低GI高膳食纤维谷物再制米工艺

高婷婷，刘静雪*，李凤林，谢天，姜丽冬，曾英男

1. 吉林农业科技学院食品工程学院（吉林 132101）；2. 吉林省酿造技术科技创新中心（吉林 132101）；3. 农业农村部国家糖料加工技术研发分中心（吉林 132101）

玉米别名苞米、大芦粟、玉茭等。玉米中含有大量的亚油酸、谷物醇、卵磷脂、维生素E、纤维素等，对人体的健康十分有益，具有降低血清胆固醇，防止其沉积于血管壁的作用[1-2]；莜麦别名油麦，是禾本科一年生植物。莜麦含有蛋白质、脂肪、膳食纤维、钙、磷、铁、维生素、淀粉等[3]。莜麦含高蛋白低糖和大量亚油酸，对糖尿病或心血管疾病患者而言都是较好的选择。荞麦别名甜荞、乌麦等，属于一种传统的农作物[4]。荞麦能减少人体内脂肪的积累从而达到减肥瘦身的功效。糯米含有蛋白质、脂肪、糖类、钙、磷、铁、维生素B1、维生素B2、烟酸及淀粉等，营养丰富，为温补强壮食品，具有补中益气，健脾养胃，止虚汗之功效，对食欲不佳，腹胀腹泻有一定缓解作用[5]。菊芋别名洋姜等，其中菊糖具有抗癌、抗菌、降糖、降脂等效用，也能够增强肠道蠕动，促进人体消化。碳水化合物主要为菊淀粉，是几种可溶性膳食纤维之一[6-7]。试验利用玉米、莜麦、荞麦、菊芋等通过双螺杆挤压膨化，将谷物粉重造粒生产出再制米，此产品还适用于肠胃消化不好、长期便秘人士以及血糖不稳定的三高人群，也适用于瘦身减肥女性人群。此次试验成果将提高低GI谷物资源的附加值，为社会带来较好的经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米改性粉、莜麦改性粉、荞麦改性粉、菊芋改性粉、糯米粉。

1.2 仪器与设备

BZF-50型真空干燥箱（上海鼎科科学仪器有限公司）；FA-2204C型分析天平（上海佑科仪器有限公司）；MB-45型快速水分测定仪（美国奥豪斯仪器有限公司）；SLG-30型双螺杆挤出机（济南赛百诺科技开发有限公司）；TA-XT2i型物性测定仪（英国Stable Miero System公司）；LK1000A型粉碎机（上海隆拓仪器设备有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 低GI高膳食纤维谷物再制米工艺流程

加水↘

谷物营养粉→混合拌料→喂料→挤出糊化、改性、重造粒→冷却→干燥→低GI高膳食纤维谷物再制米→罐装→成品

1.3.2 谷物再制米单因素试验

1.3.2.1 螺杆转速对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响

固定水分添加量25%、糊化温度120 ℃、成型温度75 ℃，设定螺杆转速为16，18，20，22和24 Hz，以谷物再制米的感官评分作为考察标准，考察螺杆转速对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响。

1.3.2.2 水分添加量对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响

固定螺杆转速20 Hz、糊化温度120 ℃、成型温度75 ℃，设定水分添加量为18%，20%，22%，24%和26%，以谷物再制米的感官评分作为考察标准，考察水分添加量对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响。

1.3.2.3 糊化温度对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响

固定螺杆转速20 Hz、水分添加量25%、成型温度75 ℃，设定糊化温度为110，115，120，125和130 ℃，以谷物再制米的感官评分作为考察标准，考察糊化温度对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响。

1.3.2.4 成型温度对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响

固定螺杆转速20 Hz、水分添加量25%、糊化温度120 ℃，设定成型温度为65，70，75，80和85 ℃，以谷物再制米的感官评分作为考察标准，考察成型温度对低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分的影响。

1.3.3 谷物再制米响应面试验

根据单因素试验结果，以低GI高膳食纤维谷物再制米产品的口感评分（Y）为考察值，以螺杆转速（A）、水分添加量（B）、糊化温度（C）、成型温度（D）作为因素，每个因素选择3个水平进行试验，利用响应面软件设计四因素三水平试验，通过对数据的研究与分析，确定最优工艺研究水平参数[8-10]。试验因素水平见表1。

