挤压预糊化淀粉的性能及其添加对糙米发糕品质的影响

李小林，李建勋，张文娟，肖紫鸣，魏纪平，宋文军,

（1.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134；2.天津现代职业技术学院生物工程学院，天津 300350）

发糕是中国传统的特色小吃，是以精白米为主要原料，经酵母发酵、蒸气蒸熟等工艺而制成[1]。在这个过程中糊化的淀粉互相连接，包裹住酵母产生的气体，从而形成多孔的海绵状结构[2]。但传统发糕由于其营养价值有限、消化率高且风味单一[3]，已难以满足市场需求。糙米是稻谷经脱壳加工后的产品，将糙米的整个糠层去除后即得到精白米。与精白米相比，糙米具有更加丰富的非淀粉营养成分，包括膳食纤维、矿物质、多酚等[4]。将更具有营养价值的糙米代替精白米有望提高发糕的营养和风味，但由糙米制成的发糕往往品质较差，表现为孔洞粗大、硬度大、比容小。为了提高消费者的可接受度通常会在发糕中加入黄原胶[5]、瓜尔胶[6]、蔗糖酯、单甘酯[7]和化学改性淀粉[8]等食品添加剂。然而，由于消费者对“清洁标签”产品的需求，食品工业对无添加剂食品的研发兴趣日益浓厚。预糊化淀粉是一种物理改性淀粉，能够在冷水中迅速溶解形成粘稠的糊状物，进而为食品提供理想的稠度和凝胶性能[9]。

挤压是一种集高温、高压、高剪切力为一体的食品加工技术，是制备预糊化淀粉常用的方法，具有操作简单、效率高、能耗低等优点[7]。在挤压过程中，淀粉发生糊化，颗粒结构破坏[7]，结晶度降低[10]，溶胀能力提高[11]等。预糊化淀粉冷水成糊、吸水性较高的特性使其经常作为辅料用来提升食品的加工性能及感官品质。Tao 等[9]研究发现添加10%挤压预糊化淀粉可以增加小麦面包的比容、降低面包的硬度。Han 等[7]研究发现添加30%挤压预糊化淀粉改善了无麸质苦荞面条的品质。吴娜娜等[12]发现挤压糙米粉的添加能够降低糙米面包的硬度，提高感官评价得分，延缓面包的老化。然而，挤压预糊化淀粉对糙米发糕品质的影响还未见报道。

本研究的目的在于考察不同水分含量（45%、25%和18%）挤压制备对预糊化淀粉的性能及其添加对糙米发糕品质的影响。分析了挤压预糊化淀粉的分子量、糊化度、水吸收指数、水溶解指数、冷糊黏度等性质的变化。最后考察了挤压预糊化淀粉的添加对糙米粉糊化特性及糙米发糕品质的影响，为糙米发糕的研发和产业化提供技术支撑和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙米（T 两优华占） 蒲城县佳禾康农业综合开发有限公司；大米淀粉 无锡金农生物科技有限公司上高分公司；安琪耐高糖酵母、白砂糖 当地超市；溴化锂（LiBr）、二甲基亚砜（DMSO） Sigma-Aldrich 公司；实验用水为去离子水。

LNI66A 低温冲击磨 北京协同创新研究院；FMHE36-24 双螺杆挤压机 湖南富马科食品工程技术有限公司；安捷伦HPLC1260 联用多角度光散射检测器 美国安捷伦科技有限公司；Bruker D8 Advance X 射线衍射仪 德国Bruker 公司；DSC-7000X 差示扫描量热仪 日本HITACHI 公司；RVATEC 快速黏度分析仪 瑞典Perten 公司；TA-XT Plus 质构仪 英国Stable 公司；ZTW103 厨师机上海双立人亨克斯有限公司；卡士CF340C 家用醒发箱 深圳市爱尔嘉小家电科技有限公司；佳能5600F 扫描仪 佳能株式会社。

