挤压膨化对婴幼儿颗粒面条中淀粉结构及消化特性的影响

谢岩黎 张春雨 王小丽

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

辅食是指婴幼儿食用除母乳外的、对婴幼儿身体发育起到辅助作用的食物。由于纯母乳喂养无法满足7～24月龄婴幼儿的营养需求，且婴幼儿的胃肠道发育和肠道菌群的形成等需要多样化食物的刺激，因而此阶段辅食的种类和营养素含量对婴幼儿的健康成长十分重要[1]。黑小麦中蛋白质和铁、硒等矿物元素含量均高于普通小麦[2]；黑芝麻中的不饱和脂肪酸质量分数超过70%，钙、铁、锌和硒的含量也很丰富[3-4]；黑米中蛋白质和脂肪含量也都高于普通稻米[5]；黑豆中含有大量优质蛋白质[6]；除此之外，黑米、黑豆中还有丰富的花青素[7-8]，根据世界卫生组织的统计数据，全球约有5亿妇女和3亿儿童患有缺铁性贫血[9]；Mu等[10]研究证明黑豆种皮提取物可以调控铁调节蛋白基因(HAMP)的表达量，提高红细胞计数、血红蛋白浓度和血细胞比容，从而改善缺铁性贫血；最新的研究表明，花青素能够与Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)螯合，使二价铁保持还原状态，并对三价铁有增溶作用，提高铁的生物相容性[8、11]。目前中国市场上婴幼儿辅食种类有限，主要为米粉、粥、菜泥、果泥，具有中国特色的颗粒面条是新兴的一种婴幼儿辅食，采用传统挂面工艺生产，但是由于食用前需经过蒸煮处理，与冲泡即食的米粉相比不够方便，因而市场占有率不高。挤压膨化技术是广泛应用于食品生产的集压缩、混合、混炼、熔融、膨化、成型等功能于一体的食品生产技术，产品具有形状多样、营养保留高和消化吸收率高的特点[12]。目前，挤压膨化技术主要用于早餐谷物制品、休闲零食等产品的生产，有关研究主要集中于挤压导致的营养成分变化、挤压条件对产品品质的影响等方面，利用挤压膨化技术生产即食性婴幼儿食品并对其淀粉结构和消化特性进行研究的报道很少[13-14]。针对这种现状，本研究以添加黑米、黑豆、黑芝麻的黑小麦为原料，采用挤压膨化技术生产即食婴幼儿颗粒面条，并利用多种分析手段研究挤压膨化对婴幼儿颗粒面条中淀粉结构及消化特性的影响。

1 材料与方法

1.1 颗粒面条

黑小麦：焦作市河禾源米业有限公司；黑米、黑豆、黑芝麻：上海颐生农产品有限公司。

1.2 试剂

猪胰α-淀粉酶(50 U/mg，分析纯)，Sigma公司；淀粉糖化酶(106U/g)、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、3,5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠均为国产分析纯。

1.3 仪器设备

Quanta 200环境扫描电镜：美国FEI公司；E-1010离子溅射仪：日立有限公司； X’Pert PRO：荷兰PANalytical； RVA-4快速黏度分析仪：澳大利亚Newport Scientific。

1.4 婴幼儿颗粒面条的制备

黑小麦和黑米磨粉，过80目筛；黑豆粉碎后过80目筛，145 ℃烘烤45 min去除豆腥味；黑芝麻140 ℃烘烤40 min，粉碎后过80目筛。按照黑小麦粉80%，黑豆11.36%，黑米8.37%，黑芝麻0.27%的比例进行配粉，加水量24%搅拌成絮状。传统挂面工艺生产颗粒面条在此基础上采用低温长时烘干技术，35 ℃条件下干燥8 h。挤压膨化工艺生产颗粒面条条件为温度165 ℃，螺杆转速10 Hz，物料含水量24%，65 ℃条件下干燥8 h，最终得到的颗粒面条直径为0.45～0.9 mm。

