微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮的综合评价及应用

郭新月， 张美莉， 霍 瑞

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

燕麦多种植于山区高原和北部高寒冷凉地区，分为皮燕麦和裸燕麦，我国主要种植裸燕麦[1]。燕麦麸皮是生产燕麦米、燕麦片时脱去的皮层部分，因燕麦籽粒结构紧密，皮层脱除时也会剥离部分糊粉层，所以麸皮约占全谷物的37%[2]。燕麦麸皮中具有大量的膳食纤维，大量研究指出适度添加膳食纤维或富含膳食纤维的原料可以改变食品的质地及口感，Deepak Mudgil研究证实可溶性纤维水平(1～5 g/100 g小麦粉)对面条硬度、黏附性和内聚性有显著影响，添加膳食纤维后，面条的质地变得柔软，面条的内聚性、咀嚼性和回弹力增大，黏性减小[3]。燕麦中的多酚物质大部分存在于皮层和糊粉层中，所以对比燕麦胚乳，麸皮具有更强的抗氧化效果[4]。另外，从燕麦麸中提取出的燕麦麸油具有生物学活性，包括降低血浆和肝脏胆固醇浓度以及改善由溴氰菊酯引起的生殖毒性[5]。

目前有关燕麦麸皮的加工食品品类并不多，为了满足人们对健康的需求并提高燕麦麸皮的综合利用率，我们仍迫切需要对燕麦麸进行深度加工。微粉碎作为一种非热加工技术，通过机械作用力使物料颗粒均匀，功能性成分从细胞中溶出，此处理可以改变原料分散性、吸附性、溶解性等，提高原料中营养素的吸收率[6]。挤压膨化技术利用高温高压高效处理物料，可以增加膨化食品的水溶性营养素含量，减少原料中粗纤维比例，并且可以有效延长产品货架期[7]。李雪帆[8]使用挤压膨化技术处理燕麦麸皮，研究得到最佳麸皮粒度后与其他谷物粉、豆粉复配，确定了杂粮冲调粉的最佳配方。申瑞玲等[9]研究了微粉碎对燕麦麸皮营养功能方面的影响，发现微粉碎技术可以在保持麸皮基本营养成分的基础上增加总膳食纤维含量，还可以改善燕麦麸皮的物理特性，使麸皮粒径在180～150 μm时具有最强的膨胀力，粒径在150～125 μm时具有最强的水溶性。本实验将微粉碎和挤压膨化两种技术相结合处理燕麦麸皮，研究不同加工方式对燕麦麸皮营养成分、功能成分及特性的影响，并综合评价不同处理方式下的燕麦麸皮优缺点，旨在拓展燕麦麸皮更多的商业空间。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦麸皮、低筋小麦粉、赤藓糖醇、木糖醇、脱脂乳粉。β-葡聚糖试剂盒(Megazyme K-BGLU)；猪胰α-淀粉酶(50 U/mg)；葡萄糖淀粉酶(80 U/mg)；高温α-淀粉酶(40 000 U/g)；淀粉葡萄糖苷酶液化型(10万U/mL)。其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DS32系列实验型双螺杆挤出机，PLS-10L系列超微粉碎机，PEN 3 电子鼻，TA·XT PLUS物性测定仪，SIGMA 3-18K冷冻离心机，UV2300Ⅱ系列双光束紫外可见分光光度计，XL-20B 1 000 g密封型摇晃式微粉碎机。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

市售燕麦麸皮为粗粉(C,300～450 μm)，设置超微粉碎机输出功率为50 Hz，将粗粉粉碎3 min，随后过筛(80-100目)得到细粉(X，150～200 μm)；将粗粉粉碎5 min，过150目筛得到微粉(W，100 μm)。C、X、W分别进行挤压膨化处理，挤压膨化机的操作参数在预实验的基础上设置为含水量27%、机筒末端温度170 ℃、主机转速22 Hz、喂料速度21 Hz。挤压后的物料烘干至恒重，用摇晃式微粉碎机粉碎，分别得到粗粉挤压后麸皮(CJ)、细粉挤压后麸皮(XJ)、微粉挤压后麸皮(WJ)，挤压后物料粒径与未挤压物料相同。

1.3.2 营养及功能指标测定

可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber，SDF)、总膳食纤维(Total dietary fiber，TDF)：参照国家标准GB 5009.88—2014；β-葡聚糖测定采用试剂盒法；持水力测定参照张倩芳等[10]的方法；水溶性测定参照Mateos-Aparicio等[11]的方法；多酚含量测定使用没食子酸比色法；DPPH和·OH自由基清除率参照卢宇[12]的方法；ABTS自由基清除率参照唐明明等[13]的方法；胆固醇吸附力(CAC)测定参照Zhang等[14]的方法；淀粉消化率测定参照李环等[15]的方法并稍作改进：混合酶液为将猪胰α-淀粉酶(120 U/mL)和葡萄糖淀粉酶(200 U/mL)用缓冲液溶解配制而成。葡萄糖标准曲线为y=27.308x-0.005 5，R2=0.999 6。

