擠壓預糊化淀粉的性能及其添加對糙米發糕品質的影響

李小林，李建勛，張文娟，肖紫鳴，魏紀平，宋文軍,

（1.天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134；2.天津現代職業技術學院生物工程學院，天津 300350）

發糕是中國傳統的特色小吃，是以精白米為主要原料，經酵母發酵、蒸氣蒸熟等工藝而制成[1]。在這個過程中糊化的淀粉互相連接，包裹住酵母產生的氣體，從而形成多孔的海綿狀結構[2]。但傳統發糕由于其營養價值有限、消化率高且風味單一[3]，已難以滿足市場需求。糙米是稻谷經脫殼加工后的產品，將糙米的整個糠層去除后即得到精白米。與精白米相比，糙米具有更加豐富的非淀粉營養成分，包括膳食纖維、礦物質、多酚等[4]。將更具有營養價值的糙米代替精白米有望提高發糕的營養和風味，但由糙米制成的發糕往往品質較差，表現為孔洞粗大、硬度大、比容小。為了提高消費者的可接受度通常會在發糕中加入黃原膠[5]、瓜爾膠[6]、蔗糖酯、單甘酯[7]和化學改性淀粉[8]等食品添加劑。然而，由于消費者對“清潔標簽”產品的需求，食品工業對無添加劑食品的研發興趣日益濃厚。預糊化淀粉是一種物理改性淀粉，能夠在冷水中迅速溶解形成粘稠的糊狀物，進而為食品提供理想的稠度和凝膠性能[9]。

擠壓是一種集高溫、高壓、高剪切力為一體的食品加工技術，是制備預糊化淀粉常用的方法，具有操作簡單、效率高、能耗低等優點[7]。在擠壓過程中，淀粉發生糊化，顆粒結構破壞[7]，結晶度降低[10]，溶脹能力提高[11]等。預糊化淀粉冷水成糊、吸水性較高的特性使其經常作為輔料用來提升食品的加工性能及感官品質。Tao 等[9]研究發現添加10%擠壓預糊化淀粉可以增加小麥面包的比容、降低面包的硬度。Han 等[7]研究發現添加30%擠壓預糊化淀粉改善了無麩質苦蕎面條的品質。吳娜娜等[12]發現擠壓糙米粉的添加能夠降低糙米面包的硬度，提高感官評價得分，延緩面包的老化。然而，擠壓預糊化淀粉對糙米發糕品質的影響還未見報道。

本研究的目的在于考察不同水分含量（45%、25%和18%）擠壓制備對預糊化淀粉的性能及其添加對糙米發糕品質的影響。分析了擠壓預糊化淀粉的分子量、糊化度、水吸收指數、水溶解指數、冷糊黏度等性質的變化。最后考察了擠壓預糊化淀粉的添加對糙米粉糊化特性及糙米發糕品質的影響，為糙米發糕的研發和產業化提供技術支撐和理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙米（T 兩優華占） 蒲城縣佳禾康農業綜合開發有限公司；大米淀粉 無錫金農生物科技有限公司上高分公司；安琪耐高糖酵母、白砂糖 當地超市；溴化鋰（LiBr）、二甲基亞砜（DMSO） Sigma-Aldrich 公司；實驗用水為去離子水。

LNI66A 低溫沖擊磨 北京協同創新研究院；FMHE36-24 雙螺桿擠壓機 湖南富馬科食品工程技術有限公司；安捷倫HPLC1260 聯用多角度光散射檢測器 美國安捷倫科技有限公司；Bruker D8 Advance X 射線衍射儀 德國Bruker 公司；DSC-7000X 差示掃描量熱儀 日本HITACHI 公司；RVATEC 快速黏度分析儀 瑞典Perten 公司；TA-XT Plus 質構儀 英國Stable 公司；ZTW103 廚師機上海雙立人亨克斯有限公司；卡士CF340C 家用醒發箱 深圳市愛爾嘉小家電科技有限公司；佳能5600F 掃描儀 佳能株式會社。