1.2 实验方法

1.2.1 糙米粉的制备 采用低温冲击磨制备糙米粉，磨盘和空气分级机的转速分别设为2160 和600 r/min，获得的糙米粉（平均粒径D4,3 为113.67 μm，损伤淀粉含量为7.73%）用自封袋密封后放在−20 ℃下保存备用。

1.2.2 预糊化大米淀粉的制备 用双螺杆挤压机制备预糊化大米淀粉，挤压参数设置为：喂料量为10.0 kg/h，螺杆转速150.0 r/min，2 区到6 区的温度分别设置为70、90、100、90 和70 ℃，通过挤出物的外观来判断挤压预糊化淀粉的剪切程度，最终确定挤压物料水分含量分别为45%（剪切程度较低）、25%（中等剪切程度）和18%（剧烈剪切）。挤压预糊化大米淀粉（Extruded rice starch,ERS）在45 ℃下干燥24 h，粉碎过80 目筛，备用，大米淀粉也在相同条件下烘干，但不经历粉碎过筛的步骤。根据大米淀粉（Rice starch,RS）水分含量不同，挤压预糊化大米淀粉分别命名为ERS45、ERS25 和ERS18。经测定，RS、ERS45、ERS25 和ERS18 的水分含量分别为9.34%、9.52%、9.11%和9.28%。

1.2.3 淀粉分子量的测定 参照Zhao 等[13]的方法使用体积排阻色谱法测定淀粉的分子量并稍作修改。取4～6 mg 淀粉样品，溶于1.5 mL 含0.5%（w/w）LiBr 的DMSO 溶液，在80 ℃下以400 r/min 恒温振荡24 h，然后在15000 r/min 下离心10 min。取上清液，用配备多角度光散射激光检测器的体积排阻色谱系统进行测定。洗脱柱柱温为60 ℃，流动相为含0.5%（w/w）LiBr 的DMSO 溶液，流速为0.3 mL/min。进样量为100 μL，通过三阶Berry 对激光信号进行拟合，拟合时dn/dc 设为0.0706，得到重均分子量（Weight average molecular weight,Mw）和数均分子量（Number average molecular weight,Mn）。

1.2.4 晶体结构分析 用X 射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）分析样品的晶体结构。扫描范围为5～35°，扫描速度为1.2°/min。采用Origin 对结晶区和非结晶区的面积进行积分，按照Wu 等[4]报道的方法计算样品的结晶度，公式如下：

式中：Ac 和Aa 分别代表结晶区和非结晶区的面积。

1.2.5 糊化度测量 按照Parada 等[14]描述的方法，用差示扫描量热仪（Differential scanning calorimeter,DSC）测定预糊化大米淀粉的糊化度。将样品（2.00～4.00 mg）置于铝坩埚中，按照样品:水=1:2（w/v）的比例加入去离子水。将坩埚密封后在室温下平衡12 h。测量时采用空坩埚作为对照，样品的扫描温度范围和加热速率分别为20～100 ℃和10 ℃/min。用仪器自带软件计算样品的糊化焓（ΔH），样品的糊化度按照以下公式计算：

1.2.6 水吸收指数和水溶解指数的测定 样品的水吸收指数（Water absorption index,WAI）和水溶解指数（Water solubility index,WSI）按照Wang 等[15]描述的方法进行，略作修改。将0.5 g 样品分散在装有25 mL 蒸馏水的离心管中，在30 ℃中水浴30 min，每10 min 取出涡旋5 s，随后在4500 r/min 下离心10 min。收集上清液于105 ℃下干燥至恒重，记录下离心管残渣的重量（W1）和上清液干重（W2）。吸水指数和水溶解指数按照下列公式计算。

