杂粮膨化营养粉制备工艺优化及其消化特性研究

冯进 丁秋霞 柴智

摘要：以混合杂粮粉（蚕豆粉 ∶ 荞麦粉 ∶ 魔芋精粉质量比10 ∶ 9 ∶ 1）为原料制备杂粮膨化营养粉，以可溶性膳食纤维（SDF）为指标，结合单因素试验和响应面试验优化了制备工艺，并通过体外胃肠道模型研究了产品的消化特性。结果表明，杂粮膨化营养粉制备的最佳参数组合为：物料含水量16%，Ⅲ区挤压温度142 ℃，螺杆转速146 r/min，在该条件下，产品中SDF含量达到（18.13±0.15）%。扫描电子显微镜结果显示，原料粉体颗粒发生了有效膨胀，原有的致密结构受到破坏。挤压膨化营养粉的碳水化合物水解指数，估计血糖生成指数和估计血糖负荷指数等均显著低于杂粮原料粉，并且达到了低血糖生成指数产品标准。

关键词：杂粮;膨化营养粉;挤压膨化;可溶性膳食纤维;模拟消化;血糖生成指数

中图分类号： TS255.36  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）11-0217-05

收稿日期：2020-04-08

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（17）2014、CX（19）2006]。

作者简介：冯 进（1989—），男，山东德州人，博士，助理研究员，主要从事营养与健康领域研究。E-mail：fengjinzju@163.com。

通信作者：李春阳，黑龙江牡丹江人，博士，研究员，主要从事营养与健康领域研究。E-mail：lichunyang968@126.com。  随着经济的发展和健康意识的提高，我国消费者对主食的追求也逐渐从“精白米面”向全谷物和杂豆食品转变。一方面，杂豆和全谷物富含多种维生素和矿物质，营养成分比较全面[1]。另一方面，这类产品中的膳食纤维含量高，碳水化合物消化慢，血糖生成指数低，对“三高”等代谢综合征可以起到防控作用[2]。2016版的中国居民膳食指南也指出，正常成年人每天应保证50～150 g全谷物和杂豆的摄入，约占饮食中谷薯类食物总摄入量的一半。发展全谷物食品产业和杂粮食品产业是我国粮食产业落实中央建设“健康中国”伟大战略的重要组成部分，也是我国在“十三五”期间乃至更长时间内粮食供给侧结构改革的重要举措。

目前，市场上常见的杂豆和全谷物产品主要有发芽糙米、全麦粉、全麦面包、燕麦片等，产品形式较为单一且同质化现象严重。杂豆和全谷物类产品往往口感粗糙、重调性差、营养消化利用度低，给加工带来了困难，也降低了消费者的购買热情。随着湿法膨化生产设备的日臻完善，全谷物膨化营养粉的创制和应用引起了食品领域科技工作者的广泛关注[3]。挤压膨化技术可以通过压力差和水分的闪蒸实现全谷物颗粒的膨胀，并且伴随着淀粉的糊化、蛋白质的变性以及抗营养因子的消减。更重要的是，挤压膨化可以促进不溶性膳食纤维（IDF）向可溶性膳食纤维（SDF）转变，从而有效改善高膳食纤维产品的口感和消化吸收率，提高了消费者的接受程度[4]。本研究选用蚕豆粉、荞麦粉和魔芋精粉3种杂粮为原料，通过挤压膨化处理制备膨化营养粉，以SDF为指标优化制备工艺，并通过胃肠模型研究产品的体外消化状况，从而为拓展国内庞大的消费市场提供技术支撑和产品保障。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

苏蚕3号蚕豆，江苏省农业科学院经济作物研究所提供;荞麦粉，购自南京孝陵卫市场;魔芋精粉，湖北强森魔芋科技有限公司生产;耐高温α-淀粉酶（180 U/mg），尤特尔生化有限公司生产;中性蛋白酶（40 U/mg）、葡萄糖苷酶（50 U/mg）、胃蛋白酶（3 000 U/mg）、胰酶（包括蛋白酶285 U/mg、淀粉酶288 U/mg和脂肪酶56 U/mg）、胆汁盐，上海生工生物工程股份有限公司产品。

