西農(nóng)黑大穗小麥擠壓膨化加工研究

劉苗苗 張正茂， 卓武燕 孫 茹 邢沁澮 胡新娟

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，楊凌 712100)(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院2，楊凌 712100)

西農(nóng)黑大穗小麥擠壓膨化加工研究

劉苗苗1張正茂1，2卓武燕2孫 茹1邢沁澮1胡新娟1

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，楊凌 712100)(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院2，楊凌 712100)

以普冰9946小麥為對(duì)照，研究西農(nóng)黑大穗擠壓膨化過(guò)程中加工溫度、物料含水量、喂料速度變化對(duì)擠壓膨化的扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力、單位機(jī)械能耗、產(chǎn)品比容、徑向膨化率、脆度、硬度的影響。結(jié)果表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，溫度為T(mén)1時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品比容、徑向膨化率高，單位機(jī)械能耗高；溫度為T(mén)3時(shí)，產(chǎn)品脆度高、硬度低，膨化率低。含水量為20%時(shí)，產(chǎn)品物理特性相對(duì)較好；含水量為22.5%時(shí)，單位機(jī)械能耗較低。喂料速度為20 g/min時(shí)，產(chǎn)品物理特性較好，單位機(jī)械能耗較高。加工過(guò)程中，西農(nóng)黑大穗的扭矩、壓力均高于對(duì)照，單位機(jī)械能耗和產(chǎn)品物理特性與對(duì)照差異極顯著(P<0.01)。

西農(nóng)黑大穗 普冰9946 擠壓膨化 加工參數(shù) 產(chǎn)品物理特性

擠壓膨化是高溫、高壓、短時(shí)的加工過(guò)程[1]，物料經(jīng)擠壓膨化加工后，蛋白質(zhì)、可溶性纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率得到提高，營(yíng)養(yǎng)成分也最大限度的保留[2]。大量研究表明，加工環(huán)節(jié)的溫度、物料含水量、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速等對(duì)擠壓膨化的加工參數(shù)及產(chǎn)品品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定影響[3-6]。

國(guó)內(nèi)外的谷物擠壓膨化研究主要集中在玉米[5]、大米[6]、燕麥[3]、豆類等谷物種類，產(chǎn)品有速食食品、嬰兒食品、早餐食品、點(diǎn)心、寵物飼料等[7]。黑小麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←溨械囊活愄厥馄贩N，含有豐富的必需氨基酸、膳食纖維和微量元素，但主要集中在小麥皮層，傳統(tǒng)的剝皮磨粉工藝使這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量損失。若采用擠壓膨化技術(shù)加工黑小麥全粉，改變其組織結(jié)構(gòu)，既可保留更多的營(yíng)養(yǎng)成分，又可解決全麥粉適口性差的問(wèn)題。目前，對(duì)小麥擠壓膨化的研究多集中在普通小麥粉及其混配物料的擠壓膨化方面，如普通小麥粉[8]、小麥-大豆面粉[9]、小麥-魚(yú)肉粉[10]等，對(duì)黑小麥擠壓膨化研究鮮有報(bào)道。研究黑小麥擠壓膨化，增加食品花色品種，對(duì)改善人體營(yíng)養(yǎng)狀況，促進(jìn)黑小麥?zhǔn)称烽_(kāi)發(fā)具有重要意義。

本試驗(yàn)以普通白皮小麥普冰9946為對(duì)照，研究西農(nóng)黑大穗小麥擠壓膨化過(guò)程中加工溫度、物料含水量、喂料速度對(duì)擠壓膨化扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力和單位機(jī)械能耗等加工參數(shù)以及產(chǎn)品比容、膨化率、脆度和硬度等產(chǎn)品物理特性的影響，為黑小麥擠壓膨化加工提供技術(shù)參數(shù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

西農(nóng)黑大穗小麥：黑粒小麥，由西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院張正茂研究員選育的黑小麥新品種。

普冰9946小麥：白粒小麥，由西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院與中國(guó)農(nóng)科院作物科學(xué)研究所合作選育的旱地小麥新品種。

小麥?zhǔn)斋@脫粒，經(jīng)過(guò)晾曬、除雜、清洗、低溫(55℃)烘干，采用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目面粉專用篩制成全麥粉，裝入PE自封袋靜置熟化20 d備用。

