双螺杆挤压复合方便粥配方优化及品质分析

王 晨，王 燕，吴卫国，廖卢艳

（湖南农业大学食品科学技术学院，湖南长沙 412000）

近20年来，随着经济发展及城市化进程的推进，人们的生活方式和饮食结构发生了较大改变，居民膳食中高脂肪、高盐、高糖、高热量的食物摄入比逐年增加，进而引发了高血压、肥胖症、糖尿病等富贵病的出现，现在人们逐渐意识到均衡饮食的重要性，对方便、快捷、营养均衡的食品逐渐青睐[1]。方便粥，在我国市场上一般分为冲泡型和即食型两大类，这两类食品的共同优势都在于保留了杂粮食品中大部分营养，且具有良好的口味[2]。大部分挤压膨化方便粥主要由马铃薯[3]、高粱[4]、绿豆[5]、黑米、小米等单一或两种原料制成，所含营养成分也较为单一，不适合希望以此来改善自身饮食不均衡的人群、肥胖人群等特殊人群的食用[6]。谷物中所含的膳食纤维对降胆固醇、降血糖有较好的辅助效果；谷物中蛋白质所含必需氨基酸种类齐全、含量丰富，能维持机体正常的生理活动，调节机体代谢等重要生理功能。随着人们养生和保健意识的增强，人们对均衡膳食的要求逐渐增高，研发同时具备低糖、低热量、富含大量蛋白质和膳食纤维的功能性食品尤为重要。

燕麦蛋白质含量约为16%[7−8]，氨基酸种类丰富，其中，人体必需氨基酸含量均处于较高水平[9]，另外燕麦中富含膳食纤维、β-葡聚糖、酚类等活性成分，具有调节血糖、降低胆固醇、促进消化、抗氧化等功能与作用[10−12]。大米中淀粉占比最高，脂肪含量较低，富含优质谷蛋白，过敏性低，适于大众人群食用[13−14]。藜麦富含蛋白质、膳食纤维、酚类、皂苷、维生素等活性成分，一般谷物缺乏的限制性氨基酸赖氨酸含量尤为丰富，属于全营养食品，具有改善人体健康、预防慢性疾病的潜在价值[15−16]。黑豆蛋白质含量位居豆类之首，氨基酸含量丰富，黑豆蛋白质具有抗氧化、抗疲劳、延缓衰老等功效[17−18]。黑米中蛋白质、膳食纤维、矿物元素及维生素含量皆高于普通糙米，且富含花色苷、生育酚、谷维素等多种活性成分，具有调节血脂、血糖和抗炎等多种生理功能[19−22]。上述谷物在组成成分上都具有较高的营养价值，同时具有较为丰富的活性物质，对调节人体健康有益。

挤压加工技术是一种高温、短时的加工技术，集混合、剪切、蒸煮和成型等为一体，影响原材料的微观结构、化学特性、形状和质地[23]。挤压过程中的热机械能作用导致淀粉的糊化，蛋白质的变性，酶、微生物和多种抗营养因子的失活，此外挤压导致淀粉颗粒的破碎使得淀粉更容易被酶攻击，因此，挤压产品具有口感好、消化率高、营养物质易被吸收等优点[24]。方浩标等[25]研究发现，挤压膨化后紫糙米粉的淀粉晶体结构由A型转变为V型，结晶度下降；紫糙米粉表面变得光滑，呈现出较多的孔洞结构；表明挤压膨化技术能显著改善紫糙米粉的糊化性质与水化特性。刘鹏等[26]以小米粉为主要原料复配脱脂大豆粉，通过工艺优化降低了方便粥的升糖指数，糊化度、复水率和感官评分均维持较高水平。D-最优混料设计是一种将D-最优化设计应用于混料实验中的设计方法，该方法具有试验次数少，信息量充分，参数预测精度高，多目标同步优化的特点[27]。

本实验以碎米、大豆蛋白粉、藜麦、黑豆、燕麦、黑米为原料进行挤压膨化方便粥的生产，通过D-最优混料设计实验对上述六种原料粉的比例进行优化，以糊化度、复水率、吸水性（WAI）和感官评分为响应值，对优化后产品以相同指标进行测定。在方便粥中加入这六种原料，不仅赋予了方便粥丰富的营养，也提高了碎米及其他谷物的利用率。为低值大米深加工利用、开发营养且多功能食品提供理论和技术支撑，同时希望可满足市场对新型营养方便粥的需求。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

