玉米基料复合杂豆营养粉配方优化

李凤林，隋德宏，彭钰博，高榕徽，刘静雪

(1.吉林农业科技学院 食品工程学院，吉林 吉林 132101；2.攀西特色作物研究与利用四川省重点实验室，四川 西昌 615000；3.阿德莱德大学 商学院，南澳省 阿德莱德 5000)

谷类是人类主要的能量、蛋白质、B族维生素和矿物质来源。谷类中具有丰富的膳食纤维，膳食纤维具有重要的生理功能，如增加饱腹感、降低胆固醇、预防胆结石、预防糖尿病、改变肠道菌群、促进排便等[1-2]。玉米中的膳食纤维主要由纤维素和半纤维素组成，具有降血脂、降血糖、降血压的作用[2]。适量摄入玉米粉可以调节膳食结构，起到增加营养、改善身体消化机能的作用[3-4]。

豆类含有优质的蛋白质、丰富的脂肪。经常食用豆类可以预防糖尿病、肥胖、便秘、心血管疾病及其他多种疾病[5-6]。黑豆中完全蛋白含量为43.6%，黑豆的总氨基酸含量高达36%，其中必需氨基酸为13%，黑豆中总脂肪酸含量17.6%；黑豆可以加速固醇类的分解，防止体内胆固醇的堆积；黑豆中总酚含量是黄豆的7.5～11.4倍，总花色苷含量是黄豆的42.5～57.8倍，黑豆的抗氧化能力比黄豆高43.8～56.0倍[7-8]。绿豆中钾元素含量为787 mg/100 g，具有消肿利水、降压的功效。绿豆中多酚类具有良好的清除自由基能力，可延缓衰老[3]；绿豆中的丹宁可以产生抗菌活性；绿豆富含的胰蛋白酶抑制剂可以保护肝脏。红豆是维生素A与B族维生素的良好来源，所含矿物质较多，红豆所含有的烟酸、维生素B1、B2等成分，有补血、利尿、消肿等功效[9-10]。

谷物营养粉是由谷类、豆类等五谷杂粮为主要原料，单一或混合制成的粉剂产品。现阶段的营养粉种类较多，但其品质却杂乱无章，大部分都具有高饱腹感、低能量等特点，目的在于减少食物的摄入量从而降低体重。这类营养粉存在着营养结构不合理的问题，长期食用反而会出现身体营养不良、营养素缺乏，给自身带来不利的影响[11-12]。基于此，本研究在原有谷物食品研发基础上，采用双螺杆挤压与超微粉碎技术，通过改良配方和优化工艺拟获得一种既安全又营养的谷物营养粉，以期为丰富营养粉的种类及研发新产品提供新路径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米、红豆、黑豆、绿豆等均购于本地农贸市场；羧甲基纤维素钠(食品级)购于广州逸明化工有限公司；净化水，由吉林省酿造技术科技创新中心提供。

1.2 仪器与设备

BF-45A型拌粉机，长春市盛达食品工业研究所机械厂；FA-2204C型分析天平，上海佑科仪器有限公司；MG38CB-AA型微波炉，青岛胶南海尔微波制品有限公司；TUM-8L型低温超微粉碎机，济南天宇专用设备有限公司；SLG-30型双螺杆挤出机，济南赛百诺机械设备有限公司；Q-250A3型高速多功能粉碎机，上海冰都电器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 操作要点

(1)原料选择：选用生长良好，无腐烂、无病虫危害的优质玉米、红豆、黑豆、绿豆。

(2)清洗：对玉米、红豆、黑豆、绿豆分别挑选，去除坏粒、霉变粒，水洗3～4次。

(3)烘干：将滴水处理后的玉米和红豆、黑豆、绿豆置于温度设定为50 ℃的真空干燥箱内进行干燥处理3～4 h。

(4)微波熟化：将烘干后的红豆、黑豆、绿豆分别平铺在磁盘中，厚度为0.6 cm。绿豆在微波功率700 W的条件下熟化3 min，红豆在微波功率700 W的条件下熟化4 min，黑豆在微波功率700 W的条件下熟化5 min。

(5)粗粉碎：将玉米、红豆、黑豆、绿豆用粉碎机分别进行粗粉碎，备用。

(6)双螺杆挤出工艺：将粗粉碎后的玉米粉在拌粉机中加水润料，水分添加量为20%，将已准备就绪的玉米粉放入双螺杆挤出机中进行改性处理。双螺杆挤出机工艺参数：机筒温度分别为93，98，189，153 ℃；螺杆转速达到18 Hz；喂料速率7 Hz；切刀切割频率为50 Hz。

