紫糙米粉擠壓工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)分析

方浩標，鄭經(jīng)紹，許立益，余宏達，鄭意凡，黃 葦,

（1.華南農(nóng)業(yè)大學食品學院，廣東廣州 510642；2.新興縣微豐農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東云浮 527400；3.新興縣農(nóng)業(yè)推廣總站，廣東云浮 527400）

紫米是有色稻米中的一類珍稀品種，其外觀呈紫黑色，米香濃郁，呈現(xiàn)特別的香芋香氣。與普通白米相比，紫糙米除富含花色苷以外，還有蛋白質(zhì)、黃酮、酚酸、膳食纖維、維生素、γ-谷維素及人體必需的礦物質(zhì)元素等成分[1-3]。然而，紫糙米皮層粗纖維含量高且質(zhì)地堅硬，存在蒸煮耗時長、食感差等缺陷。隨著人們生活節(jié)奏的加快，即食代餐粉類產(chǎn)品因食用方便，口感順滑，受到了消費者的廣泛歡迎。將紫糙米開發(fā)為即食代餐粉類產(chǎn)品具有市場潛力。

蒸、煮、烤等即食代餐粉加工方法較為耗時和耗能，工藝連續(xù)化程度不高，易造成營養(yǎng)損失，且糊化度較低導致沖調(diào)性及口感較差[4]。擠壓膨化技術是集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、膨化及成型為一體并能連續(xù)操作的新型加工技術。在優(yōu)化粗糧質(zhì)構特性、改善口感、保留營養(yǎng)成分等方面有顯著優(yōu)勢[5]。劉磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與其他加工方式相比，擠壓膨化脫脂米糠粉具有最高的水溶性指數(shù)（water soluble index，WSI）、糊化度及分散穩(wěn)定性。Ti等[7]研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化會顯著降低黑米糙米中的總酚、花色苷含量及抗氧化活性，但對酚類化合物的組成沒有影響。Suksomboon等[8]在紫米原料中添加適量大豆粉，采用擠壓膨化法得到了表面光滑、口感酥脆的膨化制品。目前，針對有色稻米擠壓膨化的工藝研究更多地側(cè)重于產(chǎn)品的熟化程度與質(zhì)構特性，較少學者綜合考察功能性成分（例如花色苷）在擠壓加工中的變化情況。另外，國內(nèi)也尚未見有關紫糙米擠壓膨化的報道。

為了提高紫糙米的可食性，保留其營養(yǎng)價值，本文以“天紫1號”紫米為原料，采用擠壓膨化技術制備即食紫糙米粉，研究擠壓工藝參數(shù)，探討擠壓膨化對紫糙米粉糊化特性、結晶特性、微觀結構及花色苷的影響，以期為拓寬紫糙米的深加工途徑、豐富紫糙米產(chǎn)品類型提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫糙米 廣東省云浮市新興縣微豐農(nóng)業(yè)科技有限公司提供的“天紫1號”；無水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀 均為國產(chǎn)分析純。

DFY-300A搖擺式粉碎機 溫嶺市林大商貿(mào)有限公司；MB23鹵素水分測定儀 奧豪斯儀器有限公司；UV-6300紫外可見分光光度儀 上海美普達儀器有限公司；TGL-16M高速臺式冷凍離心機 湘儀離心機儀器有限公司；DS32-II A型實驗雙螺桿擠壓膨化機 濟南賽信機械有限公司；StarchMaster II型RVA快速粘度儀 Perten公司；XL-30 ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡 荷蘭飛利浦電子光學有限公司；Ultima IV X-射線多晶粉末衍射儀 日本株式會社理事。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 紫糙米粉碎過60目篩→調(diào)整水分→擠壓膨化得膨化條→冷卻→55 ℃恒溫干燥3 h→粉碎過60目篩→成品（擠壓膨化紫糙米粉）。

