雜糧膨化營養粉制備工藝優化及其消化特性研究

馮進 丁秋霞 柴智

摘要：以混合雜糧粉（蠶豆粉 ∶ 蕎麥粉 ∶ 魔芋精粉質量比10 ∶ 9 ∶ 1）為原料制備雜糧膨化營養粉，以可溶性膳食纖維（SDF）為指標，結合單因素試驗和響應面試驗優化了制備工藝，并通過體外胃腸道模型研究了產品的消化特性。結果表明，雜糧膨化營養粉制備的最佳參數組合為：物料含水量16%，Ⅲ區擠壓溫度142 ℃，螺桿轉速146 r/min，在該條件下，產品中SDF含量達到（18.13±0.15）%。掃描電子顯微鏡結果顯示，原料粉體顆粒發生了有效膨脹，原有的致密結構受到破壞。擠壓膨化營養粉的碳水化合物水解指數，估計血糖生成指數和估計血糖負荷指數等均顯著低于雜糧原料粉，并且達到了低血糖生成指數產品標準。

關鍵詞：雜糧;膨化營養粉;擠壓膨化;可溶性膳食纖維;模擬消化;血糖生成指數

中圖分類號： TS255.36 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0217-05

收稿日期：2020-04-08

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（17）2014、CX（19）2006]。

作者簡介：馮 進（1989—），男，山東德州人，博士，助理研究員，主要從事營養與健康領域研究。E-mail：fengjinzju@163.com。

通信作者：李春陽，黑龍江牡丹江人，博士，研究員，主要從事營養與健康領域研究。E-mail：lichunyang968@126.com。 ?隨著經濟的發展和健康意識的提高，我國消費者對主食的追求也逐漸從“精白米面”向全谷物和雜豆食品轉變。一方面，雜豆和全谷物富含多種維生素和礦物質，營養成分比較全面[1]。另一方面，這類產品中的膳食纖維含量高，碳水化合物消化慢，血糖生成指數低，對“三高”等代謝綜合征可以起到防控作用[2]。2016版的中國居民膳食指南也指出，正常成年人每天應保證50～150 g全谷物和雜豆的攝入，約占飲食中谷薯類食物總攝入量的一半。發展全谷物食品產業和雜糧食品產業是我國糧食產業落實中央建設“健康中國”偉大戰略的重要組成部分，也是我國在“十三五”期間乃至更長時間內糧食供給側結構改革的重要舉措。

目前，市場上常見的雜豆和全谷物產品主要有發芽糙米、全麥粉、全麥面包、燕麥片等，產品形式較為單一且同質化現象嚴重。雜豆和全谷物類產品往往口感粗糙、重調性差、營養消化利用度低，給加工帶來了困難，也降低了消費者的購買熱情。隨著濕法膨化生產設備的日臻完善，全谷物膨化營養粉的創制和應用引起了食品領域科技工作者的廣泛關注[3]。擠壓膨化技術可以通過壓力差和水分的閃蒸實現全谷物顆粒的膨脹，并且伴隨著淀粉的糊化、蛋白質的變性以及抗營養因子的消減。更重要的是，擠壓膨化可以促進不溶性膳食纖維（IDF）向可溶性膳食纖維（SDF）轉變，從而有效改善高膳食纖維產品的口感和消化吸收率，提高了消費者的接受程度[4]。本研究選用蠶豆粉、蕎麥粉和魔芋精粉3種雜糧為原料，通過擠壓膨化處理制備膨化營養粉，以SDF為指標優化制備工藝，并通過胃腸模型研究產品的體外消化狀況，從而為拓展國內龐大的消費市場提供技術支撐和產品保障。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

蘇蠶3號蠶豆，江蘇省農業科學院經濟作物研究所提供;蕎麥粉，購自南京孝陵衛市場;魔芋精粉，湖北強森魔芋科技有限公司生產;耐高溫α-淀粉酶（180 U/mg），尤特爾生化有限公司生產;中性蛋白酶（40 U/mg）、葡萄糖苷酶（50 U/mg）、胃蛋白酶（3 000 U/mg）、胰酶（包括蛋白酶285 U/mg、淀粉酶288 U/mg和脂肪酶56 U/mg）、膽汁鹽，上海生工生物工程股份有限公司產品。

