挤压膨化和焙烤工艺对代餐粉特性的影响

袁嘉渝 林利忠,2 程 颖

(中南林业科技大学食品科学与工程学院1，长沙 410000) (湖南金健米业股份有限公司2，常德 415001)

在过去的3 000～4 000年间，世界上大多数人口一直以全谷类为主要食物[1]。谷物主要包括小麦、稻谷、玉米等，是人体最主要的能量来源，根据《中国居民膳食指南》,谷物类食品中碳水化合物占75%～80%, 蛋白质8%～10%，脂肪1%左右, 还含有膳食纤维、B族维生素等多种对人类有益的物质。在美国，最常见的谷物是小麦、燕麦、大米、玉米和黑麦，其中小麦占总量的66%～75%[1]。肥胖、心血管疾病、糖尿病和癌症已经成为威胁我国和其他发达国家人民健康的主要疾病。虽然病因是多方面的，但饮食已被鉴定为对这些疾病的发展的唯一最重要的环境因素[2]。流行病学证据表明，全谷物摄入与氧化应激相关慢性疾病的风险降低有关[3]。此外，食用全谷物及其产品对心血管疾病和高血脂症等慢性病有预防和治疗作用。美国、中国、韩国、新加坡、法国等多个国家膳食指南都建议纳入全谷类食品，因为各种证据表明，全谷类和全谷类食品除了提供简单的能量和营养外，还具有增强健康的能力[3]。但是，谷类中的功能因子含量不高，限制了其在营养健康方面的作用。中医学素来有“药食同源”的理论，并且不断地在现代药理研究中得到证实。国家卫健委公布了上百种传统上既是食品又是中药材的物质，拓宽了健康食品原料的选择与利用[4, 5]。

代餐粉是一种由谷物、豆类、薯类食材等为主制成的一种单一或综合性冲调粉剂产品。代餐粉种类较多，深受大众喜爱，然而目前比较烘焙和挤压膨化加工方式对代餐粉特性影响的研究鲜有报道。为了充分利用药食同源物质，开发新型代餐粉食品配料，改善代餐粉的理化特性，本实验以糙米、紫米、红米等谷物为原料，辅以山楂、薏苡仁、山药等“药食同源”物质，研究分析烘焙、挤压膨化工艺对代餐粉的结构及理化特性的影响，并探讨适宜的产品加工工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

薏苡仁、山药、糙米、玉米、红米、紫米、黑豆、大米、赤小豆、莲子、山楂；盐酸、甲基红、溴甲酚绿、石油醚均为分析纯。

FMHE36-24型双螺杆挤压机，DS-T300高速多功能粉碎机，DSC Q2000差示扫描量热仪，RVA-Super4快速黏度分析仪，理学 Ultima IV X’Pert PRO粉末衍射仪，X-Max N场发射扫描电子显微镜，Cressington 108 Auto离子溅射仪。

1.2 方法

1.2.1 代餐粉样品的制备

代餐粉配方为糙米6.90%、紫米8.62%、红米10.34%、大米6.90%、玉米6.90%、山楂17.24%、薏苡仁10.34%、山药12.07%、莲子6.90%、赤小豆8.62%、黑豆5.17%。

未加工代餐粉样品的制备：将代餐粉原料粉碎后通过120目筛，真空密封保存待分析。

烘烤代餐粉样品的制备：将代餐粉原料放入烤箱，设置120 ℃烘烤50 min，烘好的原料用高速多功能粉碎机粉碎过120目筛，真空密封保存待分析。

挤压膨化代餐粉样品的制备：将代餐粉原料粉碎过60目筛，控制物料的含水量、温度、螺杆转速，在双螺杆挤压机的挤压作用下使代餐粉形成具有一定糊化度的条状物料。当物料通过模孔时，切割机将条状物料切割成球状颗粒产品。机筒温度分别为60、70、80、110、140 ℃，物料含水量19%，螺杆转速170 r/min，进料速度15 kg/h。挤压后代餐粉粒于50 ℃鼓风干燥机中干燥3 h，干燥后样品粉碎通过120目筛，真空密封保存待分析。

1.2.2 代餐粉基本成分的测定

镉含量采用原子吸收光谱仪测定。水分、蛋白质、脂肪分别根据GB 5009.3—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016进行测定，淀粉含量采用淀粉含量检测试剂盒进行测定。每个样品平行测定3次。

1.2.3 不同加工工艺代餐粉颗粒结构的观察

取微量的不同加工工艺代餐粉进行制样，离子溅射仪喷金后于扫描电子显微镜下拍摄，加速电压5 kV，分别放大1 000倍和9 000倍。观察不同加工工艺代餐粉形态结构的变化。

1.2.4 不同加工工艺代餐粉晶体结构的测定

通过粉末衍射仪测定晶体结构。设置电压40 kV，电流40 mA，步长0.02°，扫描速度5(°)/min，衍射角2θ，扫描范围5°～40°并进行检测。

1.2.5 代餐粉热特性的测定

准确称取不同加工工艺的代餐粉样品3.0 mg于铝制坩埚中，加入9 mL水，加盖密封，4 ℃下平衡24 h。用DSC测试时，空坩埚为参照，升温速率为5 ℃/min，将样品从35 ℃加热至110 ℃，每个样品平行测定3次。

