復合雜糧共擠壓營養沖調粉的配方設計和工藝

崔琳琳，呂欣東，馮飛，周小理*

1. 上海商學院酒店管理學院（上海 200235）；2. 上海應用技術大學香料香精技術與工程學院（上海 201418）

中國是世界雜糧王國，現有雜糧作物品種多達327個。雜糧富含蛋白質、維生素、礦物質及多種功能因子，營養價值高，是加工營養食品的極好原料。但我國雜糧深加工目前仍以初加工產品為主，主要是將雜糧磨成粉，再以雜糧粉為主要原料生產各種雜糧面制品，如雜糧什錦面、雜糧掛面、雜糧面包等。精深加工產品比例偏低。近年來隨著人們飲食結構、消費習慣的逐漸改變，人們對雜糧沖調粉等營養功能型雜糧食品的需求不斷提高，促進了我國雜糧食品企業的產品升級換代。但在雜糧沖調粉類食品中，還存在著一些問題：產品結構和種類較單一；產品多以單一散粉的形式出售，產品直接暴露在空氣中，容易氧化；多以普通粉碎技術加工而成，沖調性能欠佳，適口性差；特別是我國暫時對復合雜糧沖調粉的開發、加工尚未進行較為深入系統的研究，缺乏針對不同人群營養需求的科學復合配比，雜糧粉的營養利用率不高等[1-3]。

擠壓膨化技術及設備作為食品工業的高新技術，可以使物料在擠壓膨化過程中，經高溫、高壓作用，會發生一系列的物理變化和化學變化，可破壞原料中部分有害因子，使加工后的食品更易貯藏，產品品質得到提高[4-5]。此次試驗以多種雜糧為原料，結合不同類型人群（女性白領、青少年和中老年）對營養的特殊需求，利用線性規劃法，科學設計三種復合雜糧營養沖調粉配方。采用Brabender TSE 20/40D雙螺桿擠出機，研究不同擠壓工藝參數對復合雜糧共擠壓產品沖調性能的影響；通過Box-Behnken試驗建立二次回歸方程，以吸水性指數為評價指標對擠壓膨化工藝條件進行優化，改善了復合雜糧營養粉的沖調性能，提高了復合雜糧營養沖調粉的食用品質，以實現雜糧高質化的利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

藜麥粉（購于繁峙縣晉香園特產店）；紅豆粉、苦蕎粉、糙米粉、燕麥粉（購于無錫網上糧店）；麥麩粉（購于福建中科康膳生物科技有限公司）。

1.2 主要儀器與設備

DSE20/40雙螺桿擠壓膨化機，Brabender；3-18K臺式高速冷凍離心機，Sigma儀器有限公司（英國）；1010A型數顯式電熱恒溫干燥箱，上海實驗儀器有限公司；高速多功能粉碎機，德清拜杰電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

各種雜糧粉按比例稱其質量→混合均勻→調節水分→高速粉碎機粉碎→擠壓膨化機共擠壓→粉碎→過篩→成品

1.3.2 復合雜糧營養沖調粉配方設計研究

以營養均衡為原則，以中國居民膳食營養素參考攝入量為依據，結合不同類型人群（女性白領、青少年和中老年）對營養的特殊需求，采用線性規劃（LP）法，設計適于三種不同人群的復合雜糧營養沖調粉配方，三類人群每日所需膳食營養需求見表1。

該產品作為早餐輔助食品食用，每次食用量以100 g為宜。在滿足一定約束條件的前提下，采用Excel進行營養配方的設計，先計算各雜糧粉的配比，以滿足營養要求，且原料成本價格最低，最后在工作表得到規劃求解值。

表1 中國居民各類型人群的日膳食需要

線性規劃的具體方法為：

設Xi為各原料占總配方的百分比含量，X1為燕麥粉，X2為紅豆粉，X3為糙米粉，X4為藜麥粉，X5為苦蕎粉，X6為麥麩粉，X7為乳清蛋白，X8為葡萄糖酸鈣。

以最低原料價格為目標函數：

根據《中國居民膳食指南（2016）》[6]、《中國居民膳食營養素參考攝入量》[7-9]，在三類人群每日所需不同營養素的量和限值的基礎上稍作調整，再根據各類人群營養需要的特殊性[10-11]，分別設定A女性白領型沖調粉（高鐵高膳食纖維型）、B青少年型沖調粉（高蛋白高鈣型）以及C中老年型沖調粉（高鈣高膳食纖維型）三種規劃求解參數的約束條件。

1) 以市場同類型產品作為參照，以上述配方設計為依據，在考慮加工過程營養素損失后，預測制成的復合雜糧營養沖調粉，其碳水化合物、蛋白質、脂肪、膳食纖維、礦物質、維生素等的含量達到或超過同等原料生產的食品要求，三種配方設計的各因素限值設定如表2所示。

