薯类原料膨化特性及其膨化粉品质特性

白 洁，彭义交，刘丽莎，李玉美，张小飞，金 杨，张 清，田 旭，郭 宏*

（北京食品科学研究院，北京 100162）

薯类作物营养丰富，不仅富含淀粉、蛋白质、膳食纤维、维生素及矿物元素等成分，还含有黏液蛋白等多种生物活性成分，在抗氧化、防衰老、降血脂、降血糖等方面具有辅助作用，营养价值极高[1-2]。我国是薯类生产大国，马铃薯和甘薯类作物的种植面积和产量均居世界首位，但其加工比例相对较低，多被用于加工成全粉、淀粉、薯条、薯片等产品，与发达国家相比还存在一定差距。

挤压膨化技术是将预处理后的物料，经过机械作用迫使其在高温高压下通过模头上的模孔，以形成一定形态与组织状态的产品。挤压膨化技术加工的食品具有加工工艺多变、产量高、产品质量稳定及原料适用性广等突出的优点[3-5]，是目前公认的较理想的食品生产技术之一。目前国内外关于挤压膨化薯类产品的研究主要集中在工艺优化、产品应用以及生物活性成分变化等方面。李春红等[6]研究了甘薯挤压膨化的工艺，并认为甘薯品种和膨化温度对于甘薯挤压膨化特性和膨化参数有显著影响。章丽琳等[7]研究了挤压膨化参数对马铃薯全粉理化性质的影响，从而得出最优工艺条件。Shih等[8]研究了2 种不同颜色甘薯挤压制品抗氧化性和生理特性的变化，发现挤压工艺可以显著增加酚类化合物含量，提高清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的能力。Nikmaram等[9]指出挤压技术可以降低谷薯类产品抗营养因子的含量。Iwe等[10]研究了挤压膨化对甘薯粉和脱脂豆粉中有效赖氨酸和褐变指数的影响。关于挤压膨化对不同薯类原料膨化特性及其品质特性的研究较少，因此，本实验通过研究4 种不同薯类原料膨化特性、质构特性、糊化特性及其分散稳定性的变化，明确不同薯类原料膨化特性、品质特性之间的差异，为不同薯类膨化产品原料的筛选与加工适宜性的研究提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯全粉（品种大西洋） 内蒙古凌志马铃薯科技股份有限公司；紫马铃薯全粉（品种黑金刚） 甘肃广生源商贸有限公司；甘薯全粉（品种江西白）、紫甘薯全粉（品种济黑一号） 秦皇岛紫龙生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤压膨化设备 山东德固机械设备有限公司；Exponent Lite Express质构仪 英国Stable Micro Systems公司；UV3300紫外-可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；RVA-4500快速黏度分析仪（rapid viscosity analyzer，RVA） 瑞典波通仪器公司；Turbiscan AGS稳定性分析仪 法国Formulaction公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

薯类原料调节水分体积分数至15%，螺杆电机频率30 Hz，喂料电机频率15 Hz，套筒温度II～VII段分别为80、90、100、120、130、140 ℃，该条件下对4 种不同薯类原料进行挤压膨化，样品于干燥箱中贮存备用。

1.3.2 基本组分含量的测定

淀粉含量的测定参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》；蛋白质含量的测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；粗脂肪含量的测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》；粗纤维含量的测定参照GB 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》。

1.3.3 膨化度的测定

膨化度用径向膨化率表示。用数显电子游标卡尺测定样品直径，每个样品随机测定10 次，求其平均值作为产品的平均直径d/mm，d除以模口直径（5.2 mm），其商为径向膨化率。

1.3.4 容积密度的测定

按照海沙置换法测定[11]：取250 mL量杯一个，量取一定体积V1的海沙，将样品与海沙同时缓慢倒入量杯，测得体积V2，样品体积V＝V2-V1，多次测量取平均值。在测量样品体积前，先用电子天平称其质量m。容积密度ρ的计算见公式（1）。

