麥麩加酸擠壓改性及對其理化特性的影響

王兆升劉傳富董海洲李曉青張明

(山東農業大學食品科學與工程學院1,泰安 271018)

(華南農業大學食品學院2,廣州 510642)

麥麩加酸擠壓改性及對其理化特性的影響

王兆升1劉傳富1董海洲1李曉青2張明1

(山東農業大學食品科學與工程學院1,泰安 271018)

(華南農業大學食品學院2,廣州 510642)

以麥麩為原料,酸為催化劑,采用擠壓加工技術,研究了加酸擠壓改性麥麩膳食纖維的工藝條件及對其主要理化特性的影響。結果表明,最佳工藝條件為物料粒度 50目、水添加量 27.5%、鹽酸濃度 0.035 mol/L、膨化溫度 115℃和轉速 225 r/min。在該工藝條件下加酸與未加酸相比擠壓麥麩的可溶性膳食纖維含量、持水力、結合水力和膨脹力分別提高 80.93%、42.39%、55.53%和 66.97%,擠壓改性后的麥麩理化特性得到改善。

麥麩 加酸 擠壓改性 膳食纖維 理化特性

小麥麩皮是制粉工業的主要副產品,資源非常豐富。麩皮中含有大量的膳食纖維及豐富的蛋白質、礦物質和維生素等營養成分,對人體有重要的營養及保健功能[1],而我國對麥麩的深度開發利用尚處于較低水平,85%以上的麩皮用于釀酒、制醋、醬油、飼料等傳統加工,極少有麥麩食品上市,食用和商品價值較低[2],而麥麩中豐富的纖維含量及營養成分卻是人們希望從天然食品中得到的物質。但天然的膳食纖維中大多數為不溶性膳食纖維 (I DF),可溶性膳食纖維(SDF)含量較低。因此,對膳食纖維改性,提高 SDF含量已成為膳食纖維制備技術主要的研究方向之一。

目前,膳食纖維改性處理主要有化學處理法和機械降解處理法[3]。擠壓加工技術作為一門高新技術,在膳食纖維改性中可有效提高 SDF含量[4],如何更大限度的提高 SDF含量仍是當前研究的重點。本試驗以酸作為催化劑,采用擠壓膨化的方法,對加酸擠壓改性麥麩膳食纖維的工藝條件及對其主要理化特性的影響進行了詳細研究,以期為麥麩的開發利用提供新的依據。

1 材料與方法

1.1 主要材料

小麥麩皮:濟寧農業高新技術示范園提供;蛋白酶:活力 45 000 u/g,美國 Sigma公司;耐高溫α-淀粉酶:活力 45 000 u/mL,無錫果達生物工程有限公司;糖化酶:活力 80 000 u/mL,無錫酶制劑廠;醋酸、硫酸、鹽酸:分析純,萊陽市康德化工有限公司;乳酸:分析純,萊陽經濟技術開發區精細化工廠。

1.2 主要設備

DS56-X型雙螺桿膨化機:濟南高新開發區賽信機械有限公司;JFSD-70粉碎磨:上海嘉定糧油檢測儀器廠;DZK W電子恒溫水浴鍋:北京光明醫療儀器廠;85-2型恒溫磁力攪拌器:南匯電訊器材廠; KDC-40型離心機:科大創新股份中佳分公司。

1.3 工藝流程

麥麩(篩選)→烘干 (70℃)→粉碎 (使用不同目數的篩網)→調粉→擠壓→粉碎

1.4 試驗內容

1.4.1 單因素試驗

本試驗在同一喂料速度前提下,以 SDF含量(干基)為考核指標,研究酸添加劑種類、物料粒度、水添加量、酸液濃度、膨化溫度及轉速對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響。

準確稱取 5份 40目的麥麩粉,每份 2 500 g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的酸溶于麥麩粉質量分數 20%的水中,配成酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度達到 0.02 mol/L,在膨化溫度 100℃、轉速 150 r/min條件下擠壓膨化。試驗設置醋酸、硫酸、鹽酸和乳酸 4個種類。酸添加量按下式計算:酸添加量 =(麥麩粉含水量 +水添加量)×物料中酸液濃度/(酸濃度 -物料中酸液濃度)。

