小麦糊粉层粉的挤压稳定化处理条件优化

靳灿灿，温纪平，朱慧雪

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

随着人们生活水平的提高和对健康的重视，面粉高精度与低营养的矛盾越来越突出，而小麦糊粉层粉可以化解这种矛盾，解决精制面粉膳食纤维和营养物质缺失的问题[1]。小麦糊粉层粉中的膳食纤维、蛋白质、有益脂类、矿物质、维生素B类等高营养活性成分以及具有抗氧化能力的酚酸类等物质，不仅可以为人体提供营养，而且可以很好地预防高胆固醇症、糖尿病、心血管疾病、结肠癌等慢性疾病[2]。由于小麦糊粉层粉靠近小麦籽粒的外种皮，与此同时会引入较多的脂类、酶类和微生物等使其极易发生氧化酸败导致脂肪酸值明显增加，从而大大缩短它的货架期[3]。脂肪酸值体现的是小麦粉中游离脂肪酸的含量，反映了小麦粉的新鲜程度，是衡量小麦粉品质优劣的主要指标[4]。脂肪酶的酶促反应可以水解小麦糊粉层粉中的脂质并产生游离脂肪酸，而且还影响脂肪酸的氧化和降解，主要通过脂肪氧合酶作用或自氧化降解[5]，自氧化可通过小麦糊粉层粉中的脂质与氧气的非酶促反应发生。因此，有必要对小麦糊粉层粉进行稳定化处理。

挤压技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等为一体的高新技术，可以有效改善物料稳态化，已经广泛应用于粮油加工行业[6]。目前国内外学者采用挤压技术主要研究了全麦粉、燕麦、麸皮、胚芽、米糠等的稳定化处理[7-11]，而关于单独对小麦糊粉层粉进行稳定化处理的研究还未见报道。作者旨在探究挤压处理是否可以达到降低小麦糊粉层粉中的脂肪酸值、酶活性、微生物含量的效果，对比分析挤压处理前后小麦糊粉层粉的抗氧化能力及营养品质的差异。挤压机的工作原理是具有一定水分含量的物料进入套筒内的加热区后，协同挤压机螺杆双向剪切的向前推进作用将物料从进料端输送到模口端。在此过程中，物料被加热，并且剧烈摩擦产生足够的热量，利用物料中的水分含量蒸煮物料，使物料在剧烈的挤压力、剪切力以及高温蒸煮条件下发生变化。因此，作者重点研究了不同挤压参数对小麦糊粉层粉中脂肪酸值的降解效果，如螺杆机壳的模口温度、挤压机的主机频率和挤出物料的初始水分含量，确定小麦糊粉层粉的最佳挤出条件，以期为小麦糊粉层粉的稳定化处理奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦糊粉层粉：山东知食坊食品科技有限公司。

植酸标准品、没食子酸：北京索莱宝科技有限公司；总抗氧化能力试剂盒：南京建成生物工程研究所。试验所用试剂均为分析纯。

DS 32型双螺杆试验机：济南赛信膨化机械有限公司；THZ-82A振荡器：河南捷隆科技有限公司；SPX-150B-Z生化培养箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；HJ-6磁力加热搅拌器：金坛区西城新瑞仪器厂；LXJ-IIB低速大容量多管离心机：上海安亭科学仪器厂；SW-CJ-1D单人单面垂直净化工作台：苏州智净净化设备有限公司；Fibertec E膳食纤维分析仪、TM8400凯氏定氮仪：FOSS分析仪器公司；光吸收型单功能酶标仪：上海艾研生物科技有限公司； UV2150/2150紫外/可见分光光度计：龙尼柯(上海)仪器有限公司；SMY2000型色差计：北京盛名扬科技发展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 小麦糊粉层粉的挤压稳定化处理方法

挤压前处理：将小麦糊粉层粉分别调到目标水分含量(14%、16%、18%、20%、22%、24%)并均质一段时间后进行挤压稳定化处理。

挤压处理：采用DS 32型双螺杆试验机进行单因素及正交试验。

挤压后处理：挤压后的物料立即在50 ℃条件下烘3 h，使用密封型摇摆式万能粉碎机将其粉碎后过60目(<250 μm)筛。

1.2.2 小麦糊粉层粉理化指标的测定

水分的测定参照GB 5009.3—2016；灰分测定参照GB 5009.4—2016；粗蛋白的测定参照GB 5009.5—2016；粗淀粉的测定参照GB 5009.9—2016；粗脂肪的测定参照GB 5009.6—2016；脂肪酸值的测定参照GB/T 5510—2011。

1.2.3 模口温度单因素试验

喂料频率恒定13 Hz，固定主机频率15 Hz，物料水分含量20%，设置挤压机三区(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ)温度分别为30/100/120 ℃、30/110/130 ℃、30/120/140 ℃、30/130/150 ℃、30/140/160 ℃(以下简称模口温度分别为120、130、140、150、160 ℃)进行试验，测定样品脂肪酸值的变化，3次平行试验取均值。

