用物理参数表征挤压膨化后藜麦糊化度的探索研究

赵嘉祺，周学永，李 鹏，杨红澎，高建强，付荣霞

(山西师范大学生命科学学院1，太原 030000) (天津农学院食品科学与生物工程学院2，天津 300384) (天津农学院农学与资源环境学院3，天津 300384) (山西亿隆藜麦开发股份有限公司4，忻州 034000)

藜麦作为一种新型谷物不仅营养价值高，且含有多种生物活性成分[1]，研究藜麦的深加工技术对我国藜麦产业的发展具有重要意义。挤压膨化技术集混合、搅拌、破碎、加热、杀菌、膨化及成型为一体，能够实现一系列连续单元操作，已被广泛应用于食品生产[2]。膨化产品的膨化状态形成主要是靠原料中的淀粉完成的[3]，在挤压膨化过程中由于高温高压的作用，淀粉分子之间的氢键被破坏，结晶度降低；同时螺杆的高速转动使物料受到较强的机械剪切力作用，促使淀粉发生糊化和降解[4]。分子之间相互结合交联形成网状结构，通过挤出、膨胀、降温、成型后，形成性能独特的膨化产品[3]。

为研发藜麦速食产品，藜麦挤压膨化逐渐受到了重视[5]。为了顺利完成谷物的挤压膨化，必须对藜麦挤压膨化的程度进行表征，常用的表征指标主要有糊化度[6,7]和膨化度[8,9]两种。目前，关于藜麦挤压膨化各指标之间的相关性研究较少，其他谷物挤压膨化指标相关性研究多集中于各物理参数之间[10,11]，与糊化度的相关性研究也较少。糊化度的测定方法主要包括传统的碘呈色法、酶解法以及新型的差示扫描量热分析法、快速黏度分析仪法、近红外光谱分析法等[12,13]。传统方法需要大量的试剂，耗时长，不利于生产时的即时性测定；新型仪器分析方法虽然有用样量少、测定时间短的特点，但是对仪器性能的要求较高，一般都需要进行参数矫正和预测，前期准备工作较复杂。

由于糊化度的测定费时、繁琐且成本高，膨化度这一物理指标开始被众多研究者采用[8,9]。然而，膨化度与糊化度之间的相关关系并没有被相关实验所证实。本研究在前期探索中发现，在藜麦挤压膨化后的膨化度与糊化度之间没有显著相关性，本研究采用3因素3水平正交实验法对藜麦进行挤压膨化加工，共得到9个批次的产品，通过探索糊化度与膨化度、密度、水溶指数、吸水指数、色差和沉降率等物理参数之间的相关性，寻找新的可替代性的物理参数来表征藜麦的糊化程度，旨在为挤压膨化后藜麦的品质评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦；碘、碘化钾、氢氧化钾、盐酸：分析纯。

1.2 仪器与设备

DSE30-Ⅱ型双螺杆实验机，FS1000-1型高速粉碎机，CM-5型台式高精度分光测色仪，UV1800PC型紫外可见分光光度计，217-064型游标卡尺。

1.3 方法

1.3.1 技术路线

藜麦籽粒→粉碎→过筛(60目)→调节含水量(原藜麦的含水量为8%)→挤压膨化→冷却→密封冷藏→测定糊化度及物理参数。

1.3.2 正交实验设计

在预实验基础上，通过单因素实验，选定藜麦挤压膨化正交实验的加水量为10%～18%，设置挤压膨化前三区的温度分别为50、80、120 ℃，改变第四区温度，选定为120～160 ℃，选定螺杆转速为30～50 Hz。本研究通过3因素3水平正交实验对藜麦挤压膨化糊化度与各物理指标之间的相关性进行探索，因素和水平见表1，正交实验设计见表2。

