挤压处理对小麦麸皮与胚芽复配粉的稳定化

黄雅琪，庄坤, ，沈汪洋, ，李心悦，翟健安，丁文平,

1. 武汉轻工大学食品科学与工程学院（武汉 430023）；2. 大宗粮油重点实验室（武汉 430023）

小麦麸皮是小麦加工的主要副产物，其比例约占小麦制粉加工量的20%[1]，小麦麸皮中含有丰富的膳食纤维，能够有效地提高食物中的纤维成分。小麦胚芽是小麦籽粒的精华部分，也是小麦的核心和生命，占小麦质量的2%～3%。麦胚中含有丰富的维生素E、族维生素B、蛋白质、矿物质等，还含有黄酮类物质、麦胚凝集素、二十八碳醇等生理活性成分，营养价值极高[2]。中国传统生产全麦粉的方法主要有2种[3]：直接粉碎法和回添法。然而，在全麦粉加工过程中，由于麸皮和胚芽含有多种酶类，如过氧化物酶、多酚氧化酶、淀粉酶，再者，由于胚芽的脂肪含量高，而且加工过程易造成抗氧化剂破坏，脂类得不到保护，所以全麦粉中的脂类物质更容易被氧化，不利于其储藏稳定性[4]。因此，有必要对其进行稳定化加工处理。挤压膨化技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型为一体，能够实现一系列单元同时并连续操作的新型加工技术[5]。

试验利用挤压处理方式，对小麦麸皮与小麦胚芽复配粉进行稳定化处理。根据脂肪氧化酶活力和可溶性膳食纤维含量探索小麦麸皮的挤压最佳工艺，增加产品的保质期和提高产品的功能性，为企业实际生产提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦麸皮、小麦胚芽（湖北三杰粮油食品集团）。

双螺杆挤压膨化机（FMHE36-24R，长沙市富马科食品工程技术有限公司）；酶标分析仪（MB16-414，全自动酶标分析仪）；试验用pH计（ST3100，奥豪斯仪器（常州）有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 原料制备

小麦麸皮、小麦胚芽复配粉的制备：以经过预粉碎的小麦麸皮与小麦胚芽为主要原料，水分9.5%左右，按照比例7∶1复配混合而成，混合比例与天然完整的小麦颖果基本一致。其中未经过处理的复配粉脂肪氧化酶活力为873.2±3.22 U/L，可溶性膳食纤维含量为4.57±0.62 g/100 g。

1.2.2 挤压单因素试验

以进料速度12 kg/h、Ⅱ区温度60 ℃、Ⅲ区温度90℃、Ⅴ区温度60 ℃、Ⅵ区温度50 ℃作为基本条件，进行单因素试验。每个因素挤压处理重复3次。将挤压处理后的复配粉干燥、粉碎，过孔径0.250 mm筛备用，此时水分约9%。

1.2.2.1 不同液体进料量挤压试验

Ⅳ区挤压温度110 ℃，螺杆转速110 r/min，研究液体进料量（水）（18%，19%，20%，21%，22%，23%和24%）对复配粉品质的影响。

1.2.2.2 不同Ⅳ区挤压温度挤压试验

液体进料量22%，螺杆转速110 r/min，研究Ⅳ区挤压温度（80，90，100，110，120，130和140 ℃）对复配粉品质的影响。

1.2.2.3 不同螺杆转速压试验

液体进料量22%，Ⅳ区挤压温度110，研究螺杆转速（80，90，100，110，120，130和140 r/min）对复配粉品质的影响。

1.2.3 脂肪氧化酶活力测定

采用酶联免疫试剂盒测量脂肪氧化酶酶活力。使用标准物的浓度与OD值计算标准曲线的直线回归方程式，将样品的OD值代入方程式，计算出样品浓度，乘以稀释倍数即为样品的实际浓度。

1.2.4 可溶性膳食纤维含量（SDF）测定

采用直接水提法[6]测定SDF。称取5 g复配粉于烧杯中，加入50 mL去离子水，于60 ℃水浴锅中水浴2 h，充分摇晃后过滤，待滤液过滤完后加10 mL去离子水冲洗滤渣继续过滤，重复2次，往滤液中加入4倍体积无水乙醇，醇沉12 h后离心，速度设置为3 000 r/min，离心15 min，倒去上清液，将离心管置于60 ℃烘箱中，待乙醇挥发完毕，称量离心管与沉淀的总质量。

