营养谷物粉挤压工艺优化及对其理化特性研究

王玉彤，马慧明，张浩，杜月娇，姜冶，孟祥敏，文连奎

（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春130118）

营养谷物粉挤压工艺优化及对其理化特性研究

王玉彤，马慧明，张浩，杜月娇，姜冶，孟祥敏，文连奎*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春130118）

采用双螺杆挤压工艺处理制得营养谷物粉。在单因素试验基础上，采用响应面分析法研究挤压工艺条件对谷物粉理化特性的影响，分析其主要理化特性。结果表明：螺杆转速为154.22 r/min，添加水分为18.72%，挤压温度为134.89℃、喂料速度12 kg/h条件最佳，其吸水性指数（WAI）为354.059%。谷物粉经挤压后可溶性膳食纤维（SDF）和糊化度分别提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白质分别降低19.30%、13.78%。

谷物粉；挤压；理化特性

谷物主要包括稻米、谷子、大豆、玉米、小麦、荞麦和燕麦等[1]，经挤压膨化、微胶囊化等工艺处理后可加工成营养粉、速食粥、固体饮料等。挤压加工技术集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等为一体，在食品生产中主要用于谷物加工，具有杀菌、钝化不良因子，促使淀粉糊化，提高蛋白质利用率的作用[2-3]。淀粉和蛋白质作为谷物的主要成分，在挤压过程中各种理化特性发生变化[2-4]。本文以谷物粉为原料，采用响应而分析法优化挤压工艺，并分析其主要理化特性，为谷物产品的开发提供依据。

1 材料与设备

1.1 原料与试剂

谷物粉（大豆、小米、玉米、燕麦、薏仁、荞麦），均为食品级：市售；单硬脂酸甘油酯，食品级：北京化工有限公司；糖化酶（≥100 U/mg）、淀粉酶（2 000 IU/g），生物试剂：湖南尤特尔生化有限公司；酒石酸钾钠、硫代硫酸钠、丙酮、石油醚、三羟甲基氮基甲烷、2-吗啉乙磺酸（2-N-Morpholino ethanesulfonic acid，MES），均为分析纯：广东西陇化工股份有限公司。

1.2 主要仪器

FMHE36-24双螺杆挤压机：湖南富马科食品工程技术有限公司；YP4002电子天平：上海佑科仪器有限公司；SFY-60A红外线快速水分测定仪：深圳冠亚电子科技有限公司；101型电热鼓风干燥箱、FW100高速粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；CT15RT多功能高速低温离心机：上海天美生化仪器设备工程有限公司；T6紫外分光光度计：北京普希通用仪器有限责任公司。

2 方法

2.1 谷物粉挤压工艺

2.1.1 工艺流程

谷物粉过80目筛→按质量比混匀（添加单硬脂酸甘油酯）→水分调整→挤压膨化→烘干（水分≦5%）→粉碎过筛→膨化谷物粉

2.1.2 操作要点

1）将过筛后的谷物粉按大豆粉30%、小米粉25%、玉米粉25%、燕麦粉10%、薏仁粉5%、荞麦粉5%按质量比混合并添加0.15%单硬脂酸甘油酯（以混合谷物粉为基量）。

2）水分调整：水分含量通过水分测定仪测定，调整水分含量[5]。

3）通过双螺杆挤压机操作工艺参数的调节，物料经一系列复杂的连续化处理，在极短的时间内使淀粉糊化，蛋白质变性，使物料由生变熟。

4）将挤压膨化的物料烘干粉碎过筛，得到膨化谷物粉。

2.2 试验设计

2.2.1 单因素试验设计

固定挤压温度为140℃，喂料速率为12 kg/h，添加水分为19%，考察螺杆转速对膨化粉理化性质的影响，转速梯度设定为：110、130、150、170、190 r/min；固定螺杆转速为130 r/min，喂料速率为12 kg/h，添加水分为19%，考察挤压温度对膨化粉理化性质的影响，温度梯度设定为：120、130、140、150、160 ℃；固定螺杆转速为130 r/min，喂料速率为12 kg/h，挤压温度140℃，考察添加水分含量对膨化粉理化性质的影响，水分梯度设定为：15%、17%、19%、21%、23%；固定螺杆转速为130 r/min，挤压温度140℃水分含量17%，考察喂料速率对膨化粉理化性质的影响，喂料速率设定为：10、11、12、13、14 kg/h。