表1 L9(33)正交实验的因素和水平

表2 L9(33)正交实验设计

1.3.3 糊化度的测定

参照Birch等[14]的方法略加改动，取膨化前后的藜麦粉碎后过60目筛，称取0.2 g样品粉末于98 mL蒸馏水中，加入10 mol/L的KOH溶液2 mL，在磁力搅拌器上搅拌5 min，将悬浊液以4 000 r/min离心10 min，取1 mL上清液，加入0.5 mol/L盐酸0.4 mL，加蒸馏水至10 mL，最后加入0.1 mL碘液(1 g 碘和4 g碘化钾溶于100 mL蒸馏水中)，混合均匀，于600 nm处测吸光度A1。将蒸馏水和氢氧化钾溶液体积替换为95 mL和5 mL，盐酸体积替换为1 mL，其余步骤相同，测得吸光度A2，糊化度按式(1)计算。

(1)

1.3.4 膨化度的测定

参考Ding等[15]的方法，随机取挤压膨化后的藜麦条10段，用数显游标卡尺测横截面的直径d，10次测量结果取平均值，膨化度按式(2)计算。

(2)

式中:d为膨化藜麦条横截面的直径/mm；D为挤压机模口直径/3.00 mm。

1.3.5 密度的测定

参考刘艳香[16]的方法略加改动，用石英砂置换的方法测定挤压膨化藜麦的密度，取一定质量的挤压膨化藜麦条，放入量筒中，将石英砂缓慢倒入量筒并完全淹没样品，直至达到量筒最大刻度线，测量石英砂的体积，重复测量3次，每个样品随机取样3次，密度按式(3)计算。

(3)

式中:m为挤压膨化藜麦条的质量/g；v0为量筒体积/100 mL；v为石英砂体积/mL。

1.3.6 色差的测定

参考金铁等[17]的方法，取膨化前后的藜麦粉碎后过60目筛，利用台式分光测色仪对挤压膨化藜麦粉的L*值(明度值)、a*值(红-绿值)、b*值(黄-蓝值)及膨化前藜麦粉的L0、a0、b0进行测定，按式(4)计算ΔE*(色差)，每个样品重复测量3次。

(4)

1.3.7 吸水性指数与水溶性指数的测定

参考裴斐等[18]的方法，取膨化前后的藜麦粉碎后过60目筛，取2 g样品粉末，质量记为m0，倒入50 mL已知质量m1的离心管中，加入20 mL蒸馏水，剧烈振荡2 min，使样品粉末均匀分散为悬浊液，将悬浊液于30 ℃水浴中保温30 min，每隔10 min振荡1 min，水浴后4 000 r/min离心15 min，离心后将上清液倒入已知质量m2的培养皿中，放入105 ℃烘箱烘干至恒重m3，并称量离心管和沉淀的质量m4，水溶性指数(water soluble index，WSI)和吸水性指数(water absorption index，WAI)按式(5)和式(6)计算。

(5)

(6)

1.3.8 沉降性的测定

参考刘霭莎等[9]的方法略加改进，取膨化前后的藜麦粉碎后过60目筛，分别称取1 g样品粉末于25 mL具塞试管中，分别加入20 mL蒸馏水剧烈振荡1 min，静置30 min，观察分层情况及界面下降高度，根据式(7)计算沉降率。

(7)

式中：h为上层液高度/mL；H为液体总高度/mL。

1.4 数据处理

每次实验重复3次，结果均以“平均值±标准差”表示。用SPSS 19.0对数据进行方差分析(显著性水平设置为0.05)，用Duncan检验进行多重比较分析差异显著性。用Microsoft Office Excel 2019进行数据整理和作图，计算相关系数。

2 结果与讨论

2.1 挤压膨化后藜麦糊化度及各物理参数的正交实验结果及方差分析

2.1.1 正交实验结果

进行正交实验,藜麦经挤压膨化处理的糊化度、膨化度、密度、水溶性指数、吸水指数、色差、沉降率的结果见表3。

表3 正交实验结果

2.1.2 方差分析

由表4可知，挤压膨化3个因素对藜麦糊化度影响的顺序为：第四区温度>加水量>螺杆转速，且加水量和第四区温度对糊化度有显著影响(P<0.05)，螺杆转速对糊化度影响不显著(P>0.05)。挤压膨化3个因素对藜麦膨化度影响的顺序为：第四区温度>螺杆转速>加水量，且第四区温度和螺杆转速对膨化度有显著影响(P<0.05)，加水量对膨化度影响不显著(P>0.05)；挤压膨化3个因素对藜麦沉降率影响的顺序为：第四区温度>螺杆转速>加水量，且第四区温度对沉降率有显著影响(P<0.05)，但加水量和螺杆转速对沉降率影响不显著(P>0.05)；挤压膨化3个因素对密度、水溶性指数、吸水性指数、色差的影响均不显著(P>0.05)。