1.2.2 擠壓膨化單因素實驗 參考文獻[9]，通過預實驗將擠壓膨化機I區(qū)溫度設定為80 ℃，II區(qū)溫度設定為100 ℃，分別考察III區(qū)溫度（擠壓溫度，130、140、150、160、170 ℃）、水分含量（14%、16%、18%、20%、22%）、螺桿轉(zhuǎn)速（10、15、20、25、30 Hz）、進料速率（5、10、15、20、25 Hz）對擠壓膨化紫糙米粉膨化度、WSI、糊化度和花色苷含量的影響。單因素實驗過程中，除考察因素變動外，其余各因素水平分別固定為擠壓溫度150 ℃、水分含量20%、螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、進料速率15 Hz。

1.2.3 擠壓膨化工藝優(yōu)化 在單因素實驗的基礎上，采用四因素三水平的響應面試驗設計，選擇擠壓溫度、水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速、進料速率這4個因素為自變量，以WSI、糊化度、花色苷含量的綜合評分為響應值，進行參數(shù)優(yōu)選。實驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factor and level of response surface experimental

1.2.4 指標測定方法

1.2.4.1 膨化度的測定 采用游標卡尺測定擠壓膨化條的直徑，每個樣品隨機測定10次，求其平均值作為擠壓膨化條的直徑（mm），以該直徑除以?？谥睆剑? mm）所得的商表示為膨化度。膨化度的計算公式如式（1）：

式中，d1為擠壓膨化條的平均直徑，mm；d0為擠壓機的模頭直徑，mm。

1.2.4.2 水溶性指數(shù)的測定 參考Anderson等[10]的方法進行測定。準確稱取2 g左右樣品，記為m0，置于50 mL離心管中，加入30 mL蒸餾水，均勻攪拌直至樣品完全分散于水中，于30 ℃下水浴保溫30 min，每隔5 min震蕩一次，之后取出在4000 r/min離心15 min，將上清液緩慢倒入已知質(zhì)量為m1的燒杯中，105 ℃烘干至恒定質(zhì)量m2。水溶性指數(shù)（WSI）的計算公式如式（2）：

1.2.4.3 糊化度的測定 參考趙志浩等[11]的方法進行測定。

1.2.4.4 花色苷含量的測定 采用分光光度法[12]測定花色苷含量，用分析天平準確稱取0.1 g樣品粉末，加入95%乙醇與1.5 mol/L HCl的混合液（85/15，V/V）25 mL，在60 ℃水浴中靜提5 h，抽濾并重新定容至25 mL，搖勻靜置，3次重復。取上述溶液在紫外-可見分光光度計上測其在535 nm處的吸光值，以每100 g樣品中所含花色苷代表其花色苷含量，表示為mg/100 g，計算公式如式（3）：

式中，OD為樣品溶液在535 nm處的吸光值；R為提取液稀釋至上機測試的稀釋倍數(shù)；V為定容體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g。

1.2.5 綜合評分方法 花色苷是紫糙米中一類主要的活性物質(zhì)，它不僅能豐富產(chǎn)品的色澤，還具有較好的保健功能；糊化度與WSI則是影響產(chǎn)品熟化度與沖調(diào)性的重要指標；膨化度更多地反映擠出物的膨化效果，僅間接反映最終產(chǎn)品的品質(zhì)。因此本實驗分別以WSI（F1）、糊化度（F2）、花色苷含量（F3）為評價指標，以各指標的最大值為參照值進行歸一化，賦予不同的權重系數(shù)進行多指標綜合評分[13]。權重系數(shù)：WSI 0.2，糊化度0.2，花色苷含量0.6，綜合評分公式如式（4）：

