挤压膨化处理对芡实速溶粉理化特性的影响

陈坤林,黄明珠,李祥,刘佳妮,蔡志鹏,王静,朱丽琴,沈勇根*

1(江西农业大学 食品科学与工程学院,江西 南昌,330045)2(上饶市万年县农业农村局,江西 上饶,334000)

芡实为睡莲科水生草本植物芡(EuryaleferoxSalisb)的成熟干燥果仁,主要分布于亚热带和温带地区,是药食同源植物,又名鸡头米、鸡头子等[1]。淀粉是芡实中的主要碳水化合物,其理化特性对芡实产品的加工和品质有影响[2],芡实通过不同处理后,主要为了最大程度保留芡实的营养成分以及感官品质,保证在长时间贮存中芡实食品的品质。芡实淀粉含量比例较高,溶解在水中的性能不佳,因此导致在速溶性食品研究领域上应用较少[3]。

挤压膨化技术具有占地少、效率高、连续性强、能够促进食物的改良变性等优点,且膨化工艺日益成熟,膨化工艺作为现代化日趋完善的工艺加工方式,在我国得到迅速的发展与推广并广泛运用于杂粮加工行业[4]。通过挤压膨化处理,物料经过高温以及高剪切速率后,物质结构发生改变,物料形成疏松多孔易与水结合的挤出物。在研究速溶性的食品开发方面,挤压膨化加工方式是一种不错的选择[5],例如挤压处理后的葛根粉的淀粉结晶区被破坏,复水的团聚性能降低,有效地提高了葛根粉的速溶性与流动性[6]。目前,国内芡实的加工以初加工的干制品居多,精深加工产品较少, 产品附加值不高,关于芡实粉速溶性和理化性质处理报道较少。对于芡实挤压膨化的加工工艺与结构表征方面鲜有报道。本文以优质芡实粉为原料,通过检测挤压膨化前后芡实粉理化特性变化,进而通过这些变化与水溶性能进行关联性分析,旨在展示挤压膨化工艺对芡实粉速溶性以及理化特性的影响,进一步为推动芡实挤压膨化加工工艺对芡实粉速溶性产品的推广应用铺平道路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芡实,江西余干芡实产业园。

高速粉碎机,永康市铂欧五金制品有限公司;电子天平,上海浦春计量仪器有限公司;电热鼓风干燥机,上海一恒科学仪器有限公司;Nicolet IS50傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FT-IR),美国Thermo Fisher科技有限公司;DSE30实验型双螺杆挤压膨化机,山东力久特种电机股份有限公司;Mili-Q超纯水机,美国默克公司;DHR-2Discovery流变仪,美国TA公司;BIO-600系列连续变倍体视光学显微镜,重庆澳浦光电技术有限公司;扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM),德国/卡尔蔡司公司;ColorQuest XE型全自动测色色差计,上海新联创作电子有限公司;差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter,DSC),德国耐驰公司;

1.2 实验方法

1.2.1 非挤压芡实粉(non-extrudedEuryaleferoxflour,N-EFF)

非挤压芡实粉工艺流程如下:

芡实→精选→清洗→干燥→粉碎→过筛(60目)→N-EFF

1.2.2 挤压芡实粉(extrudedEuryaleferoxflour,E-EFF)

挤压芡实粉工艺流程如下:

N-EFF→双螺杆挤压膨化[含水量14%(质量分数),膨化Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区温度分别为70、140、150 ℃,喂料速度10 Hz,膜孔直径2.7 mm]→磨粉→过筛(60目)→E-EFF

1.2.3 表观结构

1.2.3.1 色度的测定

利用台式全自动色差仪对芡实全粉进行测定,取芡实粉于石英比色皿中,选用反射模测定显色指数L*、a*、b*值,其中L*值代表色彩的亮度值,L*值越大,颜色越白,反之越暗;a*值表示色彩的红绿方向,a*值越大,颜色越红,反之越绿;b*值代表色彩的黄蓝方向,b*值越大,颜色越黄,反之越蓝。色差计用标准白板校准,L0*=95.05,a0*=-0.72,b0*=-0.11。总色差ΔE计算如公式(1)所示[7]。

(1)