式中：W0为样品的干重（g）。

1.2.7 冷糊黏度的测定 用快速黏度分析仪（Rapid viscosity analyzer,RVA）测定样品的冷糊黏度。将2.0 g 样品分散在装有25 mL 去离子水的铝罐中，根据Han 等[7]报道的方法进行测定。样品先在960 r/min下搅拌10 s 以将样品分散均匀，随后桨叶以160 r/min的恒定速度，在30 ℃下搅拌590 s 得到时间-粘度曲线。

1.2.8 糊化性质的测定 用RVA 测定复合粉的糊化特性。称取3.0 g 复合粉（2.7 g 糙米粉，0.3 g 预糊化大米淀粉）分散在装有25 mL 去离子水的铝罐中，用搅拌浆搅拌均匀后，用仪器内置的标准程序1 进行测试，以未添加预糊化大米淀粉的糙米粉作为对照组。记录样品的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值和回生值。

1.2.9 糙米发糕的制备 参照樊德灵等[16]的方法略作修改制备糙米发糕。发糕的配方为270 g 糙米粉、30 g 预糊化大米淀粉、1.5 g 酵母、60 g 白砂糖和300 g 水，以未添加预糊化大米淀粉的发糕作为对照。用厨师机将糙米粉、预糊化大米淀粉和酵母混合均匀后，加入事先溶解了白砂糖的去离子水，用厨师机以速度2 搅拌4 min。将面糊分装在模具中（每份80 g），转移至醒发箱，35 ℃下发酵60 min，水开后上锅蒸15 min，取出，在室温下冷却2 h 后脱模，然后装入自封袋中，在室温下保存直至使用。

1.2.10 糙米发糕的评价 糙米发糕的评价是在蒸熟结束24 h 后进行的。采用种子置换法测定发糕的体积[5]，发糕的比容按体积（cm3）除以重量（g）计算。从发糕中心切出厚度为20 mm 的发糕片，用扫描仪获取图像，随后在图像中心截取20 mm×20 mm 区域，用Image J 分析软件处理，获得发糕内部纹理结构参数（气孔密度、气孔平均面积和孔隙率）。从发糕中心切出20 mm×20 mm×20 mm 的小块，用配置了P/36R探头的质构仪分析发糕的质地特性。测试参数如下：测试速度设置为1.0 mm/s，压缩率为50%，等待时间为5.0 s，触发力为5.0 g，采用自动触发模式。重复测定5 次。的小块，用配置了P/36R 探头的质构仪分析发糕的质地特性。测试参数如下：测试速度设置为1.0 mm/s，压缩率为50%，等待时间为5.0 s，触发力为5.0 g，采用自动触发模式。重复测定5 次。

参照Feng 等[2]的方法，挑选10 名（男女各5 名）经过训练的感官评价员对糙米发糕进行感官评价。将发糕切成20 mm×20 mm×20 mm 的小块，放在透明塑料杯子中，并覆盖保鲜膜，防止水分散失和气味干扰。采用9 点快感标度法（9 分表示极度喜欢，5 分表示不喜欢也不厌恶，1 分表示极度厌恶）对糙米发糕的每个品质属性（外观、气味、滋味、质地和总体接受度）进行打分。

1.3 数据处理

如无特别说明，测试均重复进行了三次，实验结果均表示为平均值±标准差。使用Origin9.0 软件作图，用SPSS24.0 软件进行单因素方差分析，并用Turkey 检验对均值进行两两比较，P<0.05 表示具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 挤压对大米淀粉分子量的影响

大米淀粉（RS）和预糊化大米淀粉分子量如表1所示。大米淀粉有着最大的Mn（1.90×107g/mol）和Mw（12.03×107g/mol），挤压处理显著降低了大米淀粉的分子量（P<0.05）。随着物料水分含量的降低，预糊化大米淀粉的Mn 分别为0.85×107、0.45×107和0.26×107g/mol，Mw 分别为3.71×107、1.53×107和0.71×107g/mol。这表明随着水分含量的降低，预糊化淀粉分子链的破坏逐渐剧烈，这与许多文献报道的结果是一致的[11,17−18]。这可能是由于物料水分含量降低，增加了挤压处理时机械剪切力和热降解的作用，而获得更小的分子量[13]。与RS相比，ERS 的Mw/Mn 从6.31 降低到4.68、3.41 和2.71，这意味着随着物料水分含量的降低，ERS 的分子量分布范围变窄，这可能主要与分子尺寸大的支链淀粉在挤压过程中更容易降解有关[11]。

