不同添加劑對雙螺桿擠壓紫甘薯米粉品質改良效果及其消化特性研究

范會平,高凱,艾志錄*,司藝蕾,侯冰潔,張波波

1(河南農業大學 食品科學技術學院,河南 鄭州,450002) 2(農業農村部大宗糧食加工重點實驗室,河南 鄭州,450002)

紫甘薯營養價值高,除富含淀粉、蛋白質、維生素、氨基酸和礦物質等多種營養成分外,還富含纖維素,有助于加快消化道蠕動和預防癌癥的發生；此外,其富含的花青素類色素和硒元素具有抗癌、抗氧化性、抗衰老、抗突變和降血壓等生物學功效[1]。紫甘薯全粉作為紫甘薯精加工后的產物,不僅保留了紫甘薯除皮之外的所有營養物質及其色澤和風味,且具有良好的加工特性,是一種應用廣泛的食品原輔料[2]。

米粉作為主食,在我國的南方消費者中占有重要的地位[3]。隨著我國經濟的發展,人民的飲食也開始向營養健康的方向轉變。甘薯主食化既有利于甘薯營養的充分有效利用,也有利于居民膳食結構由解決溫飽向營養健康的方向轉變,同時還開辟了保障國家糧食安全的新途徑。在大米粉中添加紫甘薯全粉能夠在一定程度上解決米粉營養結構單一的問題,對改善居民的膳食結構具有重要的意義。

然而,將紫甘薯全粉添加到大米粉中,得到的紫甘薯米粉存在易糊湯、韌性差和表面不夠光滑等問題,導致其加工品質和食用品質相對較差。XIE等[3]研究發現,魔芋膠可以防止米粉的老化,且能延長米粉的貨架期；衛萍等[4]研究發現,魔芋膠可以提高馬鈴薯米粉的硬度和拉伸性能、降低蒸煮損失率；SRIKAEO 等[5]研究發現,瓜爾豆膠可以改善天然發酵米粉的質地和蒸煮品質;陳潔等[6]研究發現,磷酸鹽不僅可以降低米粉的蒸煮損失率,還可以增強米粉筋力和彈性。

本研究以紫甘薯全粉和大米粉為原料,利用雙螺桿擠壓工藝加工紫甘薯米粉,考察不同工藝參數對其品質的影響；同時選取了魔芋膠、瓜爾豆膠和Na2HPO4這3種食品改良劑對其品質進行改良,以期解決紫甘薯米粉易糊湯、韌性差和表面不光滑的問題。并分別利用二次回歸正交旋轉組合和響應曲面設計對其加工工藝參數進行優化,以期為紫甘薯米粉的工業化生產提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

紫甘薯全粉,河南天豫薯業股份有限公司；瑞田精制水磨粘米粉,河南黃國糧業股份有限公司。

1.2 儀器與設備

DS32雙螺桿擠壓機,濟南賽信機械有限公司；B5A變頻調速攪拌機,廣州威爾寶酒店設備有限公司；DHG—9245A鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司；TA-XT plus質構儀,英國Stable Micro System公司；FA3204B電子天平,北京科瑞科學器材有限責任公司；XY-100MS全自動智能水分測定儀,常熟市幸運電子設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紫甘薯米粉的制作

稱取一定質量的紫甘薯-大米混合粉,加入一定比例的食品改良劑在攪拌機中攪拌混勻,加入定量的水并以一定的轉速攪拌20 min,將調好水分的混合粉放入自封袋平衡水分12 h,在雙螺桿擠壓機內進行糊化、擠壓成型制得紫甘薯米粉。

1.3.2 紫甘薯米粉工藝優化及品質改良

1.3.2.1 紫甘薯米粉雙螺桿擠壓制備工藝優化

設定雙螺桿擠壓機Ⅰ區溫度為40 ℃,Ⅱ區溫度為70 ℃,分別改變紫甘薯全粉的添加量、螺桿轉速III區溫度和物料含水量(物料自身水分和加水量之和),以考察對紫甘薯米粉品質的影響,具體方案如下：固定紫甘薯全粉的添加量(質量分數，下同)為35%,螺桿轉速170 r/min,物料含水量40%,分別設定Ⅲ區溫度為80、85、90、95和100 ℃；固定Ⅲ區溫度為95 ℃,紫甘薯全粉的添加量35%,物料含水量40%,分別設定螺桿轉速為110、130、150、170和190 r/min；固定Ⅲ區溫度為95 ℃,螺桿轉速170 r/min,物料含水量40%,分別設定紫甘薯全粉的添加量為25%、30%、35%、40%和45%；固定Ⅲ區溫度為95 ℃,螺桿轉速170 r/min,紫甘薯全粉的添加量35%,分別設定物料含水量為32%、34%、36%、38%和40%。