1.2.3.2 光学显微镜

运用连续变倍体视光学显微镜分别以物镜倍数4×/0.13与目镜倍数10×/18、物镜倍数10×/0.30与目镜倍数10×/18,2种倍数状态观察挤压前后芡实粉体颗粒。

1.2.3.3 扫描电镜

运用加速电位为20 kV的SEM观察挤压前后样品颗粒的结构变化,倍数设置为1 000×、4 000×、6 000×。

1.2.4 速溶特性的测定

溶解度和糊化度参照GB 5413.29—2010《食品安全国家标准 婴幼儿食品和乳品中溶解性的测定》与梁宝丹等[8]的方法。吸水性指数(water absorption index,WAI) 和水溶性指数(water solubility index,WSI) 的测定参考裴斐等[9]的方法。结块率测定参考曾德玉等[10]的方法。

1.2.5 粉体特征的测定

滑角和休止角参照ZHAO等[11]的方法;堆积密度与振实密度的测定参考WANG等[6]和MUTTAKIN等[12]的方法。

1.2.6 结晶特性

傅里叶变换红外光谱:参考范秀宽等[13]的方法,干燥芡实全粉(95 ℃,6 h)和KBr(105 ℃,24 h)置于红外灯下的玛瑙研钵中,研磨10～15 min,压片,取出,检测。背景:KBr,分辨率:4.0 m-1,波数区域:4 500～500 cm-1,信号扫描:32次。用OMNIC和Origin软件处理。

1.2.7 流变特性

参照董越等[14]的方法。应用流变仪进行动态黏弹性测定:测定样品的糊状物的储能模量G′与损耗模量G″和损耗角正切δ随角频率变化趋势;通过流变仪进行剪切黏度测定:测定样品的黏度随剪切速率变化情况。

1.2.7.1 动态黏弹性测定

采用40 mm平板为测试夹具,测试间距1 000 μm,测试温度25 ℃,扫描范围0.001 s-1～100 s-1。测定在线性黏弹区域内(0.1%～6%)进行,应变力为0.45%。测定时样品表面需要环涂一层硅油,防止水分散失。采用幂律模型对小振幅频率扫描曲线进行拟合,表观黏度计算如公式(2)所示。

τ=K·εn

(2)

式中:K,黏度指数;n,流动指数;τ,表观黏度,Pa·s;ε,剪切速率,s-1。

1.2.7.2 剪切黏度测定

采用40 mm平板为测试夹具,测试间距1 000 μm,测试温度25 ℃,扫描范围为0.001 s-1～100 s-1。剪切速率1～100 s-1。

1.2.8 主要组分测定

淀粉含量的测定参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中蒽酮比色法;粗纤维含量的测定参照GB 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》的方法;芡实全粉还原糖含量测定参照GB 5009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》中蒽酮比色法;直链淀粉含量参考陈奕等[15]的方法。

1.2.9 热力学性质测定

称量4 mg样品与6 μL蒸馏水,装入差示扫描量热仪坩埚中,温度范围15～100 ℃,升温速率15 ℃/min,载气为高纯氮,流量40 mL/ min。通过以相同升温速率测定样品的糊化温度和热焓。

1.3 数据处理

试验中使用的数据均是测定3次取得的平均值,通过 SPSS 20.0进行数据分析,Origin 2019.0进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化对结构表征的影响

2.1.1 色差分析

色泽可以体现挤压膨化处理后芡实的营养成分与化学反应水平变化,也是直接关系到食品的可接受性[7]。N-EFF与E-EFF颜色指数L*、a*、b*和ΔE的影响如表1所示。膨化处理芡实的L*值显著降低(P<0.05),而a*、b*值反而显著提高了(P<0.05)。N-EFF与E-EFF的综合色差△E具有显著差异(P<0.05),表明芡实经过挤压处理可以产生较好的产品色泽,膨化后芡实粉色泽呈现暗棕色。挤压膨化的色泽亮度降低,这可能是由于游离氨基与还原糖发生美拉德反应产生的[16]。JEBALIA等[17]的试验也有相似结果,淀粉蛋白共混物挤压膨化后亮度值低于原样品,这是由于淀粉与蛋白质在高温作用下发生了美拉德反应。需进一步验证,芡实经挤压处理后淀粉含量减少,转化为其他可溶性物质,结构组分变化增强粉体的水溶性能。