碎米 湖南角山米业有限责任公司；藜麦 昆明跃橙商贸有限公司；燕麦 张家口万全区燕脉食品有限公司；大豆蛋白粉 河北嘉硕食品添加剂有限公司；黑豆 黑龙江佰禾农贸有限公司；黑米 延寿县加信镇哈达粮油加工厂；糖化酶 酶活≥100000 U/mL，上海瑞永生物科技有限公司；所有试剂 均为分析纯。

FWHE36-24双螺杆挤压机 富马科公司；SFY-60水分测定仪 深圳冠亚水分仪科技有限公司；VAP 50s OT全自动凯氏定氮仪 德国Gerhardt公司。

1.2 实验方法

1.2.1 挤压工艺流程 筛选优质原料谷物→分别粉碎、过筛（60目）→按比例混匀→挤压膨化→烤炉干燥（160 ℃，15 s）→冷却→包装备用。

挤压工艺参数：通过预实验将挤压膨化机温区II区、III区、IV区、V区、VI区温度分别设为60、100、140、160、180 ℃；进水量15%；螺杆转速240 r/min。

1.2.2 单因素实验 碎米添加量的确定：固定大豆蛋白粉、藜麦、燕麦、黑豆、黑米添加量为10%、10%、10%、10%、10%，碎米添加量分别为40%、45%、50%、55%、60%，以确定碎米最佳添加量。大豆蛋白粉添加量的确定：固定碎米、藜麦、燕麦、黑豆、黑米添加量为50%、10%、10%、10%、10%，大豆蛋白粉添加量分别为10%、12%、14%、16%、18%，以确定大豆蛋白粉最佳添加量。藜麦添加量的确定：固定碎米、大豆蛋白粉、燕麦、黑豆、黑米添加量为50%、10%、10%、10%、10%，藜麦添加量分别为10%、15%、20%、25%、30%，以确定藜麦最佳添加量。燕麦添加量的确定：固定碎米、大豆蛋白粉、藜麦、黑豆、黑米添加量为50%、10%、10%、10%、10%，燕麦添加量分别为0%、5%、10%、15%、20%，以确定燕麦最佳添加量。黑豆添加量的确定：固定碎米、大豆蛋白粉、藜麦、燕麦、黑米添加量为50%、10%、10%、10%、10%，黑豆添加量分别为0%、5%、10%、15%、20%，以确定黑豆最佳添加量。黑米添加量的确定：固定碎米、大豆蛋白粉、藜麦、燕麦、黑豆添加量为50%、10%、10%、10%、10%，黑米添加量为2%、4%、6%、8%、10%，以确定黑米最佳添加量[28]。以上原料添加量均为质量添加量。

1.2.3 挤压膨化混料优化 根据单因素实验结果，得到碎米、大豆蛋白粉、藜麦、燕麦、黑豆以及黑米的比例范围，然后采用辅助软件Design Expert（V.10.0.3）中的D-最优混料实验（D-optimal）设计。以碎米、大豆蛋白粉、藜麦、燕麦、黑豆以及黑米的比例为变量，以复水率、糊化度、WAI和感官评分作为响应值。参考单因素实验结果，以原料总量为1，实验的因素及水平见表1。

表1 混料实验因素和水平Table 1 Factors and levels of experimental mixture design

1.3 指标测定方法

1.3.1 吸水性（WAI）的测定 将挤压膨化后的方便粥粉碎后过80目筛备用。准确称取2.0 g样品M置于已恒重50 mL离心管中，加入20 mL水，搅拌使其完全分散，于30 ℃恒温水浴锅保温30 min，每5 min搅拌10 s。接着在转速4000 r/min下离心15 min，分离上清液和沉淀。所有样品测3次取平均值。WAI （%）按下式（1）计算：

