挤压膨化对杂粮代餐粉营养品质及理化性质的影响

王 霞，刘永吉，白吉敏，鹿保鑫

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心，黑龙江大庆 163319；3.黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室，黑龙江大庆 163319）

杂粮通常是指水稻、小麦、玉米、大豆和薯类五大作物以外的粮豆作物。但多数杂粮由于种植面积少、种植地区特殊、产量较低，质地粗糙，适口性差，因此其主食化加工受到较大限制。鉴于此，寻找一种加工技术，改善其适口性、冲调性等成为研究的重点[1]。

挤压膨化技术是目前杂粮预加工的新型加工技术[2-4]，其特点是工艺简单、能耗低、成本低、无“三废”、产量高、质量好，在改善杂粮风味、抑制不良因素和提高蛋白质消化率方面起着重要作用。范宽秀等[5]研究得出挤压膨化处理能够提高淮山全粉的速溶性。谢仲寅等[6]研究证明，挤压膨化处理可改善小米风味、口感，提高产品质量。方浩标等[7]研究表明，紫糙米经过最优挤压膨化处理后，营养虽有一定的损失，但溶解度与熟化度得到极大地提升。目前，有关挤压膨化的研究更多地集中在单一杂粮和挤压工艺优化上，有关对复合杂粮粉挤压前后基本营养成分、挥发性风味物质、结晶特性、糊化特性、水合特性、粉体特性等全面评价的研究甚少。

本实验系统研究了挤压膨化对复合杂粮粉基本营养成分、挥发性风味物质、理化性质以及杂粮粉粉体特性的影响。旨在为挤压膨化技术在杂粮食品加工中的应用及杂粮产品的进一步开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

青稞 藏青311，市售；绿豆 鹦哥绿，市售；黑豆 龙黑大豆1 号，市售；苦荞 九江苦荞，市售；葡萄糖酸钙（AR）郑州瑞普生物工程有限公司；甲醇色谱级，国药集团化学试剂有限公司。

DSE32 型双螺杆挤压实验机 济南鼎润机械设备有限公司；高速多功能粉碎机 皇代电器旗舰店；75 μm CAR/PDMS 萃取纤维头、手动SPME 进样器 美国Sigma 公司；差示扫描量热仪 德国耐驰；RVA-4500 型快速粘度分析仪 波通瑞华科学仪器有限公司；CS-580A 型分光测色仪 深圳市君达时代仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 杂粮代餐粉的工艺流程 多种杂粮进行粉碎（过80 目筛）→杂粮粉按配比混合均匀→调节水分（挤压处理前样品）→挤压膨化机加工（螺杆转速162 r/min，挤压温度160 ℃，物料水分含量18%）→粉碎（过80 目筛）→成品。[1]

1.2.2 基本营养成分的测定 将原料粉、杂粮代餐粉进行主要产品组分的变化，测定方法按下列方法进行。蛋白质含量的测定，采用GB 5009.5-2016 中的凯氏定氮法；粗脂肪含量的测定，采用GB 5009.5-2016 中的索式抽提法；灰分的测定，采用GB 5009.4-2016 中的第一法（灼烧法）；总膳食纤维的测定，采用GB 5009.88-2014 中的酶重量法；淀粉含量的测定，采用GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的测定》（酶水解法）测定。

1.2.3 总酚含量测定 总酚含量采用福林酚比色法测定[8]。在10 mL 容量瓶中，加入0.5 mL 酚类提取物，用蒸馏水定容至5 mL，然后加入0.5 mL 福林酚试剂，摇匀，加入1 mL 0.5 mol/L 碳酸钠溶液，摇匀，避光放置1 h，在765 nm 处测量吸光度，平行测量三次。使用没食子酸标准品制作标准曲线。

