不同杂粮添加对籼米粉粉质特性及挤压米粉品质特性的影响

王佳玉,陈碧莹,陈凤莲,于 晨,高成成,汤晓智,*

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江哈尔滨 150076;2.南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)

杂粮是指除了稻谷、小麦等大宗粮食以外的种植面积相对较小的多种粮豆、薯类总称。杂粮营养丰富,常食杂粮可通血脉、防止血管硬化、保障大脑健康;杂粮能保持人体酸碱平衡,降低人体胆固醇含量,延缓心脏衰老进程;杂粮能保证人体组织营养需要,提高免疫能力,减少器官疾病,保持机体旺盛生命力[1]。研究表明,进食杂粮后可以显著降低糖尿病大白鼠餐后血糖的AUC值,这对糖尿病患者控制血糖有重要意义[2]。

米粉又叫米线,是以大米为原料,经过一系列工序制成的米制主食食品[3]。但目前国内米粉加工从原料处理到加工工艺大都沿用传统方法,资源消耗量大,工业化进程缓慢,产品品质不稳定,营养价值无法满足消费者日益提高的要求。因此将杂粮与籼米混合,通过挤压重组技术开发挤压杂粮米粉有助于提高杂粮的综合利用效率和增值能力,大大提高米粉的营养价值,同时有助于加快传统主食食品米粉的工业化进程。Wu等[4]研究了绿豆淀粉对米粉理化性质和挤压米粉品质的影响,结果表明,添加绿豆淀粉可以使挤压米粉获得良好的蒸煮特性和质构特性。Bouasla等[5-6]使用改进的单螺杆挤压机生产大米/黄豌豆粉混合物、大米/豆科混合物制备无麸质意大利面,结果表明,挤压后获得的产品内部结构紧凑、蒸煮损失低,酚类物质保留率高,感官评价的总体可接受性高。Rathod等[7]将扁豆和大米粉混合制备杂粮米粉,发现挤压过程可以增加淀粉消化率,减少抗营养因子胰蛋白酶抑制剂的含量,缩短蒸煮时间并减少蒸煮损失。

本研究利用绿豆、荞麦、高粱和薏米四种杂粮部分替代(25%)籼米,研究不同杂粮添加对籼米粉的糊化特性、流变特性以及凝胶微观结构的影响,进一步通过挤压技术生产杂粮米粉,研究四种不同杂粮的添加对挤压米粉蒸煮特性、质构特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绿豆、荞麦、高粱、薏米 安徽燕之坊有限公司;籼米粉 江西金林粮油有限公司;硫酸铜、硫酸钾、硫酸、硼酸、氢氧化钠、乙酸镁、硫酸、氢氧化钾、尿素二甲亚砜 国药集团化学试剂有限公司。

DSE-20型双螺杆挤压机 德国Brabender公司;JXFM110锤式旋风磨 上海嘉定粮油仪器有限公司;K-360凯氏定氮分析仪、B-811索氏抽提仪 瑞士Buchi(步琦)公司;Fibertec1023纤维测定仪 丹麦Foss(福斯)公司;SINMAG搅拌机 中国新麦有限公司;快速黏度测定仪(RVA) 澳大利亚Newport Scientific公司;Anton Paar MCR 302动态流变仪 奥地利安东帕有限公司;冷冻干燥机 美国Labconco公司;TM-3000扫描电镜、U3900紫外分光光度计 日本Hitachi(日立)公司;TA-XT2i 型质构分析仪 英国Stable Microsystems公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料组分测定 水分的测定参照GB 5009.3-2010[8];蛋白质的测定参照GB 5009.5-2010[9];脂肪的测定参照GB 5009.6-2003[10];灰分的测定参照GB 5009.4-2010[11];淀粉含量的测定参照GB 5009.9-2008[12];粗纤维含量测定参照GB/T 5009.10-2003[13];直链淀粉含量的测定参照Martinez等[14]提出的比色法进行。

1.2.2 混合粉制备 将绿豆、荞麦、高粱、薏米四种杂粮分别用垂直旋风磨磨粉后过80目筛,分别按杂粮:籼米粉为1∶3的比例将杂粮添加到籼米粉中,充分混合均匀(SINMAG搅拌机混合1 h),将纯籼米粉作为对照组。

