马齿苋复配米工艺优化及抗氧化活性研究

戚家慧 陈善峰 闫玉红 刘新华 李瑞红

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000)

挤压重组米是以碎米为主要原料，在挤压机的高温高压作用下粉碎、混合、制粒、干燥，最终形成类似于大米形状的新结构米粒。碎米是大米在抛光过程中产生的副产品，其化学成分与普通米粒相似，且膳食纤维、植酸和B族维生素的含量都高于普通米粒[1]，而价格仅为普通米粒的1/3～1/2。但碎米多数用作于饲料或制造糖、酒、醋的原料[2-4]，附加值较低。

马齿苋又名五行草、长命菜，被世界卫生组织称为世界上使用最广泛的药用植物之一，也是中国卫生部指定的药食同源物之一。马齿苋含有丰富的多糖、黄酮、生物碱等多种生物活性物质，具有抗氧化、抗衰老、降血糖、降血脂等功效[5]。多糖是马齿苋生物活性物质的主要成分，能够调节机体免疫、抗肿瘤、降血脂、抗氧化。目前关于马齿苋产品的研究主要有马齿苋面包[6]、马齿苋凉茶[7]、马齿苋饮料[8]、马齿苋香肠[9]等。但是马齿苋作为添加物在挤压加工方面的研究还相对较少。Rayan等[10]利用单螺杆挤压机研究了不同水分含量和挤压温度下的马齿苋挤出物。因单螺杆挤压机具有操作困难，产品稳定性差等特点[11]，故试验采用双螺杆挤压机研究马齿苋复配米的相关性质。

研究拟以碎米为主要原料，辅以马齿苋粉，采用双螺杆挤压重组技术制成马齿苋复配米。通过考察螺杆转速、挤压温度、马齿苋添加量和水分含量对马齿苋复配米多糖含量和感官的影响，优化工艺参数，为制备具有抗氧化特性的复配米提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

马齿苋(粗蛋白16.6%、膳食纤维含量41.58%、脂肪4.51%、马齿苋多糖144.41 mg/g)、碎米(淀粉含量71.2%、粗蛋白7.3%、脂肪1.43%)：市售；

单硬脂酸甘油酯：食品级，山东优索化工科技有限公司；

ABTS、DPPH：试剂级，上海源叶生物技术有限公司；

乙醇、浓硫酸等其他试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

双螺杆挤压机：UVTE36-24型，长沙创享食品科技有限公司；

冷冻干燥机：FD-1型，北京博医康实验仪器有限公司；

酶标仪：SP-Max2300A2型，上海闪普生物科技有限公司；

色差计：CM-3600A型，日本柯尼卡美能达控股公司。

1.2 试验方法

1.2.1 马齿苋复配米的制备 将马齿苋粉和碎米粉按比例混合均匀后，加入 0.6%的单硬脂酸甘油酯，进行挤压膨化、切割造粒工序，获得产品。工艺流程：

马齿苋干叶、碎米→粉碎过筛→加0.6%单硬脂酸甘油酯→混料→双螺杆挤压膨化→切割造粒→成品

操作要点：① 原料粉碎后均过80目筛；② 固体喂料速度15 kg/h，Ⅱ区60 ℃、Ⅲ区90 ℃，Ⅴ区50 ℃、Ⅵ区50 ℃，切刀转速1 500 r/min；③ 螺杆转速120～160 r/min；④ 挤压温度 90～130 ℃；⑤ 水分含量21%～29%；⑥ 马齿苋添加量(碎米粉替代率)4%～20%；⑦ 挤压成型的样品放置于50 ℃的烘箱中，直至水分降至14%以下，装入密封袋中，备用。

1.2.2 单因素试验

(1) 螺杆转速：固定挤压温度110 ℃，水分含量25%，马齿苋添加量12%，考察螺杆转速(120，130，140，150，160 r/min)对多糖含量和感官的影响。

(2) 挤压温度：固定螺杆转速140 r/min，水分含量25%，马齿苋添加量12%，考察挤压温度(90，100，110，120，130 ℃)对多糖含量和感官的影响。

(3) 水分含量：固定螺杆转速140 r/min，挤压温度110 ℃，马齿苋添加量12%，考察水分含量(21%，23%，25%，27%，29%)对多糖含量和感官的影响。

(4) 马齿苋添加量：固定螺杆转速140 r/min，挤压温度110 ℃，水分含量25%，考察马齿苋添加量(4%，8%，12%，16%，20%)对多糖含量和感官的影响。