1.2.4 黄酮含量测定 总黄酮含量根据Liu 等[9]的方法进行测定，并稍作修改。吸取0.5 mL 酚类提取物到10 mL 容量瓶中，用70%乙醇溶液将其体积增加到5 mL，加入0.3 mL 5%的NaNO2，混合均匀后静置6 min，加入0.3 mL10%的AI（NO3）3，混合均匀后静置6 min，最后加入4 mL 4%的NaOH 溶液，用70%乙醇溶液将其体积增加到10 mL，混合均匀后静置15 min。在510 nm 处测量吸光度，平行测量三次。使用芦丁标准品制作标准曲线。

1.2.5 固相微萃取结合气-质联用测定其可挥发性风味物质

1.2.5.1 挥发性风味物质的采集 准确称取样品5.0 g，放入20 mL 的固相萃取管中，插入带有75 μm CAR/PDMS 纤维头的手持注射器中，在60 ℃顶空萃取1 h，立即取出萃取头并放入GC 中，在250 ℃下对样品进行热解析5 min。

1.2.5.2 气相色谱条件 色谱柱为HP-5MS 石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；初始柱温为45 ℃，保持5 min，然后以3 ℃/min 升至170 ℃，保持1 min，然后以7 ℃/min 升至250 ℃，保持3 min；柱室温度为45 ℃；入口温度为250 ℃。汽化室的温度为250 ℃。使用纯度为99.999%氦气为载气，载气流量为1 mL/min，分流比10:1。质谱条件：EI 源，离子源温度200 ℃，电子能量70 eV，接口温度270 ℃，单四极杆质量分析器，质量扫描范围35～350 amu，检测电压1.00 kV。

定性：GC-MS 分析得到的质谱图与计算机中NIST17 标准谱库进行比对，提供匹配度大于等于80%的物质作为参考风味物质成分（若无>80%的物质，选择提供相似的最高的物质）。定量：用峰面积归一化法计算出样品中各成分的相对含量。

1.2.6 理化性质的检测

1.2.6.1 X-衍射分析 参考唐君钰[10]的方法，稍作修改。测试条件的参数如下：铜靶板；管压电流：40 kV/35 mA；步长：0.02°；扫描速度：8 °/min；衍射角：2θ；扫描范围：4°～60°。

1.2.6.2 热特性检测 利用差示量热扫描仪（Differential Scanning Calorimeter，DSC）对代餐粉的热特性进行分析。参考程雯[11]的方法，稍作修改。将样品准确称量到3.0 mg 的铝制坩埚中，加入9 μL去离子水，盖上盖子，让坩埚在4 ℃下平衡24 h。使用一个空的坩埚作为参考样品，以10 mL/min 的氮气作为载气，将样品从20 ℃加热到150 ℃，加热速率为5 ℃/min。

1.2.6.3 糊化特性检测 参考李兆钊[12]的方法，稍作修改。将仪器预热20 min，称取3 g 含水量为14%的样品和25 mL 蒸馏水，放入RVA 仪器的铝制容器中，沿同一方向混合，不要形成结块。将试验条件设定在50 ℃，持续1 min，然后升至95 ℃，以12 ℃/min 的速度持续2.5 min，然后冷却至50 ℃，以12 ℃/min 的速度持续2 min。搅拌器在前10 s以960 r/min 的速度运行，然后以160 r/min 的速度运行，共14 min。使用RVA 的TCW 软件对数据进行分析。

1.2.6.4 凝胶质构特性的测定 参考廖卢艳等[13]的方法，稍作修改。利用RVA 使挤压前后杂粮粉充分糊化后，置于4 ℃冰箱内保存24 h，TPA 模式下进行测量：探针：TA/0.5；形变量：50%;触发力：10 g；测试速度：1.0 mm/s；样品高度：75 mm。

1.2.7 代餐粉品质特性

1.2.7.1 可溶性固形物测定 参照王大为等[14]的方法，略有改动。将待测的粉末样品在70 ℃的烘箱中干燥6～8 h，准确称取干燥后样品0.3 g 并加入0.7 mL蒸馏水，将其配制成7%的溶液，在100 ℃的水浴中保持30 min，然后以4000 r/min 的速度旋转30 min。取出上清液，用手持糖量折光仪测定可溶性固体含量。

