用物理參數表征擠壓膨化后藜麥糊化度的探索研究

趙嘉祺，周學永，李 鵬，楊紅澎，高建強，付榮霞

(山西師范大學生命科學學院1，太原 030000) (天津農學院食品科學與生物工程學院2，天津 300384) (天津農學院農學與資源環境學院3，天津 300384) (山西億隆藜麥開發股份有限公司4，忻州 034000)

藜麥作為一種新型谷物不僅營養價值高，且含有多種生物活性成分[1]，研究藜麥的深加工技術對我國藜麥產業的發展具有重要意義。擠壓膨化技術集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、膨化及成型為一體，能夠實現一系列連續單元操作，已被廣泛應用于食品生產[2]。膨化產品的膨化狀態形成主要是靠原料中的淀粉完成的[3]，在擠壓膨化過程中由于高溫高壓的作用，淀粉分子之間的氫鍵被破壞，結晶度降低；同時螺桿的高速轉動使物料受到較強的機械剪切力作用，促使淀粉發生糊化和降解[4]。分子之間相互結合交聯形成網狀結構，通過擠出、膨脹、降溫、成型后，形成性能獨特的膨化產品[3]。

為研發藜麥速食產品，藜麥擠壓膨化逐漸受到了重視[5]。為了順利完成谷物的擠壓膨化，必須對藜麥擠壓膨化的程度進行表征，常用的表征指標主要有糊化度[6,7]和膨化度[8,9]兩種。目前，關于藜麥擠壓膨化各指標之間的相關性研究較少，其他谷物擠壓膨化指標相關性研究多集中于各物理參數之間[10,11]，與糊化度的相關性研究也較少。糊化度的測定方法主要包括傳統的碘呈色法、酶解法以及新型的差示掃描量熱分析法、快速黏度分析儀法、近紅外光譜分析法等[12,13]。傳統方法需要大量的試劑，耗時長，不利于生產時的即時性測定；新型儀器分析方法雖然有用樣量少、測定時間短的特點，但是對儀器性能的要求較高，一般都需要進行參數矯正和預測，前期準備工作較復雜。

由于糊化度的測定費時、繁瑣且成本高，膨化度這一物理指標開始被眾多研究者采用[8,9]。然而，膨化度與糊化度之間的相關關系并沒有被相關實驗所證實。本研究在前期探索中發現，在藜麥擠壓膨化后的膨化度與糊化度之間沒有顯著相關性，本研究采用3因素3水平正交實驗法對藜麥進行擠壓膨化加工，共得到9個批次的產品，通過探索糊化度與膨化度、密度、水溶指數、吸水指數、色差和沉降率等物理參數之間的相關性，尋找新的可替代性的物理參數來表征藜麥的糊化程度，旨在為擠壓膨化后藜麥的品質評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥；碘、碘化鉀、氫氧化鉀、鹽酸：分析純。

1.2 儀器與設備

DSE30-Ⅱ型雙螺桿實驗機，FS1000-1型高速粉碎機，CM-5型臺式高精度分光測色儀，UV1800PC型紫外可見分光光度計，217-064型游標卡尺。

1.3 方法

1.3.1 技術路線

藜麥籽粒→粉碎→過篩(60目)→調節含水量(原藜麥的含水量為8%)→擠壓膨化→冷卻→密封冷藏→測定糊化度及物理參數。

1.3.2 正交實驗設計

在預實驗基礎上，通過單因素實驗，選定藜麥擠壓膨化正交實驗的加水量為10%～18%，設置擠壓膨化前三區的溫度分別為50、80、120 ℃，改變第四區溫度，選定為120～160 ℃，選定螺桿轉速為30～50 Hz。本研究通過3因素3水平正交實驗對藜麥擠壓膨化糊化度與各物理指標之間的相關性進行探索，因素和水平見表1，正交實驗設計見表2。