1.2 儀器與設(shè)備

德國(guó)DSE-25型雙螺桿擠壓膨化實(shí)驗(yàn)室工作站：德國(guó)布拉本德公司；FOSS全自動(dòng)凱氏定氮儀 Kjeltec 8400：FOSS公司； TA-XA PLUS物性測(cè)試儀：英國(guó)Stable Micro Systems公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[8-11]及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果。采用德國(guó)DSE-25型雙螺桿擠壓膨化實(shí)驗(yàn)室工作站，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min恒定，模口直徑6 mm。加工溫度水平為T(mén)1、T2、T3，各水平見(jiàn)表1。物料含水量為20%、22.5%、25%，喂料速度為20、30、40 g/min。

表1 加工溫度水平表

研究單一因素變化對(duì)擠壓膨化加工參數(shù)和產(chǎn)品物理特性的影響。控制物料含水量20%、喂料速度40 g/min不變，改變加工溫度。控制加工溫度T3，喂料速度40 g/min不變，改變物料含水量。控制加工溫度T3，物料含水量20%不變，改變喂料速度。每試驗(yàn)組合重復(fù)3次。

全麥粉處理：將全麥粉分成500 g的等份，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的物料含水量加入蒸餾水，裝入PE自封袋中備用。原料加水量計(jì)算公式參考魏益民等[12]計(jì)算方法。

喂料轉(zhuǎn)速測(cè)定：擠壓膨化前，使用雙螺旋體積計(jì)量喂料器進(jìn)行喂料螺桿轉(zhuǎn)速測(cè)定，將喂料速度(g/min)轉(zhuǎn)換成雙螺旋轉(zhuǎn)速(r/min)，準(zhǔn)確地控制進(jìn)料量。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 含水量：GB 50093—2010。蛋白質(zhì)含量：全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定。灰分含量：GB 50094—2010。微量元素(Fe、Zn、Cu、Mn)含量：GB/T 14609—2008。

1.4.2 取樣測(cè)定：當(dāng)雙螺桿擠壓膨化實(shí)驗(yàn)室工作站進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)取樣。取1 min膨化樣品稱重，重復(fù)2次，室溫下放置冷卻，裝入PE自封袋中備用。扭矩和壓力動(dòng)態(tài)參數(shù)由計(jì)算機(jī)記錄，每10 s記錄1次。

1.4.3 單位機(jī)械能耗由扭矩、螺桿轉(zhuǎn)速和產(chǎn)量估算，單位為kJ/kg，計(jì)算公式為：

單位機(jī)械能耗=(2πnT)/Q

式中：n為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min；T為扭矩，N·m；Q為擠壓機(jī)穩(wěn)定時(shí)的產(chǎn)量，g/min。

1.4.4 比容：截取約5.0 cm 長(zhǎng)的樣品，每次取5根，稱重。運(yùn)用排小米法測(cè)得樣品體積，由體積和重量的比值計(jì)算其比容。每個(gè)樣品測(cè)試5次，去掉最大值和最小值后取平均值。

1.4.5 徑向膨化率：用游標(biāo)卡尺測(cè)定產(chǎn)品直徑，每個(gè)樣品測(cè)試10 次，去掉最大值和最小值后，取剩余數(shù)值的平均值表示產(chǎn)品直徑。徑向膨化率=產(chǎn)品直徑/模口孔徑。

1.4.6 脆度和硬度：采用TA-XA PLUS物性測(cè)試儀的HDP/3PB探頭測(cè)試。截取樣品長(zhǎng)度10 cm，將樣品固定在間距為3 cm的兩水平支持臂間，通過(guò)刀刃型探頭下壓直至試樣斷裂成兩半為止。探頭移動(dòng)速度：測(cè)試前1 mm/s，測(cè)試中1 mm/s，測(cè)試后10 mm/s。觸發(fā)力5 g，測(cè)試通過(guò)距離5 mm。測(cè)試模式為壓縮。所測(cè)力值越大，硬度越大，斷裂的接觸距離的絕對(duì)值越小，脆度越大。每個(gè)樣品測(cè)試10次，去掉最大值和最小值后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥全麥粉主要營(yíng)養(yǎng)成分分析

