低GI高膳食纖維谷物再制米工藝

高婷婷，劉靜雪*，李鳳林，謝天，姜麗冬，曾英男

1. 吉林農業科技學院食品工程學院（吉林 132101）；2. 吉林省釀造技術科技創新中心（吉林 132101）；3. 農業農村部國家糖料加工技術研發分中心（吉林 132101）

玉米別名苞米、大蘆粟、玉茭等。玉米中含有大量的亞油酸、谷物醇、卵磷脂、維生素E、纖維素等，對人體的健康十分有益，具有降低血清膽固醇，防止其沉積于血管壁的作用[1-2]；莜麥別名油麥，是禾本科一年生植物。莜麥含有蛋白質、脂肪、膳食纖維、鈣、磷、鐵、維生素、淀粉等[3]。莜麥含高蛋白低糖和大量亞油酸，對糖尿病或心血管疾病患者而言都是較好的選擇。蕎麥別名甜蕎、烏麥等，屬于一種傳統的農作物[4]。蕎麥能減少人體內脂肪的積累從而達到減肥瘦身的功效。糯米含有蛋白質、脂肪、糖類、鈣、磷、鐵、維生素B1、維生素B2、煙酸及淀粉等，營養豐富，為溫補強壯食品，具有補中益氣，健脾養胃，止虛汗之功效，對食欲不佳，腹脹腹瀉有一定緩解作用[5]。菊芋別名洋姜等，其中菊糖具有抗癌、抗菌、降糖、降脂等效用，也能夠增強腸道蠕動，促進人體消化。碳水化合物主要為菊淀粉，是幾種可溶性膳食纖維之一[6-7]。試驗利用玉米、莜麥、蕎麥、菊芋等通過雙螺桿擠壓膨化，將谷物粉重造粒生產出再制米，此產品還適用于腸胃消化不好、長期便秘人士以及血糖不穩定的三高人群，也適用于瘦身減肥女性人群。此次試驗成果將提高低GI谷物資源的附加值，為社會帶來較好的經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米改性粉、莜麥改性粉、蕎麥改性粉、菊芋改性粉、糯米粉。

1.2 儀器與設備

BZF-50型真空干燥箱（上海鼎科科學儀器有限公司）；FA-2204C型分析天平（上海佑科儀器有限公司）；MB-45型快速水分測定儀（美國奧豪斯儀器有限公司）；SLG-30型雙螺桿擠出機（濟南賽百諾科技開發有限公司）；TA-XT2i型物性測定儀（英國Stable Miero System公司）；LK1000A型粉碎機（上海隆拓儀器設備有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 低GI高膳食纖維谷物再制米工藝流程

加水↘

谷物營養粉→混合拌料→喂料→擠出糊化、改性、重造粒→冷卻→干燥→低GI高膳食纖維谷物再制米→罐裝→成品

1.3.2 谷物再制米單因素試驗

1.3.2.1 螺桿轉速對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響

固定水分添加量25%、糊化溫度120 ℃、成型溫度75 ℃，設定螺桿轉速為16，18，20，22和24 Hz，以谷物再制米的感官評分作為考察標準，考察螺桿轉速對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響。

1.3.2.2 水分添加量對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響

固定螺桿轉速20 Hz、糊化溫度120 ℃、成型溫度75 ℃，設定水分添加量為18%，20%，22%，24%和26%，以谷物再制米的感官評分作為考察標準，考察水分添加量對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響。

1.3.2.3 糊化溫度對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響

固定螺桿轉速20 Hz、水分添加量25%、成型溫度75 ℃，設定糊化溫度為110，115，120，125和130 ℃，以谷物再制米的感官評分作為考察標準，考察糊化溫度對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響。

1.3.2.4 成型溫度對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響

固定螺桿轉速20 Hz、水分添加量25%、糊化溫度120 ℃，設定成型溫度為65，70，75，80和85 ℃，以谷物再制米的感官評分作為考察標準，考察成型溫度對低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分的影響。

1.3.3 谷物再制米響應面試驗

根據單因素試驗結果，以低GI高膳食纖維谷物再制米產品的口感評分（Y）為考察值，以螺桿轉速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）作為因素，每個因素選擇3個水平進行試驗，利用響應面軟件設計四因素三水平試驗，通過對數據的研究與分析，確定最優工藝研究水平參數[8-10]。試驗因素水平見表1。