式中：A 为样品中可溶性固形物含量，%；A0为溶液中可溶性固形物含量，%。

1.2.7.2 水合特性测定 持水性的测定参照Mari等[15]的方法，略有改动。将样品配制成5%的溶液后，在室温下放置4 h，然后以4000 r/min 的速度离心15 min，倒出上清液，算持水力公式如下：

式中：m1为样品湿重，g;m 为样品干重，g。

持油性的测定参照汤小明等[16]的方法，略有改动。样品与食用油质量比为1:8 混合均匀，在室温下静置4 h 后，经4000 r/min 离心15 min，计算持油性公式如下：

式中：m1为样品湿重，g；m 为样品干重，g。

1.2.7.3 粉体特性测定 a.休止角及滑角的测定：休止角（θ）：将漏斗固定在铁架台上，使漏斗底端高于桌面上方格纸（H）3 cm，然后把样品均匀地倒进漏斗中，直到成型后锥体的顶部与漏斗底部相接触，被测锥体的直径记为2R[17]。按公式计算：

滑角（α）：将5.0 g 样品放置在玻璃板上（L:130 mm），把平板的一头慢慢地提起，测量顶面到水平面的垂直距离（H）。按公式计算：

b.松密度（ρB）、轻敲密度（ρT）、卡氏指数（Carr）、霍斯纳比值（Hausner）的测定[18]：ρB：取一个100 mL量筒，精密称取10 g 样品，将样品用漏斗倒入量筒中，并准确记录粉体体积，进行三次平行实验。按公式计算：

式中：m1为量筒的质量，g；m2为样品与量筒的总质量，g；VB为注入样品的体积，mL。

ρT：将上述量筒从距桌面高度3 cm 处自由下落，重复300 次，记录振实后粉末体积，进行三次平行实验。按公式计算：

式中：VT为振实后样品的体积，mL。

Carr 指数、Hausner 比值按公式计算：

c.川北方程：将样品小心倒入量筒100 mL 标记处，再使量筒在垂直桌面1 cm 的高度上自由下落，直到体积恒定，记录该时刻样品的体积及落下次数。川北方程变形为：

式中：n 为轻敲次数（即落下次数）；a 为轻敲次数无穷大时体积减少数；b 为充填速度常数；c 为样品相对体积减小数。

轻敲次数无穷大时，a、b 按公式计算：

式中：V0为初始体积；Vn为轻敲 n 次后样品体积；V∞为轻敲无穷次后样品体积。

1.2.7.4 色泽测定 使用CS-580A 型分光测色仪，每个样品测3 次，求其平均值。根据所得数据，计算色度（C*），色相角（H*），总颜色（E*）、明亮值（L*）、红绿值（a*）、黄蓝值（b*）和白度（W）。按公式计算：

1.3 数据处理

采用 Microsoft Ofice Excel 2019 软件计算实验数据均值和标准偏差；采用SPSS 26 软件对数据进行显著性差异分析；采用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化对代餐粉基本成分的影响

由表1 可知，杂粮粉经挤压膨化以后，蛋白质、脂肪、水分、淀粉、总酚、总黄酮含量显著降低（P<0.05），膳食纤维和灰分变化不显著（P>0.05）。这可能是由于物料在挤压机机械能与热能的共同作用下，蛋白质部分变性降解产生小分子肽和氨基酸；脂肪分解为生单甘油和游离脂肪酸；淀粉不仅会发生糊化，同时也伴随着降解反应，生成小分子的还原糖与糊精。酚类物质对热较敏感，在热效应与剪切效应的共同作用下，可能发生热降解或与淀粉和脂肪等大分子物质发生结合，从而使酚类物质含量下降[19]。

表1 挤压前后营养成分比较Table 1 Comparison of nutritional composition before and after extrusion