由表2看出，西農(nóng)黑大穗全麥粉蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著(P<0.01)高于對(duì)照普冰9946，高于優(yōu)質(zhì)-強(qiáng)筋小麥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中一等小麥蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≥15.0%)。普冰9946全麥粉蛋白質(zhì)含量高于該標(biāo)準(zhǔn)中二等小麥蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≥14.0%)。西農(nóng)黑大穗全麥粉灰分含量高于對(duì)照，這與西農(nóng)黑大穗中含有較多的微量元素有關(guān)，Zn、Mn含量均極顯著(P<0.01)高于對(duì)照，F(xiàn)e含量極顯著(P<0.01)低于對(duì)照。西農(nóng)黑大穗主要組分含量與燕雯等[13]研究結(jié)果有差異，這可能與原料生產(chǎn)年份的氣候條件、種植地點(diǎn)、肥水管理等因素有關(guān)。

表2 小麥全麥粉主要營(yíng)養(yǎng)成分

注：同行之間小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，大寫(xiě)字母表示差異極顯著(P<0.01)。

2.2 加工溫度對(duì)擠壓膨化加工參數(shù)和產(chǎn)品物理特性的影響

加工溫度變化對(duì)扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力和單位機(jī)械能耗產(chǎn)生影響。由圖1看出，隨著加工溫度升高，西農(nóng)黑大穗和普冰9946擠壓膨化的扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力、單位機(jī)械能耗均呈降低趨勢(shì)，部分差異極顯著(P<0.01)。溫度升高，小麥中淀粉、膳食纖維等物質(zhì)降解后黏度降低[14-15]，使扭矩和單位機(jī)械能耗降低[16]。相同溫度下，西農(nóng)黑大穗擠壓膨化的扭矩分別高出對(duì)照6.4%、12.7%、18.6%；4區(qū)壓力分別高出10.7%、11.1%、40.5%；5區(qū)壓力分別高出18.6%、21.3%、71.9%，部分差異達(dá)極顯著(P<0.01)。可以看出，加工溫度越高，西農(nóng)黑大穗相比對(duì)照的扭矩、壓力就越大，二者加工參數(shù)差異越大。這與小麥主要成分含量有關(guān)，Abdellah等[17]發(fā)現(xiàn)玉米和小麥成分差異對(duì)膨化機(jī)理有顯著影響。當(dāng)溫度為T(mén)1時(shí),西農(nóng)黑大穗的單位機(jī)械能耗低于對(duì)照，溫度為T(mén)2、T3時(shí)，單位機(jī)械能耗高于對(duì)照。杜雙奎等[18]認(rèn)為玉米粗蛋白含量與單位機(jī)械能耗呈顯著負(fù)相關(guān)，從本研究可以看出，單位機(jī)械能耗不僅與蛋白含量有關(guān)，還與加工條件有關(guān)。

加工溫度升高，西農(nóng)黑大穗和普冰9946產(chǎn)品比容、徑向膨化率減小，部分差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)(見(jiàn)圖2)。這說(shuō)明溫度升高，擠壓膨化產(chǎn)品體積減小，密度增大。溫度升高使物料黏度下降，在機(jī)器內(nèi)壓力下降，導(dǎo)致膨化率下降[19]。圖2中產(chǎn)品脆度以產(chǎn)品斷裂時(shí)接觸距離的絕對(duì)值作圖，絕對(duì)值越小，脆度越大(圖4、圖6均相同)。硬度、脆度隨加工溫度升高變化規(guī)律相反，硬度降低，脆度升高。說(shuō)明溫度升高，膨化產(chǎn)品物理特性升高。由圖2看出，小麥品種不同，擠壓膨化產(chǎn)品物理特性明顯不同。溫度為T(mén)1時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品比容高出對(duì)照27.1%。相同加工溫度下，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品徑向膨化率均大于對(duì)照，且硬度較低，脆度較高，具有較好的物理特性，感官品質(zhì)優(yōu)于對(duì)照。陳鋒亮等[12]發(fā)現(xiàn)小麥千粒重、籽粒硬度、蛋白質(zhì)含量等對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品理化特性有顯著影響。西農(nóng)黑大穗與普冰9946主要營(yíng)養(yǎng)成分含量差異顯著，產(chǎn)品物理特性差異也顯著。溫度為T(mén)1時(shí)，西農(nóng)黑大穗的產(chǎn)品比容及徑向膨化率較高，溫度為T(mén)3時(shí)，產(chǎn)品的脆度、硬度較理想。