選取Ⅲ區溫度、螺桿轉速、紫甘薯全粉添加量和物料含水量為自變量,以蒸煮損失率和感官評分為評價指標進行二次回歸正交旋轉組合試驗,對紫甘薯米粉雙螺桿擠壓制備工藝進行優化。

1.3.2.2 紫甘薯米粉品質改良

采用1.3.2.1中優化的雙螺桿擠壓工藝,選定魔芋膠、瓜爾豆膠和Na2HPO4為改良劑,對紫甘薯米粉品質進行改良,具體方案如下：固定瓜爾豆膠的添加量為0.4%,Na2HPO4的添加量0.4%,設定魔芋膠的添加量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%；固定魔芋膠添加量為0.3%,Na2HPO4添加量0.4%,設定瓜爾豆膠添加量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%；固定設定魔芋膠添加量為0.3%,瓜爾豆膠的添加量0.4%,設定Na2HPO4添加量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。

選定魔芋膠添加量、瓜爾豆膠添加量和Na2HPO4添加量為主要變量,以感官評分和蒸煮損失率為響應值,利用Box-Behnken進行響應面優化,得到紫甘薯米粉品質改良的最優方案。

1.3.3 紫甘薯米粉品質評價方法

蒸煮損失率參照陳志瑜等[7]的方法進行測定；感官評價方法參照高曉旭等[8]的方法進行分析；總淀粉含量按酸水解法測定；抗性淀粉含量的測定參考馬雨潔等[9]的方法并加以改進；血糖生成指數(glycemic index,GI)的測定參考文獻[10-11]的方法略做修改;質構特性采用孟亞萍[12]的方法進行分析。

1.4 數據處理

實驗數據采用 Excel 2016、SPSS 16.0 以及 Design-Expert V.8.0.6 軟件進行處理并分析。

2 結果與分析

2.1 工藝參數變化對紫甘薯米粉品質的影響

雙螺桿擠壓機螺桿轉速、紫甘薯全粉添加比例、III區溫度及物料含水量對紫甘薯米粉品質影響結果如表1所示。在Ⅲ區溫度從80 ℃上升到95 ℃,蒸煮損失率逐漸下降,感官評分、硬度和咀嚼性逐漸增加；而當Ⅲ區溫度從95 ℃上升到100 ℃時,蒸煮損失率反而上升,感官評分、硬度和咀嚼性下降；在95 ℃時,蒸煮損失率最小,感官評分、硬度和咀嚼性則達到最高值。雙螺桿擠壓機擠壓產品在揉和區螺桿的剪切、攪拌和混合作用下,部分淀粉會發生糊化。隨著Ⅲ區溫度的進一步升高,紫甘薯米粉發生膨化,在一定程度上破壞了淀粉顆粒的內部結構,使淀粉分子更易溶于水中,紫甘薯米粉的凝膠特性也開始減弱[12]。在Ⅲ區溫度增加和熟化區壓力的共同作用下,原料中的淀粉進一步糊化,蛋白質變性程度增大,整個物料形成了熔融的非晶體化質地,進而使產品的最終品質發生變化。

表1 工藝參數對紫甘薯米粉品質的影響Table 1 Effect of technological parameter on the quality of purple sweet potato rice noodles

隨著螺桿轉速增加,紫甘薯米粉的蒸煮損失率先下降后上升,而感官評分、硬度和咀嚼性先上升后下降,在螺桿轉速為170 r/min時,蒸煮損失率最低,感官評分最高,咀嚼性達到最大。這可能是由于隨著螺桿轉速的增加,原料在擠壓機內部摩擦力增強,受到的剪切作用力也會增大,產品中淀粉的糊化程度越高,擠壓出的紫甘薯米粉內部越易形成網絡結構。但當螺桿轉速過高時,紫甘薯米粉受到的摩擦力和剪切作用過大,反而會使其內部網絡結構遭到破壞[13],并且原料在機筒內停留時間過短導致原料無法完全糊化,最終使其凝膠品質變差[14]。

隨著紫甘薯全粉添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮損失率不斷升高,硬度、彈性和咀嚼性則逐漸下降,而感官評分先上升后下降,在添加量為35%時達到最高值。米粉的硬度和咀嚼性與直鏈淀粉的含量有關,直鏈淀粉含量越高,淀粉分子間的交聯程度就越高,硬度和咀嚼性就越大[15]。紫甘薯全粉添加量的增加使物料中的總淀粉含量和直鏈淀粉相對含量下降,直鏈淀粉含量的降低會減弱分子間的交聯程度[16],導致紫甘薯米粉的網絡結構不夠致密,部分物質在蒸煮過程中脫落到面湯中,因此蒸煮損失率逐漸上升,硬度和咀嚼性逐漸下降。

