復合全谷物擠壓膨化產品的配方優化研究

孫元琳 儀 鑫 李云龍 胡俊君 劉 瑞

(運城學院生命科學系1，運城 044000) (山西省農科院農產品加工研究所2，太原 030031)

復合全谷物擠壓膨化產品的配方優化研究

孫元琳1儀 鑫2李云龍2胡俊君2劉 瑞1

(運城學院生命科學系1，運城 044000) (山西省農科院農產品加工研究所2，太原 030031)

以黑小麥、蕎麥、燕麥為原料，通過擠壓膨化技術，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響。結合模糊數學綜合評判方法，對擠壓膨化產品進行感官評定，以膨化率和感官評定結果作為產品綜合評分，采取五分制，采用響應面分析法對擠壓膨化產品配方進行優化，得到全谷物擠壓膨化產品的最佳配方為：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%。在此優化條件下，復合全谷物擠壓膨化產品的綜合評分為3.94，產品可被大多數人接受。

黑小麥 蕎麥 燕麥 全谷物 擠壓膨化

隨著世界發達國家肥胖發生率的日益增加，直接與肥胖相關的糖尿病、心血管疾病等慢性代謝性疾病的發生率也不斷上升，成為影響人類健康的重大社會問題[1]。全谷物食品是當今世界認為是有效防止“富貴病”的健康食品[2-3]。研究表明[4-6]，全谷物食品富含膳食纖維、維生素、礦物質和酚類抗氧化物質等功能成分，長期攝入全谷物食品對II型糖尿病、肥胖、心血管疾病以及結腸癌等慢性疾病具有預防作用。

全谷物是指作為谷物食品原料的麩皮、胚乳與胚芽的構成比例與天然谷物穎果構成相同[3]。全谷物食品是其加工而成的產品，即全谷物食品在食用時，須含有穎果全部麩皮、胚芽和胚乳及穎果中所有的天然營養物質[7]。雖然全谷物食品的營養價值逐漸被消費者認可，但由于全谷物食品的口感粗糙、適口性差等問題，全谷物食品的開發存在著一系列亟待解決的關鍵技術難題。

擠壓膨化技術是集混合、攪拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等加工為一體，可連續操作的現代加工技術。婁海偉等[8]發現擠壓蒸煮使豆渣中不溶性膳食纖維降解，使可溶性膳食纖維含量顯著提高。杜雙奎等[9]研究了擠壓膨化過程中物料組分的變化，發現擠壓過程中脂肪與淀粉、蛋白質形成脂肪復合體，可降低脂肪氧化速度，延長產品貨架期。Hole等[10]研究發現燕麥及大麥全谷物經擠壓后，結合態酚酸的生物利用度提高。Awika等[11]研究發現擠壓膨化能夠破壞細胞壁結構及高分子酚類化合物間的共價鍵，從而提高酚類物質的可利用性。研究報道，擠壓膨化加工可有效降解不溶性膳食纖維、提高可溶性膳食纖維、低聚糖、低聚肽、氨基酸等多種營養活性物質含量，并具有抑制淀粉老化、改善口感、提高消化率、延長食品貨架期等特點而廣泛應用于農產品加工領域[12]。

本試驗選用黑小麥、燕麥、蕎麥全谷物粉為主要原料，通過擠壓膨化技術，研究大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖等配料對復合全谷物膨化產品品質的影響，確定復合型全谷物營養早餐的基礎配方，研制出一種營養、方便的全谷物擠壓膨化早餐食品，對于改善人類膳食結構以及全谷物食品的開發具有重要的科學價值和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑小麥：山西省農科院棉花研究所提供；燕麥、蕎麥：山西省農科院農產品加工研究所提供；大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖等：市售。

FMGM-36雙螺桿擠壓膨化機、流化床干燥機：湖南富馬科食品工程技術有限公司；五谷雜糧磨粉機：廣州市旭郎機械設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 擠壓膨化產品工藝流程

