擠壓重組紫薯米工藝優化及其抗氧化活性研究

王潔潔,邵子晗,韓 晶,李雪玲,孫 玥,梁 進

(安徽農業大學,安徽省農產品加工工程實驗室,安徽合肥 230036)

擠壓重組紫薯米是以秈米粉和紫薯粉為原料,經均質、擠壓、切割和干燥等工序制成的大米類似物。隨著生活水平的不斷提高,人們對米的精細要求也越來越高,這就導致稻谷在研磨過程中產生大量碎米,造成大米資源的浪費,而碎米富含營養物質[1],卻通常用作飼料[2],所以對碎米再利用顯得尤為重要。紫色甘薯因合成大量花青素[3],其薯皮呈紫黑色,薯肉為紫色至深黑色,是一種具有食用、藥用以及保健作用于一體的奇特甘薯[4]。其塊根不僅含有普通甘薯的各種營養物質,還富含具有強抗氧化作用的花青素[5]。目前市場上的紫薯功能性食品主要有紫薯粉皮、粉條、粉絲、饅頭、面條、面包和紫薯飲料等,還有薯條、薯片、薯脯、薯仔等休閑食品[6]。但是以紫薯為添加物進行擠壓加工制備重組米的相關研究還少見報道。因此,基于紫薯富含花色苷等功能成分,將其與碎米粉復合并通過擠壓加工研制富含紫薯的質構重組米,對傳統大米主食的營養功能化與產業化開發均具有重要的參考價值[7]。

本試驗通過考察紫薯粉添加量、擠壓溫度、物料水分含量對紫薯擠壓重組米的質構、感官及花色苷含量的品質特性的影響,以確定最佳工藝參數,為紫薯擠壓重組米的生產工藝提供參考。此外,試驗還采用DPPH法和ABTS法考察擠壓重組紫薯米的體外抗氧化活性,為進一步探討其功能特性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯粉(蛋白質4.4 g/100 g、脂肪0.8 g/100 g、碳水化合物70.2 g/100 g) 購于興化市盛和食品有限公司;秈米粉(蛋白質8.5 g/100 g、脂肪1.1 g/100 g、碳水化合物78.1 g/100 g)、早秈米 蕪湖市神農食品有限公司;ABTS[2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽]、DPPH[1,1-二苯基-2-三硝基苯肼] 購自美國sigma公司;其他試劑 均為國產分析純。

DSE32-1雙螺桿擠壓機 濟南盛潤機械設備有限公司;DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海申賢恒溫設備廠;HH-2數顯恒溫水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司;UV9000紫外可見分光光度計 上海元析有限公司;AR224CN電子天平、STARTER210試驗室pH計 上海奧豪斯有限公司;高速多功能粉碎機 永康市柏歐五金制品有限公司;JM-A10002電子天平 諸暨市超澤衡器設備有限公司;JW-3021H臺式高速離心機 安徽嘉文儀器裝備有限公司;HNY-200D智能恒溫培養振蕩器 天津歐諾儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 擠壓重組紫薯米制備 將秈米粉與紫薯粉按一定比例混合均勻并調節水分含量后置于4 ℃冰箱中平衡4 h,平衡后放入雙螺桿擠壓機進料口,再一定的擠壓溫度下進料速率為13 Hz,螺桿旋轉速率為13 Hz,切刀旋切速率為40 Hz。得到的擠壓重組米放入50 ℃的烘箱中干燥4 h至水分含量低于14%以下。

1.2.2 單因素試驗 固定擠壓工藝參數中物料水分含量(干基水分含量)為28%和擠壓溫度(擠壓機三區與四區的溫度)為80 ℃,考察不同紫薯粉添加量(秈米粉替代率)3%、6%、9%、12%、15%對擠壓效果;固定擠壓工藝參數中物料水分含量為28%和紫薯粉添加量為9%,考察擠壓溫度70、75、80、85、90 ℃;固定擠壓工藝中擠壓溫度為80 ℃和紫薯粉添加量為9%,考察物料水分含量24%、26%、28%、30%、32%。