紫甘薯米粉的蒸煮損失率隨著物料含水量的增加先下降后上升,在物料含水量為38%時蒸煮損失率最小；而感官評分則先升高后下降,在物料含水量為38%時達到最高。硬度和咀嚼性呈先上升后下降的趨勢,在物料含水量為36%時達到最大。當物料含水量較低時,在擠壓過程中紫甘薯米粉不能完全、均勻的糊化,煮后易糊湯；隨著物料含水量的增加,糊化更加充分,內部結構更加致密,從而使得表面更加光滑且更有嚼勁；但當物料含水量過高時,反而會減少螺桿與原料、原料與原料、原料與筒壁之間的摩擦,產生的熱量也隨之減少,導致紫甘薯米粉的糊化度降低,內部結構也不夠致密[17],因此蒸煮損失率反而上升。

2.2 紫甘薯米粉生產工藝優化

選取Ⅲ區溫度、螺桿轉速、紫甘薯全粉添加量和物料含水量為自變量,以蒸煮損失率和感官評分為響應值,采用二次回歸旋轉正交試驗來優化紫甘薯米粉生產工藝。

由于感官評分和蒸煮損失率的變化趨勢不一致,為了更好地綜合評價面條品質,利用線性功效系數法將感官評分和蒸煮損失率指標函數統一量綱,對蒸煮損失率和感官評分的分配權重系數為0.3和0.7,實驗設計方案及結果見表2。

表2 二次回歸旋轉正交實驗及實驗結果Table 2 Quadratic regression rotation orthogonal experiment design and results

以綜合評分為響應值,并對回歸系數進行顯著性檢驗,剔除掉在α= 0.01水平上的不顯著項,得到優化后的方程為：

由表3可知,F2=50.832 22>F1=2.104 61,在α=0.01水平上F2極顯著,失擬項F1不顯著,這表明模型預測值與實驗數據是吻合的。優化后的工藝參數為：Ⅲ區溫度為95 ℃,螺桿轉速170 r/min,紫甘薯全粉添加量35%,物料含水量38%。驗證試驗結果表明,最優工藝制備的紫甘薯米粉的蒸煮損失率為17.56%,感官評分為84.5,說明在該工藝條件下生產的紫甘薯米粉的品質較好。

表3 紫甘薯米粉綜合評分分析結果Table 3 Results of comprehensive scoring analysis of purple sweet potato rice noodles

2.3 食品改良劑對紫甘薯米粉品質改良優化研究

由上述雙螺桿擠壓工藝制備的紫甘薯米粉,盡管其營養價值更加均衡,品質較好,但和傳統的米粉相比，在蒸煮品質、口感和韌性等方面仍有一定的差距,為進一步提高其加工和食用品質,本研究通過添加適量的食品改良劑,使其更加適應消費者的要求。

2.3.1 改良劑對紫甘薯米粉品質的影響

魔芋膠、瓜爾豆膠和Na2HPO4等改良劑的添加量對紫甘薯米粉的品質改良效果如表4所示。紫甘薯米粉的蒸煮損失率隨著魔芋膠添加量的增加先下降而后上升,在添加量為0.3%時最低；感官評分、硬度和咀嚼性則先上升后下降,均在添加量為0.3%時最高。魔芋膠含大量魔芋葡甘聚糖,具較強水和能力、良好凝膠性和成膜性[18]。添加魔芋膠后其膠凝性得到改善,同時魔芋膠良好的成膜性減少了紫甘薯米粉中裸露淀粉向面湯中的溶入量,蒸煮損失率在魔芋膠添加量為0.1%～0.3%時逐漸下降,而硬度和咀嚼性則呈上升趨勢。但由于魔芋膠是一種假塑性流體,當魔芋膠添加過量時,會降低紫甘薯米粉的吸水能力,從而影響其內部結構[4],因此隨著魔芋膠添加量的進一步增加,蒸煮損失率反而上升,硬度和咀嚼性下降。

表4 改良劑添加量對紫甘薯米粉品質的影響Table 4 Effect of food improver on the quality of purple sweet potato rice noodles

隨著瓜爾豆膠添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮損失率先下降后上升,在添加量為0.4%時最低；感官評分、硬度和咀嚼性則先升高后降低,感官評分在添加量為0.4%時最高,硬度和咀嚼性在添加量為0.6%時最大。這可能是因為瓜爾豆膠具有良好的成膜性,且溶解后體積龐大,能夠限制淀粉顆粒的自由移動,防止蒸煮中營養成分流失[19]；同時,瓜爾豆膠具有很高的吸水性和持水能力,在擠壓加工過程中,瓜爾豆膠能夠在水中均勻分布直至完全溶解,與水分子結合能夠使紫甘薯米粉糊化更加完全,所以其硬度和咀嚼性不斷上升[20]。但同時,瓜爾豆膠又是一種假塑性流體,當添加過量時會阻礙水分和淀粉的結合,導致紫甘薯米粉的糊化度降低,故其蒸煮損失率隨著瓜爾豆膠添加量的進一步增加反而上升,硬度和咀嚼性呈下降趨勢。