1.2.3 混合粉特性研究

1.2.3.1 糊化特性测定 参照AACC76-21[15]方法并进行改良,利用快速黏度仪测定四种不同杂粮添加对籼米粉糊化特性的影响。准确称量样品(3.5±0.01) g,样品水分基准为14%,加入蒸馏水(25±0.1) mL,于RVA专用铝盒混合。试样重复三次。

具体测试程序为:50 ℃保持1 min;以5 ℃/min的速度上升到95 ℃(9 min);95 ℃下保持7 min;以6 ℃/min下降至50 ℃(7.5 min);50 ℃下保持4.5 min;搅拌器在起始10 s内转动速度为960 r/min,之后保持在160 r/min。

1.2.3.2 流变特性测定 混合粉流变特性测定参照Torbica等[16]方法并做了修改。频率扫描:使用Anton Paar MCR 302流变仪,试验样品取1.2.3.1制备好的淀粉糊,平板直径为50 mm(转子:PP50),平板间距1 mm,测得样品的线性黏弹区为0.01%～1%。测试温度为25 ℃,频率变化范围为0.1～20 Hz,测定样品的G′、G″和tanδ的变化。

1.2.3.3 扫描电镜 混合粉糊化后凝胶微观结构的观察参考Mariotti等[17]方法并做了改良。利用1.2.3.1方法得到RVA淀粉糊,经预冻处理后于-80 ℃冷冻干燥48 h,用戊二醛固定,磷酸缓冲液淋洗,然后分别以30%、50%、70%、90%和100%的乙醇梯度洗脱,离子溅射喷金,置于Hitachi TM3000扫描电镜上观察并保存图片。

1.2.3.4 凝胶质构特性 参考张正茂等[18]方法并做了修改。采用TA-XT2i型质构仪测定不同杂粮添加对籼米粉凝胶特性的影响,利用1.2.3.1处理得RVA淀粉糊,倒入塑料模具(样品大小为2 cm×2 cm×2 cm正方体)中,4 ℃冰箱过夜形成凝胶(盖上塑料膜密封防止水分损失),使用P/6圆柱型探头,测试速度为0.5 mm/s,测试距离10.0 mm,测量凝胶的硬度、弹性、咀嚼性等特性。

1.2.4 米粉的制备 采用BradenderDSE-20型双螺杆挤压机,挤压参数设定:长径比40∶1,螺杆直径20 mm,模孔直径2 mm。挤压机套筒温度分别设定为Ⅰ区40 ℃、Ⅱ区60 ℃、Ⅲ区110 ℃、Ⅳ区90 ℃、Ⅴ区80 ℃和Ⅵ区80 ℃。螺杆转速为120 r/min,喂料速度为16 r/min,挤压机内物料含水量控制在38%。挤压机启动稳定后,按照设定条件对上述1.2.2中混合样品分别进行挤压实验,得到四种挤压杂粮米粉。

1.2.5 米粉特性的研究

1.2.5.1 蒸煮特性测定 杂粮米粉蒸煮特性测定依据Wang等[19]方法并进行改良,取1.2.4中制备的米粉15 g(每根约10 cm),放入盛有30倍重量沸水的烧杯中,用秒表计时,同时加盖铝箔以降低水分散失,蒸煮过程中取出1根放于两个玻璃片中挤压,观察有无硬心,然后每隔30 s取样观察一次直到无硬心,此时为最佳蒸煮时间。样品捞出沥水5 min,称重(W1,g)。然后将样品在105 ℃烘箱中烘至恒重(W2,g)。

膨胀指数(SI/%)=(W1-W2)×100/W2

蒸煮损失(CL/%)=(DM-W2)×100/(DM)