準確稱取 5份不同粒度的麥麩粉,每份 2 500 g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的鹽酸溶于麥麩粉質量分數 20%的水中,配成酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度達到 0.02 mol/L,在膨化溫度 100℃、轉速 150 r/min條件下擠壓膨化。試驗設置 20、30、40、50、60目 5個水平。

準確稱取 5份 50目的麥麩粉,每份 2 500 g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的鹽酸分別溶于麥麩粉質量分數 10%、15%、20%、25%、30%的水中,配成酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度都達到 0.02 mol/L,在膨化溫度 100℃、轉速150 r/min條件下擠壓膨化。

準確稱取 5份 50目的麥麩粉,每份 2 500 g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的鹽酸分別溶于麥麩粉質量分數 25%的水中,配成 5種濃度的酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度分別達到 0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L,在膨化溫度100℃、轉速 150 r/min條件下擠壓膨化。

準確稱取 5份 50目的麥麩粉,每份 2 500g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的鹽酸溶于麥麩粉質量分數 25%的水中,配成酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度達到 0.03 mol/L,在轉速 150 r/min、不同膨化溫度條件下進行擠壓膨化。試驗設置 80、90、100、110、120℃5個水平。

準確稱取 5份 50目的麥麩粉,每份 2 500 g,分別置于調粉機中攪拌,將一定量的鹽酸溶于麥麩粉質量分數 25%的水中,配成酸溶液,在攪拌過程中噴入,最終使物料中的酸液濃度達到 0.03 mol/L,在膨化溫度 110℃,不同轉速條件下進行擠壓膨化。試驗設置 50、100、150、200、250 r/min 5個水平。

1.4.2 多因素試驗

加酸擠壓膨化麥麩膳食纖維改性工藝條件的優化,在單因素試驗的基礎上,以水添加量,酸液濃度、膨化溫度、轉速進行多因素試驗,SDF含量 (干基)為考核指標。

1.5 測定方法

1.5.1 營養成分的測定

脂肪的測定:索氏抽提法 (GB/T5009.6—2003);蛋白質的測定:凱氏定氮法 (GB/T5009.5—2003);淀粉的測定:前處理同酶解法 (GB/T5009. 9—2003),測定用 DNS比色法;水分的測定:直接干燥法 (GB/T5009.3—2003);灰分的測定:直接灰化法(GB/T5009.4—2003);植酸的測定:鉬藍比色法;總膳食纖維(TDF)、水溶性膳食纖維(SDF)與水不溶性膳食纖維(I DF)的測定:AACC32—07法。

1.5.2 膨脹力的測定[5]

準確稱取 1.000 g樣品,放入帶刻度的玻璃試管中,加入 10 mL蒸餾水,攪拌均勻后,在室溫下靜置24 h,讀出試樣此時的體積分數。

膨脹性 =膨脹后體積∕樣品干重

1.5.3 持水力的測定[6]

準確稱取 1.000 g樣品,置于 100 mL燒杯中,加蒸餾水 70 mL,電磁攪拌 24 h,轉移至離心杯中,在3 500 r/min的速度下離心 30 min,取出,傾去上清液,稱質量。

持水力 =(濕質量 -干質量)/樣品干質量 × 100%

1.5.4 結合水力的測定[7]

準確稱取 1.000 g樣品,置于平皿中,加入 20℃蒸餾水 20 mL,室溫下保持 1 h后移置定量濾紙上瀝干水分,將濕樣移入 10 mL刻度離心管中,在 4 000 r/min下離心 5 min,傾去上清液,稱質量。

結合水力 =(濕質量 -干質量)/樣品干質量 × 100%

2 結果與分析

2.1 麥麩主要成分分析

麥麩進行篩選、烘干,對其主要成分分析,結果如表1所示。

表1 麥麩的主要成分

從表 1可以看出,麥麩中膳食纖維含量很高,其次是淀粉和蛋白質,SDF含量較低(1.83%),占總膳食纖維含量的 0.04%。這與陶顏娟等[8]的研究結果相似(總膳食纖維 45.5%,SDF含量 1.83%),但與孫穎等[9]的研究結果 (總膳食纖維含量 44.72%, SDF含量 4.12%)有較大差異,這可能與小麥品種、脫麩工藝等有較大關系。

