燕麥超微粉加工工藝優化及其特性分析

趙冬，羅寶劍，李璐，陳秋桂，田靜，何志貴*

1.桂林旅游學院休閑與健康學院（桂林 541006）；2.桂林西麥食品股份有限公司（桂林 541004）

燕麥（Avena sativa L.）是有利于人體健康的重要全谷物之一[1-2]。燕麥含有豐富的蛋白質、不飽和脂肪酸、維生素E、燕麥生物堿、γ-氨基丁酸、阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖等[3-5]。研究認為，燕麥生物堿、β-葡聚糖等功能成分具有降低血膽固醇、抗炎、抗腫瘤及預防心血管疾病的作用[6-9]。隨著燕麥營養功效的深入研究，燕麥已成為國內外消費者最青睞的健康食品之一。

國內燕麥食品主要為傳統方法加工的燕麥片和燕麥粉，但因沖泡時間長、口感較為粗糙，限制了燕麥產業發展，消費主要集中在老年人、減肥等人群；燕麥粉可添加于饅頭、包子、面條、固體飲料等食品[10]，但因顆粒粗糙、沖調性差而添加量相對較少，難以發揮燕麥營養價值。超微粉碎技術是現代食品加工高新技術，能有效減少物料粒徑，增加溶解性、分散性，以改善食品的加工適應性、提高產品口感細膩，并使食品的營養成分更易被人體吸收[11]。超微粉碎技術在提高食品加工性能和營養價值方面具有重要作用，已在谷物[12-14]、茶葉[15]、肉制品[16]、果蔬纖維[17]中得到較好應用。試驗采用響應面分析法，以燕麥超微粉平均粒徑D50為指標，確定燕麥超微粉碎的最優工藝條件，為增加燕麥全谷物食品形態、開發燕麥含量高的食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥粒（來自澳大利亞進口的皮燕麥，取生產線脫殼、烘麥塔蒸煮滅酶及干燥后的燕麥粒，由桂林西麥食品股份有限公司提供）。

β-葡聚糖測定試劑盒（愛爾蘭Megazyme公司）。

1.2 儀器與設備

氣流粉碎機（CSM-280VD，山東埃爾派粉體科技股份有限公司）；激光粒度分析儀（LS-POP（6）型，歐美克儀器有限公司）；高速萬能粉碎機（SF-320型，江蘇泰興蘇中制藥機械有限公司）；圓形振動篩（ZS-800型，常州市達諾機械設備有限公司）；電熱鼓風干燥箱（DHG-9075A型，上海精密儀器儀表有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 燕麥超微粉碎工藝流程及操作要點

燕麥粒→粗粉碎→篩分→干燥→超微粉碎→燕麥超微粉

操作要點：（1）粗粉碎。將生產線上蒸煮滅酶處理后的燕麥粒用萬能粉碎機粉碎，利用圓形振動篩進行篩分，分別得到20，40和60目燕麥粗粉，備用。（2）干燥。根據前期預試驗，由于生產線上的燕麥粒水分在9%～10%，為適應超微粉碎工藝需進一步干燥，使燕麥粉水分降低至5%。（3）超微粉碎。取干燥后的不同顆粒大小的燕麥粗粉，按照試驗設計條件進行超微粉碎，通過旋風收集器得到燕麥超微粉。

1.3.2 試驗設計

1.3.2.1 單因素試驗設計

取干燥至水分5%的燕麥粗粉，控制進料速度500 g/min、粉碎頻率40 Hz，研究對照組（燕麥整粒）、20，40，60和80目等不同顆粒大小對燕麥超微粉碎效果的影響；取干燥至水分5%的40目燕麥粗粉，設定粉碎頻率40 Hz，研究3.6，4.8，6.0，7.2和8.4 kg/h的進料速度對燕麥超微粉碎效果的影響；取干燥至水分5%的40目燕麥粗粉，控制進料速度500 g/min，研究粉碎頻率20，30，40，50和60 Hz對超微粉碎效果的影響。

1.3.2.2 響應面優化試驗設計

根據單因素試驗結果分析和Box-Behnken中心組合設計原理，選取顆粒大小、進料速度、粉碎頻率為試驗因素，以燕麥超微粉的平均粒徑（D50）為響應值，以優化燕麥超微粉碎最優工藝條件。響應面試驗因素與水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平

1.3.3 超微粉特性的分析方法

1) 燕麥超微粉粒徑的測定[18]

取約0.5 g燕麥超微粉，加入30 mL蒸餾水，充分攪拌、分散后得到懸浮液，緩慢加入比色皿中。設置折射率1.5，控制遮光比12%。

2) 沖調特性的測定

溶解性：參考劉磊等[19]方法，略有修改。準確稱取5.0 g樣品，加100 mL 80 ℃的蒸餾水沖調，充分攪拌5 min，轉入離心機中，設定轉速3 000 r/min，離心20 min。將離心后得到的上層清液倒入稱量瓶中，于105 ℃下烘干，恒質量后準確稱取質量。重復3次。計算其溶解度。

溶解度=[上清液烘干后稱量瓶恒質量（g）-空稱量瓶恒質量（g）]/樣品干質量（g）×100% （1）

分散穩定時間：參考張艷等[20]方法，略有改動。取樣品5.0 g，用50 mL去離子水中充分分散，轉移到10 mL量筒中，靜置。待溶液分層上清液體積為1 mL時所需時間，重復3次。