表1 挤压前后芡实粉色度变化Table 1 Changes of hue of E. ferox powder before and after extrusion

2.1.2 光学显微镜分析

由图1的光学显微镜结果可得出芡实粉体大致形貌、尺寸以及颗粒透光性能。由图1-a、图1-b可得未挤压的芡实粉体基本轮廓呈椭球形,也存在不规则形状,尺寸较大,分布范围广且松散,颗粒整体内部完整,光线透过性不好,颗粒整体呈较暗趋势。由图1-c、图1-d可知,经挤压膨化处理芡实粉体基本轮廓呈长块状并存在不规则形状,尺寸较小,分布范围广,光线能透过粉体,颗粒整体呈较亮趋势,可能是由于芡实经挤压膨化后,芡实晶型结构被破坏而产生疏松多孔结构,孔洞促使透光性良好,颗粒疏松多孔也有利于水分迁移进物质内部[17]。结果表明,采用挤压膨化处理能有效改善芡实粉体结构,提升其水溶性能。通过初步利用光学显微镜对芡实粉体样品观察,对其形貌具有了一定的认识,但由于光学显微镜只能观察平面物体,无法进一步探查出芡实粉体挤压前后的表面形态,为进一步探查粉体的微观特性还应借助像扫描电子显微镜这种高分辨率的检测手段[18]。

a-N-EFF目镜倍数10×/18、物镜倍数4×/0.13;b-N-EFF目镜倍数10×/18、物镜倍数10×/0.30;c-E-EFF目镜倍数10×/18、物镜倍数4×/0.13;d-E-EFF目镜倍数10×/18、物镜倍数10×/0.30图1 挤压前后芡实粉不同倍数光学显微镜图像Fig.1 Different magnification optical microscope images of E. ferox powder before and after extrusion

2.1.3 扫描电镜分析

SEM作为分析工具是研究粉体颗粒粒径及表观结构系统的一种手段[12]。由图2可知,N-EFF的颗粒结构完整呈圆球状且间隙较大,整体分布较为松散,颗粒表面相对平滑;E-EFF的颗粒结构遭受破坏,形成疏松多孔的无规则块状结构,颗粒表面粗糙且分布良好。这可能是由于芡实经挤压膨化后,芡实淀粉在高温低水分含量情况下使其向熔融状态转变,淀粉晶型结构被破坏而糊化,颗粒表面积增加,导致粉体与水分接触面积增大,且多孔洞结构也有利于水分迁移进粉体颗粒内部,整体流动性与水溶性能相对增强[6,13,16]。夏潇潇等[19]针对膨化稻壳的结构表征及固定化α-淀粉酶进行研究,结果表明,膨化处理导致稻壳内部结构破裂且松散,比表面积、孔容和平均孔径相对增大有利于水分融入;通过表观结构分析,挤压膨化确实能够通过改变芡实粉体结构,从而提升自身的溶解性能。

a-N-EFF 1 000×;b-N-EFF 4 000×;c-N-EFF 6 000×;d-E-EFF 1 000×;e-E-EFF 4 000×;f-E-EFF 6 000×图2 挤压前后芡实粉不同倍数扫描电镜图Fig.2 SEM images of different multiples of Euryale ferox powder and E. ferox yam coix powder

2.2 挤压膨化对速溶特性的影响

溶解度是指物料与水结合溶解能力,水溶性指数(water solubility index,WSI)和吸水性指数(water absorption index,WAI)分别指的是样品溶解在水中的能力和样品吸水能力[13]。由表2可知,芡实经过挤压膨化后,溶解度、WSI、WAI显著上升,分别从1.81%、0.47%、218.99%增长至53.05%、53.95%、224.16%。增幅各自达到51.24%、53.48%、5.17%。结果表明芡实经过挤压膨化后,速溶性得到有效提高。挤压膨化后,芡实粉结块率由11.40%下降至6.61%,表明挤压膨化后的芡实粉体融水时,由固态状态转化为浆体状态,物质的聚合度决定了临界相对湿度,粉体处于相对低聚合度其吸附水分能力减弱,结块率就相应降低[6,17,20]。与N-EFF为33.87%糊化度相比较,E-EFF的91.30%糊化度显著升高,表明芡实经过挤压膨化后,糊化效果显著。范宽秀等[13]针对挤压处理对淮山全粉性质的分析中得出芡实全粉经过挤压膨化后,糊化度从34.43%增加到96.83%,与本文结果存在相似性。进一步说明,挤压膨化对芡实原粉糊化性能有良好的提升作用。