表1 因素水平表

1.3.4 谷物再制米米饭的感官评价指标

低GI高膳食纤维谷物再制米的感官评定在结合了谷物自身特点的同时，也参照了GB/T 15682—2008中对米饭的感官评分规则[11-12]，同时邀请了10位相关专家对谷物再制米米饭进行现场打分及评定，具体的感官评分标准见表2。

表2 低GI高膳食纤维谷物再制米米饭感官评分标准

1.3.5 谷物再制米米饭的物性测定

将制得的低GI高膳食纤维谷物再制米产品和市场销售五常大米采用质构仪进行测试比较。将低GI高膳食纤维谷物再制米、五常大米与水按照2∶3比例放入电饭锅蒸煮30 min，蒸熟后使用质构仪在TPA模式下进行测定。低GI高膳食纤维谷物再制米的质构指标有硬度、弹性、咀嚼性、内聚性、黏着性。具体操作步骤为：分别取5 g低GI高膳食纤维谷物再制米饭和5 g熟制五常大米米饭，并确保米粒平整且不留空隙地平放在测试台中间位置。平行试验5次，取其平均值。测定参数：测前速度1.00 mm/s；测试速度0.5 mm/s；压缩比90.0%；2次压缩间隔时间5.00 s；探头型号SMSP[13]。50

2 结果与分析

2.1 谷物再制米工艺单因素试验

2.1.1 螺杆转速对谷物再制米感官评分的影响

由图1可以看出，随着螺杆转速的提升，低GI高膳食纤维谷物再制米的感官评分分值先变大后变小，当螺杆转速达到20 Hz时米饭的感官评分分数最高。出现感官评分低的情况可能是在水分添加量、糊化温度、挤出温度一定的情况下，当使用较低的螺杆转速时，谷物粉挤压得不彻底，使得低GI高膳食纤维谷物再制米挤出膨化的效果较差，感官评分低。当螺杆转速较高时，挤出膨化的速度过快，时间相对较短，感官评分降低。因此，适宜的螺杆转速为20 Hz。

图1 螺杆转速对感官评分的影响

2.1.2 水分添加量对谷物再制米感官评分的影响

由图2可以看出，逐渐增加水分添加量，低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分分值先增大后减小，当水分添加量为22%时，感官评分最高，效果较好。在螺杆转速、糊化温度、挤出温度条件一定时，出现低GI高膳食纤维谷物再制米的感官评分低的情况可能是当添加水分量较少时，淀粉糊化不够完全，当水分添加量较多时，谷物粉的组织状态被改变，挤出机内水分较高，从而影响了再制米的整体品质。由试验结果可知，当水分添加量为22%时，效果较好再制米米饭口感较好。

图2 水分添加量对感官评分的影响

2.1.3 糊化温度对谷物再制米感官评分的影响

由图3可以看出，随着糊化温度的升高，低GI高膳食纤维谷物再制米的感官评分分值先增大后减小，当糊化温度为120 ℃时，效果最好。在螺杆转速、水分添加量、挤出温度条件一定时，当糊化温度过低，谷物粉部分无法从固态变成熔融状态，使得再制米挤压膨化效果不好，感官评分值较低；当糊化温度较高时，谷物粉发生爆裂现象，粘在挤出机内壁，导致再制米米粒光泽度差，感官评分下降。因此确定糊化温度为120 ℃。

图3 糊化温度对感官评分的影响

2.1.4 成型温度对谷物再制米感官评分的影响

由图4可以看出，随着成型温度的升高，低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分分值先增大后减小，当成型温度为75 ℃时，感官评分分数最高，效果最好。原因是成型温度较低，导致谷物原料挤出膨化效果不好；成型温度过高，导致谷物原料焦糊，影响到最终产品的适口性，使再制米的口味有焦糊味道，且米的色泽发暗。感官分值随之下降。因此，确定成型温度最适为75 ℃。

2.2 低GI高膳食纤维谷物再制米工艺参数的优化

2.2.1 数学模型的建立与显著性检验

以单因素试验为基础，根据Box-Behnken试验设计的原理，以螺杆转速（A）、水分添加量（B）、糊化温度（C）、成型温度（D）作为单因素，以低GI高膳食纤维再制米感官评分分值（Y）为响应值设计试验，试验内容及其结果如表3所示。

