膨化營養雜糧粉的擠壓制備工藝研究

鄭 志，王麗娟，楊雪飛，祁 斌，賴華楠，姜紹通,*

(1.合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省農產品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009；3.安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230001)

膨化營養雜糧粉的擠壓制備工藝研究

鄭 志1,2，王麗娟1,2，楊雪飛1，祁 斌3，賴華楠1，姜紹通1,2,*

(1.合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省農產品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009；3.安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230001)

分別以80目玉米粉、糙米粉、燕麥粉、麥麩粉作為營養雜糧粉生產原料，研究物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度對產品品質指標徑向膨化度、糊化度和吸水性指數的影響，在此基礎上設計正交試驗，確定擠壓技術制備膨化營養雜糧粉的最佳工藝參數為物料含水量15%、螺桿轉速130r/min、機筒溫度160℃，此時產品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數為491.8%。

膨化；營養雜糧粉；擠壓工藝

雜糧是指除了稻谷、小麥等大宗糧食以外的種植面積相對較小的多種糧豆薯類總稱。我國雜糧資源豐富、品種甚多，具有相對低廉的成本優勢，屬于天然無污染無公害的原料，還含有一些獨特的生理活性成分，形成了廣大老百姓所共知的雜糧食療功效。

過去，我國糧食加工的研究主要集中在大宗糧食的利用上，對雜糧食品的開發利用缺乏深入的研究。同時，由于雜糧食品含有抗營養因子，且適口性和消化性差，大大限制了雜糧的食用與消費[1]。隨著人們對雜糧保健功能的深入認識與對健康的關注，國際國內市場對“多樣化、營養、健康、安全、方便”的雜糧健康食品的需求日益增強，對雜糧食品的研究與深度開發引起了學術界與產業界的極大興趣。

雜糧的加工技術研究中，以粗粉碎分級利用、水提或乙醇浸提、高溫熟化、真空包裝等傳統技術為主。近年來，擠壓膨化技術、紅外線滅酶技術、微波提取技術、超微粉碎技術和超臨界流體萃取技術等食品高新技術已逐漸得到應用[2]。擠壓膨化技術是一種高溫瞬時操作工藝，具有殺菌、鈍化不良因子，促使淀粉糊化，提高蛋白質利用率的作用[3]，還可改善產品的組織狀態和口感，目前已廣泛應用于玉米、小米、燕麥、大米[4-7]等食品加工領域，但很少應用于混合雜糧粉的擠壓制備。

雙螺桿擠壓膨化設備是最常用的擠壓設備，它是一個多輸出系統，其影響因素可分為原料配方、系統參數和工藝參數。工藝參數包括物料含水量、螺桿轉速、加工溫度、喂料速度、模口直徑、原料特性等。不同原料，由于成分結構的不同，工藝參數對其產品品質特性的影響不同[8-9]。本實驗以玉米、糙米、燕麥、麥麩混合粉為基質原料，采用雙螺桿擠壓膨化技術研制營養雜糧粉，從調整物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度分布等方面研究加工處理參數對擠壓營養雜糧粉的徑向膨化度、糊化度、吸水性指數等品質特性的影響，為營養雜糧粉的擠壓生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米、糙米、燕麥 安徽燕之坊食品有限公司；小麥麩皮 市售。

硫代硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉(均為分析純) 國藥集團化學試劑有限公司；糖化酶 無錫昌爾盛貿易有限公司。

1.2 儀器及設備

DS32-I雙螺桿擠壓機 濟南賽信機械有限公司；LD-750A型高速多功能搖擺粉碎機 浙江永康市紅太陽機電有限公司；AL104電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；GL-20G-II型離心機 北京冠普佳科技有限公司；DHG-9240A恒溫干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 營養雜糧粉的擠壓工藝流程

原料→粉碎→過80目篩→輔料混合→調制→水分平衡→擠壓膨化→冷卻→粉碎→過100目篩→膨化雜糧粉

1.3.2 單因素試驗

前期研究確定原料配方為玉米粉6 0%、糙米粉30%、燕麥粉5%、麩皮粉5%，通過單因素試驗研究物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度對產品徑向膨化度、糊化度和吸水性指數的影響。

物料含水量：固定機筒溫度160℃、螺桿轉速110r/ min，喂料速度對應相應的螺桿轉速，考察物料含水量分別為12%、15%、18%、21%、24%對產品上述指標的影響。