1.2.6 代餐粉糊化特性的测定

通过快速黏度分析仪测定糊化特性。准确称取已知含水量的3.0 g样品和25.0 mL水于样品盒中，设置起始温度50 ℃保持1 min，12 ℃/min的速度升温至95 ℃并保持2.5 min，再以12 ℃/min 的速率降温至50 ℃并保持1 min，转速为160 r/min。每个样品平行测定3次。

1.2.7 吸水性指数、水溶性指数的测定

参考Jafari等[6]的方法，略加修改。称取样品1.5 g(干基) 和吸取20 mL水于离心管中并摇匀，在30 ℃水浴锅中加热30 min，每隔5 min振荡30 s，使其保持悬浮状态，水浴后4 000 r/min离心15 min，将上清液倒入铝盒中，105 ℃烘干至恒重。同时称量离心沉淀的凝胶质量。计算公式为：

吸水性指数=100×沉淀物的质量/样品干基质量

水溶性指数=100×上清液蒸发后残余物的质量/样品干基质量

1.3 数据处理

数据平行测定3次。采用SPSS 17.0 软件对数据进行分析，用 Duncan’s 多重比较法进行显著性分析。P<0.05表示结果存在显著差异，使用Origin8.0.6软件对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 加工方式对代餐粉基本成分的影响

由表1可以看出，不同的加工工艺对代餐粉基本成分存在影响。挤压膨化处理对镉元素浓度和淀粉含量影响不大，而经过烘烤处理的样品，镉元素浓度和淀粉含量略增加，这可能是因为样品中水分、蛋白质、脂肪及挥发性物质等在加热过程中损失，降低了样品的实际干重，导致单位质量样品中镉元素浓度和淀粉含量升高[7]。不同工艺处理样品含水量差异显著，加工后的代餐粉含水量均降低。烘烤代餐粉与挤压膨化代餐粉的蛋白质含量均显著降低。烘烤代餐粉与挤压膨化代餐粉蛋白质含量降低是因为加工过程中温度较高，蛋白质变性，原先封闭在分子内部的氨基酸残基暴露在外，使其可与还原糖及其他成分发生反应[8]。烘烤处理对代餐粉的脂肪含量没有显著性影响，挤压膨化处理的代餐粉脂肪含量明显降低。这可能是脂肪能与蛋白质和淀粉形成复合物，以及在高温高压下脂肪分解为脂肪酸与单甘酯的缘故[9]。这与李璐等[10]的研究结果一致。

表1 加工方式对代餐粉基本成分的影响

2.2 加工方式对代餐粉微观形态的影响

如图1，在较低倍数下的观察结果表明，未加工代餐粉大多呈圆形或椭圆形，表面光滑[11, 12]。经过烘烤和挤压膨化工艺处理后，淀粉颗粒破碎，圆形或椭圆形结构减少或消失，淀粉发生重组，形成了大小不一的颗粒结构[13]。在较高倍数下的观察结果表明，未加工代餐粉表面相对光滑，结构紧密，烘烤代餐粉呈方片形，结构疏松，表面粗糙，挤压膨化代餐粉呈无规则块状，表面凹凸不平、结构疏松，有较多孔洞[14]。这与其高吸水性的性质相一致。

注：a为放大1 000倍的未加工代餐粉，a1为放大9 000倍的未加工代餐粉，b为放大1 000倍的烘烤代餐粉，b1为放大9 000倍的烘烤代餐粉，c为放大1 000倍的挤压膨化代餐粉，c1为放大9 000倍的挤压膨化代餐粉。图1 未加工代餐粉、烘烤代餐粉、挤压膨化代餐粉的扫描电镜图

2.3 加工工艺代餐粉晶体结构的影响

由图2的X-射线衍射图谱可知，未加工代餐粉在2θ=15.14°、17.07°、17.99°和23.02°出现强衍射峰，表明未加工代餐粉中的淀粉结晶是A型晶体，烘烤代餐粉在2θ=15.01°、16.95°、17.90°和22.94°出现强衍射峰，表明烘烤代餐粉中的淀粉结晶是A型晶体，烘烤工艺处理没有改变淀粉晶体类型。代餐粉经过挤压膨化处理后，A型结晶的特征峰不仅减小，而且还有部分消失，在衍射角2θ=7.43°、12.83°和19.70°的地方出现了强衍射峰，表明挤压代餐粉中的淀粉结晶是V型晶体，这是由于挤压过程中直链淀粉与脂质所形成的络合物产生的[15, 16]。A-型淀粉晶体属于单斜晶系，V-型淀粉晶体属于正交晶系，不同晶系的晶体晶胞形态不同，具体可体现为晶格参数(晶轴长度与轴间夹角)的差异[17]。表2表明挤压膨化代餐粉结晶度从22.73%降至4.52%，说明淀粉的结晶区在挤压膨化的过程中被破坏[18]，支链淀粉含量降低，同时淀粉发生糊化需要吸收的能量也减少，即糊化焓变降低，烘烤代餐粉结晶度低于未加工代餐粉，高于挤压膨化代餐粉，故糊化需要吸收能量为未加工代餐粉>烘烤代餐粉>挤压膨化代餐粉，与DSC结果一致。