表1 L9(33)正交實驗的因素和水平

表2 L9(33)正交實驗設計

1.3.3 糊化度的測定

參照Birch等[14]的方法略加改動，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，稱取0.2 g樣品粉末于98 mL蒸餾水中，加入10 mol/L的KOH溶液2 mL，在磁力攪拌器上攪拌5 min，將懸濁液以4 000 r/min離心10 min，取1 mL上清液，加入0.5 mol/L鹽酸0.4 mL，加蒸餾水至10 mL，最后加入0.1 mL碘液(1 g 碘和4 g碘化鉀溶于100 mL蒸餾水中)，混合均勻，于600 nm處測吸光度A1。將蒸餾水和氫氧化鉀溶液體積替換為95 mL和5 mL，鹽酸體積替換為1 mL，其余步驟相同，測得吸光度A2，糊化度按式(1)計算。

(1)

1.3.4 膨化度的測定

參考Ding等[15]的方法，隨機取擠壓膨化后的藜麥條10段，用數顯游標卡尺測橫截面的直徑d，10次測量結果取平均值，膨化度按式(2)計算。

(2)

式中:d為膨化藜麥條橫截面的直徑/mm；D為擠壓機模口直徑/3.00 mm。

1.3.5 密度的測定

參考劉艷香[16]的方法略加改動，用石英砂置換的方法測定擠壓膨化藜麥的密度，取一定質量的擠壓膨化藜麥條，放入量筒中，將石英砂緩慢倒入量筒并完全淹沒樣品，直至達到量筒最大刻度線，測量石英砂的體積，重復測量3次，每個樣品隨機取樣3次，密度按式(3)計算。

(3)

式中:m為擠壓膨化藜麥條的質量/g；v0為量筒體積/100 mL；v為石英砂體積/mL。

1.3.6 色差的測定

參考金鐵等[17]的方法，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，利用臺式分光測色儀對擠壓膨化藜麥粉的L*值(明度值)、a*值(紅-綠值)、b*值(黃-藍值)及膨化前藜麥粉的L0、a0、b0進行測定，按式(4)計算ΔE*(色差)，每個樣品重復測量3次。

(4)

1.3.7 吸水性指數與水溶性指數的測定

參考裴斐等[18]的方法，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，取2 g樣品粉末，質量記為m0，倒入50 mL已知質量m1的離心管中，加入20 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，使樣品粉末均勻分散為懸濁液，將懸濁液于30 ℃水浴中保溫30 min，每隔10 min振蕩1 min，水浴后4 000 r/min離心15 min，離心后將上清液倒入已知質量m2的培養皿中，放入105 ℃烘箱烘干至恒重m3，并稱量離心管和沉淀的質量m4，水溶性指數(water soluble index，WSI)和吸水性指數(water absorption index，WAI)按式(5)和式(6)計算。

(5)

(6)

1.3.8 沉降性的測定

參考劉靄莎等[9]的方法略加改進，取膨化前后的藜麥粉碎后過60目篩，分別稱取1 g樣品粉末于25 mL具塞試管中，分別加入20 mL蒸餾水劇烈振蕩1 min，靜置30 min，觀察分層情況及界面下降高度，根據式(7)計算沉降率。

(7)

式中：h為上層液高度/mL；H為液體總高度/mL。

1.4 數據處理

每次實驗重復3次，結果均以“平均值±標準差”表示。用SPSS 19.0對數據進行方差分析(顯著性水平設置為0.05)，用Duncan檢驗進行多重比較分析差異顯著性。用Microsoft Office Excel 2019進行數據整理和作圖，計算相關系數。

2 結果與討論

2.1 擠壓膨化后藜麥糊化度及各物理參數的正交實驗結果及方差分析

2.1.1 正交實驗結果

進行正交實驗,藜麥經擠壓膨化處理的糊化度、膨化度、密度、水溶性指數、吸水指數、色差、沉降率的結果見表3。

表3 正交實驗結果

2.1.2 方差分析

由表4可知，擠壓膨化3個因素對藜麥糊化度影響的順序為：第四區溫度>加水量>螺桿轉速，且加水量和第四區溫度對糊化度有顯著影響(P<0.05)，螺桿轉速對糊化度影響不顯著(P>0.05)。擠壓膨化3個因素對藜麥膨化度影響的順序為：第四區溫度>螺桿轉速>加水量，且第四區溫度和螺桿轉速對膨化度有顯著影響(P<0.05)，加水量對膨化度影響不顯著(P>0.05)；擠壓膨化3個因素對藜麥沉降率影響的順序為：第四區溫度>螺桿轉速>加水量，且第四區溫度對沉降率有顯著影響(P<0.05)，但加水量和螺桿轉速對沉降率影響不顯著(P>0.05)；擠壓膨化3個因素對密度、水溶性指數、吸水性指數、色差的影響均不顯著(P>0.05)。

