馬齒莧復配米工藝優化及抗氧化活性研究

戚家慧 陳善峰 閆玉紅 劉新華 李瑞紅

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

擠壓重組米是以碎米為主要原料，在擠壓機的高溫高壓作用下粉碎、混合、制粒、干燥，最終形成類似于大米形狀的新結構米粒。碎米是大米在拋光過程中產生的副產品，其化學成分與普通米粒相似，且膳食纖維、植酸和B族維生素的含量都高于普通米粒[1]，而價格僅為普通米粒的1/3～1/2。但碎米多數用作于飼料或制造糖、酒、醋的原料[2-4]，附加值較低。

馬齒莧又名五行草、長命菜，被世界衛生組織稱為世界上使用最廣泛的藥用植物之一，也是中國衛生部指定的藥食同源物之一。馬齒莧含有豐富的多糖、黃酮、生物堿等多種生物活性物質，具有抗氧化、抗衰老、降血糖、降血脂等功效[5]。多糖是馬齒莧生物活性物質的主要成分，能夠調節機體免疫、抗腫瘤、降血脂、抗氧化。目前關于馬齒莧產品的研究主要有馬齒莧面包[6]、馬齒莧涼茶[7]、馬齒莧飲料[8]、馬齒莧香腸[9]等。但是馬齒莧作為添加物在擠壓加工方面的研究還相對較少。Rayan等[10]利用單螺桿擠壓機研究了不同水分含量和擠壓溫度下的馬齒莧擠出物。因單螺桿擠壓機具有操作困難，產品穩定性差等特點[11]，故試驗采用雙螺桿擠壓機研究馬齒莧復配米的相關性質。

研究擬以碎米為主要原料，輔以馬齒莧粉，采用雙螺桿擠壓重組技術制成馬齒莧復配米。通過考察螺桿轉速、擠壓溫度、馬齒莧添加量和水分含量對馬齒莧復配米多糖含量和感官的影響，優化工藝參數，為制備具有抗氧化特性的復配米提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬齒莧(粗蛋白16.6%、膳食纖維含量41.58%、脂肪4.51%、馬齒莧多糖144.41 mg/g)、碎米(淀粉含量71.2%、粗蛋白7.3%、脂肪1.43%)：市售；

單硬脂酸甘油酯：食品級，山東優索化工科技有限公司；

ABTS、DPPH：試劑級，上海源葉生物技術有限公司；

乙醇、濃硫酸等其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

雙螺桿擠壓機：UVTE36-24型，長沙創享食品科技有限公司；

冷凍干燥機：FD-1型，北京博醫康實驗儀器有限公司；

酶標儀：SP-Max2300A2型，上海閃普生物科技有限公司；

色差計：CM-3600A型，日本柯尼卡美能達控股公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 馬齒莧復配米的制備 將馬齒莧粉和碎米粉按比例混合均勻后，加入 0.6%的單硬脂酸甘油酯，進行擠壓膨化、切割造粒工序，獲得產品。工藝流程：

馬齒莧干葉、碎米→粉碎過篩→加0.6%單硬脂酸甘油酯→混料→雙螺桿擠壓膨化→切割造粒→成品

操作要點：① 原料粉碎后均過80目篩；② 固體喂料速度15 kg/h，Ⅱ區60 ℃、Ⅲ區90 ℃，Ⅴ區50 ℃、Ⅵ區50 ℃，切刀轉速1 500 r/min；③ 螺桿轉速120～160 r/min；④ 擠壓溫度 90～130 ℃；⑤ 水分含量21%～29%；⑥ 馬齒莧添加量(碎米粉替代率)4%～20%；⑦ 擠壓成型的樣品放置于50 ℃的烘箱中，直至水分降至14%以下，裝入密封袋中，備用。

1.2.2 單因素試驗

(1) 螺桿轉速：固定擠壓溫度110 ℃，水分含量25%，馬齒莧添加量12%，考察螺桿轉速(120，130，140，150，160 r/min)對多糖含量和感官的影響。

(2) 擠壓溫度：固定螺桿轉速140 r/min，水分含量25%，馬齒莧添加量12%，考察擠壓溫度(90，100，110，120，130 ℃)對多糖含量和感官的影響。

(3) 水分含量：固定螺桿轉速140 r/min，擠壓溫度110 ℃，馬齒莧添加量12%，考察水分含量(21%，23%，25%，27%，29%)對多糖含量和感官的影響。

(4) 馬齒莧添加量：固定螺桿轉速140 r/min，擠壓溫度110 ℃，水分含量25%，考察馬齒莧添加量(4%，8%，12%，16%，20%)對多糖含量和感官的影響。

1.2.3 響應面試驗 根據單因素試驗結果，以綜合得分為響應值，選取螺桿轉速、擠壓溫度、馬齒莧添加量、水分含量4個因素，設計四因素五水平二次正交旋轉組合試驗，優化加工工藝。