原輔料→分別計量→混合→螺旋喂料器→雙螺桿擠壓膨化→流化床干燥→成品。

將黑小麥、燕麥、蕎麥全谷物粉以3∶1∶1的比例混合均勻。稱取 5 kg全麥粉并加水混合均勻，在食鹽添加量5%、CaCO30.3%的條件下，進行大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的單因素試驗。按照設定的參數(喂料速度25 kg/h，水2.0 kg/h，螺桿轉速130 r/min，腔體溫度為60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃)將主料均勻加入到膨化機中，膨化產品經流化床干燥30 min。

1.2.2 單因素試驗設計

進行大豆蛋白、大豆卵磷酯及蔗糖添加量的單因素試驗，分別測定擠壓產品膨化率、WSI、WAI含量，并采用數學模糊法進行感官評價。

大豆蛋白添加量：固定大豆卵磷酯0.4%，蔗糖添加量9%，大豆蛋白添加量分別為1%、3%、5%、7%、9%。

大豆卵磷酯添加量：固定大豆蛋白添加量5%，蔗糖添加量9%，大豆卵磷酯添加量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%。

蔗糖添加量：固定大豆蛋白添加量5%，大豆卵磷酯添加量0.4%，蔗糖添加量分別為3%、6%、9%、12%、15%。

1.2.3 響應面試驗設計

根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，選取大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量及蔗糖添加量3個因素，設計三因素三水平響應面分析試驗，以綜合評分為響應值進行優化試驗，因素水平編碼設計見表1。

表1 因素水平表

1.2.4 膨化率測定

用游標卡尺測量產品的直徑，每個因素測10個樣品，取其平均值作為該產品直徑，產品膨化率為產品直徑與模頭孔徑之比。利用線性插值法把膨化率轉化為5分制，具體操作為：將所有產品中膨化率最大值Xmax設置為5.0分，最小值Xmin設置為1.0分，其他膨化率所對應的分值S計算公式為：

1.2.5 水溶性指數(WSI)和吸水性指數(WAI)測定

準確稱取0.5 g(干計)樣品，加入10 mL水(30 ℃)，置于30 ℃恒溫水浴鍋中，連續輕輕晃動30 min后，于3 000 r/min 離心15 min，將上清液和沉淀物分離，沉淀物質量為X1，上清液放于已恒重的鋁盒中，在120 ℃下烘至恒重，烘干物質量為X2。

WAI=X1/m，WSI=X2/m，其中m為樣品質量。

1.2.6 感官評定

感官評定采用模糊綜合評價法[13]。評定小組由10名經過感官評價培訓的人員組成，以表觀、脆度、粗糙度、風味為因素集，以好、較好、中等、較差、差為評語集，根據感官評定結果，建立4個單因素評價矩陣，采用數學模糊評價方法對其進行分析。感官評定指標如表2所示。

表2 感官評定指標

因素集U={表觀u1，脆度u2，粗糙度u3，風味u4}；

評語集V={好，較好，中等，較差，差}；

權重集X={0.3，0.3，0.2，0.2}，即表觀均一性30分，脆度30分，粗糙度20分，風味20分，共100分。

通過模糊線性轉化，得到各產品的感官評定分數H。經過模糊線性轉化，再根據模糊綜合評判模型原理，計算綜合隸屬度，得到模糊綜合評判的結果向量Y，Y=X×R。式中：X為U權重向量；R為對樣品感官評定結果進行歸一化處理后得到的模糊關系矩陣。

首先用適當的數量把評語集V中的因素vj量化，vj的下標作為量化指標，把結果向量Y中的元素yj看成樣本對vj等級歸屬的權重，然后求加權和，得到各產品的感官評分H。

綜合評分=S×60%+H×40%

2 結果與分析

2.1大豆蛋白對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

大豆蛋白對復合全谷物擠壓膨化產品膨化率、WSI、WAI的影響如圖1所示。圖1表明，產品膨化率隨著大豆蛋白添加量增加呈現下降的趨勢，這可能是由于大豆蛋白可以與淀粉形成復合物，影響擠壓熔融物料黏度，從而影響產品的膨化率。此外，產品感官評價隨著大豆蛋白添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢，這是由于大豆蛋白具有良好的持水性，可以促進水分均勻分布，適當添加能改善產品的組織結構，同時，大豆蛋白具有潤滑作用，添加過量會導致物料在擠壓腔停留時間延長，使大豆蛋白過度降解，產生苦味肽，產品產生苦味，這與吳衛國等[14]研究主要配料對擠壓產品品質影響中的結果相一致。當大豆蛋白添加量為5%時，產品的組織結構、表觀及口感均較佳。