1.3.5 糊化度的测定

将挤压膨化后的薯类原料用粉碎机粉碎，过40 目筛网，参照熊易强[12]的方法进行糊化度的测定。

1.3.6 WSI及WAI值的测定

将挤压膨化前后的薯类原料过60 目筛网，取2 g左右的样品，标记为m0，放入已知质量m1的离心管中，加入25 mL蒸馏水，剧烈振荡2 min，直至样品完全分散形成悬浮液体系。将悬浮液体系在30 ℃水浴中保温30 min，每间隔10 min振荡一次，水浴后4 000 r/min离心15 min。将上清液慢慢倒入已恒质量m2的烧杯中，烘干称质量m3。同时，称取离心管及沉淀的凝胶称质量m4，水溶性指数（water soluble index，WSI）和吸水性指数（water absorption index，WAI）的计算公式见式（2）、（3）[13]。

1.3.7 质构测定

称取不同薯类原料，按料液比1∶5（m/V）冲调，水温80 ℃，搅拌均匀后，放置于室温（25 ℃）。选用质构仪反式挤压探头A/BE 35测定不同薯类样品的质构特性。参数设置为：测前速率2 mm/s，测量速率1 mm/s，测后速率2 mm/s，下压距离10 mm，触发力5 g[6]。

1.3.8 糊化特性测定

采用RVA根据AACC 76—21标准方法稍加改进。随机取样7.0 g，添加1.0 g糖粉分散混合均匀，添加25 g冰水，搅拌均匀后直接用RVA标准模式进行测定，温度采用Std 1特定升温程序。

1.3.9 分散稳定性测定

称取薯类原料2.0 g放入烧杯中，加入25 mL水（80 ℃），搅拌器300 r/min搅拌均匀，待样品冷却至30 ℃左右时，倒入20 mL的测量池内备用，采用Turbiscan稳定性分析仪测定其分散稳定性。参数设置为：测量探头从样品池底部到顶部每40 μm扫描一次，扫描时间30 min，扫描间隔6 min，扫描温度30 ℃，选取背散射光对样品进行分析，并通过计算样品中部（10～30 mm）的稳定性动力学指数（turbiscan stability index，TSI）来表征样品的分散稳定性。

1.4 数据分析

本实验所得数据采用Excel、PASW Statistics 18.0软件进行处理分析，采用ANOVA进行差异显著性分析，使用Pearson相关系数进行相关性分析，当P＜0.05时表示差异或相关性显著。Turbiscan稳定性分析仪采集数据使用TurbiSoft 2.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化对不同薯类原料基本组分含量的影响

4 种薯类原料淀粉、蛋白质含量显著不同，其中马铃薯样品淀粉含量最高，达83.11%，甘薯样品淀粉含量最低，为60.38%。挤压膨化后，4 种薯类原料基本组分含量均显著降低（表1），这是由于在挤压膨化过程中物料发生淀粉糊化降解、蛋白质变性、脂肪破裂、纤维降解所致[7]。

表 1 不同薯类原料挤压膨化前后基本组分含量的变化Table 1 Changes in major components of different potato materials during extrusion%

2.2 挤压膨化对不同薯类原料膨化特性的影响

图 1 挤压膨化对不同薯类原料膨化度和容积密度的影响Fig. 1 Effect of extrusion on swelling degree and volume density of different potato materials

2.2.1 挤压膨化对不同薯类原料膨化度和容积密度的影响如图1所示，马铃薯类原料（包括马铃薯与紫马铃薯，下同）与甘薯类原料（包括甘薯与紫甘薯，下同）径向膨化率和容积密度显著不同，其中马铃薯类原料有较高的径向膨化率及较低的容积密度，膨化效果显著优于甘薯类原料，这与雷鸣等[14]的研究结果一致，他们认为这是不同薯类原料淀粉含量差异所致。一般来说，淀粉含量高的原料挤压膨化效果更好。但同一类别的原料间无显著性差异，这可能与原料所含直链/支链淀粉、支链淀粉分子大小及其空间结构等有关[15]。

2.2.2 挤压膨化对不同薯类原料糊化度的影响

图 2 挤压膨化对不同薯类原料糊化度的影响Fig. 2 Effect of extrusion on gelatinization degree of different potato materials