称取(200±5)mg样品置于离心管中，加入15 mL醋酸钠缓冲液进行磁力搅拌，使样品均匀分散至缓冲溶液中，在 95 ℃环境下糊化30 min，结束后冷却至37 ℃，加入5 mL混合酶液继续于37 ℃、300 r/min条件下进行样品水解并计时。分别于水解20、120 min时取出1 mL 水解液，加入4 mL无水乙醇。将水解液在4 000 r/min的条件下离心5 min，使用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中的葡萄糖含量。

淀粉消化特性以快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)表示，计算公式为：

式中：G20、G120分别为20、120 min内水解产生的还原糖质量/mg；FG为酶水解前样品中游离还原糖质量/mg；TS为总淀粉质量/mg；0.9为葡萄糖折算淀粉系数。

1.3.3 燕麦麸皮膨化食品的制作

以低筋小麦粉混合燕麦麸皮的总质量为基准，基础配方为低筋小麦粉：燕麦麸皮为2∶1；全蛋液40%；脱脂乳粉10%；赤藓糖醇复配木糖醇(2∶1)为12%；酵母1.5%；盐1%。

工艺流程：原料配粉→辅料添加→调制面团→醒发→压模成型→焙烤→冷却→包装

1.3.4 燕麦麸皮膨化食品的物性测定

使用质构仪对膨化食品的脆度和硬度进行检测，探头选用圆柱形P/100。仪器参数：测试模式为压缩，压缩比70%，应变力5 g。测试前速度为 2 mm/s，测试中速度为 1 mm/s，测试后速度为 2 mm/s，产品脆度用测试所得曲线上的第一个峰值表示，硬度用曲线上最大峰值表示。

1.3.5 电子鼻测定燕麦麸皮膨化食品风味

称量2.5 g粉碎后的样品至专用玻璃瓶中，封盖后80 ℃保温1 h，用电子鼻测定气味成分差异。以顶空进样方式，同时插入零气针和进样针。进样流量设为400 mL/min，测定时间90 s，清洗时间120 s。电子鼻各传感器分别响应不同的敏感物质：W1C对应芳香成分、苯类；W5S对应氮氧化合物；W3C对应芳香成分、氨类；W6S对应氢化物、氢气；W5C对应短链烷烃芳香成分；W1S对应甲基类；W1W对应硫化物；W2S对应醇类、醛酮类；W2W对应芳香成分、有机硫化物；W3S对应长链烷烃。

1.3.6 燕麦麸皮膨化食品感官评定

产品的感官评价参照GB/T 20980—2007《饼干》并略做改动，具体的评价指标见表1。选择 10 名(5 男 5 女)经过专业培训且有经验的人组成感官评定小组，对产品进行客观评价，取平均值。

表1 感官评分表

1.4 数据处理与分析

使用SPSS26.0对实验数据进行单因素ANOVA显著性分析(P<0.05表示为具有显著性差异)，实验均重复3次，实验结果表示为平均值±标准差；使用SPSS 26.0对实验数据进行双变量相关性分析、采用Z-score法对数据进行无量纲标准化处理及主成分分析。采用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 微粉碎协同挤压膨化处理对燕麦麸皮营养成分、功能成分及特性的影响

表2显示微粉碎对燕麦麸皮营养成分、功能成分及特性影响显著。粉碎会降低麸皮的分子质量，一定程度上可以增加淀粉对酶的敏感性，提高淀粉消化率；同时由于麸皮分子质量的降低有利于功能性成分溶出，水溶性升高，导致在微粉碎处理后，麸皮的多酚含量、ABTS和DPPH自由基清除率均有所升高。研究表明物料的胆固醇吸附力与SDF含量、纤维的多孔结构以及分子质量大小高度相关[16，17]，微粉颗粒可以暴露更多的纤维结构以吸附胆固醇，SDF含量相对较高，但其分子质量最小，在以上因素的共同作用下，微粉表现出最强的胆固醇吸附力。

挤压膨化处理改变了淀粉和纤维结构，淀粉糖苷键遭到破坏，晶体结构改变，同时降低了膳食纤维的分子质量，导致部分IDF转化为SDF，使其RDS含量、SDF含量和水溶性上升，因此麸皮在挤压后具有更好的消化特性[18，19]。相反，挤压打断了β-葡聚糖网状结构，降低了β-葡聚糖含量，且挤压过程中的高温高压作用使燕麦麸皮中活性物质受到严重损失，尤其是热敏酚醛类物质，导致麸皮抗氧化性显著下降(P<0.05)[20]；纤维分子质量和结构的改变同样导致CAC(pH2、pH7)降低。

表2 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮的各项指标结果

表3 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮各指标的相关性分析

2.2 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮的各项指标相关性分析

从表3可以看出6种燕麦麸皮各指标之间相关性较强，RDS与RS呈现极显著高度负相关；β-葡聚糖与多酚、持水力呈现极显著高度正相关；多酚含量与·OH自由基清除率、ABTS自由基清除率呈现极显著高度正相关；持水力与SDF呈现极显著高度负相关；CAC(pH2)与CAC(pH7)呈极显著高度正相关。麸皮在粉碎和挤压过程中粒度不断减小，淀粉双螺旋结构被不断打断，分子链有序性降低，导致淀粉消化率不断提升，因此随着RDS增加，RS不断减少[21]。抗氧化性主要通过麸皮的功能性成分实现，所以自由基清除率与多酚含量相关。β-葡聚糖是以网状结构覆盖在麸皮表面的一种线性多糖，其减少直接影响麸皮对功能性成分和水分子的截留以导致多酚含量和持水力下降，另外，膳食纤维从不可溶性转化为可溶性也是导致麸皮截流水分子能力减弱的原因之一。