KETSE20/40D型双螺杆挤出机，德国Brabender公司生产;FW177型中草药粉碎机，天津特斯特公司产品;AS-1400型马弗炉，上海安晟仪器厂生产;MB3型快速水分测定仪，奥豪斯仪器（上海）有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程 原料筛选→蚕豆粉碎过40目 筛→ 蚕豆粉、荞麦粉、魔芋精粉按质量比10 ∶ 9 ∶ 1混合→物料含水量调节→挤压膨化→烘干→粉碎过40目筛。

1.2.2 挤压膨化工艺优化 通过单因素试验研究物料含水量（16%～24%）、Ⅲ区挤压温度（120～180 ℃）以及螺杆转速（110～190 r/min）对产品中SDF含量的影响。在此基础上，根据Box-Benhnken中心组合设计原则，以物料含水量（A）、Ⅲ区挤压温度（B）、螺杆转速（C）为自变量，SDF含量为响应值，设计了3因素3水平的响应面分析试验，各因素水平见表1。

1.2.3 杂粮营养膨化粉中SDF含量测定 根据GB 5009.88—2014《食品中不溶性膳食纤维的测定》中的酶-质量法稍作改进。称取1.0 g样品置于150 mL三角瓶中，加入40 mL PBS缓冲液（pH值6.0±0.2，0.1 mol/L），并加入100 μL高温α-淀粉酶溶液（10 000 U/mL），加盖铝箔，在100 ℃条件下水浴振荡40 min。将酶解液冷却至60 ℃，加入100 μL中性蛋白酶溶液（400 U/mL），在60 ℃条件下水浴振荡30 min。用0.1 mol/L盐酸溶液将pH值调至4.5±0.2，加入100 μL葡萄糖苷酶溶液（3 300 U/mL），在60 ℃水浴振荡条件下继续酶解30 min。抽滤消化液，并用热水洗涤2次，收集合并洗涤液，转移至烧杯中，根据滤液总体积，加入4倍体积的95%乙醇，室温下沉淀1 h。用G2砂芯坩埚过滤（加入适量硅藻土做助滤剂），用70%乙醇洗涤2次，丙酮洗涤2次，105 ℃烘干至恒质量。另取2份分别做蛋白和灰分校正。其中，原料粉（蚕豆粉与荞麦粉、魔芋精粉按照10 ∶ 9 ∶ 1的质量比混合）中SDF含量为（8.53±0.25）%。

1.2.4 扫描电子显微镜（SEM）观察 用双面胶带将干燥后的杂粮原料粉和杂粮挤压膨化营养粉粘到不锈钢样品台上，并对其进行真空镀金，用 JSM-6330F 型场发射扫描电镜观察形貌。

1.2.5 体外消化试验 参照文献[5]方法略作改动。将2.0 g NaCl，7.0 mL HCL和3.2 g胃蛋白酶溶解于超纯水中，定容至1 L，得到模拟胃液。模拟肠液中含有0.30 mmol/L氯化钙，30.72 mmol/L氯化钠，5 mg/mL的胆汁盐以及8 mg/mL的胰酶。准确称量含有1 g碳水化合物的不同样品置于水解管中，加入10 mL蒸馏水，涡旋振荡、混合均匀。80 ℃ 加热20 min。冷却后将水解管移入37 ℃恒温振荡水浴锅中，加入10 mL模拟胃液，300 r/min条件下振荡孵育30 min。将模拟胃消化后的样品迅速调至pH值7.0，并与等体积的模拟肠液混合，在相同条件下孵育180 min，间隔特定时间取1.0 mL水解液，沸水浴灭酶，离心取上清液，用DNS法测定各时间段水解上清液中葡萄糖含量。在同样条件下进行白面包的模拟消化试验作为对照。碳水化合物水解度的计算公式为[6]：

碳水化合物水解度=水解液中葡萄糖当量×09/500×100%。

分别以水解时间和碳水化合物水解率为横、纵坐标制作曲线，利用Origin软件计算曲线下积分面积（area under curve，AUC），通过以下公式计算碳水化合物水解指数（HI），估计血糖生成指数（EGI）和估计血糖负荷指数（EGL）[7]：