式中:DM代表米粉中干物质的含量。

断条率的测定为:取30根米粉,放入30倍重量的沸水中并用秒表计时,用铝箔盖住烧杯口静置。计时到达蒸煮时间时,用筷子将米粉一根一根挑出,记录米粉断条的数量为N。

断条率(%)=N×100/30

1.2.5.2 米粉蒸煮后质构特性的测定 采用TA-XT2i型质构仪测定不同挤压杂粮米粉的质构特性。参考张艳荣等[20]方法并做了修改。取三根长10 cm左右煮熟的米粉(样品直径为2.5 mm左右)平铺于测试台上,保持米粉的间距一致,然后进行TPA测定。具体参数设定为;测试探头:P/36R、测试前速度:5.00 mm/s,测试速度:1.00 mm/s,测试后速度:5.00 mm/s,形变量:75%,触发力:5.0 g,间隔时间:5 s,数据采集:400 pp/s。每个样品重复测定8次,去除最大和最小两个差异较大的值,结果取平均值。

1.3 数据处理

采用Origin 8.0和SPSS 18.0数据处理软件对数据进行分析,并用Duncan法进行显著性分析(p<0.05)。

2 结果分析

2.1 原料的基本组分分析

籼米、绿豆、荞麦、高粱和薏米的基本组成成分如表1所示。相对于籼米粉,杂粮粉中含有较高的蛋白质,其中绿豆中粗蛋白含量最高,几乎是籼米的3倍,其次是薏米中含有14.50%的粗蛋白,约是籼米的2.1倍,而荞麦和高粱的粗蛋白含量相对较少,分别是11.50%、10.40%。薏米中含有较高的粗脂肪含量达5.10%,约是籼米的3.9倍,其次是荞麦和高粱,绿豆中的粗脂肪含量最低,为0.90%。此外,与籼米相比杂粮中普遍含有较高的灰分,绿豆中灰分达2.30%,约是籼米的2.6倍,灰分主要是各种矿物质元素的氧化物,表明杂粮普遍含有较高的矿物质。与籼米相比杂粮中普遍含有较高的粗纤维,其中绿豆中粗纤维含量最高,达到5.67%,主要与绿豆表皮成分有关[21],其次是薏米,粗纤维含量达到3.62%,高粱和荞麦中的粗纤维含量相对较低,但仍远高于籼米。淀粉占谷物成分的比重最大,籼米中的淀粉含量最高达74.91%,其次是高粱、荞麦分别为71.10%、69.80%,薏米和绿豆的淀粉含量相对较小各是63.40%、55.70%。绿豆的直链淀粉含量最高达到30.20%,荞麦淀粉的直链含量也相对较高达到29.40%,略高于籼米粉中的28.70%,而薏米淀粉中直链含量最低,仅为6.20%。

表1 原料的基本组分含量分析(干基/%)Table 1 The basic components in raw material(dry/%)

2.2 混合粉的特性分析

2.2.1 杂粮添加对籼米粉糊化特性的影响 籼米粉及籼米与不同杂粮混合粉的RVA糊化曲线见图1,糊化参数值见表2。比较发现添加不同杂粮粉后,籼米粉的糊化曲线发生了较大变化。对比纯籼米粉,荞麦粉和籼米粉混合后在淀粉糊化过程中,其糊化黏度、峰值黏度、最低黏度和最终黏度都显著(p<0.05)高于其它样品。糊化黏度与杂粮中淀粉含量和淀粉特性相关,荞麦和籼米中淀粉含量相对较高,这导致了籼米粉或荞麦-籼米混合粉糊化后黏度远高于其它谷类作物淀粉[22-23]。

表2 不同杂粮籼米混合粉糊化过程中的特征值Table 2 Characteristics of different coarse cereals flours in gelatinization process

图1 不同杂粮籼米混合粉的RVA图谱

崩解值反映淀粉热糊的稳定性,即抗剪切和耐热性能。荞麦-籼米混合粉与纯籼米粉相比崩解值没有显著性差别(p>0.05),而添加其它三种杂粮后的崩解值均显著低于纯籼米粉(p<0.05)。崩解值与淀粉含量或颗粒特性等有关,杂粮-籼米混合粉具有总淀粉含量少,淀粉溶胀后颗粒强度大,不易破裂等特点,导致其热糊稳定性好,即崩解值小[24]。同时,由于杂粮-籼米混合粉体系中高脂肪含量,形成了较高含量的淀粉-脂质复合物,其抗剪切性强,抑制淀粉崩解,从而产生较低的崩解值[25]。