2.2 酸添加劑的確定

從表 2可以看出,麥麩擠壓膨化時,添加酸可有效提高擠壓麥麩的 SDF含量。不同種類的酸對麥麩的作用效果有較大差異,鹽酸作用效果最好,SDF質量分數提高33.17%;其次是硫酸、乙酸,SDF質量分數分別提高26.71%、13.17%;乳酸作用效果最小,SDF質量分數提高2.63%。這主要是由于麥麩擠壓膨化時,在酸的催化作用下提高了纖維高聚物連接鍵的斷裂;在同一濃度下酸水解能力越強[10],SDF含量越高。因此,在本試驗條件下選擇鹽酸為酸添加劑。

表 2 酸添加劑對麥麩可溶性膳食纖維的影響

2.3 加酸擠壓改性麥麩膳食纖維工藝條件的確定

2.3.1 物料粒度對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響

從圖 1可以看出,當物料粒度低于 50目時,SDF含量隨物料粒度的增大而增大,并達到一最大值(13.31%);當粒度超過 50目時,SDF含量隨物料粒度的增大反而有所下降。這可能是由于粒度決定物料的比表面積,而纖維高聚物發生斷裂的作用力主要來自機腔內的擠壓力和剪切力,在一定膨化溫度、轉速等條件下,適宜的物料粒度其所受擠壓力和剪切力最大,纖維高聚物易發生斷裂,SDF含量就高[5]。因此,在本試驗條件下確定物料粒度為 50目。

圖 1 物料粒度對 SDF含量的影響

2.3.2 水添加量對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響

圖 2 水添加量對 SDF含量的影響

由圖 2可以看出,在水添加量為 10%～25%范圍內,SDF含量隨著水添加量的增加而升高,但當水添加量超過 25%時,SDF含量又開始下降。這主要是由于水添加量較小時 (低于 25%),物料吸水不均勻,導致麥麩較難形成熔融狀態,同時酸液分布不勻,酸的催化作用被削弱;當水添加量為25%時吸水充分,纖維高聚物連接鍵易被斷裂,從而有效提高 SDF含量;當水添加量較高時 (高于25%),物料潤滑,機腔內擠壓和剪切作用力又被減小,纖維高聚物結構不易被破壞,從而使 SDF含量略有降低。因此,在本試驗條件下確定水添加量為25%。

2.3.3 酸液濃度對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響

從圖 3可以看出,擠壓膨化麥麩 SDF含量隨著酸液濃度的增加而增加,這說明酸濃度越大,越能增加纖維組織的軟化程度,水解作用增強,從而加劇纖維高聚物連接鍵的斷裂。但是濃度過高 (超過 0.03 mol/L),膨化時有刺鼻氣味。因此,在本試驗條件下確定酸液濃度為 0.03 mol/L。

圖3 酸液濃度對 SDF含量的影響

2.3.4 膨化溫度對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響

圖4 擠壓溫度對 SDF含量的影響

從圖 4可以看出,擠壓膨化麥麩 SDF含量隨著膨化溫度的提高而增大,當膨化溫度為 110℃時, SDF含量達到最大值(16.89%),而后 SDF含量又開始下降。這可能是由于隨著膨化溫度的提高,加劇了水分子和鹽酸分子的運動,從而比較容易滲透到纖維高聚物的空間結構內,酸的水解作用增強,在擠壓和剪切力等強作用力下,膳食纖維發生降解,SDF含量增加,如膨化溫度過高 (超過 110℃)會造成膳食纖維發生強烈降解,同時伴有焦糊味,從而降低SDF含量。因此,在本試驗條件下確定膨化溫度為110℃。

