擠壓加工對食品中營養(yǎng)物質的影響研究進展

劉 鵬 王世讓,2 劉艷秋 董良偉 于國萍

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院1，哈爾濱 150030) (黑龍江糧食職業(yè)學院2，哈爾濱 150080)

食品擠壓加工是最重要的食品加工技術之一,人們從20世紀30年代中期以來就將其用于生產(chǎn)早餐谷物，零食和其他組織化食品[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，擠壓加工已經(jīng)成為食品和飼料行業(yè)的主要加工方式，它也從一種加工方式迅速演變?yōu)橐婚T科學[1]。

食品擠壓加工技術屬于高溫高壓食品加工技術，特指利用螺桿擠壓方式，通過壓力、剪切力、摩擦力及加溫等作用所形成的對于固體原料的破碎、捏合、混煉、熟化、殺菌、預干燥和成型等加工處理，完成高溫高壓的物理變化及生化反應，最后食品物料在機械作用力下強制通過一個專門設計的孔口(?？?，便制得一定形狀和組織狀態(tài)的產(chǎn)品，可以生產(chǎn)膨化、組織化或不膨化的產(chǎn)品。

近年來，國內外學者對擠壓的研究越來越全面并且深入，通過調整物料的含水量，擠壓時的溫度和機械轉速導致的分子變化和化學反應，來研究食品中的蛋白質、淀粉、脂肪以及多酚等功能性物質在擠壓過程中的變化，并進一步研究擠壓加工對食品的營養(yǎng)及其被吸收的影響等問題[1-2]。

擠壓加工在食品工業(yè)的應用領域也非常廣泛，包括方便食品、零食小吃、素肉、減肥食品、斷奶食品、食品添加劑、以及糕點和糖果等產(chǎn)品。擠壓物料的理化性質、功能性和營養(yǎng)成分的保留都與其應用密切相關。阻止和減少營養(yǎng)成分的破壞，改善淀粉和蛋白質的消化性對于擠壓產(chǎn)品來說具有重要意義[3]。

本文綜述了近年來國內外學者在研究食品擠壓過程中對原料主要營養(yǎng)品質特性與生理功能的影響，以期為今后食品擠壓加工的研究提供參考。

1 擠壓加工對食品原料主要營養(yǎng)品質特性的影響

1.1 淀粉

淀粉是由葡萄糖單元連接在一起形成的長鏈多糖。自然界中有2種類型的淀粉分子：直鏈淀粉和支鏈淀粉。擠壓過程中凝膠的形成與直鏈淀粉有關而物料的黏度與支鏈淀粉有關。擠壓過程中的高剪切力能最大限度的將淀粉轉化成葡萄糖，降低淀粉相對分子質量[3]。

1.1.1 淀粉結晶度降低，直鏈淀粉比例增大

在擠壓過程中，物料中淀粉的組成、結構、糊化特性、結晶特性等理化性質均有不同程度的改變。研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理使糙米淀粉的峰值黏度、回生值和熱焓值分別由1 811、1 677 cP和 9.41 J/g 降低至 107、53 cP和0.97 J/g，淀粉發(fā)生糊化，相對結晶度由 31.33%降至20.95%，淀粉結晶區(qū)比例降低，直鏈淀粉比例增加，支鏈淀粉發(fā)生降解[4]。另外，掃描電子顯微鏡顯示，擠壓產(chǎn)物中淀粉顆粒增大，淀粉表面變得粗糙并且有明顯褶皺和裂痕。對碎米進行擠壓處理時也發(fā)現(xiàn)了類似的結果，淀粉的峰值黏度、回生值和熱焓值均有下降，碎米淀粉顆粒的結晶度明顯減少，碎米淀粉顆粒外表面呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，并有聚集的現(xiàn)象出現(xiàn)[5]。擠壓后淀粉的溶解度增加，溶脹力減小。此外，Logi等[6]研究表明 ，經(jīng)過擠壓的豌豆淀粉和馬鈴薯淀粉經(jīng)過擠壓之后平均分子質量和分子大小均有明顯的降低，并且隨著輸出機械能的增加這種變化會更加明顯，這是由于擠壓過程使大分子鏈(尤其是支鏈淀粉)加速裂解。擠壓加工可以降低物料中淀粉的結晶度，增大直鏈淀粉比例。