表2 規劃求解參數的約束條件

2) 配方中以藜麥、燕麥、糙米、苦蕎、紅豆、超微麥麩粉為主要原料，配以葡萄糖酸鈣、乳清蛋白等營養強化劑（總量不超過10%），考慮到豆類和燕麥的擠壓特性，要求紅豆和燕麥的含量均不超過15%。

3) 在保證各種營養素平衡的基礎上，藜麥、燕麥、糙米、苦蕎等主要雜糧原料的單一含量不超過40%。

1.3.3 單因素試驗設計

參考李晟等[12]的研究，分別考察不同擠壓膨化溫度（130，140，150，160和170 ℃）、螺桿轉速（120，140，160，180和200 r/min）、物料水分含量（13%，15%，17%，19%和21%）對擠壓膨化谷物粉膨化度、吸水性指數、水溶性指數和沖溶穩定性的影響。其中各因素固定水平為擠壓膨化溫度150 ℃、螺桿轉速160 r/min、物料水分含量17%。

1.3.4 響應面試驗設計

根據響應曲面的中心組合試驗設計，綜合單因素試驗結果，以螺桿轉速（A）、擠壓膨化溫度（B）、物料水分含量（C）三因素為響應面分析對象，吸水性指數（WAI）作為響應值，進行響應面設計，因素水平表見表3。

1.3.5 測定方法

1) 吸水性指數、水溶性指數的測定：分別參照賀也[13]、王玉彤等[14]的方法。

2) 離心沉淀率的測定：參照馬濤等[15]的方法。

表3 響應面因素水平表

2 結果與討論

2.1 線性規劃法程序運算結果

根據表2線性限制條件，運用Excel進行線性規劃求解，計算出三種類型的最優配方，結果見表4。最佳配方的價格與營養成分含量見表5。

由表5可知，設計的三種復合雜糧營養沖調粉營養成分含量與目標營養素參考值對比，已達到所需的營養要求。其中，青少年型含有豐富的藜麥，具有較高的營養價值[13,16]。尤其配方中蛋白質NRV%高達22%，符合GB 28050—2011《食品安全國家標準 預包裝食品營養標簽通則》規定的高蛋白質食品要求，適合處于生長發育期的青少年食用。女性白領型和中老年型沖調粉配方能夠滿足高鈣高膳食纖維的需求，尤其是中老年型沖調粉中鈣含量達300 mg/100 g，NRV為30%，對中老年人群的健康大有裨益[17-18]。

表4 三種復合雜糧營養沖調粉的最佳配方與原料成本價格 %

表5 三種復合雜糧營養沖調粉營養成分含量與營養素參考值

2.2 擠壓膨化工藝單因素試驗結果與分析

三種共擠壓制備的復合雜糧營養沖調粉的工藝相同，試驗以A型復合雜糧營養沖調粉為例，優化擠壓膨化工藝參數。

2.2.1 螺桿轉速對共擠壓膨化產品性質的影響

螺桿轉速對產品吸水性指數（WAI）和水溶性指數（WSI）的影響如圖1所示。隨著螺桿轉速的增大，吸水性指數（WAI）整體上呈先減小后增加趨勢，在160 r/min時呈現最低值，為463.13%。而水溶性指數（WSI）變化趨勢與之相反，在180 r/min達到最大值，為16.46%。這是由于當螺桿轉速過大時，物料在機筒內停留時間減少，原料受到的機械剪切作用逐漸減弱，物料無法被充分糊化且營養物質的分解不完全[19]，導致吸水性指數（WAI）逐漸增加，而水溶性指數（WSI）逐漸降低。此外，離心沉淀率（SR）變化幅度不大，因此，綜合螺桿轉速對各項指標的影響，選擇160～200 r/min為最佳螺桿轉速區間。

2.2.2 擠壓溫度對共擠壓膨化產品性質的影響

擠壓溫度對產品品質的影響如圖2所示。隨著擠壓溫度的升高，擠出物的吸水性指數（WAI）和水溶性指數（WSI）同樣呈現相反變化趨勢。這是由于隨著溫度升高物料不斷吸收熱量，有利于原料轉化為熔融狀態，淀粉糊化和裂解程度加劇，水溶性物質增加。而離心沉淀率（SR）隨擠壓溫度的升高呈不斷增加的趨勢，說明擠壓溫度的升高不利于成品的沖調穩定性的增加。因此，綜合擠壓溫度對各項指標的影響，選擇130～150 ℃為最佳擠壓溫度區間。