式中：M为样品质量，g；M1为离心管质量，g；M2为离心管加干燥沉淀质量，g

1.2.5 响应面试验设计

在单因素试验基础上，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，采用Design-Expert 8.0.6软件设计三因素三水平的响应面试验。以脂肪氧化酶活力（Y1）和SDF（Y2）为响应值，以螺杆转速（A）、液体进料量（B）、Ⅳ区挤压温度（C）为自变量，对小麦麸皮、胚芽复配粉的挤压稳定化工艺进行优化，试验因素及水平编码如表1所示。

1.2.6 数据分析

试验中的各指标均测定3次重复，3次平行，结果用平均数±标准误差表示。单因素试验使用Origin 9.5进行处理，Box-Behnken的中心组合设计试验和结果分析采用Design-Expert 8.0.6软件。

表1 复配粉挤压优化响应面分析因素水平及编码

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液体进料量对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

由图1可以看出，复配粉脂肪氧化酶活力随着液体进料量增加，呈现出先减小后增加趋势，液体进料量19%时脂肪氧化酶活力达到最小为429.13 U/L，此时灭酶效果最好。由于水是良好的传热介质，液体进料量比较低时，物料较干，并且挤压过程中温度分布不均，影响灭酶效果；而随着液体进料量逐渐增大，物料成为流体状态，流动性好，物料易通过模口，在挤压机内停留时间短且受力作用小，脂肪氧化酶活力较高[7]。

随着液体进料量增加，SDF含量先增加后减少，液体进料量22%时，SDF含量最高为8.35 g/100 g。这是因为充足的水分能使挤压腔内部产生高压蒸汽，有利于膳食纤维高聚物发生分解作用[8]，但水分过高，物料被水稀释，过量的水起到润滑剂作用，导致挤压过程中剪切力、摩擦力降低、物料运行时间缩短，反而不利于可溶性膳食纤维产生。

图1 液体进料量对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

2.1.2 Ⅳ区挤压温度对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

由图2可以看出，复配粉脂肪氧化酶活力随着Ⅳ区挤压温度的增加而呈现先减小后增加趋势，Ⅳ区挤压温度120 ℃时达到最低。理论上来说，脂肪氧化酶的灭活效果随着挤压温度增加而明显，但试验过程中温度过高会使得麸皮发生成色反应（例如美拉德反应），粉体颜色加深，在测定吸光度时对其数值有一定影响[9]，并且营养物质受到破坏，影响其开发利用，而且挤压温度过高，外层迅速糊化，反而影响灭酶效果。

复配粉的SDF含量总体上随着Ⅳ区挤压温度的升高呈现出先增加后减小趋势，Ⅳ区挤压温度为110 ℃时最大。因为Ⅳ区挤压温度较低时，随着温度升高，物料中水分子运动加剧，从而容易均匀地渗透到物料分子当中，使麸皮中淀粉间氢键断裂，糊化度提高，不溶性膳食纤维降解、断裂，可溶性纤维增加，因此SDF含量上升。然而，温度超过一定范围，物料容易结块，焦糊，水分子不易进入，造成挤压不完全，导致其SDF含量有所下降[10]。

图2 Ⅳ区挤压温度对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

2.1.3 螺杆转速对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

由图3可见，复配粉的脂肪氧化酶活力随着螺杆转速的增加呈现出逐渐减小趋势，螺杆转速为140 r/min时酶活力最低，此时灭酶效果最好。螺杆转速主要影响复配粉在挤压机内滞留的时间，因此直接影响复配粉在挤压机内的受热时间。螺杆转速较低时，物料受热挤压不均匀，部分物料没有受到挤压或者受到的挤压作用不够，不能充分灭酶。

复配粉的SDF含量随着螺杆转速增加，呈现出先增加后稍微下降趋势，螺杆转速为110 r/min时SDF含量为最大值。螺杆转速增加时，物料经过挤压在高剪切力作用下氢键断裂，导致淀粉颗粒解体，充分糊化，大分子降解成可溶性小分子，故SDF增加，当螺杆转速过高时，物料在挤压机内作用时间缩短，不能充分与水分均匀混合，并且受热不充分，大分子物质不能完全分解。