表1 因素水平表

1.3.4 谷物再制米米飯的感官評價指標

低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評定在結合了谷物自身特點的同時，也參照了GB/T 15682—2008中對米飯的感官評分規則[11-12]，同時邀請了10位相關專家對谷物再制米米飯進行現場打分及評定，具體的感官評分標準見表2。

表2 低GI高膳食纖維谷物再制米米飯感官評分標準

1.3.5 谷物再制米米飯的物性測定

將制得的低GI高膳食纖維谷物再制米產品和市場銷售五常大米采用質構儀進行測試比較。將低GI高膳食纖維谷物再制米、五常大米與水按照2∶3比例放入電飯鍋蒸煮30 min，蒸熟后使用質構儀在TPA模式下進行測定。低GI高膳食纖維谷物再制米的質構指標有硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、黏著性。具體操作步驟為：分別取5 g低GI高膳食纖維谷物再制米飯和5 g熟制五常大米米飯，并確保米粒平整且不留空隙地平放在測試臺中間位置。平行試驗5次，取其平均值。測定參數：測前速度1.00 mm/s；測試速度0.5 mm/s；壓縮比90.0%；2次壓縮間隔時間5.00 s；探頭型號SMSP[13]。50

2 結果與分析

2.1 谷物再制米工藝單因素試驗

2.1.1 螺桿轉速對谷物再制米感官評分的影響

由圖1可以看出，隨著螺桿轉速的提升，低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評分分值先變大后變小，當螺桿轉速達到20 Hz時米飯的感官評分分數最高。出現感官評分低的情況可能是在水分添加量、糊化溫度、擠出溫度一定的情況下，當使用較低的螺桿轉速時，谷物粉擠壓得不徹底，使得低GI高膳食纖維谷物再制米擠出膨化的效果較差，感官評分低。當螺桿轉速較高時，擠出膨化的速度過快，時間相對較短，感官評分降低。因此，適宜的螺桿轉速為20 Hz。

圖1 螺桿轉速對感官評分的影響

2.1.2 水分添加量對谷物再制米感官評分的影響

由圖2可以看出，逐漸增加水分添加量，低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分分值先增大后減小，當水分添加量為22%時，感官評分最高，效果較好。在螺桿轉速、糊化溫度、擠出溫度條件一定時，出現低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評分低的情況可能是當添加水分量較少時，淀粉糊化不夠完全，當水分添加量較多時，谷物粉的組織狀態被改變，擠出機內水分較高，從而影響了再制米的整體品質。由試驗結果可知，當水分添加量為22%時，效果較好再制米米飯口感較好。

圖2 水分添加量對感官評分的影響

2.1.3 糊化溫度對谷物再制米感官評分的影響

由圖3可以看出，隨著糊化溫度的升高，低GI高膳食纖維谷物再制米的感官評分分值先增大后減小，當糊化溫度為120 ℃時，效果最好。在螺桿轉速、水分添加量、擠出溫度條件一定時，當糊化溫度過低，谷物粉部分無法從固態變成熔融狀態，使得再制米擠壓膨化效果不好，感官評分值較低；當糊化溫度較高時，谷物粉發生爆裂現象，粘在擠出機內壁，導致再制米米粒光澤度差，感官評分下降。因此確定糊化溫度為120 ℃。

圖3 糊化溫度對感官評分的影響

2.1.4 成型溫度對谷物再制米感官評分的影響

由圖4可以看出，隨著成型溫度的升高，低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分分值先增大后減小，當成型溫度為75 ℃時，感官評分分數最高，效果最好。原因是成型溫度較低，導致谷物原料擠出膨化效果不好；成型溫度過高，導致谷物原料焦糊，影響到最終產品的適口性，使再制米的口味有焦糊味道，且米的色澤發暗。感官分值隨之下降。因此，確定成型溫度最適為75 ℃。

2.2 低GI高膳食纖維谷物再制米工藝參數的優化

2.2.1 數學模型的建立與顯著性檢驗

以單因素試驗為基礎，根據Box-Behnken試驗設計的原理，以螺桿轉速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）作為單因素，以低GI高膳食纖維再制米感官評分分值（Y）為響應值設計試驗，試驗內容及其結果如表3所示。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表3進行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到以再制米感官評分分值Y為目標函數，關于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=95.74-1.21A+1.05B+1.13C-1.09D+2.15AB-2.45AC-1.38AD+1.20BC-0.35BD+0.95CD-3.09A2-2.05B2-3.22C2-4.21D2