图2 不同加工工艺下代餐粉的X-射线衍射图谱

表2 代餐粉的X-射线衍射分析结果

2.4 加工方式对代餐粉热特性和糊化特性的影响

2.4.1 加工方式对代餐粉热特性的影响

由表3可知，与未加工代餐粉相比，烘烤代餐粉和挤压膨化代餐粉的峰值黏度、保持黏度、最终黏度、回生值均下降。淀粉的糊化程度越高，残余颗粒淀粉越少，峰值黏度降低[16]。挤压膨化代餐粉的峰值时间最小，说明原物料经挤压膨化加工后，糊化所需时间更短。衰减值、回生值和回复值可作为选择优良食味品质的有效指标[19]。舒庆尧等[20]研究认为食味较好的籼稻品种衰减值一般大于100 RVU，而回生值小于25 RVU， 且多数为负值。衰减值反映淀粉热糊的稳定性，衰减值越大，说明淀粉颗粒在加热中破裂越多，内部淀粉分子被释放出来，食味越好[13]。回生值反映淀粉的降解程度，回生值越小，说明经过挤压膨化处理后淀粉降解越彻底。挤压后回生值降低可能是由于挤压中淀粉降解的多糖可以延迟淀粉分子的重新结合，抑制回生[21, 22]。与烘烤代餐粉相比，挤压膨化代餐粉风味更好，更容易消化[13]。

表3 不同加工方式代餐粉的糊化参数值

2.4.2 加工方式对代餐粉糊化特性的影响

由表4可知，烘烤代餐粉起始糊化温度升高，峰值温度、终止糊化温度均升高，糊化焓变略降低，原因是支链淀粉和直链淀粉的相互作用增强，支链淀粉的流动性降低[22]。此外，淀粉含量和蛋白质含量高，糊化所需能量越多，焓变越大，糊化温度越高，越难糊化[23]。挤压膨化代餐粉的糊化焓变值低于未加工代餐粉和烘烤代餐粉，糊化焓变值降低了91.56%，说明挤压膨化代餐粉淀粉糊化完全，更容易消化。挤压膨化代餐粉的起始糊化温度升高，峰值温度、终止糊化温度和糊化焓变均降低，原因是挤压后形成直链淀粉-脂质复合物，且淀粉在高温下大部分已经发生糊化，未糊化的淀粉比未加工代餐粉少，故糊化时所需要的起始温度高，所需要的热量少，也进一步说明挤压膨化物料糊化更充分[24]。

表4 加工方式代餐粉的DSC糊化参数值

2.5 加工方式对代餐粉吸水指数和水溶指数的影响

吸水指数代表淀粉吸水能力，可以衡量淀粉糊化程度。由图3可知，与未加工代餐粉相比，烘烤代餐粉的吸水性指数未发生显著性变化，挤压膨化代餐粉吸水性指数由挤压前的229.56% 显著增加至挤压后的461.99%。Chauhan 等[25]认为挤压破坏了淀粉的晶体结构，破损淀粉含量的增加，是挤压物具有更高吸水性指数的主要原因。此外，挤压后的代餐粉表面有较多孔洞，结构疏松，是挤压物具有更高吸水性指数的另一个原因。水溶性指数能够表明淀粉颗粒的降解程度，不同的加工方式对代餐粉水溶性指数均存在显著性影响，其中烘烤代餐粉与挤压膨化代餐粉的水溶性指数分别由加工前的13.09% 显著增至15.54%、28.06% 。因此，与烘烤代餐粉相比，挤压膨化处理后代餐粉的水溶性指数和吸水性指数更高，营养素也提高[26]。

注：A为未加工代餐粉，B为烘烤代餐粉，C为挤压膨化代餐粉。图3 加工方式对代餐粉吸水性指数和水溶性指数的影响

3 结论

不同加工工艺处理后，代餐粉水分、蛋白质、脂肪含量变化显著，吸水性指数与水溶性指数都有所增加。DSC分析结果显示，烘烤代餐粉起始糊化温度、峰值温度、终止糊化温度均升高，而糊化焓变降低；挤压膨化代餐粉的起始糊化温度升高，峰值温度、终止糊化温度和糊化焓变均降低。不同加工工艺处理后，峰值黏度、保持黏度、最终黏度、回生值均下降。挤压膨化代餐粉的衰减值最高，峰值时间最小，回生值最小。不同加工工艺使代餐粉颗粒结构发生明显的变化，物料原有的圆形和椭圆形的结构减少或消失，烘烤和挤压膨化后的颗粒结构疏松，表面粗糙。此外，挤压膨化代餐粉颗粒有较多的孔洞。同时，X-射线衍射分析表明不同加工工艺处理后，淀粉的相对结晶度降低。其中，挤压膨化后结晶度相对降低了80.11%。综上所述，挤压膨化代餐粉蛋白质损失较少，脂肪含量显著降低，口感更好，不易老化，且更容易消化。