1.3 数据处理

所有试验均重复3次，试验结果以平均值±标准差来表示，使用SPSS 18.0软件进行方差分析，试验数值间以ANOVA法进行显著性检验。选取P<0.05为显著水平，图表中不同小写字母代表显著性差异。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 原料含水量对杂粮膨化营养粉SDF含量的影响 由图1可以看出，随着原料含水量的增加，营养粉中的SDF含量呈现逐渐下降趋势。当物料含水量为16%时，营养粉中SDF含量最高，为1664%，是杂粮原料粉[SDF含量为（8.53±025）%]的将近2倍。而物料含水量增加至24%时，营养粉中SDF含量降低至10%左右。推测原因可能为当杂粮原料中水分含量越高，升温所需要的热量越多，导致了物料升温速率慢，不利于IDF向SDF转化[8]。另外，过量的水蒸气喷发也会降低营养粉的擠压膨化效果[9]。然而，在实际操作过程中，当杂粮原料含水量低于16%时，物料流动性比较差，机器出现堵塞现象，不利于生产。因此，选择含水量16%～20%进行响应面优化。

2.1.2 Ⅲ区挤压温度对杂粮膨化营养粉中SDF含量的影响 由图2可以看出，随着Ⅲ区挤压温度的升高，营养粉中SDF含量呈先增大后减小的趋势。挤压机的机筒温度越高，传递给物料的热量越多，同时因为强剪切力和挤压作用，使得IDF分子中糖苷键断裂，提高了物料的亲水性。当Ⅲ区挤压温度增加到150 ℃时，可溶性膳食纤维含量达到最大值16.44%。而当Ⅲ区挤压温度高于150 ℃后，可溶性膳食纤维含量逐渐降低，这可能是因为挤压温度过高，物料中纤维还原端与蛋白质之间的美拉德反应更加明显，从而降低产品溶解度。方勇等在研究金针菇/发芽糙米挤压膨化工艺时发现了类似的现象[10]。

2.1.3 螺杆转速对杂粮膨化营养粉中SDF的影响 由图3可以看出，随着螺杆转速的增加，杂粮膨化营养粉中SDF含量呈先增大后减小的趋势。一般而言，螺杆转速越大，剪切力越大，越有利于IDF纤维的降解以及向SDF的转化[11]。当螺杆转速增加到150 r/min时，可溶性膳食纤维含量达到最大值，为15.63%，相对于杂粮原料增加了83%。当螺杆转速继续增加时，物料在挤压机筒中的时间停留过短，导致作用力不够，反而不利于SDF的形成。因此，选择130～170 r/min进行后续优化试验。

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 二次响应面回归模型的建立与分析 响应面试验设计与结果见表2，应用Design Expert软件进行回归拟合分析，得到工艺参数条件与营养粉中可溶性膳食纤维含量之间的二次多项式模型为：Y=16.30-2.79A-1.00B-1.13C+1.62AB-032AC-0.075BC-1.41A2-2.43B2-2.76C2。由表3可知，回归模型具有极显著性（P<0.01），失拟性不显著（P=0.116 9>0.05），并且R2为0.981 6，R2adj为0.957 8，说明方程对试验的拟合性较好[12]。回归方程各项方差分析表明，A（物料含水量）、B（Ⅲ区挤压温度）和C（螺杆转速）对营养粉中SDF含量

影响极显著（P<0.01）。二次项A2、B2、C2以及交互项AB也对膨化营养粉中SDF含量影响效果极显著（P<0.01），交互项AC和BC对SDF含量的影响不显著（P>0.05）。通过F值可以获得各因子对产品中SDF含量影响能力的顺序为：A（物料含水量）>C（螺杆转速）>B（Ⅲ区挤压温度）。