1.2.3 响应面试验 根据单因素试验结果，以综合得分为响应值，选取螺杆转速、挤压温度、马齿苋添加量、水分含量4个因素，设计四因素五水平二次正交旋转组合试验，优化加工工艺。

1.2.4 色差测定 参照文献[12]。

1.2.5 感官评分 米粒感官评价参照文献[13]，评分标准见表1。熟米感官评价参照文献[14]，评分标准见表2。按式(1)和式(2)计算样品感官评分和感官综合得分。

表1 米粒感官评分Table 1 Sensory score of rice grains

表2 熟米感官评分Table 2 Sensory score of cooked rice

A=r1×30%+r2×70%，

(1)

B=A×70%+WI×30%，

(2)

式中：

A——感官评分；

r1——米粒感官评分；

r2——米饭感官评分；

B——感官综合得分；

WI——白度。

1.2.6 多糖含量测定 参照薛沾枚[15]的方法并作修改。精确称取1 g样品，以蒸馏水为提取溶剂，在液料比为20∶1 (mL/g)条件下，超声辅助提取50 min，提取液中加入4倍体积95%乙醇，在4 ℃下醇沉24 h。去除醇沉提取液的上清液，通过离心得到沉淀(3 500 r/min，10 min)，最后冷冻干燥得到粗多糖。采用苯酚硫酸法测多糖含量。采用线性插值法计算得分。最大值定义为10分，最小值定义为1分。最终结果乘以10，换算为百分制。

1.2.7 综合评分法 根据式(3)计算综合得分。

S=B×0.4+P×0.6，

(3)

式中：

S——综合得分；

B——感官综合得分；

P——多糖得分。

1.2.8 体外抗氧化活性分析

(1) DPPH自由基清除率：参照文献[16]。

(2) ABTS自由基清除率：参照文献[17]19-20。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 挤压温度对马齿苋复配米品质的影响 图1(a)表明在固定的螺杆转速、水分含量、马齿苋添加量下，多糖含量随挤压温度的增加先上升后下降，多糖含量、感官综合得分在120 ℃时达到最大值。杨滨梦等[18]研究表明，猴头菇多糖随挤压温度的升高呈先上升后下降的趋势，且在120 ℃达到最大值。当挤压温度较低时，水分子因无法剧烈运动，而与物料的相互作用受限，螺杆和物料之间的摩擦力无法传递到淀粉分子内部[17]24，马齿苋复配米颗粒不易膨胀，结构不易破坏，多糖的溶出率比较低。随着挤压温度的升高，机筒内产生高温、高压、高剪切力的反应环境，增强水分子和物料相互作用，促进复配米结构的解体，多糖的溶出率增大。当机筒温度过高时，挤压作用剧烈，水分蒸发速率加快，多糖发生降解，导致多糖含量随温度不断增大逐渐减少，但温度过高，水分发生闪蒸，使得米粒较干、对复配米的剪切制粒有影响，从而影响感官评价分数。综合考虑在110～130 ℃进行下一步试验。

2.1.2 螺杆转速对马齿苋复配米品质的影响 图1(b)表明在固定的挤压温度、水分含量、马齿苋添加量下，多糖、感官综合评分随螺杆转速的增加均先上升后下降，在140 r/min时达到峰值。螺杆转速影响物料在挤压机中的停留时间，进而影响挤压加工过程物料所受的高温高压作用[19]。当螺杆转速过低时，物料在机筒内停留的时间久，受到的高温高压剪切摩擦力小，热能转化得少，吸收热量不足，水分含量相对变大，膨化效果比较差。随着转速的提高，物料和螺杆之间的摩擦力增大，物料受热明显，物料的组织结构被破坏，多糖提取率增大[20-21]。当螺杆转速过高时，物料在机筒内停留的时间短，不易形成高压环境，降低挤压膨化技术对马齿苋复配米结构的改性，还会造成复配米的黏度增大、切粒结构不理想，影响感官评价得分；高速螺杆转动带来高温环境，高剪切力，多糖的结构遭到破坏，提取率降低[22]。综上，螺杆转速在140 r/min时，多糖含量处于较高范围，感官评价得分最高。

图1 单因素试验结果Figure 1 Single factor test results

2.1.3 马齿苋添加量对马齿苋复配米品质的影响 由图1(c) 可以看出，在固定的螺杆转速、挤压温度、水分含量下，多糖含量与马齿苋添加量呈正比，但是感官综合评分先升高后减少，在马齿苋添加量12%时达到峰值。这是由于马齿苋富含膳食纤维，大量添加会导致复配米的结构疏松，不可避免的影响米粒口感。马齿苋添加量较少时，随着添加量增大，复配米的弹性上升，随着马齿苋添加量的升高，弹性呈下降趋势，说明马齿苋添加量对复配米的口感效果有一定程度的削减。