2.2.2 响应面试验设计

单因素试验确定挤压参数的合适范围。采用Design-expert8.0中的Box-Behnken Design中心组合试验设计，确定谷物粉挤压工艺的响应面设计表，总共17组试验，最终确定谷物膨化粉挤压工艺的最优工艺组合条件。

2.3 挤压产品理化性质的测定

2.3.1 吸水性指数（water absorption index，WAI）

准确称取2.5 g磨碎的样品在30℃时与30 mL蒸馏水一起放入恒重的50 mL离心管中，搅动30 min，然后3 000 r/min离心10 min。上清液转入恒重的称量皿中，称量留下的胶体的重量，计算WAI：

式中：m1为离心管重量，g；m2为盛有胶体的离心管重量，g；W为样品重量，g。

2.3.2 水溶性指数（water solubility index，WSI）

将2.3.1 WAI测定中的上清液蒸发后，测得溶解于上清液中的样品的重量，计算WSI：

式中：m1为蒸发皿重量，g；m2为上清液蒸发后蒸发皿重量，g；W为样品重量，g。

2.3.3 成分测定方法

蛋白质测定：参照GB 5009.5-2010《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；淀粉测定：参照GB/T 5009.9-2008《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》；糊化度测定：参照酶水解法，采用王肇慈的方法；水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）测定：参照GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。

3 结果与分析

3.1 挤压膨化工艺单因素试验结果与分析

3.1.1 螺杆转数对吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）的影响

螺杆转速在110 r/min～190 r/min之间时，随着螺杆转速的增大挤出物的吸水性指数（WAI）先减少后增大，其水溶性指数（WSI）先增大后减少，在转速为150 r/min时呈现最高值与最低值。吸水性指数（WAI）的大小与物料中大分子物质如淀粉、蛋白质的亲水性和成胶能力有关[6-7]。螺杆转速对吸水性指数和水溶性指数的影响见图1。

图1 螺杆转速对吸水性指数和水溶性指数的影响Fig.1 Effect of screw speed of water absorption index and water solubility index

图1表明在螺杆转速较低时，在物料受到的剪切力较小时物料改性不完全，当螺杆转速增加时，物料受到较大剪切力作用，导致淀粉、蛋白质发生局部裂解，淀粉糊化及降解现象明显，水溶性物质增多，吸水性物质减少[8]。当螺杆转速过大时，物料在机筒内停留时间相对较短，物料改性不完全。因此螺杆转数取值范围选取 130、150、170 r/min。

3.1.2 挤压温度对吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）的影响

挤压温度在120℃～160℃之间时，随着挤压温度的升高挤出物的吸水性指数（WAI）先减少后缓慢增大，在温度为140℃时呈现最低值，其水溶性指数（WSI）呈显著上升趋势，挤压温度对吸水性指数和水溶性指数的影响见图2。

图2表明随着挤压温度升高时，物料吸收热量增加，使水分子动能增加淀粉糊化和裂解程度加剧，纤维素降解加大，蛋白质变性以及分解程度随之加强，因而表现为水溶性物质增多，吸水性物质减少。但温度过高，会使挤出物中的美拉德反应加剧[9]，且对挤出物的吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）影响不显著，因此挤压温度取值范围选取130、140、150℃。

图2 挤压温度对吸水性指数和水溶性指数的影响Fig.2 Effect of extrusion temperature on water absorption index and water solubility index

3.1.3 添加水分对吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）的影响

添加水分在15%～23%之间时，随着水分含量的升高挤出物的吸水性指数（WAI）先增大后减少，在添加水分为19%时呈现最高值，其水溶性指数（WSI）呈显著下降趋势，添加水分对吸水性指数和水溶性指数的影响见图3。

图3 添加水分对吸水性指数和水溶性指数的影响Fig.3 Effect of Adding Water to water absorption index and water solubility index

