玉米基料復合雜豆營養粉配方優化

李鳳林，隋德宏，彭鈺博，高榕徽，劉靜雪

(1.吉林農業科技學院 食品工程學院，吉林 吉林 132101；2.攀西特色作物研究與利用四川省重點實驗室，四川 西昌 615000；3.阿德萊德大學 商學院，南澳省 阿德萊德 5000)

谷類是人類主要的能量、蛋白質、B族維生素和礦物質來源。谷類中具有豐富的膳食纖維，膳食纖維具有重要的生理功能，如增加飽腹感、降低膽固醇、預防膽結石、預防糖尿病、改變腸道菌群、促進排便等[1-2]。玉米中的膳食纖維主要由纖維素和半纖維素組成，具有降血脂、降血糖、降血壓的作用[2]。適量攝入玉米粉可以調節膳食結構，起到增加營養、改善身體消化機能的作用[3-4]。

豆類含有優質的蛋白質、豐富的脂肪。經常食用豆類可以預防糖尿病、肥胖、便秘、心血管疾病及其他多種疾病[5-6]。黑豆中完全蛋白含量為43.6%，黑豆的總氨基酸含量高達36%，其中必需氨基酸為13%，黑豆中總脂肪酸含量17.6%；黑豆可以加速固醇類的分解，防止體內膽固醇的堆積；黑豆中總酚含量是黃豆的7.5～11.4倍，總花色苷含量是黃豆的42.5～57.8倍，黑豆的抗氧化能力比黃豆高43.8～56.0倍[7-8]。綠豆中鉀元素含量為787 mg/100 g，具有消腫利水、降壓的功效。綠豆中多酚類具有良好的清除自由基能力，可延緩衰老[3]；綠豆中的丹寧可以產生抗菌活性；綠豆富含的胰蛋白酶抑制劑可以保護肝臟。紅豆是維生素A與B族維生素的良好來源，所含礦物質較多，紅豆所含有的煙酸、維生素B1、B2等成分，有補血、利尿、消腫等功效[9-10]。

谷物營養粉是由谷類、豆類等五谷雜糧為主要原料，單一或混合制成的粉劑產品。現階段的營養粉種類較多，但其品質卻雜亂無章，大部分都具有高飽腹感、低能量等特點，目的在于減少食物的攝入量從而降低體重。這類營養粉存在著營養結構不合理的問題，長期食用反而會出現身體營養不良、營養素缺乏，給自身帶來不利的影響[11-12]。基于此，本研究在原有谷物食品研發基礎上，采用雙螺桿擠壓與超微粉碎技術，通過改良配方和優化工藝擬獲得一種既安全又營養的谷物營養粉，以期為豐富營養粉的種類及研發新產品提供新路徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米、紅豆、黑豆、綠豆等均購于本地農貿市場；羧甲基纖維素鈉(食品級)購于廣州逸明化工有限公司；凈化水，由吉林省釀造技術科技創新中心提供。

1.2 儀器與設備

BF-45A型拌粉機，長春市盛達食品工業研究所機械廠；FA-2204C型分析天平，上海佑科儀器有限公司；MG38CB-AA型微波爐，青島膠南海爾微波制品有限公司；TUM-8L型低溫超微粉碎機，濟南天宇專用設備有限公司；SLG-30型雙螺桿擠出機，濟南賽百諾機械設備有限公司；Q-250A3型高速多功能粉碎機，上海冰都電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

(1)原料選擇：選用生長良好，無腐爛、無病蟲危害的優質玉米、紅豆、黑豆、綠豆。

(2)清洗：對玉米、紅豆、黑豆、綠豆分別挑選，去除壞粒、霉變粒，水洗3～4次。

(3)烘干：將滴水處理后的玉米和紅豆、黑豆、綠豆置于溫度設定為50 ℃的真空干燥箱內進行干燥處理3～4 h。

(4)微波熟化：將烘干后的紅豆、黑豆、綠豆分別平鋪在磁盤中，厚度為0.6 cm。綠豆在微波功率700 W的條件下熟化3 min，紅豆在微波功率700 W的條件下熟化4 min，黑豆在微波功率700 W的條件下熟化5 min。

(5)粗粉碎：將玉米、紅豆、黑豆、綠豆用粉碎機分別進行粗粉碎，備用。

(6)雙螺桿擠出工藝：將粗粉碎后的玉米粉在拌粉機中加水潤料，水分添加量為20%，將已準備就緒的玉米粉放入雙螺桿擠出機中進行改性處理。雙螺桿擠出機工藝參數：機筒溫度分別為93，98，189，153 ℃；螺桿轉速達到18 Hz；喂料速率7 Hz；切刀切割頻率為50 Hz。