表4 方差分析表

2.2 擠壓膨化后藜麥的糊化度與各物理參數的相關性分析

根據線性相關系數r的臨界值表[19]，自由度為7時，當α=0.05，r=0.666 4；當α=0.01，r=0.797 7。表5是以藜麥擠壓膨化后的糊化度為橫坐標，分別以各物理參數為縱坐標，繪制散點圖得到的相關方程與相關系數。

表5 藜麥擠壓膨化糊化度與各物理參數的相關方程與相關系數

2.2.1 糊化度與膨化度的相關性

由表5可知，糊化度與膨化度的相關系數為r=0.403 2<0.666 4，即糊化度與膨化度之間無顯著相關性(P>0.05)。通過正交實驗結果可知，藜麥糊化度和膨化度均受溫度的顯著影響(P<0.05)，而螺桿轉速對膨化度有顯著影響(P<0.05)而對糊化度沒有顯著影響(P>0.05)。對于谷物糊化而言，溫度和水分是必需因素[20,21]，因為淀粉只有在加熱條件下吸水膨脹才能形成淀粉糊。雖然藜麥的糊化溫度只有70 ℃左右[22]，但適當提高溫度可以加快分子運動速率，加快糊化進程。螺桿轉速的高低影響物料在擠壓膨化機內的內停留時間，轉速慢則物料停留時間延長，機腔壓力增大[23]。在本研究中140～180 ℃高溫條件下，只要水分合適，藜麥就能迅速完成糊化，因此螺桿轉速對糊化度影響不大。

然而對于膨化度而言，直接的影響因素是物料的均勻液化和強大的壓差[24]，當水分和溫度能夠保障藜麥實現均勻液化的前提，壓差就成了物料被膨化成結構疏松、多孔酥脆產品的關鍵因素。由于螺桿轉速影響物料在擠壓膨化機內的內停留時間，進而影響到物料的溫度和壓力，一般呈現出螺桿轉速增大、膨化度降低，螺桿轉速減小、膨化度增大的規律[24]。

由于擠壓膨化工藝參數對糊化度與膨化度的影響趨勢不盡相同，導致二者之間不一定存在相關性。此外，淀粉在糊化過程中所發生的成分轉化，也可能成為糊化度與膨化度之間缺乏相關性的一個因素。有報道認為，淀粉在糊化過程中由于切斷了淀粉中的α-1,6糖苷鍵，導致部分支鏈淀粉轉化為直鏈淀粉[20]，使直鏈淀粉含量提高[25]。前期研究認為，支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例影響谷物的膨化性能[26]，支鏈淀粉含量增高，有利于提高產品的膨化度；而直鏈淀粉含量增高，則會降低產品的膨化度。由于谷物糊化導致的直鏈淀粉升高有可能影響到膨化性能，因此，糊化與膨化之間也可能會出現不協調現象。

2.2.2 糊化度與密度的相關性

由表5可知，糊化度與密度的相關系數為r=0.082 5<0.666 4，即糊化度與密度之間無顯著相關性(P>0.05)。這是因為密度的大小由擠壓膨化產品的含水量以及體積共同決定。實驗結果表明，加水量對密度的影響遠大于溫度和螺桿轉速(表4)，這就意味著物料的含水量較高，擠出物的含水量也高，密度也較大。杜雙奎[11]在研究擠壓膨化對玉米膨化特性的影響中也發現，擠壓膨化后產品的含水量與密度有顯著相關性(P<0.05)，且膨化前物料的含水量對產品的密度有極顯著影響(P<0.01)。

而糊化度同時受加水量和第四區溫度的顯著影響(P<0.05)，當加水量低時(10%)，產品糊化度和密度均較小；當加水量提高到14%時，產品平均糊化度由81.44%提高到86.47%，產品平均密度由0.11 g/mL提高到0.32 g/mL，糊化度與密度呈同步增加的趨勢；當加水量提高到18%時，由于物料含水量已經超過淀粉糊化所需要的含水量，產品平均糊化度基本保持不變(86.48%)，而產品平均密度則繼續提高到0.42 g/mL(圖1)。通過分析可知，當含水量不足時，糊化度與密度的變化趨勢具有一定的一致性；而當物料含水量達到淀粉糊化所需要的水量時，二者之間的一致性就會被打破，導致糊化度與密度之間的相關性不再顯著(P>0.05)。