1.2.4 主机频率单因素试验

喂料频率恒定13 Hz，固定模口温度140 ℃，物料水分含量20%，设置主机频率9、12、15、18、21 Hz进行试验，测定样品脂肪酸值的变化，3次平行试验取均值。

1.2.5 物料水分含量单因素试验

喂料频率恒定13 Hz，固定模口温度140 ℃，主机频率15 Hz，设置物料水分含量16%、18%、20%、22%、24%进行试验，测定样品脂肪酸值的变化，3次平行试验取均值。

1.2.6 挤压稳定化处理正交优化试验

在单因素试验的基础上进行正交试验，确定小麦糊粉层粉挤压稳定化处理的最优工艺参数。

1.2.7 小麦糊粉层粉相关指标的测定

脂肪酶活力测定参照GB/T 5523—2008；脂肪氧化酶活力测定参考文献[12]中的方法；植酸含量测定参考Buddrick等[13]的方法；微生物的测定参照GB 4789.2—2016；总膳食纤维和可溶性膳食纤维的测定参照GB 5009.88—2014；戊聚糖的测定参照郑学玲等[14]使用的方法；总酚的测定参考韩雪[15]使用的方法；总抗氧化能力按照南京建成生物工程研究所提供的总抗氧化能力检测试剂盒说明书测定；持水力和膨胀力的测定参照李梦琴等[16]使用的方法；处理后小麦糊粉层粉的色泽采用色差计进行测定。

1.3 数据统计与分析

采用Excel、SPSS 25.0软件对数据进行处理，使用Origin 9.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 小麦糊粉层粉的基本组成

小麦糊粉层粉的基本组分测定结果见表1。

表1 小麦糊粉层粉的基本组成

2.2 单因素试验

2.2.1 模口温度对小麦糊粉层粉脂肪酸值的影响

由图1可知，模口温度在120～130 ℃时小麦糊粉层粉脂肪酸值下降不显著，随着模口温度的升高，物料吸收的热量逐渐增大，小麦糊粉层粉的脂肪酸值显著降低(P<0.05)，这主要是因为高温对游离脂肪酸具有破坏作用[17]。随着温度的继续升高，物料散发出来的麦香味也越加浓郁，在150 ℃时物料出现轻微焦煳味，当温度达到160 ℃时，物料发生严重焦煳现象。

图1 模口温度对脂肪酸值的影响

2.2.2 主机频率对小麦糊粉层粉脂肪酸值的影响

由图2可知，小麦糊粉层粉经挤压处理后，脂肪酸值随主机频率的增高显著降低(P<0.05)，这主要是因为主机频率越高，挤压机双螺杆的转速越快，物料在挤压机内的热作用时间缩短，同时物料受到的挤压加压作用加强[18]，小麦糊粉层粉在螺杆间剧烈摩擦产生足够的热量蒸煮物料，从而达到降低物料脂肪酸值的效果。

图2 主机频率对脂肪酸值的影响

2.2.3 物料水分含量对小麦糊粉层粉脂肪酸值的影响

由图3可以看出，用于挤压处理的小麦糊粉层粉初始水分含量越高其脂肪酸值降低效果越好，这与蔡易辉[19]的研究结果一致。主要是因为物料中的水分在较高挤压温度下迅速汽化，使挤压机套筒内产生巨大的压强，在相同温度下物料水分含量越高产生的压强越大，因此穿透能力越强，对脂肪酸的降解效果越好。

图3 物料水分含量对脂肪酸值的影响

2.3 正交试验

在单因素试验的基础上进行正交优化试验。以A模口温度、B主机频率、C物料水分含量为因素(挤压机3个区温度设置分别为40/120/145 ℃、40/125/150 ℃、40/130/155 ℃，以下简称145、150、155 ℃)，选用L9(34)进行试验，试验设计及结果见表2。

表2 正交试验设计与结果

由表2可知，影响脂肪酸值的因素由主到次为C、A、B，即物料水分含量>模口温度>主机频率。脂肪酸值反映的是样品酸败的程度，因此取最小值，理论的最优方案为A1B2C3，即模口温度145 ℃、主机频率18 Hz、物料水分含量24%。经验证，A1B2C3的脂肪酸值为86 mg/100 g，小麦糊粉层粉中初始的脂肪酸值为340 mg/100 g，该条件下的脂肪酸值降低了74.71%。因此，可将A1B2C3作为最优方案。

2.4 小麦糊粉层粉稳定化处理前后成分分析

挤压稳定化处理对小麦糊粉层粉中酶活力和微生物的影响见表3。

表3 挤压对小麦糊粉层粉中酶活力和微生物的影响

由表3可知，挤压处理钝酶效果极为显著，小麦糊粉层粉中的脂肪酶活力由原来的435.20 mg/g减少到37.00 mg/g，灭活了91.50%；脂肪氧化酶的残余酶活力为15.07%，灭活了84.93%；挤压处理使微生物菌落总数也显著降低，这主要是因为物料在挤出过程中，要经受水分、高压、高温和机械剪切的综合作用[20]，从而使酶蛋白失活，而微生物在如此剧烈的环境中也难以生存，从而达到灭酶、减菌的效果。