表1 大米淀粉和预糊化大米淀粉的分子量Table 1 Molecular weight of rice starch and pregelatinized rice starch

2.2 挤压对大米淀粉结晶结构的影响

大米淀粉和预糊化大米淀粉的X 射线衍射曲线如图1 所示。大米淀粉在15°和23°分别有个单独的峰，在17°和18°有未完全分离的双峰，这是典型的A 型淀粉结晶结构[4]。挤压处理后，ERS45 的天然衍射峰明显减弱，ERS25 和ERS18 的天然衍射峰完全消失。此外，ERS25 和ERS18 在7°、13°和20°出现了新的衍射峰，这是V 型结晶的特征峰[19]。峰型的转变可能是由于挤压过程中渗出的直链淀粉与游离脂肪酸形成了复合物，在挤压的葛粉中也发现了类似的结果[10]。

图1 大米淀粉和预糊化大米淀粉的XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of rice starch and pregelatinized rice starch

与衍射峰的减弱或消失相对应，随着物料水分含量的降低，大米淀粉的相对结晶度从25.9%降低至10.6%～12.4%（图2），分别降低了51.93%、58.93%和59.04%，这表明挤压破坏了淀粉的结晶结构。相似的，徐晓茹等[20]在对比挤压前后大米淀粉理化性质的变化时，发现淀粉的天然衍射峰消失，结晶度急剧下降。高强度挤压过程引起淀粉链分子内和分子间氢键裂解，导致螺旋结构解离，继而晶格变形，最终破坏淀粉的结晶结构[21]。

图2 大米淀粉和预糊化大米淀粉的结晶度和糊化度Fig.2 The degree of crystallinity and gelatinization of rice starch and pregelatinized rice starch

2.3 挤压对大米淀粉糊化度的影响

样品糊化度如图2 所示。大米淀粉的糊化焓为8.29 mJ/mg（结果未显示），挤压处理后，预糊化大米淀粉的吸热峰明显减小，ERS45 糊化焓降低为0.85 mJ/mg（结果未显示），其糊化度为89.74%。而ERS25 和ERS18 未检测到吸热峰，表明淀粉已经完全糊化。上述结果表明，物料水分含量的降低，提高了预糊化大米淀粉的糊化程度，这与Dalbhagat 等[18]的报道结果相符。水分含量对挤压淀粉糊化度的影响可能与水分子的增塑作用有关，水分含量的增加降低了挤压处理的机械剪切力和热降解作用[11]，从而降低了淀粉的糊化度[22]。

2.4 挤压对大米淀粉WAI 和WSI 的影响

大米淀粉和预糊化大米淀粉的WAI 和WSI 如图3 所示。大米淀粉的WAI 为1.91 g/g，挤压处理显著（P<0.05）增加了大米淀粉的WAI，ERS45、ERS25和ERS18 的WAI 分别为4.89、10.86 和13.58 g/g，分别提高了1.56、4.69 和6.11 倍。相似的，Wang 等[10]挤压处理不同水分含量的葛粉时，其WAI 从178.4%增加到214.0%～251.4%。WAI 反映了大米淀粉的吸水能力，与淀粉颗粒晶态和非晶态区域的分子相互作用有关[23]。与前面XRD 和DSC 描述的结果一致，挤压导致分子间和分子内的氢键断裂，使得大米淀粉的结晶结构遭到不同程度的破坏，暴露出更多的羟基，淀粉链的羟基与水形成氢键，使得预糊化大米淀粉的WAI 增加。