圖1 加工溫度對(duì)加工參數(shù)的影響

圖2 加工溫度對(duì)產(chǎn)品物理特性的影響

2.3 物料含水量對(duì)擠壓膨化加工參數(shù)和產(chǎn)品物理特性的影響

由圖3看出，隨著物料含水量升高，西農(nóng)黑大穗與普冰9946擠壓膨化扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力、單位機(jī)械能耗呈下降趨勢(shì)，部分差異極顯著(P<0.01)，扭矩和單位機(jī)械能耗變化最為明顯。含水量升高會(huì)減弱分子間相互作用力，降低體系黏度，使扭矩和單位機(jī)械能耗降低[20]。相同物料含水量，西農(nóng)黑大穗的扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力均高于對(duì)照，物料含水量為20%時(shí)，差異均達(dá)極顯著(P<0.01)。物料含水量為22.5%時(shí)，西農(nóng)黑大穗單位機(jī)械能耗低于對(duì)照，差異達(dá)極顯著(P<0.01)。

圖3 物料含水量對(duì)加工參數(shù)的影響

隨著物料含水量升高，西農(nóng)黑大穗與普冰9946產(chǎn)品比容、徑向膨化率均呈下降趨勢(shì)，部分差異達(dá)極顯著(P<0.01)(見(jiàn)圖4)。說(shuō)明含水量升高，產(chǎn)品密度增加。Parsons等[21]也發(fā)現(xiàn)物料含水量升高，產(chǎn)品截面膨化率降低。產(chǎn)品脆度隨含水量升高而降低，硬度隨含水量升高而升高，說(shuō)明高含水量使產(chǎn)品物理特性變差。Suksomboon等[22]有類似結(jié)論。相同物料含水量，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品比容小于普冰9946，說(shuō)明西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品密度較大。不同物料含水量，經(jīng)擠壓膨化后產(chǎn)品物理特性差異較大。含水量為20%和22.5%時(shí)，西農(nóng)黑大穗的徑向膨化率分別高出對(duì)照36.7%、9.1%。含水量為22.5%時(shí)，產(chǎn)品脆度高于對(duì)照，含水量為20%時(shí)，產(chǎn)品硬度低于對(duì)照。物料含水量為20%時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品物理特性相對(duì)較好，含水量為22.5%時(shí)，單位機(jī)械能耗較低。

圖4 物料含水量對(duì)產(chǎn)品物理特性的影響

2.4 喂料速度對(duì)擠壓膨化加工參數(shù)和產(chǎn)品物理特性的影響

由圖5看出，喂料速度增加，西農(nóng)黑大穗和普冰9946小麥擠壓膨化扭矩增大，單位機(jī)械能耗降低，部分差異極顯著(P<0.01)。相同喂料速度，西農(nóng)黑大穗擠壓膨化扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力、單位機(jī)械能耗高于對(duì)照，部分差異極顯著(P<0.01)。高喂料速度下螺桿得到更大程度的填充，扭矩變大。物料吸收更多能量，能量散失減少，單位機(jī)械能耗降低[23]。

圖5 喂料速度對(duì)加工參數(shù)的影響

由圖6看出，喂料速度增加，擠壓膨化產(chǎn)品比容、徑向膨化率呈先減小后增加的變化趨勢(shì)，部分差異極顯著(P<0.01)。擠壓膨化產(chǎn)品脆度先降低后升高，硬度先升高后降低，說(shuō)明膨化產(chǎn)品物理特性先降低后升高，隨喂料速度不同而變。喂料速度改變，不同小麥品種擠壓膨化產(chǎn)品物理特性有不同改變。喂料速度為20和30 g/min時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品比容均高于對(duì)照，40 g/min時(shí)產(chǎn)品比容低于對(duì)照。喂料速度為20和40 g/min時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品徑向膨化率均高于對(duì)照，30 g/min時(shí)徑向膨化率低于對(duì)照。在不同喂料速度下，產(chǎn)品脆度均低于對(duì)照，感官品質(zhì)較差。喂料速度為20和40 g/min時(shí)，產(chǎn)品硬度低于對(duì)照。相比來(lái)說(shuō)，喂料速度為20 g/min時(shí)，西農(nóng)黑大穗產(chǎn)品物理特性較好，單位機(jī)械能耗較高。