回生值可以衡量谷物粉冷糊的稳定性和老化趋势,较高的回生值可能有利于米粉的快速凝胶化。高粱-籼米混合粉回生值可以达到2322 cP,接近纯籼米粉的2329 cp,添加绿豆粉和荞麦粉后的混合粉的回生值分别达到2180、2159 cP,而添加薏米粉回生值最低1369 cP。淀粉的回生是淀粉分子重结晶的过程,淀粉在完全糊化后于低温下冷却,糊液中的淀粉分子从无序状态通过氢键重新进行有序排列,形成难以复水的高度结晶体[26]。影响杂粮混合粉回生值的因素很多,包括淀粉含量、直链支链比,其它组分如蛋白质、纤维以及脂肪含量等均可能影响到淀粉的回生程度[27]。

2.2.2 杂粮添加对籼米粉流变特性的影响 实际加工过程中,淀粉糊时常需要处于动态变化中,因此很有必要讨论淀粉糊在动态过程中的流变特性。动态流变学可用来测定样品的黏弹性,对其加工特性和质量控制具有很大应用价值[28],米粉的品质特性与其凝胶体系的动态黏弹性有直接关系。弹性模量(G′)代表能量贮存而可恢复的弹性性质,损耗模量(G″)代表能量消散的黏性性质。

图2a显示,添加了荞麦粉和绿豆粉的籼米混合粉样品G′较高,而添加高粱粉和薏米粉的混合粉G′较低。更高的G′表示混合体系结构内部的分子链间的缠结点增多,凝胶体系网络结构加强。有资料报道直链淀粉含量越高,淀粉网络凝胶结构强度越大[29]。由此推断,荞麦粉和绿豆粉中直链淀粉含量较高,使得其混合粉G′较高。图2b中G″的变化趋势类似于RVA中的峰值糊化黏度,添加了荞麦的混合粉样品G″最高。

图2 杂粮籼米混合粉动态流变特性曲线

tanδ为G″与G′比值,tanδ越大,表明体系的黏性比例越大,可流动性强,反之则弹性比例较大。由图2c可以看出,所有样品的弹性模量均远大于其黏性模量,即tanδ<1,且G′、G″随频率增加而上升,表现为一种典型的强凝胶的动态流变学图谱[30]。

2.2.3 杂粮添加对籼米混合粉糊化后凝胶微观结构的影响 从图3a中可以看出,纯籼米粉糊化后凝胶结构完整无明显孔隙,淀粉相有较好的连续性。与纯籼米糊化后的凝胶结构相比,添加杂粮的样品糊化后凝胶呈现出较多的孔状结构。其原因可能是,四种杂粮中含有的较多的蛋白质、粗纤维、脂肪,与淀粉分子之间的相容性较差,破坏了淀粉的凝胶网络结构的连续性。对比几种杂粮添加对凝胶网络结构的影响,可以看出,添加绿豆粉(图3b)后的凝胶结构孔隙较多,但较为均匀和密实。添加荞麦粉(图3c)后的混合体系凝胶结构孔隙较绿豆混合体系凝胶明显减少,但孔洞增大。添加高粱(图3d)和薏米(图3e)后混合体系的凝胶结构表面明显更加粗糙,孔洞较大且分布不均匀。可能是因为绿豆虽然含有较高的粗纤维和蛋白质,但较高的直链淀粉含量有助于维持凝胶网络结构,然而,薏米中较高的蛋白质、脂肪、纤维含量均不利于凝胶网络的维持。体系的微观结构与其流变特性是密切相关的,微观结构的显著变化导致了混合体系与纯籼米体系流变特性上的差异[31]。

图3 杂粮籼米混合粉糊化后微观结构图(×2000)