1.2 實驗方法

1.2.1 糙米粉的制備 采用低溫沖擊磨制備糙米粉，磨盤和空氣分級機的轉速分別設為2160 和600 r/min，獲得的糙米粉（平均粒徑D4,3 為113.67 μm，損傷淀粉含量為7.73%）用自封袋密封后放在?20 ℃下保存備用。

1.2.2 預糊化大米淀粉的制備 用雙螺桿擠壓機制備預糊化大米淀粉，擠壓參數設置為：喂料量為10.0 kg/h，螺桿轉速150.0 r/min，2 區到6 區的溫度分別設置為70、90、100、90 和70 ℃，通過擠出物的外觀來判斷擠壓預糊化淀粉的剪切程度，最終確定擠壓物料水分含量分別為45%（剪切程度較低）、25%（中等剪切程度）和18%（劇烈剪切）。擠壓預糊化大米淀粉（Extruded rice starch,ERS）在45 ℃下干燥24 h，粉碎過80 目篩，備用，大米淀粉也在相同條件下烘干，但不經歷粉碎過篩的步驟。根據大米淀粉（Rice starch,RS）水分含量不同，擠壓預糊化大米淀粉分別命名為ERS45、ERS25 和ERS18。經測定，RS、ERS45、ERS25 和ERS18 的水分含量分別為9.34%、9.52%、9.11%和9.28%。

1.2.3 淀粉分子量的測定 參照Zhao 等[13]的方法使用體積排阻色譜法測定淀粉的分子量并稍作修改。取4～6 mg 淀粉樣品，溶于1.5 mL 含0.5%（w/w）LiBr 的DMSO 溶液，在80 ℃下以400 r/min 恒溫振蕩24 h，然后在15000 r/min 下離心10 min。取上清液，用配備多角度光散射激光檢測器的體積排阻色譜系統進行測定。洗脫柱柱溫為60 ℃，流動相為含0.5%（w/w）LiBr 的DMSO 溶液，流速為0.3 mL/min。進樣量為100 μL，通過三階Berry 對激光信號進行擬合，擬合時dn/dc 設為0.0706，得到重均分子量（Weight average molecular weight,Mw）和數均分子量（Number average molecular weight,Mn）。

1.2.4 晶體結構分析 用X 射線衍射儀（X-ray diffraction,XRD）分析樣品的晶體結構。掃描范圍為5～35°，掃描速度為1.2°/min。采用Origin 對結晶區和非結晶區的面積進行積分，按照Wu 等[4]報道的方法計算樣品的結晶度，公式如下：

式中：Ac 和Aa 分別代表結晶區和非結晶區的面積。

1.2.5 糊化度測量 按照Parada 等[14]描述的方法，用差示掃描量熱儀（Differential scanning calorimeter,DSC）測定預糊化大米淀粉的糊化度。將樣品（2.00～4.00 mg）置于鋁坩堝中，按照樣品:水=1:2（w/v）的比例加入去離子水。將坩堝密封后在室溫下平衡12 h。測量時采用空坩堝作為對照，樣品的掃描溫度范圍和加熱速率分別為20～100 ℃和10 ℃/min。用儀器自帶軟件計算樣品的糊化焓（ΔH），樣品的糊化度按照以下公式計算：

1.2.6 水吸收指數和水溶解指數的測定 樣品的水吸收指數（Water absorption index,WAI）和水溶解指數（Water solubility index,WSI）按照Wang 等[15]描述的方法進行，略作修改。將0.5 g 樣品分散在裝有25 mL 蒸餾水的離心管中，在30 ℃中水浴30 min，每10 min 取出渦旋5 s，隨后在4500 r/min 下離心10 min。收集上清液于105 ℃下干燥至恒重，記錄下離心管殘渣的重量（W1）和上清液干重（W2）。吸水指數和水溶解指數按照下列公式計算。