式中：m为沉淀（g）；M为样品质量（g）。

1.3.2 糊化度的测定 参考吴昊[29]的方法，将样品粉碎过80目筛，称取1 g样品，分别放入2个锥形瓶中（W1、W2），另取锥形瓶W0，不加样品做空白对照。于3个锥形瓶中分别加入50 mL蒸馏水，轻轻振荡至充分混合，将W1锥形瓶在电炉上保持微沸糊化20 min，保持其不被烧干并不断摇晃，然后冷却至室温。在3个锥形瓶中分别加入稀释的糖化酶5 mL，充分混匀，50 ℃恒温水浴1 h，及时取出加入2 mL盐酸（1 mol/L）终止反应，将反应物定容至100 mL，过滤备用。移取滤液各10 mL分别放入3个标记碘量瓶中，并且加入10 mL碘液（0.05 mol/L）及18 mL氢氧化钠（0.1 mol/L）溶液，盖塞，在暗处放置15 min，然后迅速加入2 mL硫酸，用硫代硫酸钠（0.1 mol/L）溶液滴定至无色，记录硫代硫酸钠消耗的体积。计算糊化度（%）如公式（2）。

式中：W0为空白消耗硫代硫酸钠的体积（mL）；W1为电炉糊化后样品消耗硫代硫酸钠的体积（mL）；W2为不经过电炉糊化的样品消耗硫代硫酸钠的体积（mL）。

1.3.3 复水率的测定 参考刘明等[30]的方法，精确称取挤压膨化后方便粥A（g）于小烧杯中，加入5倍量沸水轻轻搅动，加盖5 min 后滤出粥粒，用吸水纸快速擦干表面水分，立刻称量沥干样品的质量B（g），计算复水率（%）如公式（3）。

1.3.4 感官评价 称取膨化后的方便粥样品10 g置于洁净的一次性纸杯中，用30 mL沸水进行冲泡，冲泡时间为3 min，随后由10位经过专业培训的感官评鉴员品尝，并依据感官评价标准（表2）对样品进行打分，然后取平均值作为样品的最终感官评分。

表2 挤压方便粥感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standard of extruded instant porridge

1.3.5 基本成分测定

1.3.5.1 水分含量 参考GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

1.3.5.2 淀粉含量 参考GB 5009.9-2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》。

1.3.5.3 蛋白质含量 参考GB 5009.5-2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》采用Gerhardt 全自动凯氏定氮仪测定。

1.3.5.4 膳食纤维含量 参考GB 5009.88-2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》。

1.4 数据处理

采用 Origin 2018（美国Origin-Lab公司）软件进行单因素及曲线回归分析和制图，单组别实验重复3次，并计算标准误差；采用Design-Expert8.0.6软件D-optimal设计实验并进行数据分析，单组别实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 谷物添加量对挤压膨化方便粥品质的影响

2.1.1 碎米添加量对挤压膨化方便粥品质的影响由图1可知，随着碎米添加量的增加，挤压方便粥的WAI、感官评价与复水率均呈现先上升后下降的趋势；糊化度随着添加量的增加，呈现先上升后下降再上升的趋势。当碎米添加量为45%时，糊化度与WAI为最高水平分别为99.698%和424.29%；而添加量为55%时，感官评分和复水率达到最高值分别为82.2分和481.621%。随着碎米添加量的增加，复水率呈先升后降的趋势，可能是在某一范围内随着淀粉含量的增加，在高温、高剪切力作用下，淀粉迅速膨化，使产品空隙变大，空隙率变多，吸水速度变快，从而复水率增大。复水率越大，表明方便粥在冲泡相同时间内吸水量越大，冲泡后口感也更佳，表明感官评分与复水率有相同的变化趋势。故综合考虑，选择碎米添加量在40%~50%水平下开展进一步的研究。

图1 碎米添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.1 Effect of broken rice addition on the quality of extruded instant porridge

2.1.2 大豆蛋白粉添加量对挤压膨化方便粥品质的影响 由图2可知，随着大豆蛋白粉的添加，复水率、WAI、感官评分均呈先上升后下降的趋势，糊化度则是先降后升再降。随着大豆蛋白粉的增加，物料中蛋白质含量上升，有利于蛋白质分子与淀粉分子之间的缔合，蛋白质具有一定的润滑作用，物料与螺杆之间的剪切力下降，物料在腔体内停留的时间缩短，导致物料无法充分糊化，在添加量大于14%时出现急剧下降；复水率、WAI在10%~16%范围内呈上升趋势，而感官评分在14%达到最高80.1分，表明在14%添加量时具有最适口感。综合考虑，选择大豆蛋白粉的添加量在14%~18%水平下进行下一步研究。