2.2 挥发性风味物质的变化

如表2 所示通过顶空固相微萃取和气相色谱-质谱（GC-MS）联用对挤压前后复合杂粮粉进行检测；鉴定出大量挥发性风味成分：碳氢类、醛类、酮类、酯类、醇类、杂环类化合物。其中未加工杂粮粉检出24 种风味物质：碳氢类14 种（57.45%）；醛类3 种（19.54%）、酮类1 种（2.13%）、酯类3 种（11.3%）、醇类3 种（9.57%）。挤压后代餐粉检出21 种风味物质：碳氢类10 种（35.05%）；醛类4 种（35.59%）、酮类1 种（4.14%）、酯类2 种（6.02%）、醇类3 种（14.18%）、杂环类1 种（5.03%）。经过挤压处理后挥发性风味物质中碳氢类和酯类物质含量减少，而醛、酮和醇的含量增加，并产生杂环化合物。虽然挤压后碳氢类物质含量仍然较高，但是其风味阈值较高，不具备明显的风味特征[20]；挤压后产生新的酯类物质赋予了杂粮代餐粉特殊香气，对杂粮代餐粉的风味具有一定辅助作用；挤压后醛类物质含量高达35.59%，是杂粮代餐粉主要香气成分；酮类物质阈值较高[21]，且含量较少，对整体风味贡献较小；醇类物质具有令人愉悦的蘑菇、甘草香气[22]，赋予了杂粮代餐粉特殊风味；杂环类中吡嗪类物质提供烤香、坚果香气[23]，对杂粮代餐粉的香气也起到一定的作用。总的来说挤压膨化后杂粮粉主要挥发性成分醛类、醇类、杂环类物质有所增加，大大改善其产品风味，赋予杂粮代餐粉更加清香，令人愉悦的气味。

表2 挤压前后杂粮粉的挥发性风味物质的变化Table 2 Changes in volatile flavor compounds of coarse grain flour before and after extrusion

2.3 挤压膨化对代餐粉理化性质的影响

2.3.1 挤压处理对结晶特性的影响 如图1 所示，未加工杂粮粉在衍射角度2θ为17°、18°、20°、23°附近表现出A 型淀粉晶型，结晶度为46.80%。加工后代餐粉在7.4°、12.5°、20.5°处出现了强衍射峰，属于V 型结构，结晶度为21.83%。以上现象归因于挤压时高温、高压及高剪切力等综合因素对淀粉分子键造成损伤。氢键被破坏，导致淀粉原有的结晶结构丧失，形成新的结晶区，并降低了淀粉的结晶度。这与徐晓茹等[24]在研究大米挤压前后结晶特性时所得出的，挤压破坏了淀粉原有的晶体结构，形成新的结晶区结论相一致。

图1 挤压前后杂粮粉的XRD 测定结果Fig.1 XRD measurements of coarse grain powder before and after extrusion

2.3.2 挤压膨化对杂粮粉热特性的影响 由表3 可知，经挤压处理后起始糊化温度和峰值温度有所升高，终止糊化温度和糊化焓变值显著降低（P<0.05），表明挤压处理后杂粮粉发生糊化。可能是因为淀粉的颗粒、晶型结构遭到破坏，氢键断裂，双螺旋连解聚，导致糊化焓变值降低，这与上述X-射线衍射分析的结果一致。

表3 挤压前后杂粮粉的DSC 测定结果Table 3 DSC measurements of coarse grain flour before and after extrusion

2.3.3 挤压膨化对杂粮粉糊化特性的影响 由表4可知，经挤压处理后杂粮粉的各项指标均显著降低（P<0.05）。这是由于杂粮粉在挤压机筒体中受到高温、高压和高剪切力作用，使淀粉结构遭破坏，部分降解为小分子物质，蛋白质发生变性、重组及组织化，脂肪与淀粉、蛋白质形成脂肪复合体等物化变化，使得峰值黏度、最低黏度、最终黏度显著降低（P<0.05）。崩解值为峰值黏度和最低黏度的差值反映其热稳定性，崩解值由120 cP 显著降低为10 cP，较低的崩解值表明挤压处理后杂粮粉更加稳定；回生值表示淀粉老化程度，回生值越低淀粉越不易老化[25-27]。综上所述，挤压膨化能使杂粮粉较充分糊化并且使得口感更好，更易于消化吸收。