式中：W0為樣品的干重（g）。

1.2.7 冷糊黏度的測定 用快速黏度分析儀（Rapid viscosity analyzer,RVA）測定樣品的冷糊黏度。將2.0 g 樣品分散在裝有25 mL 去離子水的鋁罐中，根據Han 等[7]報道的方法進行測定。樣品先在960 r/min下攪拌10 s 以將樣品分散均勻，隨后槳葉以160 r/min的恒定速度，在30 ℃下攪拌590 s 得到時間-粘度曲線。

1.2.8 糊化性質的測定 用RVA 測定復合粉的糊化特性。稱取3.0 g 復合粉（2.7 g 糙米粉，0.3 g 預糊化大米淀粉）分散在裝有25 mL 去離子水的鋁罐中，用攪拌漿攪拌均勻后，用儀器內置的標準程序1 進行測試，以未添加預糊化大米淀粉的糙米粉作為對照組。記錄樣品的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值。

1.2.9 糙米發糕的制備 參照樊德靈等[16]的方法略作修改制備糙米發糕。發糕的配方為270 g 糙米粉、30 g 預糊化大米淀粉、1.5 g 酵母、60 g 白砂糖和300 g 水，以未添加預糊化大米淀粉的發糕作為對照。用廚師機將糙米粉、預糊化大米淀粉和酵母混合均勻后，加入事先溶解了白砂糖的去離子水，用廚師機以速度2 攪拌4 min。將面糊分裝在模具中（每份80 g），轉移至醒發箱，35 ℃下發酵60 min，水開后上鍋蒸15 min，取出，在室溫下冷卻2 h 后脫模，然后裝入自封袋中，在室溫下保存直至使用。

1.2.10 糙米發糕的評價 糙米發糕的評價是在蒸熟結束24 h 后進行的。采用種子置換法測定發糕的體積[5]，發糕的比容按體積（cm3）除以重量（g）計算。從發糕中心切出厚度為20 mm 的發糕片，用掃描儀獲取圖像，隨后在圖像中心截取20 mm×20 mm 區域，用Image J 分析軟件處理，獲得發糕內部紋理結構參數（氣孔密度、氣孔平均面積和孔隙率）。從發糕中心切出20 mm×20 mm×20 mm 的小塊，用配置了P/36R探頭的質構儀分析發糕的質地特性。測試參數如下：測試速度設置為1.0 mm/s，壓縮率為50%，等待時間為5.0 s，觸發力為5.0 g，采用自動觸發模式。重復測定5 次。的小塊，用配置了P/36R 探頭的質構儀分析發糕的質地特性。測試參數如下：測試速度設置為1.0 mm/s，壓縮率為50%，等待時間為5.0 s，觸發力為5.0 g，采用自動觸發模式。重復測定5 次。

參照Feng 等[2]的方法，挑選10 名（男女各5 名）經過訓練的感官評價員對糙米發糕進行感官評價。將發糕切成20 mm×20 mm×20 mm 的小塊，放在透明塑料杯子中，并覆蓋保鮮膜，防止水分散失和氣味干擾。采用9 點快感標度法（9 分表示極度喜歡，5 分表示不喜歡也不厭惡，1 分表示極度厭惡）對糙米發糕的每個品質屬性（外觀、氣味、滋味、質地和總體接受度）進行打分。

1.3 數據處理

如無特別說明，測試均重復進行了三次，實驗結果均表示為平均值±標準差。使用Origin9.0 軟件作圖，用SPSS24.0 軟件進行單因素方差分析，并用Turkey 檢驗對均值進行兩兩比較，P<0.05 表示具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 擠壓對大米淀粉分子量的影響

大米淀粉（RS）和預糊化大米淀粉分子量如表1所示。大米淀粉有著最大的Mn（1.90×107g/mol）和Mw（12.03×107g/mol），擠壓處理顯著降低了大米淀粉的分子量（P<0.05）。隨著物料水分含量的降低，預糊化大米淀粉的Mn 分別為0.85×107、0.45×107和0.26×107g/mol，Mw 分別為3.71×107、1.53×107和0.71×107g/mol。這表明隨著水分含量的降低，預糊化淀粉分子鏈的破壞逐漸劇烈，這與許多文獻報道的結果是一致的[11,17?18]。這可能是由于物料水分含量降低，增加了擠壓處理時機械剪切力和熱降解的作用，而獲得更小的分子量[13]。與RS相比，ERS 的Mw/Mn 從6.31 降低到4.68、3.41 和2.71，這意味著隨著物料水分含量的降低，ERS 的分子量分布范圍變窄，這可能主要與分子尺寸大的支鏈淀粉在擠壓過程中更容易降解有關[11]。