1.2.6 糊化特性的測定 用快速黏度測定儀對淀粉糊化參數(shù)進行測定。準確稱取3.50 g樣品，根據(jù)水分校正公式稱取一定量的去離子水倒入樣品筒內(nèi)充分混合（本試驗以樣品濕基14%為準）。升溫程序為：50 ℃保持1 min，從50 ℃以12.2 ℃/min速率升溫到95 ℃，保持2.5 min后再以11.8 ℃/min的速率降溫到50 ℃，在50 ℃下保溫2 min，另外螺旋槳在開始10 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后保持在160 r/min。每個樣品測量3次，取平均值。

1.2.7 X-射線衍射分析 取一定量的粉末樣品進行X-射線衍射（XRD）測定。測定條件為：特征射線Cu-Kα靶，測試電壓：40 kv，測試電流：40 mA，掃描條件：掃描2θ范圍為5°～80°，步長0.02°，掃描速率8°/min，用MDI Jade 6.0軟件對圖像進行處理。

1.2.8 微觀結構觀察 取適量粉末樣品均勻地平鋪于固定有雙面膠的樣品臺上，利用離子濺射儀噴金后，再通過掃描電鏡（SEM）進行觀察并拍照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗進行三次重復，結果以平均值±標準差表示。采用SPSS 23.0及Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進行處理分析，使用Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 溫度對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響 由圖1可知，隨著擠壓溫度的上升，擠出物的花色苷含量、糊化度、WSI、膨化度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當擠壓溫度為140 ℃時，花色苷含量達到峰值；當擠壓溫度達到150 ℃時，糊化度達到峰值；而WSI與膨化度則是在擠壓溫度處于160 ℃時為最高水平?；ㄉ諏儆跓崦粜晕镔|(zhì)，在高溫條件下不穩(wěn)定，升溫易造成其大量降解[14]。而淀粉的糊化需要吸收足夠的熱量才能完成，適當?shù)靥岣邤D壓溫度可加劇物料中的水分子運動，使更多的水分子進入淀粉的空間結構，從而破壞淀粉分子間的締合狀態(tài)，糊化度上升；另外，升溫也有利于物料中的大分子物質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)、粗纖維等斷裂成小分子物質(zhì)，可溶性物質(zhì)增加，WSI上升[15]。較高的糊化度與WSI能賦予產(chǎn)品較好的營養(yǎng)有效性和沖調(diào)分散性[16-17]，故綜合考慮，選擇擠壓溫度在140、150、160 ℃水平下開展進一步的研究。

圖1 擠壓溫度對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on quality of extruded purple brown rice flour

2.1.2 水分含量對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響由圖2可得出，水分含量對產(chǎn)品的品質(zhì)影響顯著，物料水分含量在14%～22%之間時，花色苷含量明顯上升；糊化度、WSI、膨化度則隨著水分含量的升高呈明顯下降趨勢。隨著水分含量的增加，物料中多余的水分會吸收機腔內(nèi)大量的氣化潛熱在?？谔幤?，導致物料升溫速率下降，從而減少花色苷的損失，該趨勢與文獻[18]報道的趨勢一致。但水分含量過大時，由于水分的潤滑和增塑作用，物料與螺桿間的剪切力下降，物料在機腔內(nèi)的停留時間變短，致使物料無法充分糊化，大分子物質(zhì)降解程度降低，生成的水溶性物質(zhì)變少[19]，糊化度、WSI也隨之下降。故選擇水分含量在16%、18%、20%水平下開展進一步的研究。

圖2 水分含量對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of water content on quality of extruded purple brown rice flour