1.1.2 改變淀粉消化性

人類飲食中的主要碳水化合物是淀粉，淀粉食物消化后會在血液中產(chǎn)生葡萄糖的增加。 因此，食品基質中的淀粉水解一直是許多研究的焦點，因為淀粉在食物中的消化率決定了血糖反應，這與一些與飲食有關的疾病有關[7]。由于擠壓過程中熱量、水分、剪切力和壓力的影響，擠壓后產(chǎn)品的消化性要優(yōu)于未擠壓的產(chǎn)品[8]。物料在擠壓過程中完成生物聚合相的轉變，即固體顆粒狀態(tài)轉變成熔融狀態(tài)，淀粉在熔融狀態(tài)下發(fā)生糊化。Rahul等[9]通過控制擠壓時的溫度和物料的含水量研究擠壓面條的消化性，其中選取溫度分別為70、95和120 ℃，含水量分別為16%、20%和24% 發(fā)現(xiàn)擠壓加工可以直接通過淀粉的糊化來影響淀粉的消化性。高含水量和溫度能導致淀粉更高程度的糊化從而顯著提升淀粉的消化性。Waramboi等[10]研究擠壓條件對4種甘薯粉(來自澳大利亞和巴布亞新幾內亞的Beerwah Gold、Northern Star、 Snow White和 L49)消化性的影響。實驗控制物料的含水量為30%，螺桿轉速為300r/min，4種甘薯粉的消化性得到了顯著提升，消化淀粉從未擠壓時的2～11 g/100 g干淀粉增加到8～18g/100 g干淀粉，消化速率從未擠壓時的0.1～0.8 min-1增加到3.0～3.7 min-1。擠壓加工可以提高淀粉的消化性，增加物料的營養(yǎng)價值。

然而，Su等[8]發(fā)現(xiàn)對于高粱和大麥(高粱和大麥的比例為60∶40),在復合擠壓時控制物料的含水量，螺桿轉速和喂料速度分別為30%、300 r/min和2 kg/h，改變擠壓時的溫度110～140 ℃，結果表明擠壓溫度未對淀粉消化率產(chǎn)生顯著的影響。此外，還發(fā)現(xiàn)擠壓時物料的含水量與淀粉的消化性呈二次相關，當物料的含水量為(30±4.3)%時淀粉的消化性達到最佳。另外，當擠壓之前物料經(jīng)過其他熱處理并且已經(jīng)使其淀粉完全糊化時，擠壓條件對干豆粉中淀粉消化性并沒有顯著的影響[11]。

值得注意的是，本文僅對體外的消化性作出綜述，只模擬了擠壓后淀粉對體內相關酶的敏感程度。而事實上，淀粉在人體內消化是一個極其復雜的過程并且與很多因素有關，如結腸中的短鏈脂肪酸的產(chǎn)生[12]。

1.2 蛋白質

1.2.1 水溶性降低

在擠壓過程中，物料中蛋白質的理化性質也有明顯的改變。趙學偉等[13]在研究擠壓對小米蛋白溶解性和分子質量影響時，控制擠壓時的喂料速度為15 r/min，螺桿轉速140 r/min，改變擠壓溫度(150～210 ℃)和物料水分(17%～23%)發(fā)現(xiàn)擠壓后的小米的水溶性蛋白、鹽溶性蛋白、醇溶性蛋白含量減少。

這是由于擠壓過程中的高溫和剪切力的作用，蛋白質遭到破壞，并進一步發(fā)生變性，導致其內部疏水基團暴露。使蛋白質通過疏水作用而形成分子質量較大的聚集體，分子質量增加,導致變性蛋白質的溶解性降低，所以，擠壓后可溶性蛋白含量減少。然而，值得注意的是當擠壓溫度達到210 ℃時，小米蛋白的水溶性較擠壓前略有升高。這可能是由于在高溫擠壓時蛋白質發(fā)生降解產(chǎn)生了可溶性的蛋白質組分。如果這種假設成立，則擠出物中的水溶性部分可能不受擠壓加工影響的白蛋白部分和來自降解的蛋白質片段之和。并且可以說明擠壓后水溶性蛋白質的減少遠小于NaCl溶液，乙醇和NaOH溶液可溶部分減少的原因。最近還有類似的報道，當擠壓溫度高于180 ℃時，玉米醇溶蛋白開始裂解[14]。所以，今后的研究可以通過高溫擠壓的方式來增加谷物蛋白的水溶性，擠壓之后蛋白質的結構和功能性質的改變是不容忽視的問題。