表1 大米淀粉和預糊化大米淀粉的分子量Table 1 Molecular weight of rice starch and pregelatinized rice starch

2.2 擠壓對大米淀粉結晶結構的影響

大米淀粉和預糊化大米淀粉的X 射線衍射曲線如圖1 所示。大米淀粉在15°和23°分別有個單獨的峰，在17°和18°有未完全分離的雙峰，這是典型的A 型淀粉結晶結構[4]。擠壓處理后，ERS45 的天然衍射峰明顯減弱，ERS25 和ERS18 的天然衍射峰完全消失。此外，ERS25 和ERS18 在7°、13°和20°出現了新的衍射峰，這是V 型結晶的特征峰[19]。峰型的轉變可能是由于擠壓過程中滲出的直鏈淀粉與游離脂肪酸形成了復合物，在擠壓的葛粉中也發現了類似的結果[10]。

圖1 大米淀粉和預糊化大米淀粉的XRD 圖譜Fig.1 XRD patterns of rice starch and pregelatinized rice starch

與衍射峰的減弱或消失相對應，隨著物料水分含量的降低，大米淀粉的相對結晶度從25.9%降低至10.6%～12.4%（圖2），分別降低了51.93%、58.93%和59.04%，這表明擠壓破壞了淀粉的結晶結構。相似的，徐曉茹等[20]在對比擠壓前后大米淀粉理化性質的變化時，發現淀粉的天然衍射峰消失，結晶度急劇下降。高強度擠壓過程引起淀粉鏈分子內和分子間氫鍵裂解，導致螺旋結構解離，繼而晶格變形，最終破壞淀粉的結晶結構[21]。

圖2 大米淀粉和預糊化大米淀粉的結晶度和糊化度Fig.2 The degree of crystallinity and gelatinization of rice starch and pregelatinized rice starch

2.3 擠壓對大米淀粉糊化度的影響

樣品糊化度如圖2 所示。大米淀粉的糊化焓為8.29 mJ/mg（結果未顯示），擠壓處理后，預糊化大米淀粉的吸熱峰明顯減小，ERS45 糊化焓降低為0.85 mJ/mg（結果未顯示），其糊化度為89.74%。而ERS25 和ERS18 未檢測到吸熱峰，表明淀粉已經完全糊化。上述結果表明，物料水分含量的降低，提高了預糊化大米淀粉的糊化程度，這與Dalbhagat 等[18]的報道結果相符。水分含量對擠壓淀粉糊化度的影響可能與水分子的增塑作用有關，水分含量的增加降低了擠壓處理的機械剪切力和熱降解作用[11]，從而降低了淀粉的糊化度[22]。

2.4 擠壓對大米淀粉WAI 和WSI 的影響

大米淀粉和預糊化大米淀粉的WAI 和WSI 如圖3 所示。大米淀粉的WAI 為1.91 g/g，擠壓處理顯著（P<0.05）增加了大米淀粉的WAI，ERS45、ERS25和ERS18 的WAI 分別為4.89、10.86 和13.58 g/g，分別提高了1.56、4.69 和6.11 倍。相似的，Wang 等[10]擠壓處理不同水分含量的葛粉時，其WAI 從178.4%增加到214.0%～251.4%。WAI 反映了大米淀粉的吸水能力，與淀粉顆粒晶態和非晶態區域的分子相互作用有關[23]。與前面XRD 和DSC 描述的結果一致，擠壓導致分子間和分子內的氫鍵斷裂，使得大米淀粉的結晶結構遭到不同程度的破壞，暴露出更多的羥基，淀粉鏈的羥基與水形成氫鍵，使得預糊化大米淀粉的WAI 增加。