2.3.5 轉速對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響

從圖 5可以看出,轉速對麥麩可溶性膳食纖維含量有一定的影響,在轉速 50～200 r/min范圍內隨著轉速的提高,擠壓麥麩的 SDF含量不斷增加,當轉速超過 200 r/min時擠壓麥麩的 SDF含量有所下降。這可能是在轉速 50～200 r/min范圍內轉速快,剪切力大,有利于大分子的降解,從而使 SDF含量提高;而在較高轉速時(超過 200 r/min),由于物料在機桶內,作用時間縮短,纖維高聚物糖苷鍵還未完全斷裂就被擠壓出來,使 SDF含量下降。因此,在本試驗條件下確定轉速為 200 r/min。

圖5 轉速對 SDF含量的影響

2.3.6 加酸擠壓改性麥麩膳食纖維工藝條件的優化

在單因素試驗的基礎上,為了獲得加酸擠壓改性麥麩膳食纖維最佳工藝條件,以酸液濃度、水添加量、膨化溫度和轉速進行多因素試驗。因素水平見表 3,試驗結果見表 4。

表3 因素水平表

從表 4可以看出,影響加酸擠壓改性麥麩膳食纖維的主要因素是酸液濃度,其次是膨化溫度和水添加量,轉速影響最小。最適工藝條件為 A3B3C3D3,即酸液濃度 0.035 mol/L、水添加量 27.5%、膨化溫度 115℃和轉速225 r/min,經驗證 SDF質量分數為18.31%。

表4 正交試驗結果

2.4 加酸擠壓改性麥麩膳食纖維對其主要理化特性的影響

固定物料粒度 50目、水添加量 27.5%、膨化溫度 115℃和轉速 225 r/min。加酸 (鹽酸,酸液濃度0.035 mol/L)和未加酸對擠壓麥麩主要理化特性的影響見表5。

表 5 加酸和未加酸對擠壓麥麩主要理化特性的影響

從表 5可以看出,加酸擠壓改性麥麩膳食纖維和未加酸擠壓改性麥麩膳食纖維相比,擠壓麥麩的SDF含量、持水力、結合水力和膨脹力都有不同程度的提高,分別提高 80.93%、42.39%、55.53%和66.97%。這說明加酸擠壓改性的麥麩的理化特性得到改善。

3 結論

3.1 影響加酸擠壓改性麥麩膳食纖維的主要因素是酸液濃度,其次是膨化溫度和水添加量,轉速影響最小。最佳工藝條件為物料粒度 50目、水添加量27.5%、鹽酸濃度 0.035 mol/L、膨化溫度 115℃和轉速 225 r/min。

3.2 加酸擠壓改性麥麩膳食纖維和未加酸擠壓改性麥麩膳食纖維相比,擠壓麥麩的 SDF含量、持水力、結合水力和膨脹力分別提高 80.93%、42.39%、55.53%和 66.97%。

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ExtrusionModification ofWheatBran with AddingAcid and Effects on Physicochemical Property

Wang Zhaosheng1Liu Chuanfu1Dong Haizhou1Li Xiaoqing2ZhangMing1

(College of Food Science and Engineering,Shandong AgriculturalUniversity1,Taian 271018)
(College of Food Science and Engineering,South China AgriculturalUniversity2,Guangzhou 510642)

The extrusion modification ofwheat bran using acid as catalystwas studied,and the influence of the modification on the physicochemical property ofwheat bran was discussed.Results:The determined opti mum techno2 logical conditions arematerialparticle size 50 mesh,moisture 27.5%,hydrochloric acid concentration 0.035 mol/L, extrusion temperature 115℃,and screw speed 225 r/min.Compared with the product of extrusion without acid,the SDF content,water holding ability,water combination and expansibility of product are improved by 80.93%, 42.39%,55.53%,66.97%,respectively,so the physicochemical property of the wheat bran extruded with adding acid is improved.

wheat bran,adding acid,extrusion modification,dietary fiber,physicochemical property

S377 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)03-0011-05

2009-05-12

王兆升,男,1970年出生,講師,食品科學與工程

董海洲,男,1957年出生,教授,博士生導師,食品科學與工程