表4 方差分析表

2.2 挤压膨化后藜麦的糊化度与各物理参数的相关性分析

根据线性相关系数r的临界值表[19]，自由度为7时，当α=0.05，r=0.666 4；当α=0.01，r=0.797 7。表5是以藜麦挤压膨化后的糊化度为横坐标，分别以各物理参数为纵坐标，绘制散点图得到的相关方程与相关系数。

表5 藜麦挤压膨化糊化度与各物理参数的相关方程与相关系数

2.2.1 糊化度与膨化度的相关性

由表5可知，糊化度与膨化度的相关系数为r=0.403 2<0.666 4，即糊化度与膨化度之间无显著相关性(P>0.05)。通过正交实验结果可知，藜麦糊化度和膨化度均受温度的显著影响(P<0.05)，而螺杆转速对膨化度有显著影响(P<0.05)而对糊化度没有显著影响(P>0.05)。对于谷物糊化而言，温度和水分是必需因素[20,21]，因为淀粉只有在加热条件下吸水膨胀才能形成淀粉糊。虽然藜麦的糊化温度只有70 ℃左右[22]，但适当提高温度可以加快分子运动速率，加快糊化进程。螺杆转速的高低影响物料在挤压膨化机内的内停留时间，转速慢则物料停留时间延长，机腔压力增大[23]。在本研究中140～180 ℃高温条件下，只要水分合适，藜麦就能迅速完成糊化，因此螺杆转速对糊化度影响不大。

然而对于膨化度而言，直接的影响因素是物料的均匀液化和强大的压差[24]，当水分和温度能够保障藜麦实现均匀液化的前提，压差就成了物料被膨化成结构疏松、多孔酥脆产品的关键因素。由于螺杆转速影响物料在挤压膨化机内的内停留时间，进而影响到物料的温度和压力，一般呈现出螺杆转速增大、膨化度降低，螺杆转速减小、膨化度增大的规律[24]。

由于挤压膨化工艺参数对糊化度与膨化度的影响趋势不尽相同，导致二者之间不一定存在相关性。此外，淀粉在糊化过程中所发生的成分转化，也可能成为糊化度与膨化度之间缺乏相关性的一个因素。有报道认为，淀粉在糊化过程中由于切断了淀粉中的α-1,6糖苷键，导致部分支链淀粉转化为直链淀粉[20]，使直链淀粉含量提高[25]。前期研究认为，支链淀粉与直链淀粉的比例影响谷物的膨化性能[26]，支链淀粉含量增高，有利于提高产品的膨化度；而直链淀粉含量增高，则会降低产品的膨化度。由于谷物糊化导致的直链淀粉升高有可能影响到膨化性能，因此，糊化与膨化之间也可能会出现不协调现象。

2.2.2 糊化度与密度的相关性

由表5可知，糊化度与密度的相关系数为r=0.082 5<0.666 4，即糊化度与密度之间无显著相关性(P>0.05)。这是因为密度的大小由挤压膨化产品的含水量以及体积共同决定。实验结果表明，加水量对密度的影响远大于温度和螺杆转速(表4)，这就意味着物料的含水量较高，挤出物的含水量也高，密度也较大。杜双奎[11]在研究挤压膨化对玉米膨化特性的影响中也发现，挤压膨化后产品的含水量与密度有显著相关性(P<0.05)，且膨化前物料的含水量对产品的密度有极显著影响(P<0.01)。