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響由圖3可以看出，花色苷含量、糊化度、WSI都隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當螺桿轉(zhuǎn)速為25 Hz時，達到峰值；當螺桿轉(zhuǎn)速由10 Hz升高到15 Hz時，擠出物的膨化度明顯增大，螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，膨化度轉(zhuǎn)為緩慢上升趨勢。螺桿轉(zhuǎn)速直接影響物料在機腔內(nèi)的滯留時間和所受剪切力[20]，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料在機腔內(nèi)的停留時間顯著減少，花色苷受熱時間縮短，降解少，表現(xiàn)出花色苷含量有升高的趨勢；但當螺桿轉(zhuǎn)速增加到30 Hz時，物料與螺桿間的高速摩擦也會產(chǎn)生較高的熱應力[21]，花色苷含量略有下降但變化不大。另一方面，螺桿轉(zhuǎn)速增大，導致物料受到來自螺桿與內(nèi)壁的剪切應力和摩擦應力增大，加速了淀粉的糊化與裂解，水分大量汽化，機腔內(nèi)壓力升高，產(chǎn)品在?？谔帞D出時的內(nèi)外壓差加大[22]，糊化度、WSI、膨化度增大。故選擇螺桿轉(zhuǎn)速在20、25、30 Hz水平下開展進一步的研究。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of screw rotation speed on quality of extruded purple brown rice flour

2.1.4 進料速率對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響由圖4表明，隨著進料速率的增加，糊化度呈現(xiàn)明顯上升而后緩慢下降的趨勢，在進料速率為10 Hz時，達到峰值；花色苷含量與膨化度則持續(xù)上升；而WSI持續(xù)下降，進料速率在10～20 Hz范圍內(nèi)時，WSI下降不明顯。進料速率是影響單位時間內(nèi)物料在機腔填充程度的關鍵因素[23]。當進料速率大于螺桿轉(zhuǎn)速所能承受的最大物料量時，雖有利于花色苷的保留，但由于機腔被過度填充，內(nèi)部壓力變大，擠出速度加快，單位質(zhì)量的物料在機腔內(nèi)受熱不均，吸收的熱量變少，淀粉糊化不完全，物料中的大分子物質(zhì)不能充分降解，不利于消化吸收[24]。故選擇進料速率在10、15、20 Hz水平下開展進一步的研究。

圖4 進料速率對擠壓膨化紫糙米粉品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of feed speed on quality of extruded purple brown rice flour

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面試驗結果 以綜合評分作為響應值，響應面優(yōu)化擠壓膨化紫糙米粉工藝的試驗結果見表2，采用Design Expert 8.0.6數(shù)據(jù)軟件進行回歸分析，得到的方差分析見表3。

采用Design Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到以綜合評分（Y）為目標函數(shù)的二次多項回歸方程：

Y=89.97-3.07A+0.22B+0.45C+4.45D-1.24AB-0.89AC+2.66AD-0.22BC-0.13BD+0.99CD-2.53A2-1.97 B2-2.10C2-2.89D2

由表3可知，二次回歸模型達到極顯著水平（P＜0.01），模型的決定系數(shù)R2為0.9502，說明該模型能解釋95.02%響應值的變化，校正決定系數(shù)R2adj為0.9005，說明該回歸方程經(jīng)過校正后可以反映90.05%響應值的變化，失擬項P值不顯著，說明該模型擬合程度較好，試驗結果具有良好的準確度與可靠性。變異系數(shù)CV為1.58，說明模型的重現(xiàn)性較好，可用于分析與預測不同加工條件下擠壓膨化紫糙米粉的綜合評分。由回歸模型的F值可知擠壓參數(shù)對綜合評分的影響大小為進料速率＞擠壓溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速＞水分含量。

由表3還可知，綜合評分的回歸模型一次項A、D極顯著（P＜0.01），表明進料速率、擠壓溫度的影響達到極顯著水平（P＜0.01）；平方項中A2、B2、C2、D2極顯著（P＜0.01），說明各因素與綜合評分之間存在明顯的二次關系；交互項AD極顯著（P＜0.01），說明擠壓溫度與進料速率的交互作用對響應值的影響極顯著。

圖5a～圖5f響應面圖可直觀地反映出兩因素交互作用對綜合評分的影響，等高線越密集，曲面越陡峭，兩因素交互作用對響應值的影響越大。由圖5a～圖5f可知，除圖5c外，其他響應面圖的兩因素交互作用的等高線均較為稀疏，因此，只有擠壓溫度與進料溫度對響應值的影響最為顯著，這與表3的結果一致。