2.2.3 物料水分含量對共擠壓膨化產品性質的影響

物料水分含量對產品品質的影響如圖3所示。隨著物料水分含量的增加，擠出物的吸水性指數（WAI）與其水溶性指數（WSI）變化同樣呈現相反的趨勢，當物料水分含量為17%時分別達到最小值和最大值，這是因為當物料水分含量過高時，粗纖維、蛋白質和淀粉等大分子物質的裂解程度降低，使得水溶性物質的產生相應減少，增加了糊狀物的穩定性。而離心沉淀率（SR）在物料水分含量15%～19%之間呈較低值，說明在該水平的物料水分含量下擠壓出的谷物粉沖調出的糊狀物穩定性較好。因此，綜合物料水分含量對各項指標的影響，選擇15%～19%為最佳物料水分含量區間。

圖1 不同螺桿轉速下吸水性指數、水溶性指數、沉淀率的變化

圖2 不同溫度下吸水性指數、水溶性指數、沉淀率的變化

圖3 不同物料水分含量下吸水性指數、水溶性指數、沉淀率的變化

2.3 響應面優化成品沖調性的研究

應用Design-Expert 8.0軟件進行響應面分析，并進行多元回歸擬合，得到吸水性指數（Y）對自變量擠壓溫度（A）、螺桿轉速（B）、物料水分含量（C）的二次多項回歸模型：

表6顯示，回歸模型p＜0.000 1，說明二次回歸方程模型差異極顯著，且交互作用AC對吸水性指數的影響呈極顯著。模型的相關系數R2=0.981 1，校正決定系數R2=0.956 8，模型實際值與預測值擬合良好，失擬項p=0.309 8＞0.05，不顯著，說明試驗誤差較小。

表6 方差分析表

2.4 影響吸水性指數的主要因素分析

由二次回歸方程得出各因素的相互作用，通過對雙螺桿擠壓膨化工藝響應面優化圖及其等高線圖的分析，可看出螺桿轉速、物料水分含量、擠壓溫度3個因素間的相互作用程度。

從圖4可以看出，當螺桿轉速為160～200 r/min、擠壓溫度為130～150 ℃時，因素A的曲線較因素B的曲線陡峭，說明擠壓溫度對沖調粉吸水性指數（WAI）的影響較螺桿轉速強，等高線中心的形狀趨向圓形，表明兩因素交互作用較弱，與回歸模型方差分析中結果一致。因此，在保證物料膨化反應順利進行的前提下，可以適當降低螺桿轉速，減少能耗。

圖4 螺桿轉速和擠壓溫度交互作用對吸水性指數的影響

從圖5可以看出，因素A與因素C的曲線陡峭程度相當，說明物料水分含量和擠壓溫度對沖調粉WAI影響相當，等高線中心的形狀趨向橢圓，表明兩因素交互作用顯著，與回歸模型方差分析中結果一致。

從圖6可以看出，因素C的曲線較因素B的曲線陡峭，說明物料水分含量對沖調粉吸水性指數（WAI）影響較螺桿轉速強，等高線中心的形狀趨向圓形，表明兩因素交互作用較弱，回歸模型方差分析中結果一致。

利用Design-Expert 8.0軟件綜合分析得出最佳擠壓膨化條件：擠壓溫度136.33 ℃，螺桿轉速181.77 r/min，物料水分含量16.4%；理論吸水性指數值為407.218%。考慮實際生產可操作性，調整工藝參數為：擠壓膨化溫度136 ℃，螺桿轉速182 r/min，物料水分含量16.4%。在此條件下進行驗證試驗，成品的吸水性指數（WAI）為407.5%。

圖5 物料水分含量和擠壓溫度交互作用對吸水性指數的影響

圖6 物料水分含量和螺桿轉速交互作用對吸水性指數的影響

3 結論與討論

采用線性規劃（LP）配方設計法，針對三類食用人群的特殊營養需求，設計出三種復合雜糧營養沖調粉的配方。配方設計中，在各營養素量達到規定的膳食營養素供給量的前提下，原料成本價格最低。

并以A型復合雜糧營養沖調粉為例，通過單因素和響應面試驗方法，研究了雙螺桿擠壓膨化對復合雜糧營養沖調粉沖調性的影響。結果表明：螺桿轉速對復合谷物粉沖調穩定性影響不大；擠壓溫度升高，不利于復合雜糧營養沖調粉的沖調穩定性，影響產品的沖調性能；同時，物料水分含量為15%～19%時表現良好。最終利用響應面建立二次多項回歸方程，分析其模型、各因素交互作用，經修正得到最佳膨化擠壓工藝條件為：擠壓溫度136 ℃，螺桿轉速182 r/min，物料水分含量16.4%。得到的復合雜糧營養沖調粉吸水性指數（WAI）為407.5%，改性后的膨化粉吸水性指數（WAI）下降明顯，優化后的工藝條件改善了復合雜糧營養沖調粉的沖調性能，更易于人體吸收。