圖4 成型溫度對感官評分的影響

表3 Box-Behnken中心組合試驗設計及結果

對此模型進行顯著性檢驗，可得到方差分析見表4，模型的可信度分析見表5。

由表4和表5可知，模型的p＜0.000 1，遠小于0.01，說明此模型極顯著，回歸模型與實際測定數值能夠很好地擬合，試驗誤差較小，因此對試驗結果分析可以用線性回歸方程進行代替，R2=96.96%，預測值與實測值之間具有很高的相關性，表示回歸方程可以代替真實值。在回歸模型中，A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、A2、B2、C2，D2對響應值影響極顯著，CD對響應值感官評分影響顯著，而BD對響應值影響不顯著。影響產品感官評分因素由大到小依次為螺桿轉速＞糊化溫度＞成型溫度＞水分添加量。

表4 回歸方程方差分析表

表5 回歸模型的可信度分析

2.2.2 各因素的交互作用對再制米感官評分分值影響

響應面圖是響應值低GI高膳食纖維再制米感官評分與螺桿轉速（A）、水分添加量（B）、糊化溫度（C）、成型溫度（D）四個因素所構成的可直觀反映各因素的交互作用的三維空間曲面圖。固定其中任意三個因素，對模型進行降維分析，考察各個因素間的交互作用對低GI高膳食纖維再制米感官評分分值的影響。由Design-Expert 8.0.6軟件對其進行統計分析，所得響應面及其等高線見圖5。等高線可以使我們能夠直接觀察出各個因素的交互作用和對響應值的影響情況。螺桿轉速（A）與水分添加量（B）之間的交互作用極顯著，具體表現為等高線圖呈明顯的橢圓形，螺桿轉速度（A）與糊化溫度（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現出橢圓形，而螺桿轉速（A）與成型溫度（D）之間的交互作用顯著，具體表現為等高線圖幾乎呈現出橢圓形。水分添加量（B）與糊化溫度（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現出橢圓形，水分添加量（B）與成型溫度（D）之間的交互作用不顯著，具體表現為等高線圖幾乎呈現處圓形，糊化溫度（C）與成型溫度（D）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現出橢圓形。

圖5 各兩因素交互作用響應面及等高線圖

2.2.3 優化谷物再制米工藝參數

為精準確定最佳工藝參數，對擬合的回歸方程分別求一階偏導數，并設其為0，得到四元一次方程如下：

求解得：A=-0.213，B=0.235，C=0.290，D=-0.071，即此試驗最優工藝參數為螺桿轉速19.15 Hz、水分添加量22.94%、糊化溫度122.9 ℃、成型溫度74.29 ℃，此參數下制得的低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分為96.20分。為了方便實驗室中的操作，將優化后工藝參數修正為螺桿轉速19 Hz、水分添加量23%、糊化溫度123 ℃、成型溫度74 ℃。采用修正后的工藝參數進行3次驗證試驗，制得低GI高膳食纖維谷物再制米感官評分為95.78分。

2.3 物性測定結果

低GI高膳食纖維谷物再制米和五常大米的物性測定結果見表6。低GI高膳食纖維谷物再制米米飯在硬度、黏彈性、咀嚼性、內聚性方面均與五常大米無明顯差異性，說明低GI高膳食纖維谷物再制米和五常大米物性基本一致。

表6 物性測定結果

3 結論

低GI高膳食纖維谷物營養粉制得的再制米的最佳工藝參數為：螺桿轉速19 Hz、水分添加量23%、糊化溫度123 ℃、成型溫度74 ℃。此條件下谷物再制米感官評分為95.78分。對谷物再制米感官評分因素為螺桿轉速＞糊化溫度＞成型溫度＞水分添加量。質構儀分析結果顯示，最優工藝條件制得的低GI高膳食纖維谷物再制米，在硬度、彈性、咀嚼性、凝聚性、黏著性等理化指標上符合米飯標準，與五常大米米飯相比硬度較低，彈性較好，說明低GI高膳食纖維谷物再制米食用品質較佳。