圖3 大米淀粉和預糊化大米淀粉的WAI 和WSIFig.3 The WAI and WSI of rice starch and pregelatinized rice starch

擠壓處理顯著（P<0.05）增加了大米淀粉的WSI，從1.43%（RS）增加到11.50%～40.95%（ERS），分別提高了7.04、16.30 和27.64 倍。擠壓處理破壞了大米淀粉的結晶結構，使得直鏈淀粉更容易滲出，從而增加了WSI。此外，在擠壓過程中，淀粉分子的降解也可能導致WSI 的增加[22]。淀粉分子降解程度越大，WSI 越大，這與分子量的結果是一致的。一些研究也報道了類似的現象，薛朕鈺等[24]發現裸燕麥與玉米淀粉的混合物經擠壓處理后，WSI 顯著增加。

2.5 擠壓對大米淀粉冷糊黏度的影響

采用RVA 測定了樣品的冷糊黏度，其結果如圖4 所示。RS、ERS45、ERS25 和ERS18 的最終黏度（600 s 時）分別為9、27、202 和141 cP，分別提高了2.00、21.44 和14.67 倍。與RS 相比，擠壓處理增加了大米淀粉的冷糊黏度。這歸因于擠壓破壞了淀粉分子的結晶結構，淀粉發生糊化，暴露了更多的羥基，促進其對水的吸收（圖3）。ERS45 的冷糊黏度較低，可能與淀粉未完全糊化（圖2），仍有結晶結構殘留有關（圖1）。與ERS25 相比，ERS18 的冷糊黏度有所降低，這可能與淀粉分子發生了更加劇烈的降解有關（表1）。據報道預糊化淀粉的冷糊黏度與分子尺寸有關，Li 等[25]采用滾筒干燥和擠壓制備了預糊化淀粉，發現擠壓制備的預糊化淀粉分子鏈降解的更加劇烈，導致了更低的冷糊黏度。在發糕的制備過程中添加適量的預糊化淀粉可能有利于發糕的制作，因為高的冷糊黏度有利于發糕氣室的穩定。

圖4 大米淀粉和預糊化大米淀粉在30 ℃下的冷糊黏度Fig.4 Cold paste viscosity of rice starch and pregelatinized rice starch at 30 ℃

2.6 預糊化大米淀粉添加對糙米粉糊化特性的影響

樣品的糊化參數如表2 所示。與對照相比，添加了預糊化大米淀粉的混合樣，具有更低的峰值黏度，并且擠壓物料水分含量越低，黏度也越低。據報道峰值黏度的降低程度與淀粉糊化度密切相關[26]，擠出淀粉糊化程度越高，峰值黏度越低。此外，峰值黏度的降低也可能與淀粉分子鏈的降解有關。有研究報道聚合物分子鏈的減小會降低物料抵抗剪切的能力，使之黏度降低[27]。

表2 預糊化大米淀粉添加對糙米粉糊化特征參數的影響Table 2 Effect of pregelatinized rice starch on the pasting parameters of brown rice flour

崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，與淀粉顆粒在加熱和剪切過程中更不易破碎的能力有關，可以反映淀粉糊的穩定性。對照組的崩解值是1406 cP，添加了ERS45、ERS25 和ERS18 復合粉的崩解值分別為1039、979 和802 cP，這表明預糊化大米淀粉的加入顯著（P<0.05）增加了淀粉糊的穩定性。

與對照組相比，添加ERS45 和ERS25 增加了復合粉的回生值，表明其具有更強的回生趨勢。這可能與預糊化大米淀粉和糙米粉中淀粉的直鏈淀粉含量不同有關。直鏈淀粉含量是淀粉短期老化的重要影響因素，由于直鏈淀粉分子更小的空間位阻和更強的流動性，因此直鏈淀粉分子的重結晶速度比支鏈淀粉分子快得多[28]。就添加了預糊化大米淀粉的樣品而言，隨著擠壓時物料水分含量的降低，其回生值從1621 cP 降至1411、1280 cP，這表明擠壓處理有助于抑制淀粉的短期老化，這與Liu 等[22]報道的結果一致。這可能與淀粉分子的降解有關，有報道稱降解的淀粉分子可能與非淀粉多糖相似，能夠阻礙直鏈淀粉的重排[29]。