(7)超微粉碎：将改性后的玉米，粗粉碎的红豆粉、黑豆粉、绿豆粉分别用低温超微粉碎机粉碎至0.053 mm(300目)以下，备用。

(8)称量、按比例配料、混匀：按一定比例准确称量各种超微粉，通过试验确定配比，稳定剂添加量为固态粉的0.25%，然后在干燥环境下将各种配料混合均匀。

(9)包装、检测、成品：将配制好的复合杂豆营养粉装袋密封保存，即可得到成品。

1.3.3 单因素试验设计

添加20 g的玉米改性粉为基料，设计试验，在此试验中3个因素分别选择了红豆粉添加量、黑豆粉添加量、绿豆粉添加量，根据成品的感官检验来评分。

(1)红豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

以玉米改性粉质量为基准，固定黑豆粉添加量为10%、绿豆粉添加量为20%，红豆粉添加量分别为9%、12%、15%、18%和21%，以玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分为标准，研究红豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响。

(2)黑豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

以玉米改性粉质量为基准，固定红豆粉添加量为15%、绿豆粉添加量为20%，黑豆粉添加量分别为4%、7%、10%、13%和16%，以玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分为标准，研究黑豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响。

(3)绿豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

以玉米改性粉质量为基准，固定红豆粉添加量为15%、黑豆粉添加量为10%，绿豆粉添加量分别为14%、17%、20%、23%和26%，以玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分为标准，研究绿豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验的初始基础参数上，为了获得最佳工艺参数，主要以红豆粉添加量(A)、黑豆粉添加量(B)、绿豆粉添加量(C)作为因素，以玉米基料复合杂豆营养粉感官评分(Y)作为测试值，然后采取Design Expert 8.0.6软件进行3因素3水平的响应面试验，得到最佳工艺配方，试验设计见表1。

表1 响应面试验设计

1.4 营养粉的溶解性测定

将上述试验所得到的新型杂豆营养粉依次放入准备好的经干燥消毒的烧杯中，并加入纯净水进行溶解度测定。新型杂豆营养粉与纯净水的比例设置为1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5等5种不同水分含量下进行溶解度。

1.5 营养粉的冲调性测定

将上述试验所得到的新型杂豆营养粉依次放入准备好的经干燥消毒的烧杯中，加入不同温度的纯净水进行冲调性测定。纯净水的温度设置为40，60，80 ℃ 3种温度。

1.6 营养粉的感官评分

玉米基料复合杂豆营养粉质量评价采用综合评分方法，综合评价玉米基料复合杂豆营养粉的外观和口感[13-14]。请10名学习过感官评价课程的学生对玉米基料复合杂豆营养粉进行感官评定，按表2进行打分，各项分值的总和作为综合评分，计算结果取整数。

表2 感官评分标准

2 结果与分析

2.1 玉米基料复合杂豆营养粉单因素试验结果

2.1.1 红豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

由图1可以看出，随着红豆粉的增加，玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分先增大后减小。当红豆粉添加量为5%时，感官评分较低；当红豆粉添加量15%时，感官评分最高，为96分。因此，红豆粉添加量选择15%左右较适宜。

图1 红豆粉添加量对感官评分的影响

2.1.2 黑豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

由图2可以看出，随着黑豆粉的增加，玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分先增大后减小。当黑豆粉添加量为4%时，感官评分较低；当黑豆粉添加量10%时，感官评分最高，为94分。因此，黑豆粉添加量选择10%左右较适宜。

图2 黑豆粉添加量对感官评分的影响

2.1.3 绿豆粉添加量对玉米基料复合杂豆营养粉感官评分的影响

由图3可以看出，随着绿豆粉的增加，玉米基料复合杂豆营养粉的感官评分先增大后减小。当绿豆粉添加量为5%时，感官评分较低；当绿豆粉添加量为20%时，感官评分最高，为93分。因此，绿豆粉添加量选择20%左右较适宜。

图3 绿豆粉添加量对感官评分的影响

2.2 玉米基料复合杂豆营养粉的响应面试验结果

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验设计原理，以红豆粉添加量(A)、黑豆粉添加量(B)、绿豆粉添加量(C)为考察因素，考察了红豆、黑豆、绿豆添加量对感官评分(Y)的影响，试验结果见表3。