1.5 扫描电镜

将样品放置于载物台上，利用离子溅射仪喷金后，20 kV的加速电位拍摄图像，观察不同倍数下的样品颗粒形貌。

1.6 X-衍射

测试条件的参数为：铜靶；管压管流：40 kV/30 mA；步长0.02°；扫描速度8(°)/min；衍射角2 θ；扫描范围：3°～40°。

1.7 糊化特性的测定

称取3 g待测样品(以水分含量14%计)，和蒸馏水于RVA专用的铝盒中混匀，调成一定浓度的乳状液。测试条件：50 ℃保持1 min,以12 ℃/min的速度升温至95 ℃保持2.5 min，以12 ℃/min的速度降温至50 ℃保持2 min，搅拌器在起始10 s内转动速度为960 r/min，以后保持在160 r/min，完成测定共消耗时间13 min。通过RVA的测试TCW软件分析得到6个特征参数：峰值黏度、最低黏度、衰减值、最终黏度、回生值和峰值时间。

1.8 体外消化速率分析

分别取1.5 g原料配方粉、煮熟后吸干水分的传统挂面工艺生产的颗粒面条和热水冲泡后吸干水分的挤压膨化生产的颗粒面条，粉碎后加入少量pH 6.9的磷酸盐缓冲液，混匀后转入比色管，定容至25 mL，每种样品制备6个平行样品溶液。样品溶液在恒温震荡水浴锅中37 ℃预热5 min，然后加入α-淀粉酶(300 U/mL)和糖化酶(2 500 U/mL)各5 mL，以37 ℃、100 r/min的条件水解一定时间(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)，沸水浴灭酶5 min。酶解液以3 000 r/min的速度离心20 min，取0.5 mL上清液用蒸馏水稀释一定倍数，吸取稀释样液0.5 mL，采用DNS法测定葡萄糖含量。

按式(1)计算平均消化速率，绘制消化速率曲线。

(1)

式中:G(t)为水解一定时间后所产生的葡萄糖质量/mg；C为标准曲线中的葡萄糖的量/mg；V为上清液的总体积/mL；f为稀释倍数。

(2)

式中:m为样品质量/g；d为物料初始淀粉含量/%；t为水解时间/h；G0为游离葡萄糖质量/mg；W为平均消化速率/mg/(g·h)。

1.9 统计分析

使用Origin 8.5软件进行实验数据的分析处理，利用SPSS 20软件对实验结果的显著性差异进行分析，P<0.05表明结果之间具有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 扫描电镜观察结果

由图1a可以看出，原物料的淀粉结构呈现卵圆形、圆形，颗粒表面光滑。图1b、图1c是原物料分别经传统挂面工艺生产的颗粒面条、挤压膨化生产的颗粒面条的扫描电镜照片，可以观察到经过加工后，淀粉卵圆形和圆形的结构消失，破碎后的淀粉颗粒发生了重组，形成了较大的不规则的颗粒结构。图1c中物料的颗粒大小明显低于图1b中的物料，这主要因为在挤压机的高温、高压作用下，物料受热膨胀，原有淀粉晶体在高剪切力作用下破碎，重组后的淀粉颗粒表面碎片增加，表面粗糙度提高，致密度降低，与前人相关研究结果一致[15-16]。

图1 三种物料样品的扫描电镜图片

2.2 糊化特性分析

RVA图谱与一些食品的食味品质有一定的关系[18-20]。峰值黏度指在机械剪切力作用下，淀粉糊化引起的黏度增加与淀粉颗粒破裂引起的黏度减小间的平衡点黏度值[19]；最低黏度代表淀粉颗粒溶胀程度与破裂程度之间的平衡；衰减值反映淀粉热糊的稳定性(抗剪切和耐热性能)，衰减值越大，说明越多的淀粉颗粒在加热中破裂，内部淀粉分子被释放出来，食味越好；最终黏度反映了由于温度降低后被直链淀粉和支链淀粉所包围的水分子运动变弱而使黏度再次上升的现象；回生值表示淀粉的稳定性和老化速度，回生值越大淀粉越易老化。

表1 三种物料的黏度曲线特征值

由表1黏度曲线特征值分析来看，与原物料相比，挤压膨化颗粒面条和传统挂面工艺颗粒面条的峰值黏度、最低黏度、衰减值、最终黏度、回生值均下降；挤压膨化物料的峰值时间最小，说明原物料经挤压膨化加工后，糊化所需时间更短，符合即食婴幼儿食品的定位；与传统挂面工艺颗粒面条相比，挤压膨化物料的峰值粘度和衰减值更高，回生值更小，说明挤压膨化物料具有更好的食味，糊化后的稳定性更好，凝胶化程度较低，老化速度较慢。