1.2.4 色差測定 參照文獻[12]。

1.2.5 感官評分 米粒感官評價參照文獻[13]，評分標準見表1。熟米感官評價參照文獻[14]，評分標準見表2。按式(1)和式(2)計算樣品感官評分和感官綜合得分。

表1 米粒感官評分Table 1 Sensory score of rice grains

表2 熟米感官評分Table 2 Sensory score of cooked rice

A=r1×30%+r2×70%，

(1)

B=A×70%+WI×30%，

(2)

式中：

A——感官評分；

r1——米粒感官評分；

r2——米飯感官評分；

B——感官綜合得分；

WI——白度。

1.2.6 多糖含量測定 參照薛沾枚[15]的方法并作修改。精確稱取1 g樣品，以蒸餾水為提取溶劑，在液料比為20∶1 (mL/g)條件下，超聲輔助提取50 min，提取液中加入4倍體積95%乙醇，在4 ℃下醇沉24 h。去除醇沉提取液的上清液，通過離心得到沉淀(3 500 r/min，10 min)，最后冷凍干燥得到粗多糖。采用苯酚硫酸法測多糖含量。采用線性插值法計算得分。最大值定義為10分，最小值定義為1分。最終結果乘以10，換算為百分制。

1.2.7 綜合評分法 根據式(3)計算綜合得分。

S=B×0.4+P×0.6，

(3)

式中：

S——綜合得分；

B——感官綜合得分；

P——多糖得分。

1.2.8 體外抗氧化活性分析

(1) DPPH自由基清除率：參照文獻[16]。

(2) ABTS自由基清除率：參照文獻[17]19-20。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 擠壓溫度對馬齒莧復配米品質的影響 圖1(a)表明在固定的螺桿轉速、水分含量、馬齒莧添加量下，多糖含量隨擠壓溫度的增加先上升后下降，多糖含量、感官綜合得分在120 ℃時達到最大值。楊濱夢等[18]研究表明，猴頭菇多糖隨擠壓溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，且在120 ℃達到最大值。當擠壓溫度較低時，水分子因無法劇烈運動，而與物料的相互作用受限，螺桿和物料之間的摩擦力無法傳遞到淀粉分子內部[17]24，馬齒莧復配米顆粒不易膨脹，結構不易破壞，多糖的溶出率比較低。隨著擠壓溫度的升高，機筒內產生高溫、高壓、高剪切力的反應環境，增強水分子和物料相互作用，促進復配米結構的解體，多糖的溶出率增大。當機筒溫度過高時，擠壓作用劇烈，水分蒸發速率加快，多糖發生降解，導致多糖含量隨溫度不斷增大逐漸減少，但溫度過高，水分發生閃蒸，使得米粒較干、對復配米的剪切制粒有影響，從而影響感官評價分數。綜合考慮在110～130 ℃進行下一步試驗。

2.1.2 螺桿轉速對馬齒莧復配米品質的影響 圖1(b)表明在固定的擠壓溫度、水分含量、馬齒莧添加量下，多糖、感官綜合評分隨螺桿轉速的增加均先上升后下降，在140 r/min時達到峰值。螺桿轉速影響物料在擠壓機中的停留時間，進而影響擠壓加工過程物料所受的高溫高壓作用[19]。當螺桿轉速過低時，物料在機筒內停留的時間久，受到的高溫高壓剪切摩擦力小，熱能轉化得少，吸收熱量不足，水分含量相對變大，膨化效果比較差。隨著轉速的提高，物料和螺桿之間的摩擦力增大，物料受熱明顯，物料的組織結構被破壞，多糖提取率增大[20-21]。當螺桿轉速過高時，物料在機筒內停留的時間短，不易形成高壓環境，降低擠壓膨化技術對馬齒莧復配米結構的改性，還會造成復配米的黏度增大、切粒結構不理想，影響感官評價得分；高速螺桿轉動帶來高溫環境，高剪切力，多糖的結構遭到破壞，提取率降低[22]。綜上，螺桿轉速在140 r/min時，多糖含量處于較高范圍，感官評價得分最高。

圖1 單因素試驗結果Figure 1 Single factor test results

2.1.3 馬齒莧添加量對馬齒莧復配米品質的影響 由圖1(c) 可以看出，在固定的螺桿轉速、擠壓溫度、水分含量下，多糖含量與馬齒莧添加量呈正比，但是感官綜合評分先升高后減少，在馬齒莧添加量12%時達到峰值。這是由于馬齒莧富含膳食纖維，大量添加會導致復配米的結構疏松，不可避免的影響米粒口感。馬齒莧添加量較少時，隨著添加量增大，復配米的彈性上升，隨著馬齒莧添加量的升高，彈性呈下降趨勢，說明馬齒莧添加量對復配米的口感效果有一定程度的削減。