螺桿轉速：固定機筒溫度1 6 0℃、物料含水量15%，考察螺桿轉速分別為90、110、130、150、170r/ min對產品上述指標的影響。

機筒溫度：調整物料含水量15%，螺桿轉速110r/min，考察機筒溫度分別為140、150、160、170℃對產品上述指標的影響。

1.3.3 正交試驗

根據正交試驗設計的法則，設計了3因素3水平共9組試驗。由單因素試驗結果，確定各因素的變化范圍為：物料含水量15%～21%、螺桿轉速110～150r/min、機筒溫度150～170℃。營養雜糧粉擠壓膨化正交試驗因素與水平見表1，選擇L9(34)正交表進行試驗。

表1 正交試驗因素及水平表Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.4 分析測定方法

1.3.4.1 原料水分、糊化度和吸水性指數的測定

水分：GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測定》；糊化度：參照酶水解法測定[10]；吸水性指數：參照文獻[4]的方法。

1.3.4.2 半成品徑向膨化度的測定

用游標卡尺測定樣品直徑，每個樣品隨機測定10次，取其平均值作為半成品平均直徑，除以模口直徑得半成品徑向膨化度[11]。

式中：d1為谷物半成品的直徑/cm；d0為擠壓機模孔直徑/cm。

2 結果與分析

2.1 擠壓工藝參數的單因素試驗

2.1.1 物料含水量對產品品質的影響

圖1 物料含水量對徑向膨化度和糊化度的影響Fig.1 Effect of water content in raw materials on radial expansion degree and gelatinization degree

谷物膨化是物料中水分瞬間汽化而造成。水在物料體系中是一個重要的組成部分，作為物料體系的潤滑劑和聚合物的增塑劑，在擠壓過程中可以減少物料間的相互作用，降低剪切淀粉、蛋白質等聚合物時所需要的機械能，是使食品形成多孔疏松結構的重要物質，對產品膨化質量有著顯著的影響。從理論上講，物料含水量越大，膨化動力越強，膨化效果越好，但圖1顯示，在相同擠壓條件下，隨著物料含水量的提高，產品的徑向膨化度呈先升后降的趨勢，產品的徑向膨化度在物料含水量為15%時達到最大值。當物料含水量較低時，水分不足膨化受到限制；物料含水量較高時，過量的水分為自由態和表面吸附態水，難以取代或占據結合態和膠體吸潤態的水分子的原有的空間位置，這些間隙水往往不在密閉氣體小室中，難以引起物料的膨化[12]。

糊化度是衡量擠壓制品的重要指標。由圖1可知，糊化度在物料含水量為15%～18%范圍內較高，物料含水量過高或過低都會使糊化度降低。當物料含水量較低時，隨著物料濕度的增加，淀粉和蛋白質吸水增加，同時蛋白質發生變性，導致物料的黏稠度增大，物料與擠壓機構件間的摩擦力增大，在機筒停留時間增加，糊化度升高[13]；物料含水量高時，隨著物料濕度的繼續增加，由于物料中水分的潤滑劑作用，減弱了物料與擠壓機機筒內壁、螺桿和模口之間的摩擦，降低了熔融體的黏度，另一方面，水分在模口處汽化，吸收大量的汽化潛熱，降低了機筒及模口處的溫度和壓力，難以在模口處形成高溫高壓狀態，從而導致糊化度的降低。

圖2 物料含水量對吸水性指數的影響Fig.2 Effect of water content in raw materials on water-absorbing capacity

由圖2可知，吸水性指數隨著物料含水量的增加而逐步減小。因為，雜糧粉在擠壓膨化過程中，蛋白質受熱分解且發生變性，一部分淀粉糊化，一部分降解為低分子質量的葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖及麥芽糊精等低分子量產物[14]，且雜糧粉中的部分膳食纖維受擠壓斷裂，分解為小分子質量的片斷，導致水溶性物質含量增加。隨著物料含水量的增加，水分子在物料中分布更加均勻，通過高溫擠壓膨化作用后產生的水溶性物質量相應增加[15]，從而使膨化雜糧粉的吸水能力下降、吸水性指數減小。

