于瓶中待用[10-11]。采用pH示差法来测定花色苷含量根据相关文献做适当修改[12-13],花色苷的最大吸收波长为525 nm。吸取待测液2.0 mL,分别用pH1.0和pH4.5的缓冲溶液稀释至一定体积。分别在525 nm处和700 nm处测定提取溶液的吸光度(A),以干质量计算,计算公式如下:

式中:A=(A525pH1.0-A700pH1.0)-(A525pH4.5-A700pH4.5);V为溶液定容的体积,mL;DF为溶液的稀释倍数;MW为矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数26900 L/(mol.cm);ε为矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔质量,449.2 g/mol;L为比色皿的宽度,1 cm;m为样品紫薯质量,g。评分方法采用线性插值法[11]规定最大Ymax为10分,最小Ymin为1分。将最终结果乘以10,换算为百分制。

1.3.4 综合评分法 采用综合评分法:综合得分=感官得分(0.4)+质构得分(0.3)+花色苷得分(0.3)。

1.4 体外抗氧化活性分析

1.4.1 DPPH清除率测定 将挤压空白米、市售早籼米以及挤压重组紫薯米经高速多功能粉碎机粉碎后放置-20 ℃冰箱待用[14]。活性成分提取根据Qiu[14]的方法做适当调整,取米粉样2 g用甲醇(80% 1∶20 w/v)作为提取剂,将混合液在摇床上以220 r/min、37 ℃提取2 h,4000 r/min离心5 min,取上清液待用。称取4 mg DPPH用无水乙醇定容至100 mL的容量瓶中。试验分为样品组、对照组和空白组。不同的样品液充分混匀,静置30 min后在517 nm处测定吸光度[16]。

式中:A0为2 mL DPPH溶液+2 mL溶剂的吸光度值;A1为2 mL乙醇+2 mL样品溶液的吸光度值;A2为2 mL DPPH溶液+2 mL样品溶液的吸光度值。

1.4.2 ABTS清除率测定 ABTS清除率测定方法参考文献[17-18]并做适当修改,其中的活性成分提取主要依据Sharma[15]的方法做适当调整,取0.5 mL提取液与4.0 mL ABTS工作液混匀,30 ℃水浴6 min,在波长734 nm处测定吸光度值,以无水乙醇作为空白测定吸光度值。

式中:A0:0.5 mL超纯水+4.0 mL ABTS工作液;A1:0.5 mL样品+4.0 mL乙醇;A2:0.5 mL样品+4.0 mL ABTS工作液。

1.5 数据处理

用Excel 2007软件计算花色苷浓度和综合得分;Design Expert软件处理响应面数据;Origin 8软件做结果与分析中的图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 紫薯粉添加量对挤压重组紫薯米品质的影响 紫薯粉添加量对挤压重组紫薯米综合得分的影响如图1所示。紫薯挤压重组米的感官评分随着紫薯粉含量的增加出现先增大后降低的趋势,紫薯粉添加量较少时挤压重组紫薯米的颜色呈浅紫色,经蒸煮后紫薯的味道较淡,感官得分较低。随着紫薯粉的添加,挤压重组紫薯米的外观呈现令人愉悦的亮紫色且经蒸煮后紫薯香味浓郁,挤压重组紫薯米的感官得分达到一个峰值。之后随着紫薯粉的添加,挤压米的颜色呈现暗紫色,经蒸煮后紫薯味道过于浓郁逐渐出现异味,感官评定人员接受度较低,因此感官得分逐渐降低。其次因紫薯粉的逐渐添加所以花色苷含量出现一个上升趋势。

图1 紫薯粉添加量对综合得分的影响

2.1.2 物料水分含量对挤压重组紫薯米品质的影响 物料水分含量对挤压重组紫薯米的综合得分的影响如图2所示。由于含水量不足,挤压重组紫薯米颗粒表面粗糙,影响产品感官品质;当水分含量达到28%以上,感官评分开始下降,可能是由于过高的水分会使得物料流出模口时不成型,从而影响挤压重组紫薯米的品质[19],综合评分降低。不同的挤压工艺参数会对淀粉产生不同的影响,大部分淀粉会发生糊化,剩下的一小部分的淀粉则降解为糊精、麦芽糖等低聚糖[20]。加水量较小时,物料糊化度较低;加水量提高使挤压后淀粉颗粒内部有序的淀粉链破坏程度加剧,淀粉糊化度提高;当加水量过高时,减小了物料与螺杆机筒之间的摩擦,因此降低了物料在机筒停留的时间,从而降低了推动融体所需要的机械能,糊化度随之减小[21]。糊化度的变化会对产品的质构、感官及花色苷评分造成不同的影响。花色苷是一种类黄酮类物质,具有C6-C3-C6的碳结构[22]是花色素与一个或者多个糖分子通过糖苷键结合而形成的化合物[18]。花色苷含量变化趋势与糊化度变化的趋势保持一致呈先增大后减小,可能是因为花色苷中具有抗氧化作用的酚羟基与淀粉降解后小分子氢键发生反应[23-25],使结构更加稳定致密从而对花色苷起到一种保护的作用。