1.2.3 響應面試驗 根據單因素試驗結果,選取紫薯粉含量、擠壓溫度以及物料水分含量3個因素,分別選取3個水平,進行響應面試驗設計如表1所示。

表1 響應面試驗設計

1.3 指標測定方法

1.3.1 質構評分 根據相關文獻[8-9]所描述的方法進行適當的修改。在鋁盒中加入1∶1的擠壓重組紫薯米和蒸餾水在電飯鍋蒸屜中蒸煮10 min后,冷卻至室溫,從樣品蒸煮各個部分取出4粒對稱放在質構儀載物臺,使用P/36R探頭對擠壓重組紫薯米進行質構分析。測試前、測試期間和測試后的探頭速度參數分別設置為5、0.5和5 mm/s。拉力為70%,觸發力為5 g,每組6個平行,去除硬度最大和最小值的兩個值后,取另外4組數據平均,分別得到樣品米的硬度、彈性、咀嚼性和黏聚性等指標。

質構評分參考王會然[9]方法稍作修改:質構評分(100分)=硬度(25分)+黏聚性(25分)+彈性(25分)+咀嚼性(25分)。根據相關文獻[9]的評分方法進行修改,評分方法采用線性插值法。該方法為:黏聚性、彈性及咀嚼性最大值Ymax規定為10分,最小值規定為Ymin為1分。將最終結果乘以10,換算為百分制。

其中,硬度指標與擠壓重組米口感呈負相關。硬度最大值規定為1分,最小值規定為10分,其指標評分算法如下:

1.3.2 感官評分 由10名食品專業的評價員對擠壓重組紫薯米進行感官評定。取10 g米放入已編號的小碗中對米粒進行感官評價,按照1.3.1中對擠壓米進行蒸煮然后對米飯感官評分評分,去掉最高分和最低分取平均值作為最終結果。標準根據GB/T 15682-2008糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法改編,如表3所示。評價員根據感官評分標準得出的結果。

表3 Box-Behnken試驗設計構與結果

表2 擠壓重組紫薯米感官評分標準

1.3.3 花色苷含量測定 將擠壓重組紫薯米在高速多功能粉碎機進行粉碎。用60%的乙醇溶液作為提取液,取2 g粉按照1∶20的料液比提取花色苷,60 ℃的水浴條件下提取90 min后,提取液離心(5000 r/min)5 min后,過濾得到花色苷的上清液,反復提取2次,合并上清液放于瓶中待用[10-11]。采用pH示差法來測定花色苷含量根據相關文獻做適當修改[12-13],花色苷的最大吸收波長為525 nm。吸取待測液2.0 mL,分別用pH1.0和pH4.5的緩沖溶液稀釋至一定體積。分別在525 nm處和700 nm處測定提取溶液的吸光度(A),以干質量計算,計算公式如下:

式中:A=(A525pH1.0-A700pH1.0)-(A525pH4.5-A700pH4.5);V為溶液定容的體積,mL;DF為溶液的稀釋倍數;MW為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數26900 L/(mol.cm);ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾質量,449.2 g/mol;L為比色皿的寬度,1 cm;m為樣品紫薯質量,g。評分方法采用線性插值法[11]規定最大Ymax為10分,最小Ymin為1分。將最終結果乘以10,換算為百分制。

1.3.4 綜合評分法 采用綜合評分法:綜合得分=感官得分(0.4)+質構得分(0.3)+花色苷得分(0.3)。

1.4 體外抗氧化活性分析

1.4.1 DPPH清除率測定 將擠壓空白米、市售早秈米以及擠壓重組紫薯米經高速多功能粉碎機粉碎后放置-20 ℃冰箱待用[14]。活性成分提取根據Qiu[14]的方法做適當調整,取米粉樣2 g用甲醇(80% 1∶20 w/v)作為提取劑,將混合液在搖床上以220 r/min、37 ℃提取2 h,4000 r/min離心5 min,取上清液待用。稱取4 mg DPPH用無水乙醇定容至100 mL的容量瓶中。試驗分為樣品組、對照組和空白組。不同的樣品液充分混勻,靜置30 min后在517 nm處測定吸光度[16]。