NaOH溶液提高了介質中的靜電力，乙醇降低了介質中的介電常數(shù)，SDS則是通過打破氫鍵或者分子間的疏水作用而溶解蛋白質。擠壓以后SDS可溶性蛋白明顯增加，從另一個方面說明了是氫鍵或者疏水作用導致擠壓后蛋白質分子聚集，溶解性降低[13]。2-ME(2-巰基乙醇)通過破壞分子間的二硫鍵而增加蛋白質的溶解性。擠壓后SDS+2-ME可提取蛋白含量增加說明擠壓導致了分子間通過二硫鍵進行交聯(lián)，導致了蛋白質的聚集，這種交聯(lián)是導致溶解性降低的一個原因。研究發(fā)現(xiàn)，即使提取劑SDS+2-ME作用效果較強，但是仍然有小部分蛋白質沒有被提取。這部分不溶性的蛋白質可能相互間通過其他共價鍵形成了較大的聚合體，也可能是與淀粉或者脂肪一起形成了十分難溶的聚集體，還有待于進一步研究[13]。所以，研究擠壓加工期間發(fā)生的生物大分子聚合物的改性，考慮擠壓食品中存在的所有組分是非常有必要的。此外，剩余不溶解的蛋白質組分分子間的相互作用值得被繼續(xù)探索[15]。

1.2.2 改善蛋白質的消化性

食品中蛋白質的消化性取決于蛋白質的構象、結構和水解度[16]。擠壓后物料中的蛋白質的消化性均有提高，其原因有兩個方面：一個是由于在擠壓過程中，蛋白質發(fā)生變性，使其構象和結構發(fā)生了改變，增加了蛋白水解酶的可作用位點，從而提高了其消化性[16]。另一個是由于抗營養(yǎng)因子被抑制也可以提高蛋白質的消化性[17]。Rathod等[18]通過研究擠壓對小扁豆消化性影響時發(fā)現(xiàn)，在擠壓溫度140～160 ℃、物料含水量14%～22%時，擠壓溫度和含水量越高其擠壓產(chǎn)品的蛋白質消化率就越高，從未擠壓時的39.39%提高到88.64%。并且抗營養(yǎng)因子(植酸、單寧、胰蛋白酶抑制劑、總酚)的含量在經(jīng)過擠壓之后均有明顯的下降。Ghumman等[19]在研究擠壓小扁豆和馬嘴豆時發(fā)現(xiàn)擠壓后小扁豆的消化性和含水量的關系與Rathod等的結論相似，但其與溫度的關系結論不一致。且發(fā)現(xiàn)擠壓后小扁豆的消化性與擠壓溫度呈二次相關。這種不一致可能與擠壓前物料的粒度不同有關，前者擠壓的是碎小扁豆而后者擠壓的是小扁豆粉末。此外，將豆類物料(豌豆、鷹嘴豆、蠶豆、蕓豆)浸泡16 h后進行擠壓，發(fā)現(xiàn)擠壓前浸泡對豆類的蛋白質消化性有明顯的積極作用[20]。中外學者均發(fā)現(xiàn)擠壓加工可以提高食品特別是谷物中蛋白質的消化性。且關于抗營養(yǎng)因子的含量分析方法也有很多報道，但是在擠壓過程中蛋白質構象和結構的變化卻鮮有報道。

1.3 脂肪

1.3.1 抑制游離脂肪酸的生成

脂肪對食品的質構、營養(yǎng)品質和口感有較大的影響。擠壓過程中由于高溫和細胞壁的破壞，物料中的脂肪可以從細胞中釋放出來，可以增加擠壓過程中的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的組織化程度。但是，食品中高水平的脂肪酸不僅會氧化產(chǎn)生不良的風味還會影響儲藏食品的品質。游離脂肪酸的產(chǎn)生是由于脂肪酶和高溫的作用使甘油三酯水解。擠壓可以使脂肪酶破壞失活從而阻止游離脂肪酸的生成。研究發(fā)現(xiàn)擠壓溫度為70 ℃時就可以將相關的酶破壞，并且擠壓溫度達到110 ℃時，可使脂肪不進行非酶氧化[21]。由于擠壓加工過程時間較短，所以脂肪在此溫度的擠壓過程中幾乎不發(fā)生氧化。大部分食品的擠壓加工基本都在高溫下進行，能破壞物料中大部分的脂肪酶從而抑制脂肪氧化，使其保藏性增強。

1.3.2 脂肪與大分子結合形成穩(wěn)定復合物

食品中的油脂可以分別與蛋白質和淀粉形成化合物，降低脂肪的氧化程度和氧化速度。在擠壓加工時它們之間的相互作用與物料的含水量和擠壓溫度有關[22-24]。在低含水量(19%)和機筒溫度(110～140 ℃)的條件下硬脂酸會與玉米淀粉(直鏈淀粉質量分數(shù)為25%)形成數(shù)量最多的復合物。膨化后大豆中的脂肪含量有所減少[25]，但脂肪復合體的形成使得脂肪受到淀粉和蛋白質保護作用，對降低脂肪氧化程度和氧化速度、延長產(chǎn)品貨架期起到積極作用，同時還可改善產(chǎn)品的質構和口感。