2.2.4 杂粮添加对籼米粉凝胶质构特性的影响 米粉形成的实质是大米淀粉糊化后,直链淀粉分子从膨润的淀粉粒中逸出,通过分子间氢键以及空间构象作用,形成连续的三维凝胶网络结构,而具有一定黏弹性和强度的凝胶[32]。凝胶的质构特性是淀粉凝胶食品接受程度最重要的评价标准之一,而米粉是典型的淀粉凝胶食品。可以通过研究添加杂粮后米粉的凝胶质构特性预测杂粮米粉的品质[33]。表3显示,与籼米粉凝胶质构相比,添加荞麦粉凝胶的硬度、弹性和内聚性指标最大,表明荞麦粉的添加可能会提高杂粮米粉硬度和弹性等品质,这与Torbica等[16]研究发现荞麦淀粉具有较高的凝胶特性一致,可能与荞麦淀粉高结晶度、高持水性和低分子量有关[34]。而添加薏米粉混合体系凝胶质构的各项指标均最低,与前面混合体系所表现出来的糊化特征、流变特性、微观结构等比较一致。

表3 凝胶TPA特征值Table 3 TPA characteristics of gel

2.3 挤压杂粮米粉的品质特性分析

2.3.1 挤压杂粮米粉蒸煮特性分析 表4为挤压杂粮米粉的蒸煮特性参数。与籼米粉相比,添加杂粮后杂粮米粉的蒸煮时间略微增加,但没有显著性差异(p>0.05),添加薏米粉的蒸煮时间最长,这与混合粉的糊化温度有关,糊化温度越高越不利于谷物蒸煮,煮熟时间也越长[31]。添加杂粮后,挤压杂粮米粉的膨胀率显著(p<0.05)增加,其中添加绿豆粉的膨胀率最高,可能与其微观结构所显示出来的致密的凝胶孔隙结构相关。孔洞越多,吸水率越高,孔洞致密,表明其可能有更高的持水性。

表4 挤压杂粮米粉蒸煮特性参数Table 4 Cooking characteristic parameters of extruded rice noodles with coarse cereals

此外,较高的纤维含量也有助于米粉在蒸煮过程中的吸水。在米粉中添加杂粮后,杂粮米粉的蒸煮损失和熟断条率明显增加,这是由于杂粮含有的高蛋白、高纤维、高脂肪破坏了淀粉连续性的三维网络凝胶结构。其中添加荞麦粉和高粱粉米粉的蒸煮损失和熟断条率相对较低,这与它们相对较高的淀粉含量以及凝胶强度相关。

2.3.2 蒸煮后挤压杂粮米粉质构特性分析 表5体现了挤压杂粮米粉蒸煮后的质构特性。质构是杂粮米粉最重要的特性,决定了米粉的品质。较高的硬度和弹性是米粉的理想品质特征[33]。在籼米粉中添加荞麦粉后挤压杂粮米粉的硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性以及回弹性均比较接近籼米,表明在一定范围内荞麦的添加,不会破坏挤压米粉的质构特性。相比较而言,在籼米粉中添加薏米粉使得杂粮米粉的质构特征值均有明显的下降,明显降低了杂粮米粉的品质。挤压杂粮米粉煮熟后的质构特性与其糊化凝胶质构特性基本一致,也表明了糊化凝胶质构特性可以用来预测米粉品质特性。

表5 挤压杂粮米粉的TPA特征值Table 5 TPA characteristics of extruded rice noodles with coarse cereals

3 结论

对比纯籼米粉,添加25%荞麦粉和籼米粉混合后,在淀粉糊化过程中表现出更高的黏度。添加25%高粱粉回生值最高,接近纯籼米粉,而添加25%薏米粉回生值最低。与纯籼米糊化后的凝胶结构相比,添加杂粮的样品糊化后凝胶呈现出较多的孔状结构。与籼米粉凝胶质构相比,添加荞麦粉凝胶的硬度和弹性指标最大。添加杂粮后,挤压杂粮米粉的膨胀率显著增加,其中添加25%绿豆粉的膨胀率最高。在米粉中添加杂粮后,杂粮米粉的蒸煮损失和熟断条率明显增加,其中添加荞麦粉和高粱粉米粉相对较低。在籼米粉中添加荞麦粉后米粉的质构特性比较接近籼米,添加薏米粉使得杂粮米粉的质构特征值均有明显的下降。选择适当的杂粮,利用挤压技术开发挤压杂粮米粉有助于提高米粉的营养价值,同时有助于加快传统主食食品米粉的工业化进程。