式中:A0為2 mL DPPH溶液+2 mL溶劑的吸光度值;A1為2 mL乙醇+2 mL樣品溶液的吸光度值;A2為2 mL DPPH溶液+2 mL樣品溶液的吸光度值。

1.4.2 ABTS清除率測定 ABTS清除率測定方法參考文獻[17-18]并做適當修改,其中的活性成分提取主要依據Sharma[15]的方法做適當調整,取0.5 mL提取液與4.0 mL ABTS工作液混勻,30 ℃水浴6 min,在波長734 nm處測定吸光度值,以無水乙醇作為空白測定吸光度值。

式中:A0:0.5 mL超純水+4.0 mL ABTS工作液;A1:0.5 mL樣品+4.0 mL乙醇;A2:0.5 mL樣品+4.0 mL ABTS工作液。

1.5 數據處理

用Excel 2007軟件計算花色苷濃度和綜合得分;Design Expert軟件處理響應面數據;Origin 8軟件做結果與分析中的圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 紫薯粉添加量對擠壓重組紫薯米品質的影響 紫薯粉添加量對擠壓重組紫薯米綜合得分的影響如圖1所示。紫薯擠壓重組米的感官評分隨著紫薯粉含量的增加出現先增大后降低的趨勢,紫薯粉添加量較少時擠壓重組紫薯米的顏色呈淺紫色,經蒸煮后紫薯的味道較淡,感官得分較低。隨著紫薯粉的添加,擠壓重組紫薯米的外觀呈現令人愉悅的亮紫色且經蒸煮后紫薯香味濃郁,擠壓重組紫薯米的感官得分達到一個峰值。之后隨著紫薯粉的添加,擠壓米的顏色呈現暗紫色,經蒸煮后紫薯味道過于濃郁逐漸出現異味,感官評定人員接受度較低,因此感官得分逐漸降低。其次因紫薯粉的逐漸添加所以花色苷含量出現一個上升趨勢。

圖1 紫薯粉添加量對綜合得分的影響

2.1.2 物料水分含量對擠壓重組紫薯米品質的影響 物料水分含量對擠壓重組紫薯米的綜合得分的影響如圖2所示。由于含水量不足,擠壓重組紫薯米顆粒表面粗糙,影響產品感官品質;當水分含量達到28%以上,感官評分開始下降,可能是由于過高的水分會使得物料流出模口時不成型,從而影響擠壓重組紫薯米的品質[19],綜合評分降低。不同的擠壓工藝參數會對淀粉產生不同的影響,大部分淀粉會發生糊化,剩下的一小部分的淀粉則降解為糊精、麥芽糖等低聚糖[20]。加水量較小時,物料糊化度較低;加水量提高使擠壓后淀粉顆粒內部有序的淀粉鏈破壞程度加劇,淀粉糊化度提高;當加水量過高時,減小了物料與螺桿機筒之間的摩擦,因此降低了物料在機筒停留的時間,從而降低了推動融體所需要的機械能,糊化度隨之減小[21]。糊化度的變化會對產品的質構、感官及花色苷評分造成不同的影響。花色苷是一種類黃酮類物質,具有C6-C3-C6的碳結構[22]是花色素與一個或者多個糖分子通過糖苷鍵結合而形成的化合物[18]。花色苷含量變化趨勢與糊化度變化的趨勢保持一致呈先增大后減小,可能是因為花色苷中具有抗氧化作用的酚羥基與淀粉降解后小分子氫鍵發生反應[23-25],使結構更加穩定致密從而對花色苷起到一種保護的作用。