2.1.2 螺桿轉速對產品品質的影響

螺桿轉速是影響擠壓效果的一個重要工藝參數。擠壓機螺桿轉速的變化決定了螺桿對物料的剪切與摩擦作用以及物料在機筒內的滯留時間。由圖3可知，隨著螺桿轉速的增大，產品徑向膨化度呈先增大后減小的趨勢，產品的徑向膨化度在螺桿轉速為150r/min時達到最大值。當螺桿轉速較低時，物料在擠壓機內受到的剪切作用小，隨著螺桿轉速的增加，機筒內的剪切作用、壓力、溫度相應的增加[11]，部分較大的直鏈淀粉變成短鏈的糊精和還原糖，分子的氫鍵作用被削弱，分子骨架的自由空間增大，水分子容易滲入而發生溶脹，產生更為疏松的組織，使產品的徑向膨化度增大。當螺桿轉速較高時，隨著螺桿轉速的繼續增大，扭矩降低，物料在機筒內的滯留時間縮短[1]，來不及從機筒壁吸收足夠的熱量就被擠出擠壓腔，從而使產品的徑向膨化度降低。

圖3 螺桿轉速對徑向膨化度和糊化度的影響Fig.3 Effect of screw speed on radial expansion degree and gelatinization degree

圖3顯示，螺桿轉速與產品的糊化度呈拋物線型關系。當螺桿轉速較低時，擠出物的糊化度較低，隨著螺桿轉速的不斷增加，物料受到的剪切作用增加，吸收機械能較高，擠出物的糊化度不斷增加，在130r/min達到最大值后糊化度又開始下降。這是由于物料未能充分的混合、相互摩擦，其熔融體在機筒內的停留時間大大減少，受熱時間變短[16]，來不及反應就被擠出，因此糊化效果較差。

由圖4可知，螺桿轉速也是影響吸水性指數的一個重要因素。結果顯示：產品吸水性指數隨著螺桿轉速的增大先增大后減小。螺桿轉速較低時，物料在擠壓機內停留時間較長，水分損失較多，擠壓作用明顯，使得吸水性指數增大；螺桿轉速較高時，物料在擠壓腔內停留時間縮短，水分損失較少，使得產品的吸水性指數相應減小。

圖4 螺桿轉速對吸水性指數的影響Fig.4 Effect of screw speed on water-absorbing capacity

2.1.3 機筒溫度對產品品質的影響

圖5 機筒溫度對徑向膨化度和糊化度的影響Fig.5 Effect of barrel temperature on radial expansion degree and gelatinization degree

機筒溫度是保證擠壓膨化效果的重要因素。在擠壓過程中物料所吸收的熱量有兩個來源，一是機筒壁傳導的熱量，二是物料在機筒內受剪切和摩擦作用產生的熱量。由圖5可知，隨著機筒溫度的升高，產品徑向膨化度呈現先升高后下降趨勢。機筒溫度較低時，隨著溫度上升，淀粉晶體熔融，物料黏度下降，同時支鏈淀粉分子氫鍵的斷裂速度加快，支鏈體解離，成為線狀分子，也使得壓模內外物料間的溫差增大，出模瞬間水分氣化程度加劇[17]，致使徑向膨化度不斷提高，在160℃時達到最大值后，隨溫度的進一步升高，分子的降解程度增加，物料黏度降低，對氣體的束縛能力減弱，使氣泡塌陷或收縮，致使徑向膨化度降低[18]。

物料中淀粉的糊化是在適當的溫度并吸收足夠熱量的條件下進行的。從理論上講，機筒溫度越高，物料的糊化效果越好，但圖5顯示，隨著機筒溫度的升高，糊化度呈現先升高后下降趨勢。在機筒溫度較低的情況下，物料所吸收的熱量少，水分子運動不劇烈，不易滲透到淀粉中未膨化的晶體空間結構內，導致擠出物的糊化度較低。隨著機筒溫度不斷增加，擠出物的糊化度也相應增大。當在160℃達到最大值后，隨著機筒溫度的繼續增加，糊化度反而緩慢下降。原因是：一方面機筒溫度過高，物料中水分過早地蒸發致使水分太低，淀粉在低水分時不易糊化，且物料中的蛋白質與淀粉降解的糖在高溫下發生美拉德反應，導致部分淀粉焦炭化，并結成硬塊，阻礙了淀粉糊化[1]；另一方面機筒溫度過高，淀粉分子的降解程度增大，使能夠糊化的淀粉含量減少，從而造成糊化度的降低。