2.7 預糊化大米淀粉添加對糙米發糕品質的影響

發糕的內部紋理結構是評價發糕質量的重要指標[6]。發糕的剖面圖和紋理結構參數分別如圖5 和表3 所示。預糊化大米淀粉的添加，顯著（P<0.05）降低了發糕的氣孔平均面積和孔隙率。這可能與預糊化大米淀粉較高的冷糊黏度有關（圖4）。預糊化淀粉能夠在冷水中自發地形成凝膠，可以增強淀粉顆粒之間的黏附性，形成更強的網絡結構，在發酵和蒸汽蒸熟的過程中減少氣室的破裂、聚集和合并，從而使得孔洞尺寸更加均一[30]。添加了預糊化大米淀粉的發糕（圖5B、5C 和5D）未發現坍塌的外觀，也證明其形成了更強的網絡結構。添加了ERS18 的發糕有著最大的氣孔密度和最小的氣孔平均面積，這可能與擠壓滲出的直鏈淀粉和產生更多的降解小分子有關（表1）。據報道糊化淀粉的上清液（直鏈淀粉）具有乳化能力，其乳化能力取決于直鏈淀粉含量[31]。此外，小分子能夠更加迅速快地擴散至界面上[32]，更好地維持氣室的穩定性。

圖5 糙米發糕剖面圖Fig.5 Sectional view of steamed brown rice cakes

表3 糙米發糕的品質參數Table 3 The quality parameters of steamed brown rice cakes

添加預糊化大米淀粉后，發糕的比容略有增加，并且呈現出ERS18>ERS25>ERS45 的趨勢。發糕的質地參數如表3 所示，與對照組相比，預糊化大米淀粉的添加顯著（P<0.05）降低了發糕的硬度，增加了發糕的內聚性、彈性和回復性。發糕質地參數的變化可能與發糕的內部紋理結構有關。對于面包、發糕這樣的多孔結構產品，機械強度主要取決于孔洞周圍基質（也稱為細胞壁）的厚度，而不是孔洞本身。與氣室大、壁厚的紋理結構相比，氣室細小均勻、壁薄的紋理結構能夠產生更柔軟、更有彈性的質地[33]。這與發糕內部紋理結構的結果是一致的。此外，內聚性的增加可以降低發糕的掉渣感，這可能會提高消費者對糙米發糕的可接受度。

糙米發糕感官評價的結果如圖6 所示。結果表明，添加擠壓預糊化淀粉對糙米發糕的氣味和滋味沒有明顯影響。與對照組相比，添加擠壓預糊化淀粉提高了糙米發糕的外觀得分，這可能與其未出現塌陷的外觀有關（圖5）。此外，添加擠壓預糊化淀粉提高了發糕的質地和總體接受度得分，這可能與添加擠壓預糊化淀粉糙米發糕硬度的降低和彈性的增加有關。

圖6 糙米發糕的感官評價Fig.6 Sensory evaluation of steamed brown rice cakes

綜上所述，預糊化大米淀粉的添加可以提高糙米發糕的品質，表現為更好的紋理結構、更低的硬度和更好的彈性，并且感官評價得分提高。

3 結論

擠壓處理使淀粉分子發生降解，破壞了淀粉的結晶結構，產生了比結晶結構水化能力更強的非結晶結構，提高了預糊化大米淀粉的水吸收指數、水溶解指數和冷糊黏度。添加預糊化大米淀粉能夠顯著提高糙米發糕的品質，其中，添加了ERS18 的發糕品質最佳，表現為氣孔細膩均一、硬度低、彈性好、感官評價得分更高。這些結果為無添加劑糙米發糕的制備提供了新的解決方案。