圖1 加水量對糊化度和密度的影響

2.2.3 糊化度與水溶性指數和吸水性指數的相關性

由表5可知，糊化度與水溶性指數的相關系數為0.666 4

2.2.4 糊化度與色差的相關性

由表5可知，糊化度與色差的相關性系數為r=0.540 8<0.666 4，即糊化度與色差之間無顯著相關性(P>0.05)。在擠壓膨化過程中，由于高溫高壓的作用，物料中的淀粉會發生糊化，從而使整個擠出物的顏色變為黃褐色[33]。但研究發現物料在擠壓過程中會發生美拉德反應和焦糖化反應，也會導致產品色澤發生改變[33，34]，如高溫會導致物料發生焦糊結成硬塊，內部的淀粉無法吸水受熱糊化，糊化度就會降低[7]，但物料的顏色會變深。而且由于物料加水量的不同會導致擠出物的含水量不同，這也會對色澤產生一定影響[11]，因此，藜麥擠壓膨化后的色澤不僅與淀粉糊化相關，是多種因素共同作用的結果。

2.2.5 糊化度與沉降率的相關性

由表5可知，糊化度與沉降率的相關性系數為r=0.892 0>0.797 7，即糊化度與沉降率之間呈極顯著負相關(P<0.01)。沉降率可反映懸濁液的穩定性，由于經擠壓膨化后，物料中的淀粉、蛋白質等大分子被破壞，發生降解后生成許多小分子，分散懸浮在水中不容易發生沉降[35]。淀粉糊化吸水溶脹，分子結構舒展，受外圍的支鏈淀粉的束縛減弱，內部的直鏈淀粉被釋放，使懸浮液的黏度增大，穩定性升高[36，37]。而且擠壓膨化后的物料形成疏松多孔的結構，吸水后占據更大位置，沉降率降低[9]。綜上，淀粉的糊化和降解是導致加壓膨化后產品粉末懸濁液穩定性升高的主要原因，因此，糊化度和沉降率會呈現極顯著負相關(P<0.01)。

2.3 驗證實驗

糊化度與沉降率之間存在極顯著負相關(P<0.01)，糊化度與水溶性指數和吸水性指數之間均存在顯著正相關(P<0.05)。為驗證該實驗結果的可靠性，設定不同于正交實驗的實驗組，隨機挑選膨化效果較好的3組進行糊化度與沉降率、水溶性指數和吸水性指數的驗證實驗，具體實驗結果如表6～表8所示。不同工藝參數下擠壓膨化藜麥粉的糊化度與沉降率、水溶性指數和吸水性指數的關系與正交實驗的相關性分析一致，實測糊化度與預測糊化度相對偏差較小，沉降率對糊化度的預測相對偏差小于2%，水溶性指數對糊化度的預測相對偏差小于4%，吸水性指數對糊化度的預測相對偏差小于6%。

表6 沉降率表征糊化度的驗證實驗結果

表7 水溶性指數表征糊化度的驗證實驗結果

表8 吸水性指數表征糊化度的驗證實驗結果

3 結論

藜麥經擠壓膨化后淀粉發生糊化，粉末的水溶性、吸水性及沉降性得到改善，沖調性能提升，可用來加工各種藜麥粉糊類沖泡產品。本研究通過正交實驗對擠壓膨化后藜麥的糊化度和各物理參數進行測定，分析糊化度與各物理指標之間的相關性，發現糊化度與水溶性指數和吸水性指數之間均存在顯著正相關(P<0.05)，糊化度與沉降率之間存在極顯著負相關(P<0.01)，并通過驗證實驗驗證了這一結果的可靠性。因此，在實際生產中，吸水性指數、水溶性指數和沉降率可作為簡單的物理參數來表征藜麥擠壓膨化后的糊化度，與化學法相比具有簡便快捷的特點。