2.3 X-射线衍射分析

X-衍射图谱可以反映淀粉不同的结晶型，淀粉根据晶型结构可分为A型、B型和C型。在X-衍射图谱中，A型淀粉出现较强衍射峰对应衍射角度为15°、17°、18°、23°，B型淀粉出现较强衍射峰对应衍射角度为5.6°、15°、17°、22°、24°，C型淀粉在X-衍射图谱中是A型和B型淀粉的综合[23]。此外，糊化后的淀粉与类脂物及相关化合物(通常是直链淀粉与脂肪酸或磷脂)形成复合物后可产生V型淀粉，在衍射角度7.4°、13°、20.5°出现较强衍射峰[24]。

图2 三种物料样品的X-衍射图

从图2可以看出，a中较强吸收峰对应的角度表明原物料中的淀粉属于A型结晶；传统挂面工艺颗粒面条的 A型结晶的特征峰强度减小或消失；颗粒面条经过挤压膨化作用后，A型结晶的特征峰不仅减小及部分消失，还在衍射角13°及20.5°的地方出现了较强衍射峰。传统挂面工艺颗粒面条经过烘干、水煮后，淀粉原本的晶体结构受到较大程度的破坏，导致其对应的衍射峰消失，淀粉微晶区变小，无定形区变大；挤压膨化后不仅淀粉原本的衍射峰消失，还有新的衍射峰出现，是因为原物料受到强机械力和高温的作用，物料中淀粉原本的结构受到了严重破坏，淀粉氢键断裂降解的同时形成了新的结晶区，产生了V型淀粉[25-26]。

2.4 淀粉体外消化速率分析

从图3可以看出，传统挂面工艺颗粒面条和挤压膨化颗粒面条中的淀粉在淀粉酶作用下的消化速率远远高于原物料，这是因为烘干、水煮、挤压膨化加工方式都使物料中的大部分淀粉糊化，从胶束状淀粉链构成的β-淀粉变成了容易消化的α-淀粉；挤压膨化颗粒面条的消化速率高于传统挂面工艺颗粒面条，是因为物料在挤压机内受到高温高压作用，部分淀粉发生降解生成糊精和还原糖，同时相邻淀粉间的主要和次级价键、氢键被破坏，产品疏松多孔，增加了与淀粉酶的接触机会[27-28]。随时间的延长，底物浓度不断下降，三者的消化速率均呈现下降的趋势；挤压膨化颗粒面条和传统挂面工艺颗粒面条的消化速率差距随着时间推移不断减小，这可能因为挤压膨化产生的糊精和还原糖等被消耗完毕，剩余化合物与酶类的反应速率差别变小。

表2 三种样品的消化率

注：a、b、c表示数据差异显著。

图3 三种物料在淀粉酶作用下消化速率曲线

从表2数据可知，原物料、传统挂面工艺颗粒面条、挤压膨化颗粒面条的消化率分别为28.74%、85.13%、92.44%，三种物料经3 h消化后的消化率差异显著(P<0.05)。由此可见，挤压膨化加工的颗粒面条的消化速率和消化率均高于传统挂面工艺颗粒面条，挤压膨化的方法可以用来生产加工易消化的食品，适用于婴幼儿食品的生产。

3 结论

本研究以添加了黑米、黑豆、黑芝麻的黑小麦为原料，对比研究了传统工艺制备的颗粒面条和挤压膨化制备的颗粒面条中淀粉的表观形态、结晶特性、糊化特性及体外消化特性。

3.1 电镜扫描发现，挤压膨化使颗粒面条中的淀粉结构发生了变化，原有的淀粉圆形颗粒结构消失，挤压膨化后重组的淀粉颗粒结构表面碎片及粗糙度增高，表面致密度降低。

3.2 RVA测定发现，挤压膨化颗粒面条比传统挂面工艺颗粒面条具有更高的峰值粘度和衰减值，更低的回生值和峰值时间，表明挤压膨化使颗粒面条的糊化特性更适合婴幼儿的食用特点。

3.3 X衍射测定发现衍射角13°和20.5°出现很强的峰，表明挤压膨化使颗粒面条中的淀粉晶型从A型转变成V型。

3.4 淀粉体外消化实验的结果表明，相比传统挂面工艺颗粒面条，挤压膨化的颗粒面条消化率和消化速率更高，3 h消化试验后传统挂面和挤压膨化技术生产的颗粒面条消化率分别为85.13%和92.44%(P<0.05)。