图3表明随着水分含量的升高，水分起到的润滑作用显著，使物料在机器内停留时间减少，致使物料受到的剪切作用弱，淀粉、纤维素降解程度低，蛋白质变性程度减弱，因而表现为吸水性物质增多，水溶性物质减少。但水分含量过高时，对挤出物的吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）影响不显著，因此挤压温度取值范围选取17%、19%、21%。

3.1.4 喂料速度对吸水性指数（WAI）和水溶性指数（WSI）的影响

喂料速度在10 kg/h～14 kg/h之间时，随着喂料速度的增大挤出物的吸水性指数（WAI）呈现缓慢增大后趋于缓和的趋势，其水溶性指数（WSI）呈现缓慢下降后趋于缓和的趋势。

图4表明在喂料速度加快时，物料量充足，受到的剪切力作用和摩擦力作用较大，淀粉糊化及降解现象明显，导致水溶性物质增多，吸水性物质减少。但当喂料速度过大时，导致物料过量，堆积机腔，使其改性不完全。故由单因素试验结果表明，喂料速度以12 kg/h为最佳。

图4 喂料速度对吸水性指数和水溶性指数的影响Fig.4 Effect of feeding speed of water absorption index and water solubility index

3.2 响应面优化谷物粉挤出工艺条件结果与分析

综合单因素试验结果以螺杆转速（A），挤压温度（B）、添加水分（C）三因素为响应而面分析对象，吸水性指数（WAI）作为响应值，确定谷物粉挤压工艺的响应面设计如表1。

表1 双螺杆挤压膨化工艺的响应面设计及试验结果Table 1 Design and test results of a twin screw extrusion process response surface

3.2.1 回归方程的建立

利用Design-expert 8.0对表1试验数据进行回归分析，得到双螺杆挤压膨化工艺对螺杆转速、添加水分、挤压温度的二次多项回归方程：

表2 响应面试验回归方程的方差分析Table 2 Response surface analysis of variance test of regression equation

表2显示，回归模型P＜0.000 1，说明二次回归方程模型差异极显著，且A2、B2的影响都极显著。模型的相关系数R2=0.981 7，校正决定系数R2Adj=0.958 3，模型实际值与预测值拟合良好，失拟项P=0.117 6＞0.05，不显著，说明试验误差较小。因此，可以利用此回归方程确定双螺杆挤压膨化工艺工艺结果。

3.2.2 通过Design-Expert软件进行分析

由二次回归方程得出各因素的相互作用，从响应面的最高点和等高线图可以看出，在所选范围内存在极值，极值为响应面的最高点。通过对双螺杆挤压膨化工艺响应面优化图及其等高线图的分析，可看出螺杆转速、添加水分、挤压温度3个因素间的相互作用程度。

3.2.2.1 螺杆转速和添加水分的交互作用

图中显示在挤压温度一定时，螺杆转速和添加水分的等高线图和响应面见图5。

由图5可以看出，在螺杆转速130 r/min～170 r/min、添加水分17%～21%时，吸水性指数（WAI）呈现先降低后升高趋势，等高线扁平并且明显呈椭圆形，椭圆形表示两因素间的交互作用较强，圆形则表示两因素间交互作用较弱[10-11]。且吸水性指数（WAI）降低时的变化较快，变化越快表示坡度越大，即对试验结果的影响较大。螺杆转速越高，添加水分较少时物料的大分子裂解程度越高，大分子持水能力下降，从而引起吸水性指数（WAI）降低。由此可知螺杆转速和添加水分有明显的交互作用。

图5 螺杆转速和添加水分交互作用对吸水性指数的影响Fig.5 Screw speed and add water interactions on water absorption index

3.2.2.2 螺杆转速和挤压温度的交互作用

图中显示在添加水分一定时，螺杆转速和挤压温度的等高线图和响应面见图6。

由图6可以看出，在螺杆转速130 r/min～170 r/min、挤压温度130℃～150℃时随着螺杆转速、挤压温度的升高挤出物的吸水性指数（WAI）先减少后缓慢增大的趋势，响应面的坡度平缓而且等高线较稀疏，说明挤压温度对膨化粉WAI的交互作用较弱。故挤压温度的设置应该综合考虑，在保证物料膨化反应顺利进行的前提下，挤压温度设置的尽量低。

图6 螺杆转速和挤压温度交互作用对吸水性指数的影响Fig.6 Screw speed and extrusion temperature interactions on water absorption index