圖1 大豆蛋白對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

圖1表明，產品WAI隨大豆蛋白添加量增加而增加，WSI隨其增加而減小。綜合大豆蛋白對產品膨化率、WAI、WSI、感官評價及FOs含量的影響，大豆蛋白添加量水平確定為1%、3%、5%。

2.2大豆卵磷脂對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

大豆卵磷脂對復合全谷物擠壓膨化產品膨化率、WSI、WAI的影響如圖2所示。由圖2可以看出，產品膨化率隨著大豆卵磷脂添加量增加呈現先增大后減小的趨勢。此前，Colonna[15]研究了油脂類物質對擠壓產品的影響，本結果與其結果相一致。這是由于大豆卵磷脂會如油脂一樣，與淀粉形成復合物，能夠降低物料在擠壓腔內的黏度，可以降低氣泡的表面張力，促進水分蒸發，從而提高了產品的膨化率，膨化率最大可達到2.55；當大豆卵磷脂量添加到一定程度時，繼續添加大豆卵磷脂，產品膨化率會減小，膨化率最小為2.29，這是由于大豆卵磷脂添加過多使物料黏度過小，物料在擠出?？跁r，水分急劇蒸發，形成的結構孔洞過大，產品擠出后孔洞不能維持而縮小導致膨化率降低。產品的感官評價隨著大豆卵磷脂添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢。適當添加大豆卵磷脂可以促進水分在物料內均勻分布，使組織結構均勻細密，表面結構光整；添加過量(超過0.4%)后， 產品內部氣孔變大，不均勻，并且表面變得粗糙。

圖2 大豆卵磷脂對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

圖2顯示，產品WAI隨著大豆卵磷脂添加量增加而增加，WSI隨其增加而減小。這是由于大豆卵磷脂能夠與淀粉形成復合物，能夠抑制淀粉降解，從而使其WSI降低。結合大豆卵磷酯的添加對產品膨化率、WAI、WSI、感官評價的影響，確定大豆卵磷脂添加量水平為0.3%、0.4%、0.5%。

2.3蔗糖對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

蔗糖的添加對復合全谷物擠壓膨化產品膨化率、WSI、WAI的影響如圖3所示。圖3顯示，產品膨化率隨著蔗糖添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢，這可能是由于適當的蔗糖添加量可以降低物料黏度，減小水蒸汽膨脹阻力，從而增大產品膨化率[14,16]，膨化率最大可達到2.41；但是蔗糖本身存在一定黏度，過量添加(超過9%)不但不能減小物料黏度，反而使物料黏度增大，增加了氣泡表面張力，導致產品的膨化率減小，膨化率最小為2.11。產品感官評價隨著蔗糖添加量增加呈現先增大后減小的趨勢。這是由于適當的添加蔗糖可以改善組織結構，使氣泡大小一致，分布均勻，添加過量不僅會使產品的表面變得粗糙，也會使產品口感過甜、變硬，因此蔗糖的添加量不宜過高。

圖3 蔗糖對復合全谷物擠壓膨化產品品質的影響

圖3顯示，產品WAI隨著蔗糖添加量的增加呈現下降的趨勢，而WSI隨著蔗糖添加量的增加呈現升高的趨勢，這可能是蔗糖屬于非還原性糖，親水能力較弱，使產品WAI下降，在擠壓膨化過程中蔗糖抑制淀粉吸水糊化的能力較弱，淀粉糊化降解隨著蔗糖添加量增加而加強，使得產品吸水性指數升高。結合蔗糖的添加對產品膨化率、WAI、WSI、感官評價的影響，蔗糖的添加量水平確定為6%、9%、12%。