KETSE20/40D型雙螺桿擠出機，德國Brabender公司生產;FW177型中草藥粉碎機，天津特斯特公司產品;AS-1400型馬弗爐，上海安晟儀器廠生產;MB3型快速水分測定儀，奧豪斯儀器（上海）有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 原料篩選→蠶豆粉碎過40目 篩→ 蠶豆粉、蕎麥粉、魔芋精粉按質量比10 ∶ 9 ∶ 1混合→物料含水量調節→擠壓膨化→烘干→粉碎過40目篩。

1.2.2 擠壓膨化工藝優化 通過單因素試驗研究物料含水量（16%～24%）、Ⅲ區擠壓溫度（120～180 ℃）以及螺桿轉速（110～190 r/min）對產品中SDF含量的影響。在此基礎上，根據Box-Benhnken中心組合設計原則，以物料含水量（A）、Ⅲ區擠壓溫度（B）、螺桿轉速（C）為自變量，SDF含量為響應值，設計了3因素3水平的響應面分析試驗，各因素水平見表1。

1.2.3 雜糧營養膨化粉中SDF含量測定 根據GB 5009.88—2014《食品中不溶性膳食纖維的測定》中的酶-質量法稍作改進。稱取1.0 g樣品置于150 mL三角瓶中，加入40 mL PBS緩沖液（pH值6.0±0.2，0.1 mol/L），并加入100 μL高溫α-淀粉酶溶液（10 000 U/mL），加蓋鋁箔，在100 ℃條件下水浴振蕩40 min。將酶解液冷卻至60 ℃，加入100 μL中性蛋白酶溶液（400 U/mL），在60 ℃條件下水浴振蕩30 min。用0.1 mol/L鹽酸溶液將pH值調至4.5±0.2，加入100 μL葡萄糖苷酶溶液（3 300 U/mL），在60 ℃水浴振蕩條件下繼續酶解30 min。抽濾消化液，并用熱水洗滌2次，收集合并洗滌液，轉移至燒杯中，根據濾液總體積，加入4倍體積的95%乙醇，室溫下沉淀1 h。用G2砂芯坩堝過濾（加入適量硅藻土做助濾劑），用70%乙醇洗滌2次，丙酮洗滌2次，105 ℃烘干至恒質量。另取2份分別做蛋白和灰分校正。其中，原料粉（蠶豆粉與蕎麥粉、魔芋精粉按照10 ∶ 9 ∶ 1的質量比混合）中SDF含量為（8.53±0.25）%。

1.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察 用雙面膠帶將干燥后的雜糧原料粉和雜糧擠壓膨化營養粉粘到不銹鋼樣品臺上，并對其進行真空鍍金，用 JSM-6330F 型場發射掃描電鏡觀察形貌。

1.2.5 體外消化試驗 參照文獻[5]方法略作改動。將2.0 g NaCl，7.0 mL HCL和3.2 g胃蛋白酶溶解于超純水中，定容至1 L，得到模擬胃液。模擬腸液中含有0.30 mmol/L氯化鈣，30.72 mmol/L氯化鈉，5 mg/mL的膽汁鹽以及8 mg/mL的胰酶。準確稱量含有1 g碳水化合物的不同樣品置于水解管中，加入10 mL蒸餾水，渦旋振蕩、混合均勻。80 ℃ 加熱20 min。冷卻后將水解管移入37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中，加入10 mL模擬胃液，300 r/min條件下振蕩孵育30 min。將模擬胃消化后的樣品迅速調至pH值7.0，并與等體積的模擬腸液混合，在相同條件下孵育180 min，間隔特定時間取1.0 mL水解液，沸水浴滅酶，離心取上清液，用DNS法測定各時間段水解上清液中葡萄糖含量。在同樣條件下進行白面包的模擬消化試驗作為對照。碳水化合物水解度的計算公式為[6]：

碳水化合物水解度=水解液中葡萄糖當量×09/500×100%。

分別以水解時間和碳水化合物水解率為橫、縱坐標制作曲線，利用Origin軟件計算曲線下積分面積（area under curve，AUC），通過以下公式計算碳水化合物水解指數（HI），估計血糖生成指數（EGI）和估計血糖負荷指數（EGL）[7]：