2.2.2 两因子间交互作用分析 响应面分析图见图4至图6。由图4可知，当挤压温度固定时，SDF含量与原料含水量呈负相关;当原料含水量一定时，SDF含量随挤压温度升高呈先增加后减小的趋势。整个响应曲面的坡度陡峭，且等高线呈椭圆形，说明挤压温度与含水量交互作用比较显著。由图5可知，当螺杆转速一定时，SDF含量随着含水量的增加呈逐渐下降的趋势;当含水量一定时，SDF含量随着螺杆转速的增大呈现出先增大后减小的趋势。与图4相比，图5中的等高线更加接近圆形。因此，同挤压温度相比，含水量与螺杆转速的交互作用不够显著。由图6可知，当螺杆转速一定时，SDF含量随着挤压温度的增大呈现先增大后减小的趋势;当挤压温度一定时，SDF含量随着含水量的增大，也呈现出先增大后减小的趋势。由于其等高线图呈圆形，说明二者的交互作用不显著[13]。

2.2.3 最佳工艺参数预测及验证试验 通过响应曲面法优化杂粮膨化营养粉制备的最佳工艺参数为物料含水量16.22%、Ⅲ区挤压温度142.20 ℃，螺杆转速145.97 r/min，此时产品中的SDF含量可达到18.44%;考虑实际情况下，选用的工艺条件为物料含水量16%、Ⅲ区挤压温度142 ℃、螺杆转速146 r/min，此时蚕豆营养粉的可溶性膳食纤维含量为（18.13±0.15）%， 与预测值相差1.7%， 表明此

模型具备很强的可靠性，可以用于杂粮膨化营养粉中SDF含量的预测。

从图7-A1和图7-B1中可以看出，混合原料粉颗粒表面粗糙且结构规则，排列有序，结合紧密;而经过挤压膨化得到的产品，颗粒表面凹凸不平、体积膨大，表明原有的致密结构受到了破坏（图7-A2和图7-B2）。SEM的观察结果说明，在挤压膨化过程中，挤压机内的高温、高压、高剪切力造成了原

料中生物大分子之间共价键和非共价键的断裂，从而诱导了蛋白质变性、淀粉糊化以及IDF向SDF的转变。

2.3 体外消化性质评价

采用体外模拟胃肠道模型进一步对杂粮原料粉和杂粮膨化营养粉中的碳水化合物消化情况，并使用白面包为对照。从图8可以看出，3种样品在前60 min消化较快，60 min后水解度趋于平稳。在所研究的任意时间点，3种样品碳水化合物的水解度大小顺序为：杂粮膨化营养粉<杂粮原料粉<白面包。白面粉属于精加工主食，消化最快。值得一提的是，原料粉经过膨化处理后，碳水化合物的消化变慢，原因可能有以下2点：（1）膨化处理提高了SDF含量，SDF膨胀性和溶解性好，从而增加了消化液黏度，使得消化酶和产物扩散速率变慢[14];（2）膨化营养粉中淀粉发生了回生，抗性淀粉含量变高，因此抗消化性增强[15]。

进一步计算了3种样品的HI、EGI、EGL等指标（表4），挤压膨化处理后，杂粮的HI、EGI和EGL下降显著。杂粮膨化营养粉的EGI为4988，小于55，达到了低血糖生成指数产品的标准。杂粮膨化营养粉的EGL为24.78，高于20，依然属于高血糖负荷指数产品，但是显著低于白面包（4144）等主食，因此仍然可以起到替代部分主食的作用。

3 结论

本研究采用单因素试验和响应面试验优化了杂粮膨化营养粉的制备工艺，得到最佳参数组合为物料含水量16%、Ⅲ区挤压温度142 ℃、螺杆转速146 r/min，在该条件下，产品中SDF含量达到（1813±0.15）%。SEM结果显示，挤压膨化处理导致原料粉颗粒发生膨胀，并伴随着原有致密结构的坍塌。通过模拟胃肠道模型进一步研究了产品的体外消化状况。结果表明，杂粮膨化营养粉的HI、EGI、EGL等参数均显著低于原料，部分指标达到了低血糖生成指数产品的标准，可以用来部分替代主食，起到补充膳食纤维和微量营养素、延长饱腹感的作用。

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