2.4 復合全谷物擠壓膨化產品的配方優化

2.4.1 方差分析與回歸方程建立

響應面優化復合全谷物擠壓膨化食品配料添加的試驗結果如表3，通過Design Expert數據軟件進行回歸分析，得到的方差分析結果如表4所示。由表4可知模型P值<0.000 1，該二次方程模型達到極顯著水平，而模型失擬項P=0.737 0>0.05，檢驗不顯著，表明其他因素對模型干擾程度小，說明響應面回歸方程擬合度良好，決定系數R2為0.989 3，說明98.93%的響應值綜合評分來源于所選自變量。該模型擬合優度R2和調整R2分別是0.944 9和0.975 5，兩者基本吻合。該模型信噪比為21.612，大于4，說明該模型可用于預測。在該模型中，對綜合評分影響顯著的因素有A、B、C、AB、BC、A2、B2及C2，對數據進行二次多項式回歸擬合，得到以大豆蛋白添加量、大豆卵磷酯添加量、蔗糖添加量為自變量的三元二次回歸方程：

表3 響應面分析方案及試驗結果

表4 方差分析結果

綜合評分=3.94+0.039×A+0.048×B-0.061×C-0.043×AB-0.020×AC-0.037×BC-0.12×A2-0.12×B2-0.15×C2

2.4.2 響應面結果分析

根據回歸分析結果繪制響應面圖來考察各因素對產品綜合評分的影響，由圖4～圖6所示，響應面坡度越陡，說明因素影響越大。由4圖可知，大豆蛋白及大豆卵磷脂添加量對產品綜合評分影響較大，隨著大豆蛋白和大豆卵磷脂在0水平附近添加量的增加，產品綜合評分隨之提高。而大豆卵磷脂與蔗糖添加量間交互作用對產品綜合評分有一定影響，大豆蛋白與蔗糖添加量間的交互作用對產品綜合評分影響不大。

圖4 大豆蛋白與大豆卵磷脂對產品綜合評分影響的響應面

圖5 大豆蛋白與蔗糖對產品綜合評分影響的響應面

圖6 大豆卵磷脂與蔗糖對產品綜合評分影響的響應面

根據Design Expert數據分析軟件分析，復合全谷物擠壓膨化產品配料最佳添加量為：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.42%，蔗糖8.28%，此條件下綜合評分預期為3.95?？紤]到操作可行性，將條件調整為大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，進行驗證試驗，得到產品綜合評分為3.94，與預期值基本相符，表明采用響應面優化復合全谷物擠壓膨化產品配料的添加量是可行的，具有實用價值。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，利用響應面分析法，以綜合評分為響應值，確定了大豆蛋白、大豆卵磷脂、蔗糖的最佳添加量：大豆蛋白3.3%，大豆卵磷脂0.4%，蔗糖8.3%，在此條件下，復合全谷物擠壓膨化產品綜合評分為3.94。

蔗糖的添加對產品的膨化率、硬度及表觀影響較大，添加過量會使產品的膨化率降低，口感變硬，表觀粗糙。大豆卵磷酯適量添加可以改善產品的組織結構。大豆蛋白的添加會使產品的膨化率下降，但適量添加可以改善產品的口感。

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Formula Optimization of Compound Whole-Grained Extrusion Product

Sun Yuanlin1Yi Xin2Li Yunlong2Hu Junjun2Liu Rui1

(Department of Life Science, Yuncheng University1, Yuncheng 044000) (Institute of Farm Products Comprehensive Utilization Shanxi Academy of Agricultural Sciences2, Taiyuan 030031)

Using black wheat, buckwheat and oats as raw materials, the effects of soybean protein, soybean lecithin and sucrose on the quality of whole grain extruded products were studied by extrusion technology. The sensory evaluation of the extruded products was carried out by the fuzzy comprehensive evaluation method. Expansion rate and sensory evaluation were used to be comprehensive score of five-grade making system. The extrusion product formulation was optimized by response surface methodology. The optimum formulas were thus obtained as follows: 3.3% of soybean protein, 0.4% of soy lecithin, 8.3% of sucrose. Under these conditions, the comprehensive score of the whole grain extrusion puffing product was 3.94 and the product could be accepted by most people.

whole grain, black-grained wheat, buckwheat, oats, extrusion

TS213

A

1003-0174(2017)11-0047-06

山西省自然科學基金(2012011031-1)，山西省高校研究生教改項目(2015JG16)，現代農業產業技術體系建設專項(CARS-08-D2-04),山西省“1311”工程重點學科項目(098-091704)

2016-11-30

孫元琳，1971年出生，女，教授，農產品加工與增值技術