1.3 數據處理

所有試驗均重復3次，試驗結果以平均值±標準差來表示，使用SPSS 18.0軟件進行方差分析，試驗數值間以ANOVA法進行顯著性檢驗。選取P<0.05為顯著水平，圖表中不同小寫字母代表顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 原料含水量對雜糧膨化營養粉SDF含量的影響 由圖1可以看出，隨著原料含水量的增加，營養粉中的SDF含量呈現逐漸下降趨勢。當物料含水量為16%時，營養粉中SDF含量最高，為1664%，是雜糧原料粉[SDF含量為（8.53±025）%]的將近2倍。而物料含水量增加至24%時，營養粉中SDF含量降低至10%左右。推測原因可能為當雜糧原料中水分含量越高，升溫所需要的熱量越多，導致了物料升溫速率慢，不利于IDF向SDF轉化[8]。另外，過量的水蒸氣噴發也會降低營養粉的擠壓膨化效果[9]。然而，在實際操作過程中，當雜糧原料含水量低于16%時，物料流動性比較差，機器出現堵塞現象，不利于生產。因此，選擇含水量16%～20%進行響應面優化。

2.1.2 Ⅲ區擠壓溫度對雜糧膨化營養粉中SDF含量的影響 由圖2可以看出，隨著Ⅲ區擠壓溫度的升高，營養粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢。擠壓機的機筒溫度越高，傳遞給物料的熱量越多，同時因為強剪切力和擠壓作用，使得IDF分子中糖苷鍵斷裂，提高了物料的親水性。當Ⅲ區擠壓溫度增加到150 ℃時，可溶性膳食纖維含量達到最大值16.44%。而當Ⅲ區擠壓溫度高于150 ℃后，可溶性膳食纖維含量逐漸降低，這可能是因為擠壓溫度過高，物料中纖維還原端與蛋白質之間的美拉德反應更加明顯，從而降低產品溶解度。方勇等在研究金針菇/發芽糙米擠壓膨化工藝時發現了類似的現象[10]。

2.1.3 螺桿轉速對雜糧膨化營養粉中SDF的影響 由圖3可以看出，隨著螺桿轉速的增加，雜糧膨化營養粉中SDF含量呈先增大后減小的趨勢。一般而言，螺桿轉速越大，剪切力越大，越有利于IDF纖維的降解以及向SDF的轉化[11]。當螺桿轉速增加到150 r/min時，可溶性膳食纖維含量達到最大值，為15.63%，相對于雜糧原料增加了83%。當螺桿轉速繼續增加時，物料在擠壓機筒中的時間停留過短，導致作用力不夠，反而不利于SDF的形成。因此，選擇130～170 r/min進行后續優化試驗。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 二次響應面回歸模型的建立與分析 響應面試驗設計與結果見表2，應用Design Expert軟件進行回歸擬合分析，得到工藝參數條件與營養粉中可溶性膳食纖維含量之間的二次多項式模型為：Y=16.30-2.79A-1.00B-1.13C+1.62AB-032AC-0.075BC-1.41A2-2.43B2-2.76C2。由表3可知，回歸模型具有極顯著性（P<0.01），失擬性不顯著（P=0.116 9>0.05），并且R2為0.981 6，R2adj為0.957 8，說明方程對試驗的擬合性較好[12]。回歸方程各項方差分析表明，A（物料含水量）、B（Ⅲ區擠壓溫度）和C（螺桿轉速）對營養粉中SDF含量

影響極顯著（P<0.01）。二次項A2、B2、C2以及交互項AB也對膨化營養粉中SDF含量影響效果極顯著（P<0.01），交互項AC和BC對SDF含量的影響不顯著（P>0.05）。通過F值可以獲得各因子對產品中SDF含量影響能力的順序為：A（物料含水量）>C（螺桿轉速）>B（Ⅲ區擠壓溫度）。