表3 Box-Behnken中心组合试验设计及结果

试验结束后，利用Design-Expert 8.0.6软件针对表3的试验结果，对红豆添加量、黑豆添加量、绿豆添加量进行多项式拟合分析，得到二次回归方程：

感官评分(y)=91.6+4A+1.88B+1.13C-0.25AB+0.25AC+0.5BC-2.05A2-0.3B2+0.2C2

对该模型进行显著性检验，方差分析结果见表4。

表4 回归方程方差分析结果

P值对于显著性的表述是非常重要的，由表4可知，模型P值<0.01，这证实该模型极显著，试验数据误差小，较好的拟合性在模型与实际获得的试验数据中得以体现。比较表4中F值大小可知，影响感官评分的因素按照影响程度由大到小依次为：红豆添加量>黑豆添加量>绿豆添加量。此外，通过比较P值大小可知，A、A2对响应值影响为极显著，B2、C2对响应值影响为显著。

等高线图和响应面图可用来反映各试验因素的交互作用。由图4～6可以看出，黑豆添加量与绿豆添加量之间以及红豆添加量与绿豆添加量之间的交互作用显著，表现为等高线为椭圆形。相对而言，红豆添加量与黑豆添加量之间的交互作用不显著，等高线几乎呈现圆形。在等高线图中，愈靠近圆，说明两因子的互动关系愈弱，愈靠近椭圆，说明两因子之间的互动愈强烈；响应面曲线越陡，响应值变化越大，影响因子之间的相互影响也就越大。

图4(a) 红豆添加量与黑豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的响应面

图4(b) 红豆添加量与黑豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的等高线

图5(a) 黑豆添加量与绿豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的响应面

图5(b) 黑豆添加量与绿豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的等高线

图6(a) 红豆添加量与绿豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的响应面

图6(b) 红豆添加量与绿豆添加量交互作用对玉米基料复合杂豆营养粉感官评价影响的等高线

2.3 最佳工艺参数的确定

通过响应面优化试验，预测得到玉米基料复合杂豆营养粉的最佳工艺条件为红豆添加量15%、黑豆添加量10%、绿豆添加量20%。预测感官评分为96分，进行3次平行验证试验，玉米基料复合杂豆营养粉的最终感官评分为95分，接近预测值，说明响应面得到的制备玉米基料复合杂豆营养粉的工艺条件确实可行，具有实际应用价值。

2.4 营养粉的溶解性测定结果

在固态粉与水含量1∶1，1∶2条件下营养粉的溶解速度极差，在固态粉与水含量1∶3条件下营养粉的溶解速度差，在固态粉与水含量1∶4条件下营养粉的溶解速度适中，但总体效果较差，在固态粉与水含量1∶5条件下营养粉的溶解速度较好，总体效果较好。因此在食用时，建议采用固态粉与水含量1∶5的比例冲调。

2.5 营养粉的冲调性测定结果

在水温为40 ℃时，营养粉的溶解效果较差，有结块现象；而在60 ℃的水温下，营养粉溶解的速度较快，有较少结块现象；当水温达到80 ℃时，营养粉的溶解速度较快，无结块现象，溶解情况较好。因此在食用时，建议采用温度80 ℃左右的水冲泡。

3 结论

本研究利用双螺杆挤出技术对玉米进行了挤出改性，使用超微粉碎技术研制出更加健康细腻的玉米基料复合杂豆营养粉。研究结果得出，通过单因素试验获得营养粉的最佳工艺参数为红豆粉添加量为15%，黑豆粉添加量为10%，绿豆粉添加量为20%时，营养粉的感官评分最高，为96分；通过响应面试验获得影响该营养粉的感官品质的因素按照影响程度由大到小依次为红豆粉添加量>黑豆粉添加量>绿豆粉添加量；通过营养粉的物性试验，发现当固态粉与水含量1∶5的比例冲调，水温为80 ℃时，冲调效果最佳，口感细腻，有谷物清香风味，无结块，具有较好稳定性。产品外观呈粉末状，色泽为米黄色。综上所述，综合合理地开发玉米，添加红豆、黑豆、绿豆，制作出氨基酸互补的复合杂豆营养粉，为人们的膳食提供了新的选择，也为谷类豆类的充分利用提供了更多的可能。