由图2可见，挤压膨化后不同薯类原料的糊化度显著增加且差异显著，其中马铃薯样品糊化度最高，达94.30%，甘薯样品糊化度最低，为86.98%。研究表明，在不同的加工工序中同一原料的糊化度是不同的，而挤压膨化后的样品糊化度应在80%以上[11]，这符合本实验结果。一般认为在挤压膨化过程中，物料借助螺杆的推动向前挤压，同时受到混合、搅拌、摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉发生糊化和降解[4,16]，从而使糊化度增加。

2.2.3 挤压膨化对不同薯类原料WSI和WAI值的影响

不同薯类原料膨化前后WSI和WAI值的变化见图3、4。4 种薯类原料膨化后WSI值显著增加，其中马铃薯样品增加幅度最高，达138.97%；甘薯样品增加幅度最低，仅为16.67%。WSI值的增加是因为物料在挤压过程中获得的能量增多，从而使大分子变为小分子的数目增多，如淀粉分子部分支链被剪断，分子间作用力被削弱，从而生成的可溶物数量增多，使WSI值增加[17-18]。膨化后，4 种薯类原料的WAI值显著降低，其中马铃薯类原料变化较大，这与李锴[19]研究的挤压膨化对糙米的影响类似，他认为这是部分淀粉在高温高压下发生降解生成糊精所致。肖莲荣[20]的研究也表明，当吸水指数低于7.0时马铃薯挤压产品的WAI与WSI值变化趋势相反，并认为其与物料淀粉分子结构变化有关。

图 3 挤压膨化对不同薯类原料膨化前后WSI值的影响Fig. 3 Effect of extrusion on WSI of different potato materials

图 4 挤压膨化对不同薯类原料膨化前后WAI值的影响Fig. 4 Effect of extrusion on WAI of different potato materials

2.3 基本组分含量与薯类膨化特性相关性分析

表 2 基本组分含量与薯类膨化特性相关性分析Table 2 Correlation analysis of chemical components and extrusion properties

对不同薯类原料膨化前后基本组分含量的变化率与糊化度、WSI及WAI值的变化率进行相关性分析，结果见表2。膨化前后薯类原料糊化度的变化率与淀粉含量的变化率呈极显著正相关，与蛋白质、脂肪、粗纤维含量的变化率无显著相关性；WSI值的变化率与淀粉、蛋白质含量的变化率呈极显著正相关，与脂肪、粗纤维含量变化率呈显著正相关；WAI值的变化与蛋白质含量变化率呈极显著负相关，与淀粉、脂肪及粗纤维含量的变化率呈显著负相关。说明不同薯类原料糊化度的变化率仅与淀粉含量变化率有关，而WSI、WAI值的变化率与4 个基本组分含量变化率均有关。此外，不同薯类原料膨化特性的差异与物料基本组分挤压膨化前后的变化有关，这是由不同物料所含基本组分的含量及类型决定的，这与Linko[21]、赵明杰[22]等的研究类似。

2.4 挤压膨化对不同薯类原料品质特性的影响

2.4.1 不同膨化薯粉的质构特性

表 3 不同膨化薯粉的质构特性Table 3 Textural characteristics of different extruded potato materials

由表3可知，不同膨化薯粉坚实度、稠度、黏聚性及黏性指数差异显著。一般来说，坚实度和稠度越大，说明样品越黏稠，内聚力越大，当探头下压时对其抵抗力越大，即说明样品爽滑性、细腻性越差[23]。马铃薯类原料有着较低的坚实度和稠度，说明马铃薯类原料经挤压膨化后样品爽滑性、细腻性更好，但马铃薯与紫马铃薯样品间差异不显著。黏聚性及黏性指数主要反映样品的黏度，黏聚性越大，说明样品的品质越好[24]，马铃薯类原料的黏性指标均高于甘薯类原料，说明马铃薯类膨化粉的品质更好。