1.4 膳食纖維

膳食纖維不能被小腸分泌物所消化，但能被大腸中的菌群完全或者部分發(fā)酵。膳食纖維包括多糖、低聚糖、木質素和相關的植物物質。有研究發(fā)現(xiàn)膳食纖維素攝入量大大降低了發(fā)生結腸癌、冠心病、中風、高血壓、糖尿病、肥胖和某些胃腸疾病的風險,某些膳食纖維還可以減少憩室病和膽結石的形成[26-28]。擠壓加工過程中膳食纖維的變化也是人們非常關注的問題。

1.4.1 提升可溶性膳食纖維含量

1.4.2 膳食纖維相對分子質量降低

擠壓加工除了導致膳食纖維含量的變化之外還導致了膳食纖維分子質量的變化。研究發(fā)現(xiàn)大麥經(jīng)過擠壓之后,其中的阿糖基木聚糖和β-葡聚糖的平均分子質量降低，進而提高了二者的可提取性[32]。然而，在擠壓具有高水平β-葡聚糖的燕麥纖維時沒有明顯發(fā)現(xiàn)其相對分子質量的改變[33]。其原因可能是由于擠壓大麥時螺桿的轉速達到了400 r/min使其對物料的剪切力較大，導致了化學鍵的斷裂。

2 抗氧化能力

抗氧化活性表示生物活性化合物通過有效清除自由基，抑制脂質過氧化反應和預防其他氧化損傷來維持細胞結構和功能的能力。它也是許多其他生物功能的基礎，如抗癌、抗炎和抗衰老[34]。因此，研究擠壓加工對食品原料的抗氧化性影響十分必要。

酚類化合物屬于熱不穩(wěn)定物質，加工溫度超過80 ℃就可以使其自然結構破壞[35]。擠壓加工時酚類物質的減少是因為高溫作用使其分解，并且發(fā)生化學反應使其結構破壞后發(fā)生聚合作用，降低了可提取性[36]。此外，酚類化合物和黃酮類化合物在擠壓加工時都可以與蛋白質結合，進而不展現(xiàn)其活性作用[37]。研究表明擠壓大麥時發(fā)現(xiàn)物料含水量和擠壓溫度對其總酚含量(TPC)影響顯著，當物料含水量、擠壓溫度和螺桿轉速分別為20%、150 ℃(低溫高含水量)和400 r/min時，大麥的TPC得到最大程度的保留，但是也比未擠壓的樣品降低了50%左右[38]。香蕉粉在擠壓時也出現(xiàn)了相似的結果，并且發(fā)現(xiàn)擠壓后的產(chǎn)品在4 ℃下儲藏24 h后TPC有適當?shù)幕厣齕39]。然而，在某些情況下，擠壓產(chǎn)品中的TPC可能增加。經(jīng)過不同條件擠壓加工之后的板栗中TPC由未擠壓時的14.72 mg GAE/g增加到15.63～24.39 mg GAE/g。這可能是由于細胞壁基質的釋放和擠壓過程中物料發(fā)生美拉德反應產(chǎn)生酚類化合物[40]。

酚類化合物與抗氧化作用有關，其含量的降低可能引起抗氧化能力減弱。其中黃酮類化合物與其他的抗氧化物質有協(xié)同效應。因為黃酮類化合物屬于熱敏性物質，所以擠壓加工會使其結構遭到破壞，總黃酮含量(TFC)的降低[38]。擠壓后大麥中TFC降低一半左右，在物料含水量和擠壓溫度為15%和150 ℃時TFC的保留量最大[39]。扁豆粉在經(jīng)過不同條件擠壓之后物料中黃酮醇質量分數(shù)降低了62%～82%[41]。此外還有許多未知物質與食品的抗氧化性有關[42]，有待進一步的研究。

3 總結

擠壓加工對食品營養(yǎng)品質的影響具有兩面性，其中積極的影響包括促進淀粉凝膠化、改善了產(chǎn)品的溶脹性和持水性、提高了淀粉和蛋白質的消化性、增加水溶性膳食纖維和抑制了脂肪的氧化等，消極的影響包括降低了產(chǎn)品中熱不穩(wěn)定的活性物質的含量，可能會降低產(chǎn)品的抗氧化性。這主要歸因于原料的種類、成分和擠壓時的工藝條件。擠壓工藝參數(shù)對產(chǎn)品品質的影響是最顯著的，所以在加工過程中要充分考慮擠壓工藝參數(shù)之間的相互作用，優(yōu)化工藝參數(shù)及擠壓原料本身的性質，以生產(chǎn)高品質且具有高附加值的新型擠壓產(chǎn)品。