图3 螺杆转速对复配粉脂肪氧化酶活力和SDF的影响

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面试验结果

经过挤压处理后复配粉的脂肪氧化酶活力和SDF检测结果见表2。采用Design-Expert 8.0.6软件对所得数据进行回归分析，试验数据的模型拟合结果见表3。由表3可见得到的2个模型的R2值分别为0.978 0和0.941 9，说明通过二次回归得到的模型与试验拟合较好，可靠性较高。“Prob＞F”＜0.05时，即表示该项指标显著。由表3可以看出，对脂肪氧化酶活力建立的回归整体模型为极显著（p＜0.001），对SDF建立的回归整体模型为显著（p＜0.05）。

表2 响应面试验方案及结果

表3 复配粉挤压优化模型拟合结果

在表4中，由F值的大小可以推断，在所选择的试验范围内，3个因素对麸皮复配粉脂肪氧化酶活力影响的排序为液体进料量（B）＞Ⅳ区挤压温度（C）＞螺杆转速（A）。3个因素对复配粉SDF影响的排序为液体进料量（B）＞螺杆转速（A）＞Ⅳ区挤压温度（C）。

表4 复配粉挤压优化模型方差分析结果

2.2.2 影响复配粉脂肪氧化酶活力的主要因素分析

通过响应面三维及等高线图，可直观地反映各因素的交互作用对响应值的影响，从而确定最佳工艺参数范围。由于响应面图为三维图，只能表达含2个影响因素的函数，故试验固定其中一个影响因素。根据拟合模型将次要的因素固定为编码0，即螺杆转速110 r/min，绘制其他2个因素对复配粉的脂肪氧化酶活力影响的三维及等高线图，见图4。当Ⅳ区挤压温度高，液体进料量高时，脂肪氧化酶酶活高。由Design-Expert 8.0.6软件分析可以得出最佳钝化脂肪氧化酶活力的挤压参数为螺杆转速111.45 r/min，液体进料量19.02%，Ⅳ区挤压温度109.17，此时的脂肪氧化酶活力预测值为415.87 U/L。

图4 两因素交互对复配粉Y1和Y2影响的响应面和等高线图

2.2.3 影响复配粉SDF的主要因素分析

根据拟合模型将次要的因素固定为编码0，即Ⅳ区挤压温度110，绘制其他2个因素对复配粉的SDF影响的三维及等高线图。由图7可知当螺杆转速高，液体进料量高，SDF高。应用Design-Expert 8.0.6软件分析可以得出最佳增加SDF的挤压参数为螺杆转速113.43 r/min，液体进料量20.98%，Ⅳ区挤压温度107.64，此时复配粉的SDF预测值为7.28 g/100 g。

2.2.4 验证试验

应用Design-Expert 8.0.6软件同时对复配粉的脂肪氧化酶活力和SDF进行优化，从而得出最佳挤压工艺为：螺杆转速110.27 r/min，液体进料量19.00%，Ⅳ区挤压温度108.86，此时脂肪氧化酶活力预测值为416.66 U/L，SDF预测值为6.457 g/100 g。按照实际情况将挤压条件调整为螺杆转速110 r/min，液体进料量19.00%，Ⅳ区挤压温度109，根据优化后的挤压条件对复配粉进行挤压处理，测定脂肪氧化酶活力和SDF，进行3次重复试验，脂肪氧化酶活力平均值为421.15±2.13 U/L，SDF平均值为6.39±0.58 g/100 g，与预测值接近，说明了此响应面法得到的回归模型具有一定可靠性。

3 结论

以小麦麸皮、胚芽复配粉为原料，在单因素试验基础上，通过Box-Behnken的中心组合设计响应面法建立3个影响因素（螺杆转速、液体进料量、Ⅳ区挤压温度）与2个响应值（脂肪氧化酶酶活力、SDF）相互作用的数学模型，得出复配粉最佳挤压工艺参数为：螺杆转速110 r/min，液体进料量19.00%，Ⅳ区挤压温度109，此条件下预测值为脂肪氧化酶活力416.66 U/L，SDF 6.457 g/100 g，进行重复试验测得脂肪氧化酶活力平均值为421.15±4.13 U/L，SDF平均值为6.39±0.28 g/100 g，与预测值基本一致，证明模型具有较好拟合度和可靠性。

相较于未处理小麦麸皮、胚芽复配粉，挤压处理后复配粉的脂肪氧化酶活力降低51.77%，SDF增加39.82%，结果表明挤压处理能有效钝化复配粉中脂肪氧化酶活力，同时有效提高复配粉中可溶性膳食纤维含量。工艺可增加全麦粉的保质期和提高全麦产品功能性，为企业生产提供理论支撑。