(7)超微粉碎：將改性后的玉米，粗粉碎的紅豆粉、黑豆粉、綠豆粉分別用低溫超微粉碎機粉碎至0.053 mm(300目)以下，備用。

(8)稱量、按比例配料、混勻：按一定比例準確稱量各種超微粉，通過試驗確定配比，穩定劑添加量為固態粉的0.25%，然后在干燥環境下將各種配料混合均勻。

(9)包裝、檢測、成品：將配制好的復合雜豆營養粉裝袋密封保存，即可得到成品。

1.3.3 單因素試驗設計

添加20 g的玉米改性粉為基料，設計試驗，在此試驗中3個因素分別選擇了紅豆粉添加量、黑豆粉添加量、綠豆粉添加量，根據成品的感官檢驗來評分。

(1)紅豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

以玉米改性粉質量為基準，固定黑豆粉添加量為10%、綠豆粉添加量為20%，紅豆粉添加量分別為9%、12%、15%、18%和21%，以玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分為標準，研究紅豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響。

(2)黑豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

以玉米改性粉質量為基準，固定紅豆粉添加量為15%、綠豆粉添加量為20%，黑豆粉添加量分別為4%、7%、10%、13%和16%，以玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分為標準，研究黑豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響。

(3)綠豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

以玉米改性粉質量為基準，固定紅豆粉添加量為15%、黑豆粉添加量為10%，綠豆粉添加量分別為14%、17%、20%、23%和26%，以玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分為標準，研究綠豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗的初始基礎參數上，為了獲得最佳工藝參數，主要以紅豆粉添加量(A)、黑豆粉添加量(B)、綠豆粉添加量(C)作為因素，以玉米基料復合雜豆營養粉感官評分(Y)作為測試值，然后采取Design Expert 8.0.6軟件進行3因素3水平的響應面試驗，得到最佳工藝配方，試驗設計見表1。

表1 響應面試驗設計

1.4 營養粉的溶解性測定

將上述試驗所得到的新型雜豆營養粉依次放入準備好的經干燥消毒的燒杯中，并加入純凈水進行溶解度測定。新型雜豆營養粉與純凈水的比例設置為1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5等5種不同水分含量下進行溶解度。

1.5 營養粉的沖調性測定

將上述試驗所得到的新型雜豆營養粉依次放入準備好的經干燥消毒的燒杯中，加入不同溫度的純凈水進行沖調性測定。純凈水的溫度設置為40，60，80 ℃ 3種溫度。

1.6 營養粉的感官評分

玉米基料復合雜豆營養粉質量評價采用綜合評分方法，綜合評價玉米基料復合雜豆營養粉的外觀和口感[13-14]。請10名學習過感官評價課程的學生對玉米基料復合雜豆營養粉進行感官評定，按表2進行打分，各項分值的總和作為綜合評分，計算結果取整數。

表2 感官評分標準

2 結果與分析

2.1 玉米基料復合雜豆營養粉單因素試驗結果

2.1.1 紅豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

由圖1可以看出，隨著紅豆粉的增加，玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分先增大后減小。當紅豆粉添加量為5%時，感官評分較低；當紅豆粉添加量15%時，感官評分最高，為96分。因此，紅豆粉添加量選擇15%左右較適宜。

圖1 紅豆粉添加量對感官評分的影響

2.1.2 黑豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

由圖2可以看出，隨著黑豆粉的增加，玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分先增大后減小。當黑豆粉添加量為4%時，感官評分較低；當黑豆粉添加量10%時，感官評分最高，為94分。因此，黑豆粉添加量選擇10%左右較適宜。

圖2 黑豆粉添加量對感官評分的影響

2.1.3 綠豆粉添加量對玉米基料復合雜豆營養粉感官評分的影響

由圖3可以看出，隨著綠豆粉的增加，玉米基料復合雜豆營養粉的感官評分先增大后減小。當綠豆粉添加量為5%時，感官評分較低；當綠豆粉添加量為20%時，感官評分最高，為93分。因此，綠豆粉添加量選擇20%左右較適宜。

圖3 綠豆粉添加量對感官評分的影響

2.2 玉米基料復合雜豆營養粉的響應面試驗結果

根據單因素試驗結果，采用Box-Behnken試驗設計原理，以紅豆粉添加量(A)、黑豆粉添加量(B)、綠豆粉添加量(C)為考察因素，考察了紅豆、黑豆、綠豆添加量對感官評分(Y)的影響，試驗結果見表3。