图3 大米淀粉和预糊化大米淀粉的WAI 和WSIFig.3 The WAI and WSI of rice starch and pregelatinized rice starch

挤压处理显著（P<0.05）增加了大米淀粉的WSI，从1.43%（RS）增加到11.50%～40.95%（ERS），分别提高了7.04、16.30 和27.64 倍。挤压处理破坏了大米淀粉的结晶结构，使得直链淀粉更容易渗出，从而增加了WSI。此外，在挤压过程中，淀粉分子的降解也可能导致WSI 的增加[22]。淀粉分子降解程度越大，WSI 越大，这与分子量的结果是一致的。一些研究也报道了类似的现象，薛朕钰等[24]发现裸燕麦与玉米淀粉的混合物经挤压处理后，WSI 显著增加。

2.5 挤压对大米淀粉冷糊黏度的影响

采用RVA 测定了样品的冷糊黏度，其结果如图4 所示。RS、ERS45、ERS25 和ERS18 的最终黏度（600 s 时）分别为9、27、202 和141 cP，分别提高了2.00、21.44 和14.67 倍。与RS 相比，挤压处理增加了大米淀粉的冷糊黏度。这归因于挤压破坏了淀粉分子的结晶结构，淀粉发生糊化，暴露了更多的羟基，促进其对水的吸收（图3）。ERS45 的冷糊黏度较低，可能与淀粉未完全糊化（图2），仍有结晶结构残留有关（图1）。与ERS25 相比，ERS18 的冷糊黏度有所降低，这可能与淀粉分子发生了更加剧烈的降解有关（表1）。据报道预糊化淀粉的冷糊黏度与分子尺寸有关，Li 等[25]采用滚筒干燥和挤压制备了预糊化淀粉，发现挤压制备的预糊化淀粉分子链降解的更加剧烈，导致了更低的冷糊黏度。在发糕的制备过程中添加适量的预糊化淀粉可能有利于发糕的制作，因为高的冷糊黏度有利于发糕气室的稳定。

图4 大米淀粉和预糊化大米淀粉在30 ℃下的冷糊黏度Fig.4 Cold paste viscosity of rice starch and pregelatinized rice starch at 30 ℃

2.6 预糊化大米淀粉添加对糙米粉糊化特性的影响

样品的糊化参数如表2 所示。与对照相比，添加了预糊化大米淀粉的混合样，具有更低的峰值黏度，并且挤压物料水分含量越低，黏度也越低。据报道峰值黏度的降低程度与淀粉糊化度密切相关[26]，挤出淀粉糊化程度越高，峰值黏度越低。此外，峰值黏度的降低也可能与淀粉分子链的降解有关。有研究报道聚合物分子链的减小会降低物料抵抗剪切的能力，使之黏度降低[27]。

表2 预糊化大米淀粉添加对糙米粉糊化特征参数的影响Table 2 Effect of pregelatinized rice starch on the pasting parameters of brown rice flour

崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，与淀粉颗粒在加热和剪切过程中更不易破碎的能力有关，可以反映淀粉糊的稳定性。对照组的崩解值是1406 cP，添加了ERS45、ERS25 和ERS18 复合粉的崩解值分别为1039、979 和802 cP，这表明预糊化大米淀粉的加入显著（P<0.05）增加了淀粉糊的稳定性。

与对照组相比，添加ERS45 和ERS25 增加了复合粉的回生值，表明其具有更强的回生趋势。这可能与预糊化大米淀粉和糙米粉中淀粉的直链淀粉含量不同有关。直链淀粉含量是淀粉短期老化的重要影响因素，由于直链淀粉分子更小的空间位阻和更强的流动性，因此直链淀粉分子的重结晶速度比支链淀粉分子快得多[28]。就添加了预糊化大米淀粉的样品而言，随着挤压时物料水分含量的降低，其回生值从1621 cP 降至1411、1280 cP，这表明挤压处理有助于抑制淀粉的短期老化，这与Liu 等[22]报道的结果一致。这可能与淀粉分子的降解有关，有报道称降解的淀粉分子可能与非淀粉多糖相似，能够阻碍直链淀粉的重排[29]。