隨著Na2HPO4添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮損失率先下降后上升,在添加量為0.8%時蒸煮損失率最低；感官評分先上升后下降,在添加量為0.8%時感官評分達到最高；硬度和咀嚼性則一直呈上升趨勢。原因可能是淀粉能和磷酸鹽發生酯化反應及架橋結合形成復合體,增強與蛋白質間的結合力,使其溶出減少,蒸煮損失率降低[21]；磷酸鹽還可以使淀粉與蛋白質間的結合力增強[22],減少溶出物。此外,金屬離子能和磷酸鹽形成復合鹽,產生架橋作用從而延長支鏈淀粉的碳鏈,使淀粉分子間的交聯作用增強從而提高其嚼勁[9]。在添加量>0.8%后,蒸煮損失率上升,這可能是因為當Na2HPO4添加過量時,會阻礙水分進入紫甘薯米粉中,使其網絡凝膠結構不緊密[23],導致蒸煮損失率上升。

2.3.2 改良劑復配優化研究

利用Box-Behnken響應面優化方法設計響應面實驗方案,實驗結果見表5。同樣以分配權重系數為 0.3和0.7對蒸煮損失率和感官評分進行加權分配,最終得出3種食品改良劑的最優配比為：魔芋膠添加量0.30%,瓜爾豆膠的添加量0.45%和Na2HPO4的添加量0.81%。驗證試驗結果表明,改良劑最優配比下制備的紫甘薯米粉的蒸煮損失率為10.35%,感官評分為90.3,品質優良。

表5 Box-Behnken 實驗設計與結果Table 5 Box-Behnken experimental design and results

2.4 紫甘薯米粉消化特性

2.4.1 紫甘薯米粉的抗性淀粉含量和GI值

抗性淀粉是一種對人體健康有益的功能性膳食纖維,它不能被人體消化吸收,但它可以在人體中被發酵產生短鏈脂肪酸,平衡腸道的菌群結構[24]；抗性淀粉還可以增加人的飽腹感,從而達到減肥的效果[25]。GI反映食物中碳水化合物轉變為葡萄糖的速度和能力[26],能夠確切地反映食物攝入一段時間后人體血糖的波動狀態。由表6可知,紫甘薯米粉的抗性淀粉含量高于撈米粉,說明長期食用紫甘薯米粉對調節血糖、預防結腸癌有重要作用[26]。依據GI值對紫甘薯米粉和撈米粉進行劃分,紫甘薯米粉和撈米粉均屬于中等GI值食品。

表6 紫甘薯米粉和撈米粉的抗性淀粉含量和GI值Table 6 Resistant starch content and GI of purple sweet potato rice noodles and rice noodles

2.4.2 紫甘薯米粉和撈米粉的消化特性

圖1為紫甘薯米粉、撈米粉(以白面包為參照)的總淀粉消化率。紫甘薯米粉、撈米粉的總淀粉消化率在前30 min內增長較快,之后則呈現出緩慢增長的趨勢；而參照物白面包的總淀粉消化率在前60 min內增長較快,之后增長比較緩慢。在整個體外模擬淀粉消化的3 h內,紫甘薯米粉的總淀粉消化率高于撈米粉,原因可能是紫甘薯米粉是在雙螺桿擠壓機經高溫糊化而成的,高溫會使淀粉顆粒在糊化的過程中晶體結構受到破壞,這使得紫甘薯米粉對消化酶的敏感性增加,更容易被水解成葡萄糖[27]。

圖1 紫甘薯米粉、撈米粉的總淀粉消化率Fig.1 Total starch digestibility of purple sweet potato rice noodles and rice noodles

3 結論

以蒸煮損失率和感官評分為響應值,采用二次回歸旋轉正交優化紫甘薯米粉的加工工藝條件,得到紫甘薯米粉生產的工藝參數：Ⅲ區溫度95 ℃,螺桿轉速170 r/min,紫甘薯全粉添加量35%,物料含水量38%。該工藝制備的紫甘薯米粉的蒸煮損失率為17.56%,感官評分為84.5。響應面優化試驗結果表明,對感官評分和蒸煮損失率利用線性功效系數法進行分析并加權處理得到3種添加劑的最適添加量為魔芋膠0.30%,瓜爾豆膠0.45%和Na2HPO4的0.80%。在此條件下生產出來的紫甘薯米粉的蒸煮損失率為10.35%,感官評分為90.3。紫甘薯米粉的抗淀粉含量、GI值和總淀粉消化率均高于撈米粉。