圖2 物料水分含量對綜合得分的影響

2.1.3 擠壓溫度對擠壓重組紫薯米品質的影響 擠壓溫度對擠壓重組紫薯米的綜合得分的影響如圖3所示。感官評分和質構評分隨著擠壓溫度的升高先升高后降低,可能由于溫度較低時,影響物料的糊化度,擠壓重組紫薯米米粒不飽滿;溫度過高時會使物料在擠出模口的瞬間發生膨化,從而使得擠壓重組紫薯米的質構品質和感官評分下降[19]。隨著溫度的升高,花色苷的降解速率會急劇加快[23]。

圖3 擠壓溫度對綜合得分的影響

2.2 響應面試驗結果

根據軟件分析得出以綜合得分為目標函數的二次回歸方程:R=69.47+0.050A-0.63B+7.33C-0.41AB+1.89AC+1.10BC-4.30A2-0.033B2-9.78C2。此方程P<0.01,響應回歸模型達到了極顯著水平,決定系數R2=0.9772,表明97.72%的數據可以用此方程來解釋。因此可以用此方程來分析和預測擠壓重組紫薯米的工藝結果。在所選的各因素水平范圍內,對響應值的影響排序為C>B>A,即紫薯粉添加量>物料水分含量>擠壓溫度。

圖4為根據表4得出的數學回歸模型做出的響應曲面圖。根據響應曲面圖可直觀看到各因素對綜合得分的影響以及各因素之間的交互作用。經過對所得回歸方程取一階偏導等于零,得知A=80.09 ℃,B=26%,C=10.01%為最佳組合,在此最優組合中,理論最高綜合得分為71.1859,根據實際條件的限制將最優組合修正為A=80 ℃,B=26%,C=10%。為驗證響應面法所得到的配方的可靠性,根據該配方組合重復試驗3次,所得擠壓重組紫薯米綜合得分為71.08±0.79分,接近預測的理論值,表明該數學模型對擠壓重組紫薯米的優化工藝可行。

表4 回歸模型及方差分析

圖4 綜合評分的響應面分析

此外,圖5顯示通過響應面優化出來的擠壓重組紫薯米與擠壓空白米及市售秈米相比在色澤上呈現亮紫色,且顆粒大小較為均勻。

圖5 優化產品對比分析

2.3 體外抗氧化試驗結果

2.3.1 DPPH清除率結果 由圖6可以看出,市售秈米、擠壓空白米和擠壓重組紫薯米對DPPH都具有一定的清除能力,其中擠壓空白米因其經高溫高壓的擠壓重組作用,其DPPH清除率較市售秈米低。而擠壓重組紫薯米雖經高溫高壓的擠壓重組作用,但其因加入的紫薯粉中含有的花色苷具有抗氧化作用的活性物質花色苷,所以具有相對較高的DPPH清除能力,高達86.71%。

圖6 擠壓空白米、市售秈米、擠壓重組紫薯米對DPPH清除率

2.3.2 ABTS清除率結果 由圖7可以看出,市售秈米、擠壓空白米和經優化后的擠壓重組紫薯米對ABTS均具有一定的清除能力,其中擠壓空白米因其經高溫高壓的擠壓重組作用,其ABTS清除率較市售秈米低。而擠壓重組紫薯米雖經高溫高壓的擠壓重組作用,但其因加入的紫薯粉中含有的花色苷含有具有抗氧化作用的活性物質花色苷,所以具有較高的ABTS清除能力,高達87.55%。

圖7 擠壓空白米、市售秈米、擠壓重組紫薯米對ABTS清除率

3 結論

秈米粉加入一定比例的紫薯粉經過擠壓重組造粒后形成的擠壓重組紫薯米,引入了具有抗氧化作用的活性物質花色苷,不僅對擠壓米進行了富營養化而且其還具有抗氧化作用的營養功能。本文通過單因素試驗和響應面試驗得出擠壓重組紫薯米的最佳工藝參數是紫薯粉添加量為10%,擠壓溫度為80 ℃,物料水分含量為26%。該制備工藝條件下獲得的擠壓重組紫薯米的綜合得分為最佳。此外,體外抗氧化活性試驗結果表明擠壓重組紫薯米對DPPH和ABTS的清除率分別為86.71%、87.55%,顯示其良好的抗氧化功能。