2.1.4 水分含量对马齿苋复配米品质的影响 图1(d)表明在固定的螺杆转速、挤压温度、马齿苋添加量下，多糖含量和感官评价得分随水分含量的增加均呈先上升后下降的趋势，多糖含量、感官评价得分在水分含量27%～28%时达到最大值。当处于低水分含量时，物料在机筒内的流动性差、挤压过程中产生的水蒸气少，不能有效破坏物料内部结构[22]，导致多糖提取率低，同时低水分使得米粒较干、对复配米的剪切制粒受影响，从而影响感官得分。随着水分含量的增加，热能传递速度加快，物料结构破坏程度加大，多糖提取率增大。但当水分含量过高，水分子蒸发带走的热能比水分子增加传递的热能多，物料的升温速度降低，多糖受到破坏，使得大分子的多糖变成小分子的糖类；水分含量过高会导致物料的流动性很大，物料所受的剪切力和摩擦力降低，糊化程度低，迫使物料未充分改性就被挤出，降低了挤压效果，导致了米粒的耐煮性较差、口感不理想，综合考虑，在水分含量27%～28%进行下一步试验。

2.2 响应面试验

在单因素试验基础上，自变量为螺杆转速、挤压温度、马齿苋添加量、水分含量，响应值为综合得分，因素水平见表3，具体设计结果及数据见表4。

表3 响应面试验因素水平表Table 3 Response surface experimental factor level table

表4 响应面分析的试验设计和结果Table 4 Experimental design and results for response surface analysis

以多元回归分析得回归方程：

Y=69.23-0.12A+1.21B+12.20C+2.71D+0.92AB+0.12AC+2.27AD-0.034BC+1.00BD+0.52CD-5.27A2-3.81B2-1.21C2-4.60D2。

(4)

中心组合试验方差分析(表5)得到模型的F值为9.46，P<0.01，表明模型显著；失拟项P>0.05，不显著，表明该模型成立；二次多项回归方程R2=0.863 1>0.5，该模型模拟效果好，因此可作为试验模型分析数据。根据方程各变量系数大小可知，4个因素对多糖含量的影响程度顺序为马齿苋添加量>水分含量>挤压温度>螺杆转速。

表5 综合得分回归方差分析†Table 5 Comprehensive score regression analysis of variance

由图2可知，沿马齿苋添加量方向比螺杆转速、挤压温度、水分含量的响应面坡度的坡度更陡，等高线也更密集，说明马齿苋添加量比螺杆转速、挤压温度和水分含量对马齿苋复配米影响更大，与方差分析结果一致。挤压温度与螺杆转速、水分含量与螺杆转速和水分含量与挤压温度的等高线图呈圆形，表明其交互不显著，与方差分析结果一致。

图2 综合得分试验结果Figure 2 Comprehensive score test results

响应面优化出的结果为：螺杆转速139.01 r/min、挤压温度118.39 ℃、马齿苋添加量15.48%、水分含量27.33%，在该工艺条件下，综合得分为86.29，考虑实际，将条件修正为螺杆转速140 r/min、挤压温度120 ℃、马齿苋添加量15.5%、水分含量27%，在该条件在平行验证3次计算得到综合得分为86.13，与预测值接近，表明该工艺条件具有一定的可行性。

2.3 体外抗氧化试验

由图3可知，马齿苋复配米的抗氧化能力明显高于市售米和挤压空白米，且对DPPH自由基清除率高达92.37%，对ABTS自由基清除率高达85.15%，说明马齿苋复配米中马齿苋发挥了重要抗氧化作用。这是因为复配米虽然会受到高温高压作用，但是因含有多糖、多酚等活性物质，使其具有较强的抗氧化能力。Melilli等[23]将马齿苋与小麦粉混合制作出了具有抗氧化特性的意大利面。

图3 体外抗氧化试验结果Figure 3 In vitro antioxidant test results

3 结论

试验得出马齿苋复配米的最佳工艺参数为螺杆转速140 r/min，挤压温度120 ℃，马齿苋添加量15.5%，水分含量27%。在该工艺下复配米的综合得分最高。此外，体外抗氧化试验结果表明马齿苋复配米的抗氧化能力显著高于市售米。由于马齿苋本身是药食同源植物，富含多种活性物质，将其应用于挤压技术，提高马齿苋利用率的同时又丰富了营养米的市场。但是马齿苋的抗氧化机理需要进一步探索。