2.2.2 驗證實驗 通過Design Expert8.0.6軟件分析得擠壓膨化紫糙米粉最佳工藝參數(shù)為：擠壓溫度146.51 ℃、水分含量18.25%、螺桿轉(zhuǎn)速26.66 Hz、進料速率18.32 Hz，此條件下預測的綜合評分為92.07。考慮機器運轉(zhuǎn)的實際情況，調(diào)整工藝參數(shù)為：擠壓溫度147 ℃、水分含量18%、螺桿轉(zhuǎn)速27 Hz、進料速率18 Hz。在此條件下進行3次平行驗證試驗，制備的樣品WSI為11.32%±0.09%、糊化度為93.15%±1.43%、花色苷含量為（97.38±0.18） mg/100 g，綜合評分為92.43，與理論綜合評分相比，相對誤差為0.39%。說明用該模型優(yōu)化得到的紫糙米擠壓工藝參數(shù)準確可靠，具有實用價值。樣品的WSI、糊化度、花色苷保留率分別是原料粉的3.89倍、3.08倍及74.90%，表明擠壓膨化紫糙米粉具有開發(fā)為即食營養(yǎng)代餐粉的巨大潛力。

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Design and results of Box-Behnken test

表3 綜合評分的回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) of the linear regression equation of comprehensive score

圖5 擠壓操作參數(shù)對綜合評分的影響Fig.5 Effect of extrusion operation parameters on comprehensive scores

2.3 擠壓膨化對紫糙米粉糊化特性的影響

淀粉糊化特性在谷物類食品的深加工利用中具有重要意義。在糊化過程中，最先受到影響的是淀粉顆粒的無定型區(qū)，當溫度超過結晶區(qū)的臨界溫度時，淀粉顆粒會膨脹到初始體積的數(shù)倍，膨脹伴隨著可溶性組分（主要是直鏈淀粉）溶出和三維凝膠網(wǎng)狀結構的形成，這些變化是淀粉懸浮液在加熱和剪切期間表現(xiàn)出不同糊化特性的原因[25]。

由表4可知，紫糙米粉經(jīng)過擠壓膨化處理后，糊化特性的各項指標均顯著降低（P＜0.05），李雅琴[26]在擠壓改性糙米粉時也得出類似的研究結果。峰值黏度是充分吸水膨脹后的淀粉粒相互摩擦而使糊液變稠的結果，擠壓加工破壞了紫糙米粉完整的淀粉粒結構，導致吸水膨脹后相互摩擦力變小，黏度顯著降低。衰減值表示峰值黏度與低谷黏度的差值，它反映了淀粉粒膨脹后的強度與淀粉糊的抗剪切能力，可用于評價淀粉糊的穩(wěn)定性，衰減值越小熱糊穩(wěn)定性越高[27]。回生值是最終黏度與低谷黏度的差值，回生值的高低則體現(xiàn)了淀粉的老化程度，回生值越小老化程度越低，回生值與峰值黏度的比值越小，口感越好[28]。擠壓膨化紫糙米粉的回生值顯著降低可能是由于擠壓加工使淀粉分子發(fā)生降解，減弱了其在回生過程中重新排列締合的能力[29]，淀粉分子不易重新締合結晶，老化程度下降。糊化溫度是檢驗淀粉糊化難易程度的指標，糊化溫度越低，表明淀粉越易糊化，熟化度越高。表4顯示擠壓膨化紫糙米粉的糊化溫度由78.68 ℃降至50 ℃以下，因已超出儀器標準測試程序的最低限而未能檢出，表明擠壓膨化大幅提高了紫糙米粉的熟化度。

表4 擠壓前后紫糙米粉糊化特性對比Table 4 Gelatinization characteristics of purple brown rice flourbefore and after extrusion