图2 物料水分含量对综合得分的影响

2.1.3 挤压温度对挤压重组紫薯米品质的影响 挤压温度对挤压重组紫薯米的综合得分的影响如图3所示。感官评分和质构评分随着挤压温度的升高先升高后降低,可能由于温度较低时,影响物料的糊化度,挤压重组紫薯米米粒不饱满;温度过高时会使物料在挤出模口的瞬间发生膨化,从而使得挤压重组紫薯米的质构品质和感官评分下降[19]。随着温度的升高,花色苷的降解速率会急剧加快[23]。

图3 挤压温度对综合得分的影响

2.2 响应面试验结果

根据软件分析得出以综合得分为目标函数的二次回归方程:R=69.47+0.050A-0.63B+7.33C-0.41AB+1.89AC+1.10BC-4.30A2-0.033B2-9.78C2。此方程P<0.01,响应回归模型达到了极显著水平,决定系数R2=0.9772,表明97.72%的数据可以用此方程来解释。因此可以用此方程来分析和预测挤压重组紫薯米的工艺结果。在所选的各因素水平范围内,对响应值的影响排序为C>B>A,即紫薯粉添加量>物料水分含量>挤压温度。

图4为根据表4得出的数学回归模型做出的响应曲面图。根据响应曲面图可直观看到各因素对综合得分的影响以及各因素之间的交互作用。经过对所得回归方程取一阶偏导等于零,得知A=80.09 ℃,B=26%,C=10.01%为最佳组合,在此最优组合中,理论最高综合得分为71.1859,根据实际条件的限制将最优组合修正为A=80 ℃,B=26%,C=10%。为验证响应面法所得到的配方的可靠性,根据该配方组合重复试验3次,所得挤压重组紫薯米综合得分为71.08±0.79分,接近预测的理论值,表明该数学模型对挤压重组紫薯米的优化工艺可行。

表4 回归模型及方差分析

图4 综合评分的响应面分析

此外,图5显示通过响应面优化出来的挤压重组紫薯米与挤压空白米及市售籼米相比在色泽上呈现亮紫色,且颗粒大小较为均匀。

图5 优化产品对比分析

2.3 体外抗氧化试验结果

2.3.1 DPPH清除率结果 由图6可以看出,市售籼米、挤压空白米和挤压重组紫薯米对DPPH都具有一定的清除能力,其中挤压空白米因其经高温高压的挤压重组作用,其DPPH清除率较市售籼米低。而挤压重组紫薯米虽经高温高压的挤压重组作用,但其因加入的紫薯粉中含有的花色苷具有抗氧化作用的活性物质花色苷,所以具有相对较高的DPPH清除能力,高达86.71%。

图6 挤压空白米、市售籼米、挤压重组紫薯米对DPPH清除率

2.3.2 ABTS清除率结果 由图7可以看出,市售籼米、挤压空白米和经优化后的挤压重组紫薯米对ABTS均具有一定的清除能力,其中挤压空白米因其经高温高压的挤压重组作用,其ABTS清除率较市售籼米低。而挤压重组紫薯米虽经高温高压的挤压重组作用,但其因加入的紫薯粉中含有的花色苷含有具有抗氧化作用的活性物质花色苷,所以具有较高的ABTS清除能力,高达87.55%。

图7 挤压空白米、市售籼米、挤压重组紫薯米对ABTS清除率

3 结论

籼米粉加入一定比例的紫薯粉经过挤压重组造粒后形成的挤压重组紫薯米,引入了具有抗氧化作用的活性物质花色苷,不仅对挤压米进行了富营养化而且其还具有抗氧化作用的营养功能。本文通过单因素试验和响应面试验得出挤压重组紫薯米的最佳工艺参数是紫薯粉添加量为10%,挤压温度为80 ℃,物料水分含量为26%。该制备工艺条件下获得的挤压重组紫薯米的综合得分为最佳。此外,体外抗氧化活性试验结果表明挤压重组紫薯米对DPPH和ABTS的清除率分别为86.71%、87.55%,显示其良好的抗氧化功能。