3.2.2.3 添加水分和挤压温度的交互作用

图中显示在螺杆转速一定时，添加水分和挤压温度的等高线图和响应面见图7。

图7 添加水分和挤压温度交互作用对吸水性指数的影响Fig.7 Add moisture and extrusion temperature interactions on water absorption index

由图7可以看出，水分和温度对膨化粉WAI的交互作用较为明显。在添加水分17%～21%、挤压温度130℃～150℃时响应面曲面的坡度较陡且等高线较密集，吸水性指数（WAI）呈现先降低后升高趋势，从等高线和响应面的变化趋势看，添加水分的影响大于挤压温度，故可适当提高添加水分含量。

最佳工艺参数的确定及验证试验：通过上述响应面的结果分析，得到双螺杆挤压膨化谷物粉工艺的响应面分析优化最佳工艺条件为：螺杆转速为154.22 r/min，添加水分为18.72%，挤压温度为134.89℃在此条件下重复进行验证试验3次，得到膨化粉的吸水性指数（WAI）为354.059%，较单因素试验结果有明显提高，说明响应面法对双螺杆挤压膨化谷物粉工艺条件的优化是可靠的。

3.3 挤压膨化对谷物粉其他理化特性的影响

螺杆转速为154.22 r/min，添加水分为18.72%，挤压温度为134.89℃，喂料速度12 kg/h研究挤压膨化对谷物粉其他理化特性的影响，结果见表3。

表3 谷物粉及其膨化物的理化特性Table 3 Physical and chemical properties and puffed cereal flour thereof

从表3可以看出，谷物粉经挤压后可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和糊化度均明显提高，分别提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白质分别降低19.30%、13.78%。谷物粉的理化特性得到有效改善。

4 讨论与结论

试验中发现，由于谷物中的蛋白质是以基质蛋白的形式存在，在挤压过程中受到热和剪切力作用，使蛋白质发生不可逆变性，改变蛋白质的结构和溶解性。在高温、高剪切力的条件下会造成氨基酸损失，特别是赖氨酸损失较大，致使蛋白质消化率下降。由于对于蛋白质分子的高级结构在挤压过程中的变化仍处于理论猜测阶段，因此，研究蛋白质在挤压加工中的变化，保证蛋白质含量变化较小仍是重要的研究方向。

本试验利用双螺杆挤压膨化混合谷物粉，通过单因素试验确定各因素对膨化谷物粉的影响，利用响应面建立二次多项回归方程，分析其模型、主要作用、以及交互作用。通过结果分析得到最佳工艺参数，经修正得到最佳工艺条件为：螺杆转速为154.22 r/min，添加水分为18.72%，挤压温度为134.89℃，喂料速度12kg/h得到膨化粉的吸水性指数（WAI）为354.059%，该试验条件下谷物粉可溶性膳食纤维（SDF）和糊化度分别提高83.96%、349.33%；淀粉、蛋白质分别降低19.30%、13.78%，且耗能少，更利于实际生产操作。

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Optimization of Extrusion Process of Nutritional Grain Powder and Its Physico-chemical Properties

WANG Yu-tong，MA Hui-ming，ZHANG Hao，DU Yue-jiao，JIANG Ye，MENG Xiang-min，WEN Lian-kui*

（College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China）

The nutritive cereal flour was prepared by twin-screw extrusion process.Based on the single factor test，the influence of extrusion process conditions on the physical and chemical properties of corn flour was studied by response surface analysis.The main physical and chemical properties were analyzed.The results showed that the screw speed was 154.22 r/min，the moisture content was 18.72%，the extrusion temperature was 134.89 ℃，the feed rate was 12 kg/h，the water absorption index（WAI）was 354.059%.Grain powder after extrusion of soluble dietary fiber（SDF）and gelatinization degree were increased by 83.96%，349.33%；starch、protein were decreased by 19.30%，13.78%.

cerealflour；extrusion；physicaland chemicalproperties

2016-10-25

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.026

王玉彤（1990—），女（汉），在读硕士，研究方向：谷物食品科学与副产物高值化利用。

*通信作者：文连奎（1962—），男，教授，博士，研究方向：长白山野生资源开发。