图2 大豆蛋白粉添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.2 Effect of soybean protein powder addition on the quality of extruded instant porridge

2.1.3 藜麦添加量对挤压膨化方便粥品质的影响由图3可知，随着藜麦添加量的增加，方便粥的感官评分持续上升，糊化度、WAI、复水率均呈现先上升后下降的趋势，当添加量为20%时，糊化度与WAI达到峰值分别为99.698%和415.761%；在25%时，复水率达到峰值451.509%。复合粉在双螺杆挤压膨化机腔体内经高温、高压、高剪切力的作用处于熔融状态，其糊化度上升。淀粉颗粒出现破损和皱缩，大分子物质断裂成小分子物质，使其WAI、复水率上升。另外，藜麦具有较好的糊化稳定性，不易老化，可以改善口感，故感官评分持续上升[31]。故综合考虑，选择藜麦添加量在15%~25%水平下开展进一步的研究。

图3 藜麦添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.3 Effect of quinton addition on the quality of extruded instant porridge

2.1.4 黑豆添加量对挤压膨化方便粥品质的影响由图4可知，随着黑豆添加量的增加，方便粥的复水率、糊化度、WAI、感官评分等指标均呈现先上升后下降的趋势，当黑豆添加量为5%时，复水率与感官评分均达到峰值分别为472.986%、84.1分，WAI则在10%时达到最高水平442.694%，糊化度在15%时达到峰值99.701%。黑豆中蛋白质含量丰富，其中短肽占比较多，可溶性小分子物质增加，WAI上升；糊化度随添加量的变化趋于稳定。综合考虑，选择黑豆添加量0~10%水平开展进一步的研究。

图4 黑豆添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.4 Effect of black bean addition on the quality of extruded instant porridge

2.1.5 燕麦添加量对挤压膨化方便粥品质的影响由图5可知，随着燕麦添加量的增加，复水率、糊化度、WAI与感官评分均呈现先上升后下降的趋势，当燕麦添加量为5%时，WAI达到峰值408.346%，在添加量为10%时，糊化度与感官评分达到峰值分别为99.698%和84.8分，而在15%时，复水率达到最高水平399.850%。燕麦中含有大量的可溶性膳食纤维，挤压能提高膳食纤维的产出率[32]，随着添加量的增加可溶性膳食纤维及小分子物质含量增加，WAI与糊化度上升；燕麦通过挤压膨化，能更好的改善其口感，使其口感更佳[33]，感官评分与复水率上升。当添加量超过10%时，膳食纤维含量逐渐增加，大量的膳食纤维会降低适口性。综合考虑，选择燕麦添加量在0~10%水平下进行下一步研究。

图5 燕麦添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.5 Effect of oat addition on the quality of extruded instant porridge

2.1.6 黑米添加量对挤压膨化方便粥品质的影响由图6可知，随着黑米添加量的增加，糊化度与感官评分呈现先升后降趋势，复水率与WAI则呈持续上升趋势，当黑米添加量为6%时，糊化度与感官评分达到峰值分别为99.698%和79分。黑米支链淀粉中短链所占比重较大[34]，在高温、高压和高剪切力作用下极易发生结构上的变化，提高黑米的吸水系数和WAI，这与邱婷婷等[35]的研究趋势一致；在高剪切力和高温作用下，使更多水分子进入淀粉的空间结构，从而破坏分子间的缔合状态，使得糊化度上升；挤压改变了产物的组织结构，将膳食纤维、淀粉大分子等大分子物质剪切成小分子物质，细化了口感，感官评分上升。黑米添加量超过6%时，增强了分子间的缔合状态，使得糊化度下降，糊化度与感官评分下降。结合上述分析与混料比总和为1考虑，选择黑米添加量在2%~6%水平下开展进一步研究。