圖6 喂料速度對(duì)產(chǎn)品物理特性的影響

3 結(jié)論

西農(nóng)黑大穗和普冰9946小麥擠壓膨化過(guò)程中加工參數(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)變化規(guī)律基本一致。加工溫度升高，西農(nóng)黑大穗和普冰9946擠壓膨化扭矩、4區(qū)壓力、5區(qū)壓力和單位機(jī)械能耗均降低，產(chǎn)品比容、徑向膨化率、硬度減小，脆度增加。西農(nóng)黑大穗扭矩、壓力高于對(duì)照，且溫度越高，差異越大。溫度為T(mén)1時(shí)，單位機(jī)械能耗低于對(duì)照，產(chǎn)品物理特性優(yōu)于對(duì)照。

物料含水量增加，西農(nóng)黑大穗和普冰9946擠壓膨化扭矩、4區(qū)壓力和單位機(jī)械能耗均降低，產(chǎn)品比容、徑向膨化率、脆度減小，硬度增加。西農(nóng)黑大穗扭矩、壓力高于對(duì)照。物料含水量為20%時(shí)，產(chǎn)品物理特性相對(duì)較好，加工參數(shù)較高，能耗大。物料含水量為22.5%時(shí)，單位機(jī)械能耗低于對(duì)照。

喂料速度增加，西農(nóng)黑大穗和普冰9946擠壓膨化扭矩增大，單位機(jī)械能耗降低。相同喂料速度，西農(nóng)黑大穗加工參數(shù)均高于對(duì)照。喂料速度為20 g/min時(shí)，產(chǎn)品物理特性較好，能耗較高。

采用擠壓膨化方法加工小麥，加工參數(shù)、產(chǎn)品品質(zhì)與小麥品種及營(yíng)養(yǎng)成分有關(guān)，不同品種差異較大。今后還需對(duì)黑小麥擠壓膨化進(jìn)行深入研究，綜合考慮機(jī)械損耗、能量消耗和產(chǎn)品品質(zhì)等方面因素，從原料配比、設(shè)備改進(jìn)等方面降低膨化過(guò)程中的機(jī)械磨損及能量消耗，對(duì)擠壓膨化工藝進(jìn)行優(yōu)化，改善產(chǎn)品品質(zhì)，為黑小麥深加工提供理論參考。

志謝：本研究在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，得到中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所魏益民教授、張波副研究員的技術(shù)指導(dǎo)和支持，特此感謝！

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The Research on Processing Parameter and Product Properties of Xinong Heidasui Black Wheat During Extrusion Cooking

Liu Miaomiao1Zhang Zhengmao1,2Zhuo Wuyan2Sun Ru1Xing Qinhui1Hu Xinjuan1

(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University1, Yangling 712100) (College of Agronomy, Northwest A & F University2, Yangling 712100)

The effect of varies of processing temperature, moisture content, feed rate on the processing parameter and product physical properties during extrusion cooking of Xinong Heidasui black wheat was investigated by comparison with those of Pubing 9946 wheat. Processing parameter included torque, the 4thzone pressure, the 5thzone pressure and special mechanical energy1. Product physical properties included specific volume, radial expansion ratio, hardness and crispness. It was found that the specific volume and radial expansion ratio was high but the special mechanical energy was high as well at processing temperatureT1. Crispness was good and hardness was low at processing temperatureT3, but radial expansion ratio was low too. Product physical properties were relatively good when moisture content was 20%. Special mechanical energy was relatively low when moisture content was 22.5%. At 20 g/min feeding rate, product physical properties were relatively good and special mechanical energy was high. During the extrusion cooking, the torque, the 4thzone pressure and the 5thzone pressure of Xinong Heidasui black wheat were higher than Pubing 9946 wheat. Special mechanical energy and product physical properties of Xinong Heidasui were significantly different with Pubing 9946 at the 1% probability level.

Xinong Heidasui black wheat, Pubing 9946 wheat, extrusion cooking, processing parameter, product physical properties

TS210.1

A

1003-0174(2016)04-0010-06

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程(2011KTZB02-01)

2014-08-26

劉苗苗，女，1991年出生，碩士，食品科學(xué)

張正茂，男，1961年出生，研究員，小麥品質(zhì)育種與加工