2.2.2 兩因子間交互作用分析 響應面分析圖見圖4至圖6。由圖4可知，當擠壓溫度固定時，SDF含量與原料含水量呈負相關;當原料含水量一定時，SDF含量隨擠壓溫度升高呈先增加后減小的趨勢。整個響應曲面的坡度陡峭，且等高線呈橢圓形，說明擠壓溫度與含水量交互作用比較顯著。由圖5可知，當螺桿轉速一定時，SDF含量隨著含水量的增加呈逐漸下降的趨勢;當含水量一定時，SDF含量隨著螺桿轉速的增大呈現出先增大后減小的趨勢。與圖4相比，圖5中的等高線更加接近圓形。因此，同擠壓溫度相比，含水量與螺桿轉速的交互作用不夠顯著。由圖6可知，當螺桿轉速一定時，SDF含量隨著擠壓溫度的增大呈現先增大后減小的趨勢;當擠壓溫度一定時，SDF含量隨著含水量的增大，也呈現出先增大后減小的趨勢。由于其等高線圖呈圓形，說明二者的交互作用不顯著[13]。

2.2.3 最佳工藝參數預測及驗證試驗 通過響應曲面法優化雜糧膨化營養粉制備的最佳工藝參數為物料含水量16.22%、Ⅲ區擠壓溫度142.20 ℃，螺桿轉速145.97 r/min，此時產品中的SDF含量可達到18.44%;考慮實際情況下，選用的工藝條件為物料含水量16%、Ⅲ區擠壓溫度142 ℃、螺桿轉速146 r/min，此時蠶豆營養粉的可溶性膳食纖維含量為（18.13±0.15）%， 與預測值相差1.7%， 表明此

模型具備很強的可靠性，可以用于雜糧膨化營養粉中SDF含量的預測。

從圖7-A1和圖7-B1中可以看出，混合原料粉顆粒表面粗糙且結構規則，排列有序，結合緊密;而經過擠壓膨化得到的產品，顆粒表面凹凸不平、體積膨大，表明原有的致密結構受到了破壞（圖7-A2和圖7-B2）。SEM的觀察結果說明，在擠壓膨化過程中，擠壓機內的高溫、高壓、高剪切力造成了原

料中生物大分子之間共價鍵和非共價鍵的斷裂，從而誘導了蛋白質變性、淀粉糊化以及IDF向SDF的轉變。

2.3 體外消化性質評價

采用體外模擬胃腸道模型進一步對雜糧原料粉和雜糧膨化營養粉中的碳水化合物消化情況，并使用白面包為對照。從圖8可以看出，3種樣品在前60 min消化較快，60 min后水解度趨于平穩。在所研究的任意時間點，3種樣品碳水化合物的水解度大小順序為：雜糧膨化營養粉<雜糧原料粉<白面包。白面粉屬于精加工主食，消化最快。值得一提的是，原料粉經過膨化處理后，碳水化合物的消化變慢，原因可能有以下2點：（1）膨化處理提高了SDF含量，SDF膨脹性和溶解性好，從而增加了消化液黏度，使得消化酶和產物擴散速率變慢[14];（2）膨化營養粉中淀粉發生了回生，抗性淀粉含量變高，因此抗消化性增強[15]。

進一步計算了3種樣品的HI、EGI、EGL等指標（表4），擠壓膨化處理后，雜糧的HI、EGI和EGL下降顯著。雜糧膨化營養粉的EGI為4988，小于55，達到了低血糖生成指數產品的標準。雜糧膨化營養粉的EGL為24.78，高于20，依然屬于高血糖負荷指數產品，但是顯著低于白面包（4144）等主食，因此仍然可以起到替代部分主食的作用。

3 結論

本研究采用單因素試驗和響應面試驗優化了雜糧膨化營養粉的制備工藝，得到最佳參數組合為物料含水量16%、Ⅲ區擠壓溫度142 ℃、螺桿轉速146 r/min，在該條件下，產品中SDF含量達到（1813±0.15）%。SEM結果顯示，擠壓膨化處理導致原料粉顆粒發生膨脹，并伴隨著原有致密結構的坍塌。通過模擬胃腸道模型進一步研究了產品的體外消化狀況。結果表明，雜糧膨化營養粉的HI、EGI、EGL等參數均顯著低于原料，部分指標達到了低血糖生成指數產品的標準，可以用來部分替代主食，起到補充膳食纖維和微量營養素、延長飽腹感的作用。

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