图6 黑米添加量对挤压膨化方便粥品质的影响Fig.6 Effect of black rice addition on the quality of extruded instant porridge

2.2 最优混料设计

2.2.1 模型及回归方程的建立 运用软件Design-Expert 8.0.6 进行数据处理及分析，实验方案及结果如表3所示，选用分析模型Quadratic回归方程分析法分析，得到糊化度（Y1）、复水率（Y2）、WAI（Y3）、感官评分（Y4）与混料碎米（A）、大豆蛋白粉（B）、藜麦（C）、燕麦（D）、黑豆（E）、黑米（F）的预测回归方程。

表3 D-最优混料设计表及结果Table 3 D-optimal mix design table and results

2.2.2 模型显著分析 对糊化度的回归模型进行方差分析，结果如表4所示，模型P<0.05，说明该回归模型达到显著水平，碎米、藜麦、大豆蛋白粉等六种原料之间具有显著的交互作用。失拟项P=0.0669>0.05不显著，说明该实验结果与数学模型拟合良好，此外，响应值的决定系数R2=0.8575，表明模型方程能较好的拟合糊化度与混料粉配方比例关系。从表4可知，AE对结果的影响达到极显著水平（P<0.01），表明碎米与黑豆对方便粥的糊化度有极强的影响，AF、CD对结果影响达到显著水平（P<0.05），表明碎米与黑米、藜麦与燕麦对糊化度影响显著，其余均对结果影响不显著。

对复水率的回归模型进行方差分析，结果如表4所示，模型P<0.05，说明该回归模型达到显著水平，各原料粉之间具有显著的交互作用。失拟项P>0.05，说明该实验结果与数学模型拟合良好，此外响应值的决定系数R2=0.8830，表明模型方程能较好地拟合复水率与混料粉配比关系。从表4可知，AB、AE、BE、DF对结果的影响达到极显著水平（P<0.01），表明碎米与大豆蛋白粉、碎米与黑豆、大豆蛋白粉与黑豆、燕麦与黑米对复水率的影响极显著，BC、CE对结果影响达到显著水平，表明大豆蛋白粉与藜麦、藜麦与燕麦对复水率的影响显著，其余均对结果影响不显著。

对WAI回归模型进行方差分析，结果如表4所示，模型P<0.05，说明该回归模型达到显著水平，各原料之间有显著的交互作用。失拟项P>0.05,说明该实验结果与数学模型拟合良好，此外响应值的决定系数R2=0.8516，表明模型方程能很好地拟合WAI与混料配方的比例关系。从表4可知，BF、CF对结果的影响达到了显著水平（P<0.05），表明大豆蛋白粉与黑米、藜麦与黑米对WAI的影响显著，其余均对结果的影响不显著。

表4 糊化度、复水率、吸水性、感官评分模型方差分析结果Table 4 Variance analysis result of gelatinization degree, rehydration rate, water absorption and sensory score model

对感官评分的回归模型进行方差分析，结果如表4所示，模型P<0.05,表明该回归模型达到显著水平，原料粉之间具有显著的交互作用。失拟项P>0.05，说明该实验结果与数学模型拟合良好，此外响应值的决定系数R2=0.8646，表明模型方程能很好的拟合感官评分与混料粉配方比例关系。从表4可知，DF对结果的影响达到显著水平（P<0.05），表明燕麦与黑米对感官评分的影响显著，其余对结果影响均不显著。

2.2.3 最优混料设计结果分析 选取交互作用较为明显的藜麦、黑豆、燕麦对糊化度影响的等高线图及3D图如图7所示，等高线中心形状为椭圆形，表明因素间交互作用较强；响应面为曲面，说明三者存在一定的交互作用，藜麦、黑豆、燕麦响应面陡峭，说明藜麦、黑豆、燕麦之间的交互作用明显；图像呈现拱形状，说明在混料中三者对方便粥糊化度影响显著。

图7 藜麦、黑豆、燕麦交互作用对糊化度影响的3D图（a）和等高线图（b）Fig.7 3D diagram （a） and contour diagram （b） of interaction among quinton, black bean and oat on gelatinization degree