2.3 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮各项指标主成分分析

表4为将各项指标数据导入SPSS 23.0进行标准化无量纲化处理结果。将经过无量纲标准化处理的数据进行主成分分析，得到主成分特征值、方差贡献率、累计贡献率等(表5)。前2个主成分的累计贡献率达到91.007%，即这2个主成分可以代表不同样品各项指标中约91.007%的信息，可以用这2个主成分作为评价燕麦麸皮品质的综合指标。表6为主成分载荷矩阵，表明了各个指标对主成分的影响程度及方向[22]。由表6可知第一主成分可以代表RDS、SDF、TDF、β-葡聚糖含量、多酚含量、持水力、·OH和ABTS自由基清除率、CAC(pH2和pH7)；第二主成分可以代表RS、水溶性、DPPH自由基清除率。根据表7可以得到2个主成分表达式：F1=-0.107X1+0.068X2-0.097X3-0.079X4+0.111X5+0.113X6+0.108X7-0.022X8+0.057X9+0.113X10+0.106X11+0.085X12+0.103X13;F2=0.104X1-0.245X2+0.129X3-0.088X4-0.02X5+0.027X6+0.25X7+0.312X8+0.263X9-0.004X10-0.08X11+0.202X12+0.132X13

表4 数据标准化处理后的结果

表5 主成分分析的方差贡献率

表6 主成分分析的载荷矩阵

表7 主成分得分系数矩阵

2.4 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮样品的综合评价

由表5可知各个主成分的贡献率，选取累计贡献率为91.007%>80%的前2个主成分进行综合评价即可。将主成分各自的贡献率和其对应的主成分表达式结合，建立Z综合得分=67.522F1+23.485F2[23]。评分结果见表8，根据综合评分可知未经挤压处理的燕麦麸皮中微粉性能最优，在6种麸皮中综合排名第一。3种粒度燕麦麸皮经过挤压处理后以微粉挤压后麸皮性能最优，在6种麸皮中综合排名第4。

表8 微粉碎协同挤压膨化处理燕麦麸皮样品的综合得分

2.5 燕麦麸皮膨化食品的品质评价

硬度和脆度是评价产品的重要指标，脆度值越小表明产品表皮越酥脆、越好[24]，硬度值越大表明产品质地越坚硬。由表9可知相比于添加微粉挤压后麸皮(WJ)的膨化食品，添加微粉麸皮(W)制作的膨化食品具有更好的脆度和较低的硬度，说明添加WJ制作的食品表皮以及整体质地偏硬，但由于WJ具有独特风味，所以添加WJ制作的膨化食品获得较高的感官评分。

表9 燕麦麸皮膨化食品的质构与感官评分

图1 添加2种麸皮制作的燕麦麸皮膨化食品风味雷达图

电子鼻可以模拟人体嗅觉检测产品的气味[25]。图1显示2种膨化食品在多数传感器上的响应值基本相似，但添加微粉挤压后麸皮制作的食品在W5S、W2W、W1W 3个传感器上具有更强的响应信号，即燕麦麸皮微粉在挤压处理后其短链烷烃芳香物质明显增加，芳香成分、有机硫化物部分增加，硫化物也呈现少量增加。

3 结论

微粉碎和挤压处理可以增加燕麦麸皮的快消化淀粉(RDS)、SDF和水溶性，微粉碎提高了麸皮的多酚含量、持水力、清除自由基能力和胆固醇吸附力(CAC)；挤压则使麸皮抗氧化性、持水力和CAC降低。虽然挤压处理后3种粒度燕麦麸皮其功能成分较挤压前均有所下降，但挤压处理显著提高了样品的消化率，并赋予膨化食品独特的风味。相关性分析发现RDS与RS、多酚与·OH和ABTS自由基清除率、2种pH下CAC之间均具有显著相关关系；SDF与β-葡聚糖、·OH和ABTS自由基清除率呈现显著负相关；多酚与CAC(pH7)呈现极显著正相关；β-葡聚糖与多酚、持水力呈现极显著正相关。将无量纲标准化处理后的数据进行主成分分析以降维，在综合评价各项指标后发现仅经过微粉碎处理的3种粒度燕麦麸皮中，微粉的性能最优；3种粒度燕麦麸皮挤压处理后，以微粉挤压后麸皮性能最优。添加麸皮微粉制作的膨化食品具有更好的脆度和较低的硬度，但添加微粉挤压后麸皮制作的膨化食品具有独特的风味，得到了更高的感官评分。实际生产可以根据不同的生产需求选择不同处理方式的燕麦麸皮为生产原料。