表2 挤压前后芡实粉速溶特性的影响Table 2 Effects of extrusion on the instant properties of E. ferox powder

2.3 挤压膨化对粉体特征的影响

通过测量堆密度和振实密度计算粉体的孔隙率,孔隙率越大,颗粒越均匀,溶解性越好;通过测量休止角和滑角反映了粉体的内摩擦特性和散落性能,休止角和滑角越小,溶解性越好[12]。由图3可知,芡实全粉的休止角与滑角由41.6°和44°减小为35°和35.5°;堆积密度和振实密度由0.44和0.55 g/mL增加到0.51和0.65 g/mL。结果表明,膨化处理后,芡实粉体特征有所改变,芡实全粉休止角与滑角降低,粉体的流动性增强,堆积密度和振实密度均有显著的提高[11]。卢成特[21]关于对速溶即食淮山粉的研制及其品质评价中,对于淮山速溶即食粉进行粉体特征分析,结果表明速溶即食粉的流动性能与休止角和堆积密度有关,休止角越小,堆积密度越大,粉体流动性越强,冲调性能就越好,自然而然地溶解性能也能有所提高。挤压膨化对芡实粉的粉体性能有所提升,表明芡实粉水溶性能与流动性能与粉体结构特征密切相关。

a-休止角和滑角;b-堆积密度和振实密度图3 挤压前后芡实粉粉体特性的影响Fig.3 Effect of powder characteristics of E. ferox before and after extrusion

2.4 挤压膨化对粉体结晶的影响

a-红外图谱;b-红外吸收比图4 挤压前后芡实粉结晶特性的影响Fig.4 Effect of crystallization characteristics of E. ferox powder before and after extrusion

2.5 挤压膨化对粉体流变学特性的影响

流动学特性是食品物性的重要特性之一,与实际加工的食品物质状态稳定性能有关。流动学特性一般采用食品的黏性与弹性来进行表述[22]。图5-a、图5-b显示N-EFF和E-EFF的糊状物的储能模量G′与损耗模量G″和损耗角正切δ。由图5-b可知损耗角正切tanδ始终小于1,表明两种物质弹性能力为主导地位,说明在小振幅频率扫描芡实全粉表现为经典的类凝胶性。通过图5-a对比可知,经过挤压膨化后E-EF的储能模量G′和损耗模量G″普遍比N-EF要大,损耗角正切tanδ比N-EF普遍要小。图5-c可知,E-EF的剪切黏度要比N-EF的要大一些,芡实全粉悬浮液的黏度随着剪切率增大而降低,出现了“剪切变稀”的现象,证明芡实全粉糊状物为“非牛顿流体”或称之为“假塑性流体”[14]。

a-小振幅频率扫描曲线;b-损耗角正切曲线;c-流动扫描曲线图5 挤压前后芡实全粉流变学特性的影响Fig.5 Effect of rheological properties of E. ferox powder before and after extrusion

K值代表流体黏度指数,n值代表流体流动指数;K值数值越大,越黏稠,n值数值越大,流动性越好。用幂律公式得到N-EFF和E-EFF的芡实全粉糊状物的流变曲线拟合方程参数中,以R2可知,2种样品的相关系数都大于0.99,表明该模型适合描述芡实全粉糊状物的流动特性,芡实经过挤压膨化后,K值由2 597.74上升到3 760.88,n值则从0.124 91上升至0.126 24(表3)。挤压膨化后的芡实糊状物,黏性和流动性都得到了提升。PÉREZ等[23]对玉米/大豆混合物挤压蒸煮的因素对膨化产品特性和面粉分散黏度的影响分析中,挤压膨化的大豆与玉米混合物,将导致模具区域中熔体黏弹性的弹性和黏性成分之间更好的平衡,这导致更高的径向膨胀,使得物质流动性能更优。由此判断挤压膨化后芡实粉的黏性和弹性都有相应的增幅,也进一步证明挤压膨化工艺改善了芡实粉的速溶性能。