2.7 预糊化大米淀粉添加对糙米发糕品质的影响

发糕的内部纹理结构是评价发糕质量的重要指标[6]。发糕的剖面图和纹理结构参数分别如图5 和表3 所示。预糊化大米淀粉的添加，显著（P<0.05）降低了发糕的气孔平均面积和孔隙率。这可能与预糊化大米淀粉较高的冷糊黏度有关（图4）。预糊化淀粉能够在冷水中自发地形成凝胶，可以增强淀粉颗粒之间的黏附性，形成更强的网络结构，在发酵和蒸汽蒸熟的过程中减少气室的破裂、聚集和合并，从而使得孔洞尺寸更加均一[30]。添加了预糊化大米淀粉的发糕（图5B、5C 和5D）未发现坍塌的外观，也证明其形成了更强的网络结构。添加了ERS18 的发糕有着最大的气孔密度和最小的气孔平均面积，这可能与挤压渗出的直链淀粉和产生更多的降解小分子有关（表1）。据报道糊化淀粉的上清液（直链淀粉）具有乳化能力，其乳化能力取决于直链淀粉含量[31]。此外，小分子能够更加迅速快地扩散至界面上[32]，更好地维持气室的稳定性。

图5 糙米发糕剖面图Fig.5 Sectional view of steamed brown rice cakes

表3 糙米发糕的品质参数Table 3 The quality parameters of steamed brown rice cakes

添加预糊化大米淀粉后，发糕的比容略有增加，并且呈现出ERS18>ERS25>ERS45 的趋势。发糕的质地参数如表3 所示，与对照组相比，预糊化大米淀粉的添加显著（P<0.05）降低了发糕的硬度，增加了发糕的内聚性、弹性和回复性。发糕质地参数的变化可能与发糕的内部纹理结构有关。对于面包、发糕这样的多孔结构产品，机械强度主要取决于孔洞周围基质（也称为细胞壁）的厚度，而不是孔洞本身。与气室大、壁厚的纹理结构相比，气室细小均匀、壁薄的纹理结构能够产生更柔软、更有弹性的质地[33]。这与发糕内部纹理结构的结果是一致的。此外，内聚性的增加可以降低发糕的掉渣感，这可能会提高消费者对糙米发糕的可接受度。

糙米发糕感官评价的结果如图6 所示。结果表明，添加挤压预糊化淀粉对糙米发糕的气味和滋味没有明显影响。与对照组相比，添加挤压预糊化淀粉提高了糙米发糕的外观得分，这可能与其未出现塌陷的外观有关（图5）。此外，添加挤压预糊化淀粉提高了发糕的质地和总体接受度得分，这可能与添加挤压预糊化淀粉糙米发糕硬度的降低和弹性的增加有关。

图6 糙米发糕的感官评价Fig.6 Sensory evaluation of steamed brown rice cakes

综上所述，预糊化大米淀粉的添加可以提高糙米发糕的品质，表现为更好的纹理结构、更低的硬度和更好的弹性，并且感官评价得分提高。

3 结论

挤压处理使淀粉分子发生降解，破坏了淀粉的结晶结构，产生了比结晶结构水化能力更强的非结晶结构，提高了预糊化大米淀粉的水吸收指数、水溶解指数和冷糊黏度。添加预糊化大米淀粉能够显著提高糙米发糕的品质，其中，添加了ERS18 的发糕品质最佳，表现为气孔细腻均一、硬度低、弹性好、感官评价得分更高。这些结果为无添加剂糙米发糕的制备提供了新的解决方案。