2.1.4 水分含量對馬齒莧復配米品質的影響 圖1(d)表明在固定的螺桿轉速、擠壓溫度、馬齒莧添加量下，多糖含量和感官評價得分隨水分含量的增加均呈先上升后下降的趨勢，多糖含量、感官評價得分在水分含量27%～28%時達到最大值。當處于低水分含量時，物料在機筒內的流動性差、擠壓過程中產生的水蒸氣少，不能有效破壞物料內部結構[22]，導致多糖提取率低，同時低水分使得米粒較干、對復配米的剪切制粒受影響，從而影響感官得分。隨著水分含量的增加，熱能傳遞速度加快，物料結構破壞程度加大，多糖提取率增大。但當水分含量過高，水分子蒸發帶走的熱能比水分子增加傳遞的熱能多，物料的升溫速度降低，多糖受到破壞，使得大分子的多糖變成小分子的糖類；水分含量過高會導致物料的流動性很大，物料所受的剪切力和摩擦力降低，糊化程度低，迫使物料未充分改性就被擠出，降低了擠壓效果，導致了米粒的耐煮性較差、口感不理想，綜合考慮，在水分含量27%～28%進行下一步試驗。

2.2 響應面試驗

在單因素試驗基礎上，自變量為螺桿轉速、擠壓溫度、馬齒莧添加量、水分含量，響應值為綜合得分，因素水平見表3，具體設計結果及數據見表4。

表3 響應面試驗因素水平表Table 3 Response surface experimental factor level table

表4 響應面分析的試驗設計和結果Table 4 Experimental design and results for response surface analysis

以多元回歸分析得回歸方程：

Y=69.23-0.12A+1.21B+12.20C+2.71D+0.92AB+0.12AC+2.27AD-0.034BC+1.00BD+0.52CD-5.27A2-3.81B2-1.21C2-4.60D2。

(4)

中心組合試驗方差分析(表5)得到模型的F值為9.46，P<0.01，表明模型顯著；失擬項P>0.05，不顯著，表明該模型成立；二次多項回歸方程R2=0.863 1>0.5，該模型模擬效果好，因此可作為試驗模型分析數據。根據方程各變量系數大小可知，4個因素對多糖含量的影響程度順序為馬齒莧添加量>水分含量>擠壓溫度>螺桿轉速。

表5 綜合得分回歸方差分析?Table 5 Comprehensive score regression analysis of variance

由圖2可知，沿馬齒莧添加量方向比螺桿轉速、擠壓溫度、水分含量的響應面坡度的坡度更陡，等高線也更密集，說明馬齒莧添加量比螺桿轉速、擠壓溫度和水分含量對馬齒莧復配米影響更大，與方差分析結果一致。擠壓溫度與螺桿轉速、水分含量與螺桿轉速和水分含量與擠壓溫度的等高線圖呈圓形，表明其交互不顯著，與方差分析結果一致。

圖2 綜合得分試驗結果Figure 2 Comprehensive score test results

響應面優化出的結果為：螺桿轉速139.01 r/min、擠壓溫度118.39 ℃、馬齒莧添加量15.48%、水分含量27.33%，在該工藝條件下，綜合得分為86.29，考慮實際，將條件修正為螺桿轉速140 r/min、擠壓溫度120 ℃、馬齒莧添加量15.5%、水分含量27%，在該條件在平行驗證3次計算得到綜合得分為86.13，與預測值接近，表明該工藝條件具有一定的可行性。

2.3 體外抗氧化試驗

由圖3可知，馬齒莧復配米的抗氧化能力明顯高于市售米和擠壓空白米，且對DPPH自由基清除率高達92.37%，對ABTS自由基清除率高達85.15%，說明馬齒莧復配米中馬齒莧發揮了重要抗氧化作用。這是因為復配米雖然會受到高溫高壓作用，但是因含有多糖、多酚等活性物質，使其具有較強的抗氧化能力。Melilli等[23]將馬齒莧與小麥粉混合制作出了具有抗氧化特性的意大利面。

圖3 體外抗氧化試驗結果Figure 3 In vitro antioxidant test results

3 結論

試驗得出馬齒莧復配米的最佳工藝參數為螺桿轉速140 r/min，擠壓溫度120 ℃，馬齒莧添加量15.5%，水分含量27%。在該工藝下復配米的綜合得分最高。此外，體外抗氧化試驗結果表明馬齒莧復配米的抗氧化能力顯著高于市售米。由于馬齒莧本身是藥食同源植物，富含多種活性物質，將其應用于擠壓技術，提高馬齒莧利用率的同時又豐富了營養米的市場。但是馬齒莧的抗氧化機理需要進一步探索。