表3 Box-Behnken中心組合試驗設計及結果

試驗結束后，利用Design-Expert 8.0.6軟件針對表3的試驗結果，對紅豆添加量、黑豆添加量、綠豆添加量進行多項式擬合分析，得到二次回歸方程：

感官評分(y)=91.6+4A+1.88B+1.13C-0.25AB+0.25AC+0.5BC-2.05A2-0.3B2+0.2C2

對該模型進行顯著性檢驗，方差分析結果見表4。

表4 回歸方程方差分析結果

P值對于顯著性的表述是非常重要的，由表4可知，模型P值<0.01，這證實該模型極顯著，試驗數據誤差小，較好的擬合性在模型與實際獲得的試驗數據中得以體現。比較表4中F值大小可知，影響感官評分的因素按照影響程度由大到小依次為：紅豆添加量>黑豆添加量>綠豆添加量。此外，通過比較P值大小可知，A、A2對響應值影響為極顯著，B2、C2對響應值影響為顯著。

等高線圖和響應面圖可用來反映各試驗因素的交互作用。由圖4～6可以看出，黑豆添加量與綠豆添加量之間以及紅豆添加量與綠豆添加量之間的交互作用顯著，表現為等高線為橢圓形。相對而言，紅豆添加量與黑豆添加量之間的交互作用不顯著，等高線幾乎呈現圓形。在等高線圖中，愈靠近圓，說明兩因子的互動關系愈弱，愈靠近橢圓，說明兩因子之間的互動愈強烈；響應面曲線越陡，響應值變化越大，影響因子之間的相互影響也就越大。

圖4(a) 紅豆添加量與黑豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的響應面

圖4(b) 紅豆添加量與黑豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的等高線

圖5(a) 黑豆添加量與綠豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的響應面

圖5(b) 黑豆添加量與綠豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的等高線

圖6(a) 紅豆添加量與綠豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的響應面

圖6(b) 紅豆添加量與綠豆添加量交互作用對玉米基料復合雜豆營養粉感官評價影響的等高線

2.3 最佳工藝參數的確定

通過響應面優化試驗，預測得到玉米基料復合雜豆營養粉的最佳工藝條件為紅豆添加量15%、黑豆添加量10%、綠豆添加量20%。預測感官評分為96分，進行3次平行驗證試驗，玉米基料復合雜豆營養粉的最終感官評分為95分，接近預測值，說明響應面得到的制備玉米基料復合雜豆營養粉的工藝條件確實可行，具有實際應用價值。

2.4 營養粉的溶解性測定結果

在固態粉與水含量1∶1，1∶2條件下營養粉的溶解速度極差，在固態粉與水含量1∶3條件下營養粉的溶解速度差，在固態粉與水含量1∶4條件下營養粉的溶解速度適中，但總體效果較差，在固態粉與水含量1∶5條件下營養粉的溶解速度較好，總體效果較好。因此在食用時，建議采用固態粉與水含量1∶5的比例沖調。

2.5 營養粉的沖調性測定結果

在水溫為40 ℃時，營養粉的溶解效果較差，有結塊現象；而在60 ℃的水溫下，營養粉溶解的速度較快，有較少結塊現象；當水溫達到80 ℃時，營養粉的溶解速度較快，無結塊現象，溶解情況較好。因此在食用時，建議采用溫度80 ℃左右的水沖泡。

3 結論

本研究利用雙螺桿擠出技術對玉米進行了擠出改性，使用超微粉碎技術研制出更加健康細膩的玉米基料復合雜豆營養粉。研究結果得出，通過單因素試驗獲得營養粉的最佳工藝參數為紅豆粉添加量為15%，黑豆粉添加量為10%，綠豆粉添加量為20%時，營養粉的感官評分最高，為96分；通過響應面試驗獲得影響該營養粉的感官品質的因素按照影響程度由大到小依次為紅豆粉添加量>黑豆粉添加量>綠豆粉添加量；通過營養粉的物性試驗，發現當固態粉與水含量1∶5的比例沖調，水溫為80 ℃時，沖調效果最佳，口感細膩，有谷物清香風味，無結塊，具有較好穩定性。產品外觀呈粉末狀，色澤為米黃色。綜上所述，綜合合理地開發玉米，添加紅豆、黑豆、綠豆，制作出氨基酸互補的復合雜豆營養粉，為人們的膳食提供了新的選擇，也為谷類豆類的充分利用提供了更多的可能。