上述RVA結果顯示經(jīng)過擠壓加工處理后的紫糙米粉，熱水沖調(diào)后易成糊，冷卻后不易回生，表現(xiàn)出了更好的可食性與穩(wěn)定性。

2.4 擠壓膨化對紫糙米粉淀粉結晶特性的影響

從圖6的X-射線衍射圖譜中可以看出，紫糙米原料粉在2θ為15°、17°、18°、23°附近有較強的衍射峰，其中17°和18°為相連的雙峰，這是典型的A型淀粉晶體結構，這與祝東品[30]在研究青稞粉結晶特性時所得出的結論相一致。經(jīng)過擠壓處理后，紫糙米粉的衍射峰減少，位置發(fā)生了變化，在2θ為13°、20°附近出峰，淀粉晶型由原來的A型變?yōu)閂型。重結晶的20°晶體含量增加，說明擠壓過程中形成了直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物[31]，該復合物會阻礙直鏈淀粉的重排，延緩體系回生現(xiàn)象的發(fā)生[32]。采用MDI Jade 6.0軟件對X-衍射圖譜進行分析，發(fā)現(xiàn)紫糙米粉的結晶度由擠壓前的36.14%降至擠壓后的5.72%，結晶度大幅下降。已有研究表明[33]淀粉的結晶度與支鏈淀粉的含量和分子鏈長有關，可能是由于受到溫度、壓力、剪切的綜合作用，長支鏈淀粉結構遭到較大程度的破壞，支鏈淀粉含量下降，晶體的無定型區(qū)域增加，從而導致擠壓膨化紫米粉結晶度下降。此外，結晶度的下降可能會降低淀粉再糊化時的溫度[34]，即糊化溫度降低，這與表4測定結果吻合。

圖6 擠壓前后紫糙米粉的X衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of purple brown rice flour before and after extrusion

2.5 擠壓膨化對紫糙米粉組織微觀結構的影響

圖7所示為擠壓前后紫糙米粉的掃描電鏡圖，從圖7A和圖7B可以看出，未經(jīng)擠壓處理的紫糙米粉表面粗糙但較為規(guī)則，無明顯孔洞，彼此之間結合緊密。而經(jīng)過擠壓處理后，紫糙米粉原有的完整組織形態(tài)發(fā)生了變化，表面變得較為光滑，出現(xiàn)了許多大小不一且分布不均的孔狀結構，有不同層次的褶皺與裂痕，同時還存在少許不規(guī)則片狀顆粒。這可能是因為紫糙米粉原料在高溫高壓、高剪切力的加工條件下，淀粉顆粒被破壞，物料由固態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，當從模口處擠出驟然釋放到常壓狀態(tài)時，強大壓差使水分迅速汽化，體積快速膨脹變大，物料組織因受到強大的爆破伸張作用而形成了疏松多孔的海綿體[35]。該結構更有利于水分進入組織內(nèi)部，使產(chǎn)品具有良好的復水性與水溶性。

3 結論

圖7 擠壓前后紫糙米粉的掃描電鏡圖（5000×）Fig.7 SEM image of purple brown rice flour before and after extrusion (5000×)

在單因素實驗的基礎上，通過響應面實驗分析，確定了擠壓膨化紫糙米粉的最佳制備工藝參數(shù)為擠壓溫度147 ℃，水分含量18%，螺桿轉(zhuǎn)速27 Hz，進料速率18 Hz，此條件下制備的樣品綜合評分為92.43。與紫糙米原料粉相比，經(jīng)過擠壓處理后的紫糙米粉幾乎失去了原有組織的完整形態(tài)，內(nèi)部結構變得疏松多孔，增強了水化特性；淀粉結晶度下降，糊化黏度參數(shù)顯著降低（P＜0.05），熱糊穩(wěn)定性和抗老化性得到改善。這一擠壓工藝的提出，為開發(fā)花色苷保持率高且具有良好溶解性與熟化度的即食紫糙米代餐粉產(chǎn)品提供了技術參考。