表4 挤压前后杂粮粉的糊化参数值Table 4 Gelatinization parameter values of coarse grain flour before and after extrusion

2.3.4 挤压膨化对杂粮粉凝胶质构的影响 由表5所示，硬度是最直接反映口感的一项指标，直接影响咀嚼性和内聚性。硬度太大，不仅口感不好，而且其消化吸收性和嗜好性也不好。经过挤压膨化处理后硬度由97.96 g 降到了62.24 g，弹性增加，赋予其良好的品质特性[28-29]。粘附力有所提高使产品具有黏性口感，以满足消费者要求。胶粘性降低，咀嚼性增加，良好的咀嚼性可以提供食品良好的口感。

表5 挤压前后杂粮粉的凝胶特性Table 5 Gel characteristics of coarse grain flour before and after extrusion

2.4 代餐粉品质特性的变化

2.4.1 可溶性固形物、水合特性、粉体特性的变化如表6 所示，经挤压膨化后杂粮粉的可溶性固形物含量增加了12.57%，可能是由于淀粉、蛋白质等大分子物质降解为糊精、麦芽糖、游离氨基酸和多肽等小分子物质导致[30]。代餐粉持水力较未加工显著提高（P<0.05），持油力下降。可能是挤压膨化处理导致杂粮代餐粉的内部结构发生部分降解而变得疏松，其颗粒表面羧基和羟基等亲水基团暴露[31]，导致持水力增大；而油脂与之接触的区域减少，致使持油力降低。休止角和滑动角可以反映粉末流动性的变化，角度越小，流动性越好；松密度和轻敲密度与填充性有关，密度越大，填充性越好；川北方程中a 值越小，粉体的流动性越好；1/b 值越小，粉体的填充速度越大，填充更易于进行。挤压后休止角、滑动角、a、1/b 分别从53.33°、42.48°、0.34、10.67 降到38.99°、35.64°、0.27、8.00，松密度和轻敲密度分别从0.27、0.35 g/mL升为0.33 和0.39 g/mL。

表6 挤压前后杂粮粉的可溶性固形物、水合特性、粉体特性的测定结果Table 6 Soluble solids,hydration characteristics,and powder characteristics of coarse grain flour before and after extrusion

如表7 所示，经挤压处理后各项指标均有变化，其中L*、a*、H*、E*变化显著（P<0.05），存在肉眼可辨的色差。这可能与物料在高温高压作用下发生美拉德反应与淀粉糊化等有关。这与肖香等[32]在研究挤压膨化对大麦全粉色度的影响时所得出的L值下降，a值、b值增加，挤出物颜色为黄褐色，颜色变深，结论相一致。

表7 挤压对杂粮粉色度的影响Table 7 Effect of extrusion on the pindness of coarse grains

3 结论

本实验以复合杂粮粉为原料，研究了挤压处理对复合杂粮粉营养品质和理化性质的影响。复合杂粮粉经挤压处理后蛋白质、脂肪、水分、淀粉、总酚、总黄酮含量降为19.23 g/100 g、6.52 g/100 g、8.02%、49.97 g/100 g、169.25 mg/100 g、125.39 mg/100 g，膳食纤维和灰分变化不明显；杂粮代餐粉主要香气成分：醛类物质含量高达35.59%，风味明显优于未处理杂粮复合粉；结晶度下降，糊化更加充分；硬度由97.96 g 降到了62.24 g，弹性增加，赋予其良好的口感；可溶性固形物含量及持水力增强，持油力减弱，粉体流动性、填充性、色泽均得到改善。综上所述，复合杂粮粉经挤压膨化后，营养成分虽有一定的损失，但风味、溶解度、糊化度均得到极大地提升，证明挤压膨化技术是提高复合杂粮粉品质的一种有效的方法。