而糊化度同时受加水量和第四区温度的显著影响(P<0.05)，当加水量低时(10%)，产品糊化度和密度均较小；当加水量提高到14%时，产品平均糊化度由81.44%提高到86.47%，产品平均密度由0.11 g/mL提高到0.32 g/mL，糊化度与密度呈同步增加的趋势；当加水量提高到18%时，由于物料含水量已经超过淀粉糊化所需要的含水量，产品平均糊化度基本保持不变(86.48%)，而产品平均密度则继续提高到0.42 g/mL(图1)。通过分析可知，当含水量不足时，糊化度与密度的变化趋势具有一定的一致性；而当物料含水量达到淀粉糊化所需要的水量时，二者之间的一致性就会被打破，导致糊化度与密度之间的相关性不再显著(P>0.05)。

图1 加水量对糊化度和密度的影响

2.2.3 糊化度与水溶性指数和吸水性指数的相关性

由表5可知，糊化度与水溶性指数的相关系数为0.666 4

2.2.4 糊化度与色差的相关性

由表5可知，糊化度与色差的相关性系数为r=0.540 8<0.666 4，即糊化度与色差之间无显著相关性(P>0.05)。在挤压膨化过程中，由于高温高压的作用，物料中的淀粉会发生糊化，从而使整个挤出物的颜色变为黄褐色[33]。但研究发现物料在挤压过程中会发生美拉德反应和焦糖化反应，也会导致产品色泽发生改变[33，34]，如高温会导致物料发生焦糊结成硬块，内部的淀粉无法吸水受热糊化，糊化度就会降低[7]，但物料的颜色会变深。而且由于物料加水量的不同会导致挤出物的含水量不同，这也会对色泽产生一定影响[11]，因此，藜麦挤压膨化后的色泽不仅与淀粉糊化相关，是多种因素共同作用的结果。

2.2.5 糊化度与沉降率的相关性

由表5可知，糊化度与沉降率的相关性系数为r=0.892 0>0.797 7，即糊化度与沉降率之间呈极显著负相关(P<0.01)。沉降率可反映悬浊液的稳定性，由于经挤压膨化后，物料中的淀粉、蛋白质等大分子被破坏，发生降解后生成许多小分子，分散悬浮在水中不容易发生沉降[35]。淀粉糊化吸水溶胀，分子结构舒展，受外围的支链淀粉的束缚减弱，内部的直链淀粉被释放，使悬浮液的黏度增大，稳定性升高[36，37]。而且挤压膨化后的物料形成疏松多孔的结构，吸水后占据更大位置，沉降率降低[9]。综上，淀粉的糊化和降解是导致加压膨化后产品粉末悬浊液稳定性升高的主要原因，因此，糊化度和沉降率会呈现极显著负相关(P<0.01)。

2.3 验证实验

糊化度与沉降率之间存在极显著负相关(P<0.01)，糊化度与水溶性指数和吸水性指数之间均存在显著正相关(P<0.05)。为验证该实验结果的可靠性，设定不同于正交实验的实验组，随机挑选膨化效果较好的3组进行糊化度与沉降率、水溶性指数和吸水性指数的验证实验，具体实验结果如表6～表8所示。不同工艺参数下挤压膨化藜麦粉的糊化度与沉降率、水溶性指数和吸水性指数的关系与正交实验的相关性分析一致，实测糊化度与预测糊化度相对偏差较小，沉降率对糊化度的预测相对偏差小于2%，水溶性指数对糊化度的预测相对偏差小于4%，吸水性指数对糊化度的预测相对偏差小于6%。

表6 沉降率表征糊化度的验证实验结果

表7 水溶性指数表征糊化度的验证实验结果

表8 吸水性指数表征糊化度的验证实验结果

3 结论

藜麦经挤压膨化后淀粉发生糊化，粉末的水溶性、吸水性及沉降性得到改善，冲调性能提升，可用来加工各种藜麦粉糊类冲泡产品。本研究通过正交实验对挤压膨化后藜麦的糊化度和各物理参数进行测定，分析糊化度与各物理指标之间的相关性，发现糊化度与水溶性指数和吸水性指数之间均存在显著正相关(P<0.05)，糊化度与沉降率之间存在极显著负相关(P<0.01)，并通过验证实验验证了这一结果的可靠性。因此，在实际生产中，吸水性指数、水溶性指数和沉降率可作为简单的物理参数来表征藜麦挤压膨化后的糊化度，与化学法相比具有简便快捷的特点。