表3 挤压前后芡实全粉流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数Table 3 Parameters of rheological curve fitting equation (τ=K·εn) of E. ferox powder before and after extrusion

2.6 挤压膨化对主要组分的影响

由表4可知,芡实的淀粉含量经过挤压处理后,由79.30%显著降低至68.42%,支链淀粉含量由56.52%显著下降至39.15%,还原糖含量由4.94%显著增加6.11%,直链淀粉含量由22.79%增加至29.48%,进一步说明芡实中淀粉经挤压膨化后,淀粉的结构遭到破坏,支链淀粉的有序晶体区域被破坏为无序非晶体区域;淀粉经过了糊化还原糖含量增加,更进一步说明芡实的溶解性能与支链淀粉的含量存在关联性。LIU等[24]研究也发现,挤压膨化和酶解脱支对高浓度的玉米和马铃薯淀粉结构进行改变,降低支链淀粉含量,提高直链淀粉比例含量,从而显著降低玉米与马铃薯淀粉的消化率,溶解性能也相应提升。总膳食纤维含量变化不大,但可溶性膳食纤维含量增加,不可溶性膳食纤维含量减少,表明芡实粉经挤压处理后,大分子物质发生降解,分子链被切断,分子质量相对较低,使得聚合度下降,颗粒变小,从而增强溶解性能[25]。

表4 挤压前后芡实全粉主要组分含量(干基) 单位:%Table 4 Content of main components of E. ferox powder before and after extrusion (dry basis)

2.7 挤压膨化对热力性质的影响

DSC输出是热流(mW)或单位时间能量(J/s)的函数。由图6可发现,N-EFF有一个特征吸收峰,起始温度为63.02 ℃,峰值温度为66.15 ℃,终止温度为71.56 ℃,焓值为11.62 J/g。糊化所需能量越多,焓变越大,糊化温度越高,越难糊化。该峰可能为芡实淀粉中的氢键断裂,部分结晶区遭到破坏需要吸收热量,而产生的峰。而经过挤压膨化后,芡实糊化完全,因此吸收特征峰消失[20]。张才科[26]对谷物早餐在热牛奶中的保脆性进行研究,对于膨化谷物的热力性质的分析也有相似的结论。结果表明,挤压膨化后的芡实粉糊化相对完全,且吸水能力相应增强。热力性质的结果可印证傅里叶红外光谱的结论,说明挤压膨化后支链淀粉组成结晶区遭受破坏,糊化能力增强。

图6 挤压前后芡实全粉热力学特性的影响Fig.6 Effect of thermodynamic properties of E. ferox powder before and after extrusion

3 结论

本试验通过对挤压处理前后的芡实粉进行速溶性及理化特性的研究。研究表明,芡实粉经过挤压膨化处理后,粉体颗粒疏松多孔、间隙变小、比表面积增大,有利于与水分结合,水溶性增强;芡实粉体亮度减弱,颜色呈现暗棕色,粉体表现为较好产品的色泽;通过对速溶性特性分析,溶解度、WSI、WAI、糊化度增长态势明显,而结块率呈现下降趋势;通过对晶体结构分析,解释了芡实全粉经过挤压膨化后,粉体的晶体结构遭到了破坏,形成了非晶体区域,结晶度降低,相对应的溶解性能提升;通过对芡实粉粉体结构的分析,滑角与休止角幅度下降,而堆积密度与振实密度上升,粉体结构冲调性能改善;进行流变性能分析,对粉体糊状物的小振幅频率扫描以及流动扫描,确定了挤压膨化对芡实全粉黏弹性以及流动性能的提高改善;对芡实粉重要组分测定后发现,淀粉含量与支链淀粉含量显著减少,还原糖与可溶性膳食纤维含量增加,表明挤压膨化破坏淀粉分子,并提高了亲水物质含量比例;进行热力学分析,表明挤压对芡实糊化度的影响,糊化性能完全。综上,研究对挤压后芡实各项性能的测定,说明挤压膨化对芡实粉的速溶性能提高有所帮助。