选取交互作用较为明显的碎米、藜麦、大豆蛋白粉对复水率影响的等高线图及3D图如图8所示，等高线中心趋向椭圆形，表明碎米、藜麦、大豆蛋白粉之间有交互作用；响应面为曲面，说明三者之间存在交互作用，碎米、藜麦、大豆蛋白粉响应面陡峭，说明碎米、藜麦、大豆蛋白粉之间的交互作用明显；当碎米、藜麦、大豆蛋白粉取适宜比例时，对复水率有极大值，该极大值存在于响应面的顶端。

图8 碎米、藜麦、大豆蛋白粉交互作用对复水率影响的3D图（a）和等高线图（b）Fig.8 3D diagram （a） and contour diagram （b） of interaction of broken rice, quinoa and soybean protein flour on rehydration rate

选取交互作用较为明显的碎米、藜麦、大豆蛋白粉对WAI影响的等高线图及3D图如图9所示，等高线中心为椭圆形，表明碎米、藜麦、大豆蛋白粉三者之间存在交互作用，且等高线密集，交互作用显著；响应面为曲面，且靠近A碎米端的趋势较陡，表明碎米添加量越大对WAI影响越明显。

图9 碎米、藜麦、大豆蛋白粉交互作用对吸水性影响的3D图（a）和等高线图（b）Fig.9 3D diagram （a） and contour diagram （b） of interaction of broken rice, quinoa and soybean protein flour on water absorption

选取交互作用较为明显的碎米、藜麦、黑米交互作用对感官评分影响的等高线图及3D图如图10所示，等高线为椭圆形，表明三者存在显著交互作用；由3D图可知，在C藜麦添加量为20%时，曲面最为陡峭，表明当C藜麦添加量为20%时，出现感官评分的极大值。

图10 碎米、藜麦、黑米交互作用对感官评分影响的3D图（a）和等高线图（b）Fig.10 3D diagram （a） and contour diagram （b） of interaction of broken rice, quinoa and black rice on sensory evaluation

2.2.4 验证实验 通过Design Expert8.0.6软件分析得挤压膨化方便粥最佳混料配方为：碎米50%、大豆蛋白14%、藜麦20%、燕麦5%、黑豆5%、黑米6%，此时糊化度98.60%、复水率498.47%、吸水性485.59%、感官评分90.37分。按上述优化的配方进行挤压膨化，并进行3次平行验证实验，制备的样品糊化度为（97.48%±1.41%）、复水率为（488.36%±15.67%）、吸水性（493.89%±18.47%）、感官评分（91.14±2.30）分。与理论评分相比，变异系数分别为0.81、1.45、1.20、0.60。说明用该模型优化得到的挤压膨化方便粥配方参数准确可靠，具有实用价值。

2.3 挤压膨化方便粥营养成分分析

多种谷物配比的挤压膨化方便粥的营养组分见表5。在现行国标GB 28050-2011《食品安全国家标准 预包装食品营养标签通则》中，蛋白质高于12%，表明该食品中富含较多的蛋白质，属于高蛋白质食品；膳食纤维高于6%，则表明该食品中含有较高或较为丰富的膳食纤维，属于高膳食纤维食品。本实验设计生产的方便粥，不仅品质优良，感官好，蛋白质、膳食纤维含量均高于国家标准，极大程度上提高了低值大米的附加值，且原料中含有β-葡聚糖、酚类、谷维素、人体所需必需氨基酸等大量活性成分，对降“三高”、抗炎症、抗氧化及调节消化功能，改善身体健康有着潜在价值。

表5 挤压后方便粥营养成分（干基）Table 5 Nutritional components of instant porridge after extrusion(dry basis)

3 结论

依据D-混料设计优化实验，最优配方挤压膨化的方便粥的糊化度为97.48%、复水率为488.36%、吸水性为493.89%、感官评分为91.14分。经过挤压膨化处理后的方便粥组织形态有较大的改变，使得该方便粥口感细腻，冲泡性较好；蛋白质、膳食纤维均达到较高水平，蛋白质含量为15.37%，膳食纤维含量为8.42%，还富含其它营养成分。此挤压方便粥的研制，为开发冲调性优良且具有较高营养价值及良好感官评分的冲泡型方便粥产品提供了技术参考，也为低值大米的深加工利用开拓了新的途径。