圖6 機筒溫度對吸水性指數的影響Fig.6 Effect of barrel temperature on water-absorbing capacity

由圖6可知，在其他條件不變的情況下，隨著機筒溫度的變化，吸水性指數呈現先減小后增大的趨勢。原因可能是：溫度較低時，擠壓腔內物料的降解作用明顯，水溶性物質增加，導致吸水性指數相應減小；溫度過高時，部分裂解物發生焦化反應，且物料中的水分大量蒸發，半成品中水分相對減少，從而使吸水性指數增大。

在試驗設計范圍內，較少的物料含水量、較高的機筒溫度獲得了較高的徑向膨化度和糊化度，適宜的螺桿轉速，有利于提高產品的徑向膨化度和糊化度。物料含水量和螺桿轉速對吸水性指數的影響存在顯著的差異，吸水性指數隨物料含水量的升高而降低，隨螺桿轉速的增加而先增大后減小。因此，優化擠壓食品加工工藝時，要保證較高的機筒加工溫度，同時考慮較低的物料含水量和適宜的螺桿轉速。

2.2 正交試驗結果與分析

根據上述單因素試驗結果，選擇物料含水量15%～21%、螺桿轉速110～150r/min、機筒溫度150～170℃進行正交試驗，試驗設計與結果分析見表2。

由表2極差分析可知，各因素對于產品品質指標的影響程度不同，影響徑向膨化度和糊化度的因素程度依次是物料含水量＞機筒溫度＞螺桿轉速，最佳組合均為A1B2C2，即物料含水量15%、螺桿轉速130r/min、機筒溫度160℃；影響產品吸水性指數的因素程度為機筒溫度＞螺桿轉速＞物料含水量，最佳組合為A1B1C3，即物料含水量15%、螺桿轉速110r/min、機筒溫度170℃。

表2 正交試驗設計與結果Table 2 Orthogonal array design protocol and corresponding results

由表2可知，從3個指標來看，都是以A1為最佳水平，所以選取A1，即物料含水量為15%；因素B，徑向膨化度和糊化度兩個指標取B2較好，而對于產品吸水性指數，B為次要的因素，綜合考慮指標的重要程度和多數傾向選取B2，即螺桿轉速為130r/min；因素C，徑向膨化度和糊化度兩個指標取C2較好，而對于產品吸水性指數，C雖為主要影響因素，但取C2水平和C3水平相差不大，為降低能耗，綜合考慮選取C2為較優水平，即機筒溫度為160℃。

綜合上述分析，最優組合條件為A1B2C2，即物料含水量15%、螺桿轉速130r/min、機筒溫度160℃，此時產品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數為491.8%。

3 結 論

由單因素試驗和正交試驗設計及其分析結果獲得，營養雜糧粉最佳擠壓工藝參數為物料含水量15%、螺桿轉速130r/min、機筒溫度160℃，此時產品徑向膨化度為3.26，糊化度為91.87%，吸水性指數為491.8%。

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Preparation of Nutritional Coarse Grain Powder by Twin-Screw Extrusion

ZHENG Zhi1,2，WANG Li-juan1,2，YANG Xue-fei1，QI Bin3，LAI Hua-nan1，JIANG Shao-tong1,2,*
(1. School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2. Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, Hefei 230009, China；3. Anhui Yanzhifang Food Company, Hefei 230001, China)

Nutritional coarse grain powder was developed using twin-screw extrusion technology with mixed powder of corn, unpolished rice, oat and wheat bran. The effects of water content in raw materials, screw speed and barrel temperature on quality indices including radial expansion degree, gelatinization degree and water-absorbing capacity of extruded powder were investigated. An orthogonal array design was used to determine the optimal process parameters for the preparation of nutritional coarse grain powder as follows: water content in raw materials of 15%, screw speed of 130 r/min, and barrel temperature of 160 ℃. The radial expansion degree, gelatinization degree and water-absorbing capacity of the obtained product were 3.26, 91.87% and 491.8%, respectively.

expansion；nutritional coarse grain powder；extrusion processing

TS201.1

A

1002-6630(2012)18-0118-05

2011-08-04

安徽省科技計劃項目(11010302149)

鄭志(1971—)，男，教授，博士，研究方向為農產品加工與貯藏工程。E-mail：zhengzhi@hfut.edu.cn

*通信作者：姜紹通(1954—)，男，教授，碩士，研究方向為農產品加工與貯藏工程。E-mail：jiangshaotong@yahoo.com.cn