采用Design-Expert 8.0.6软件对表3进行多元回归拟合、方差分析及显著性检验，得到以再制米感官评分分值Y为目标函数，关于各条件编码值的二次回归方程为：

Y=95.74-1.21A+1.05B+1.13C-1.09D+2.15AB-2.45AC-1.38AD+1.20BC-0.35BD+0.95CD-3.09A2-2.05B2-3.22C2-4.21D2

图4 成型温度对感官评分的影响

表3 Box-Behnken中心组合试验设计及结果

对此模型进行显著性检验，可得到方差分析见表4，模型的可信度分析见表5。

由表4和表5可知，模型的p＜0.000 1，远小于0.01，说明此模型极显著，回归模型与实际测定数值能够很好地拟合，试验误差较小，因此对试验结果分析可以用线性回归方程进行代替，R2=96.96%，预测值与实测值之间具有很高的相关性，表示回归方程可以代替真实值。在回归模型中，A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、A2、B2、C2，D2对响应值影响极显著，CD对响应值感官评分影响显著，而BD对响应值影响不显著。影响产品感官评分因素由大到小依次为螺杆转速＞糊化温度＞成型温度＞水分添加量。

表4 回归方程方差分析表

表5 回归模型的可信度分析

2.2.2 各因素的交互作用对再制米感官评分分值影响

响应面图是响应值低GI高膳食纤维再制米感官评分与螺杆转速（A）、水分添加量（B）、糊化温度（C）、成型温度（D）四个因素所构成的可直观反映各因素的交互作用的三维空间曲面图。固定其中任意三个因素，对模型进行降维分析，考察各个因素间的交互作用对低GI高膳食纤维再制米感官评分分值的影响。由Design-Expert 8.0.6软件对其进行统计分析，所得响应面及其等高线见图5。等高线可以使我们能够直接观察出各个因素的交互作用和对响应值的影响情况。螺杆转速（A）与水分添加量（B）之间的交互作用极显著，具体表现为等高线图呈明显的椭圆形，螺杆转速度（A）与糊化温度（C）之间的交互作用显著，等高线图呈现出椭圆形，而螺杆转速（A）与成型温度（D）之间的交互作用显著，具体表现为等高线图几乎呈现出椭圆形。水分添加量（B）与糊化温度（C）之间的交互作用显著，等高线图呈现出椭圆形，水分添加量（B）与成型温度（D）之间的交互作用不显著，具体表现为等高线图几乎呈现处圆形，糊化温度（C）与成型温度（D）之间的交互作用显著，等高线图呈现出椭圆形。

图5 各两因素交互作用响应面及等高线图

2.2.3 优化谷物再制米工艺参数

为精准确定最佳工艺参数，对拟合的回归方程分别求一阶偏导数，并设其为0，得到四元一次方程如下：

求解得：A=-0.213，B=0.235，C=0.290，D=-0.071，即此试验最优工艺参数为螺杆转速19.15 Hz、水分添加量22.94%、糊化温度122.9 ℃、成型温度74.29 ℃，此参数下制得的低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分为96.20分。为了方便实验室中的操作，将优化后工艺参数修正为螺杆转速19 Hz、水分添加量23%、糊化温度123 ℃、成型温度74 ℃。采用修正后的工艺参数进行3次验证试验，制得低GI高膳食纤维谷物再制米感官评分为95.78分。

2.3 物性测定结果

低GI高膳食纤维谷物再制米和五常大米的物性测定结果见表6。低GI高膳食纤维谷物再制米米饭在硬度、黏弹性、咀嚼性、内聚性方面均与五常大米无明显差异性，说明低GI高膳食纤维谷物再制米和五常大米物性基本一致。

表6 物性测定结果

3 结论

低GI高膳食纤维谷物营养粉制得的再制米的最佳工艺参数为：螺杆转速19 Hz、水分添加量23%、糊化温度123 ℃、成型温度74 ℃。此条件下谷物再制米感官评分为95.78分。对谷物再制米感官评分因素为螺杆转速＞糊化温度＞成型温度＞水分添加量。质构仪分析结果显示，最优工艺条件制得的低GI高膳食纤维谷物再制米，在硬度、弹性、咀嚼性、凝聚性、黏着性等理化指标上符合米饭标准，与五常大米米饭相比硬度较低，弹性较好，说明低GI高膳食纤维谷物再制米食用品质较佳。