3) β-葡聚糖的測定

參照NY/T 2006—2011《谷物及其制品中β-葡聚糖含量的測定》，β-葡聚糖含量以干基計。

1.4 數據處理

采用Design Expert 8.0軟件進行響應面設計和優化，采用Microsoft Excel 2016進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 顆粒大小對燕麥超微粉碎的影響

由圖1可知，燕麥粉碎前的顆粒大小對超微粉碎效果影響較為明顯，一開始隨著顆粒變細，超微粉平均粒徑減少，但粉碎前粒徑達到40目之后，粉碎效果達到最佳。這是因為隨著粉碎前物料顆粒變細，在粉碎時每個顆粒的表面能增加，反而增加了團聚機會。而粉碎前的顆粒越小，生產成本越高。因此，選擇粉碎前的燕麥顆粒大小為20～60目。

圖1 不同顆粒大小對燕麥超微粉碎效果的影響

2.2 進料速度對超微粉碎的影響

由圖2可知，進料速度在低于4.8 kg/h情況下，隨著投料速度增加，而粉碎效果越好，說明投料量過少，燕麥在粉碎腔內受到的沖擊、摩擦幾率越大，從而使粒徑降低，但進料速度過低，過細的粉末可能發生了團聚，從而導致粒徑增加。進料速度高于4.8 kg/h時，燕麥超微粉碎效果隨著進料速度增加而緩慢降低，粉碎腔中顆粒碰撞能量降低，導致粒徑增大[21]。因此，選擇進料速度在4.8～7.2 kg/h較為合適。

2.3 粉碎頻率對超微粉碎效果的影響

圖3表示不同粉碎頻率對超微粉碎效果的影響。隨著粉碎頻率增加，粉體粒徑先減小而后逐漸增大，頻率30 Hz時，粉碎效果最好。這是因為頻率越大，分級輪的轉速越大，物料在粉碎腔中粉碎次數增加，從而使物料粒徑變小，若粒徑繼續減小，粉體表面能增加，造成粉體重新團聚[22]。因此，選擇粉碎頻率為30～50 Hz。

圖2 不同進料速度對燕麥超微粉碎效果的影響

圖3 不同粉碎頻率對燕麥超微粉碎效果的影響

2.4 響應面法優化超微粉碎工藝

燕麥超微粉碎工藝響應面優化試驗設計結果見表2。

表2 響應面試驗設計與結果

對試驗所得數據進行多元回歸分析，得到二次回歸擬合曲線方程為：Y=12.73-0.44A+1.89B+2.45C-0.28AB+2.46AC+1.54BC+1.54A2+0.36B2+2.69C2。

對該回歸方程進行方差分析，結果見表3。由表3可知，方程模型的相關性極顯著（p＜0.001），失擬項不顯著（p=0.078 7＞0.05），可見該方程的擬合度和可信度較高，能夠較好地預測各條件下燕麥超微粉碎的效果。根據表3中p值可知，一次項B、C，二次項AC及二次項C2對超微粉碎效果影響極顯著（p＜0.01），交互項BC和二次項A2對超微粉碎效果影響顯著（p＜0.05）。根據表3中F值可知，影響超微粉碎效果各因素的順序為C（粉碎頻率）＞B（進料速度）＞C（顆粒大小）。

表3 回歸方程方差分析表

圖4～圖6顯示各因素之間對超微粉碎效果影響的交互作用，響應曲面圖越陡，交互作用越顯著，反之則交互作用越弱。由圖4可知，響應曲面圖坡度相對平緩，顆粒大小與進料速度交互作用不顯著，而由圖5可知，響應曲面圖坡度最陡，顆粒大小與粉碎頻率的交互作用最顯著，這與表3中分析一致。

圖4 顆粒大小與進料速度交互作用的響應面

圖5 顆粒大小與粉碎頻率交互作用的響應面

圖6 進料速度與粉碎頻率交互作用的響應面

2.5 驗證結果

通過響應面分析得到最佳粉碎工藝條件：粉碎前顆粒大小49.10目，進料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36.08 Hz，得到的預測值為11.06 μm。考慮到操作實際，調整最佳工藝條件為：顆粒大小50目、進料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36 Hz。在此條件下，得到試驗值為11.25 μm，與預測值相對誤差RSD為1.53%。

2.6 燕麥超微粉理化特性分析

表4表示燕麥超微粉碎前后的理化特性變化。經最佳工藝超微粉碎之后，燕麥粉的平均粒徑達到11.25 μm大幅降低燕麥麩皮帶來的粗糙口感。從沖調性來看，經超微粉碎之后，燕麥溶解度、分散穩定時間均得到了顯著提高（p＜0.05），非常適合為開發具有代餐效果的固體飲料奠定基礎。經過超微粉碎，燕麥β-葡聚糖得到了顯著提高，達到2.85%，這可能因為超微粉碎破壞燕麥胚乳細胞壁，更好地釋放燕麥β-葡聚糖，表明超微粉碎提高燕麥的營養價值。

表4 燕麥超微粉碎前后的理化特性變化

3 結論

在單因素試驗基礎上，通過響應面試驗優化超微粉碎工藝，結合生產操作實際，得到最佳工藝參數，即顆粒大小50目、進料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36 Hz，驗證試驗結果可靠。在最佳超微粉碎工藝條件下，燕麥溶解度和分散穩定時間得到顯著提高，沖調性得到有效改善。此外，超微粉碎增加燕麥功能性成分β-葡聚糖的溶出率，提高燕麥營養價值，為更大范圍應用燕麥健康食品配料奠定基礎。