挤压稳定化处理前后小麦糊粉层粉相关成分对比见表4。植酸是一种抗营养因子，它不仅会影响蛋白质、淀粉和脂肪的利用，而且会严重抑制矿物质元素在肠道中的吸收[21]。挤压处理显著降低了小麦糊粉层粉中的植酸含量，由初始的24.76 mg/g下降到14.05 mg/g，降低了43.30%，这是因为植酸盐在高温下不稳定，易被水解成低磷酸肌醇酯和磷酸盐。同时，挤压处理显著增加了小麦糊粉层粉的总膳食纤维(TDF)、可溶性膳食纤维(SDF)含量，分别由28.10 g、3.66 g/100 g增长到29.50、3.76 g/100 g，增长率分别为4.98%、2.73%。大量试验结果证明，挤压处理可以增加TDF和SDF的含量[15,22-25]，这可能是因为小麦糊粉细胞壁中含有较多的低聚半乳糖、β-葡聚糖、木质素、纤维素和半纤维素等大分子物质，经挤压处理后，一些大分子量物质中部分共价键和非共价键断裂，导致片段更小、更易溶[24]，从而使TDF、SDF含量增加。戊聚糖是小麦籽粒中主要的非淀粉多糖，是膳食纤维的主要成分[26]，戊聚糖含量的增加可能与小麦糊粉层粉中TDF、SDF含量增加有关，这与Teresa等[27]的结论一致。小麦糊粉层粉经挤压后，总酚含量和总抗氧化能力分别增加了100.65%、124.13%。挤压是一种结合机械剪切和温度影响破坏细胞壁结构的加工方法[28]，因此总酚含量的增加可能与挤压处理后糊粉细胞的破裂有关，这会导致阿魏酸(FA)的释放[29]，阿魏酸是最常见的酚酸之一，它大量存在于谷物的糊粉层中。酚酸主要通过酯键和细胞壁中的其他物质共价结合[30]，而挤压的高剪切力可能切断酯键从而使结合态的酚酸游离出来使总酚含量增加。FA被认为是小麦糊粉层具有抗氧化能力的主要贡献者[31]。Rosa等[32]指出，当糊粉层细胞破裂后，随着颗粒比表面积和开口率的增加，与细胞壁相连的FA暴露量更高，细胞内的共轭游离FA、维生素E等被释放出来使总抗氧化能力增加。也有文献表明，总酚含量与抗氧化能力呈正相关[33]，从试验结果可以看出，总抗氧化能力的增长与总酚含量的增长具有一致性。

表4 挤压对小麦糊粉层粉相关成分的影响

2.5 挤压稳定化处理对小麦糊粉层粉的持水力、膨胀力以及色泽的影响

由表5可知，经挤压处理后的小麦糊粉层粉的持水力、膨胀力显著增大，分别由挤压前的2.21 g/g、1.20 mL/g增长到3.77 g/g、4.09 mL/g，增长率分别为41.40%、70.70%，这与韩雪[15]的研究结果一致，这主要是因为经挤压处理后的小麦糊粉层粉具有较多疏松多孔的结构、凹凸不平的表面和较大的裸露表面积[25，34]，也可能是小麦糊粉层粉中纤维的降解造成持水力和膨胀力的增加。挤压处理后的小麦糊粉层粉L*减小，a*和b*增大，即色泽变暗，红值和黄值增加，这可能是在挤出的过程中小麦糊粉层粉的蛋白质和还原糖在热作用下发生了美拉德反应，同时伴随着焦糖化反应造成的。

表5 挤压对小麦糊粉层粉的持水力、膨胀力、色泽的影响

3 结论

通过对不同挤压条件处理后的小麦糊粉层粉中脂肪酸值的测定和分析，并结合正交试验优化了挤压稳定化的处理参数，得出最佳处理条件：挤压温度145 ℃、物料水分含量24%、主机频率18 Hz，该条件下脂肪酸值含量仅为86 mg/100 g，脂肪酶活力为37.00 mg/g，脂肪氧化酶活力为15.07%，植酸含量降低了43.30%，挤压稳定化效果显著。同时，经挤压处理后小麦糊粉层粉的总膳食纤维含量增加了4.98%，可溶性膳食纤维含量增加了2.73%，戊聚糖含量增加了1.86%，总酚含量增加了100.65%，总抗氧化能力增加了124.13%，以及小麦糊粉层粉的持水力增加了41.40%，膨胀力增加了70.70%。挤压处理在提高小麦糊粉层粉的安全性的同时还增加了小麦糊粉层粉的营养品质和功能特性，为小麦糊粉层粉的加工利用奠定了基础。