2.4.2 不同膨化薯粉的糊化特性

一般来说，糊化特性曲线中低谷黏度反映了样品在高温下的耐剪切能力，同时反映熟化度的高低，低谷黏度越高，则熟化度越低；衰减值反映了淀粉的热糊稳定性，衰减值越小，则热糊稳定性越好；回生值反映了淀粉冷糊的稳定性和老化趋势，回生值越小，则冷糊稳定性越好，淀粉越不易老化；回生值与峰值黏度的比值越小，口感越好[25-26]。

表 4 不同膨化薯粉的糊化参数Table 4 Pasting parameters of different extruded potato materials

由表4可知，马铃薯类原料的低谷黏度、回生值及回生值/峰值黏度均显著低于甘薯类原料，说明马铃薯类膨化粉熟化度高、口感好，其中马铃薯样品显著优于紫马铃薯。但马铃薯类原料的衰减值显著高于甘薯类原料，说明马铃薯类膨化粉的热糊稳定性差，其中紫马铃薯显著劣于马铃薯，紫甘薯显著劣于甘薯。鉴于此，可以根据产品的不同加工需要选择合适的薯类原料。

2.4.3 不同膨化薯粉的分散稳定性

图 5 样品背散射光强度与样品池高度的关系Fig. 5 Relationship between back scattering light intensity and pool height

从图5中可知，4 种不同膨化薯粉分散稳定性差异显著，4 个样品底部均形成1 个向上的峰，说明底部均形成了沉淀层，其中峰越窄表明沉淀层厚度越小[27-28]，马铃薯样品沉淀层厚度最小，甘薯样品最大；样品顶部虽会受凹液面影响，但总体来讲4 个样品顶部均呈现向下的趋势，说明顶部体系浓度变小；4 个样品中部背散射光强度变化差异显著，其中马铃薯样品的中部背散射光强度几乎没有变化，紫马铃薯样品变化也较小，但甘薯与紫甘薯样品变化较大。综合图谱分析可知，马铃薯膨化粉的分散稳定性最佳，甘薯最差。

图 6 不同膨化薯粉稳定性动力学指数Fig. 6 Stability kinetic indexes of different extruded potato materials

通过计算样品的TSI值进一步明确4 个样品体系的稳定程度，TSI值越小，体系越稳定[29-30]。从图6中可知，不同膨化薯粉的TSI值随时间延长而增加，同一时间段内4 个样品的TSI值显著不同。30 min时，4 个样品的TSI值从小到大依次为马铃薯、紫马铃薯、紫甘薯、甘薯，由此可知，4 种薯类膨化粉的分散稳定性顺序依次为马铃薯＞紫马铃薯＞紫甘薯＞甘薯。

3 结 论

本实验研究了马铃薯、紫马铃薯、甘薯、紫甘薯4 种薯类原料的膨化特性及其膨化粉质构特性、糊化特性、分散稳定性的差异。结果表明：4 种薯类原料中，马铃薯类原料膨化特性显著优于甘薯类原料，其中马铃薯径向膨化率、糊化度以及WSI值较高，容积密度较低，膨化性能最好。相关性分析可知：膨化前后薯类原料糊化度的变化率与淀粉的变化率呈极显著正相关，与蛋白质、脂肪、粗纤维的变化率无显著相关性；WSI值的变化率与淀粉、蛋白质的变化率呈极显著正相关，与脂肪、粗纤维的变化率呈显著正相关；WAI值的变化率与蛋白质的变化率呈极显著负相关，与淀粉、脂肪及粗纤维的变化率呈显著负相关，说明不同薯类原料膨化特性的差异与物料基本组分的变化有关。马铃薯类原料坚实度、稠度显著低于甘薯类原料，黏性指标则相反，但马铃薯与紫马铃薯之间差异不明显。马铃薯类原料的低谷黏度、回生值及回生值/峰值黏度均显著低于甘薯类原料，说明马铃薯类膨化粉熟化度高、口感好，其中马铃薯显著优于紫马铃薯。稳定性分析仪图谱及TSI值均表明马铃薯类原料的分散稳定性显著优于甘薯类原料，其中马铃薯样品显著优于紫马铃薯。综合分析可知，4 种薯类原料中，马铃薯类原料膨化特性及品质特性显著优于甘薯类原料，其中马铃薯样品品质最佳。