擠壓膨化壓力對小麥麩皮粉特性的影響

李菁，何述棟，菅慧芳，劉騫，李興江，楊柳，繆新亞

（1.合肥學院生物與環境工程系，安徽 合肥 230601；2.合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽 合肥 230009；3.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；4.安徽湘園食品科技有限公司，安徽 蚌埠 233400）

我國是小麥生產和消費第一大國，產品以小麥制粉為主，主要加工副產物小麥麩皮的年產量已超過2 000萬噸，目前多用于飼料加工、釀造和功能性物質的提取[1-3]。隨著人口老齡化和消費者對營養健康食品的需求增大，高膳食纖維類食品已成為目前食品研發的主流方向之一[4-5]。研究表明，小麥麩皮中含有較豐富的膳食纖維、多酚類化合物、淀粉酶系、蛋白質、碳水化合物、維生素和礦物質等，是一種非常有益的潛在食品原料[6-8]。但是小麥麩皮的加工處理難度較大，直接添加于食品中，會破壞食品的質構和口感。為提高小麥麩皮的食用性，前期多采用加酸、加糖、蒸煮、干燥或超微粉碎處理[9-11]。

隨著國內外消費者對全谷物加工食品的重視，擠壓膨化技術得到更加廣泛地應用[12-13]。研究表明，不同物料經擠壓膨化處理后，其微觀結構、理化性質都會發生明顯的改變，且產品成型度高，營養成分損失少，易消化吸收，食用方便，生產成本較低[14]。在實際生產中，食品加工原輔料的組成、水分含量、螺桿構成、轉速、溫度、進料速度等都會影響擠壓膨化的生產效果。因此，為提高擠壓膨化技術的可控性，可將模頭壓力作為機器的主要控制參數，即通過對模頭壓力的設置，基于微電腦控制系統完成對主電機轉速、喂料速度和進水量的實時控制，以達到膨化效果要求[15]。

在谷物食品膨化工藝研究中發現，壓力是擠壓膨化物料成型的關鍵，一般2 MPa～4 MPa時最佳[16]。然而，關于擠壓膨化模頭壓力對小麥麩皮加工特性影響的研究鮮有報道，這不利于企業擠壓膨化技術的自動化革新。本試驗采用四區加熱雙螺桿擠壓膨化機，在1.3 MPa～1.6 MPa模頭壓力下對小麥麩皮進行膨化處理，研究其對膨化小麥麩皮粉理化特性、微觀結構和抗氧化特性的影響，以期為小麥麩皮粉類食品的開發及擠壓膨化自動化控制提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

冬小麥麩皮：安徽湘園食品科技有限公司；乙醇、氯化鐵（均為化學純）：國藥集團化學試劑有限公司；二苯基苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picryhydrazyl，DPPH）（分析純）：阿拉丁試劑有限公司。

SYSLG30-IV小型實驗雙螺桿擠壓膨化機：濟南賽百諾科技開發有限公司；FW100型高速粉碎機：上海楚定分析儀器有限公司；SU3800鎢燈絲掃描電鏡：日本日立株式會社；NR110型色差儀：深圳市三恩時科技有限公司；T-100粉體綜合特性測試儀：丹東百特儀器有限公司；Q100型差式掃描量熱儀：美國熱電儀器有限公司；UV-1800型紫外-可見光分光光度計：上海元析儀器有限公司；TGL18M型臺式高速冷凍離心機：鹽城市凱特實驗儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的制備

設置擠壓膨化機梯度加熱溫度為50、90、110、135℃。將小麥麩皮干燥后粗粉碎，調節不同濕度喂料，取模頭壓力分別為1.3、1.4、1.5、1.6 MPa時的膨化物料進行粉碎，過80目篩，測試待用。以未經處理的小麥麩皮為對照組。

1.2.2 小麥麩皮粉成分測定

蛋白含量的測定采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法；總膳食纖維和可溶性膳食纖維含量的測定采用GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》中的方法；灰分含量采用GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》中總灰分的測定方法；植酸含量參照GB 5009.153—2016《食品安全國家標準食品中植酸的測定》中的方法測定。

1.2.3 小麥麩皮粉的顏色分析

采用色差儀對小麥麩皮粉的顏色進行測定，采用亨特（Hunter）色差公式表示，L*為亮度值，a*為綠度-紅度值，b*為藍度-黃度值。

1.2.4 小麥麩皮粉的微觀結構觀察

小麥麩皮粉過120目篩，粘于導電膠紙上，采用導電鍍膜法鍍膜后通過掃描電鏡觀察。

1.2.5 小麥麩皮粉的流動性分析

粉體的堆積密度（g/mL）和振實密度（g/mL）采用粉體綜合特性測試儀測試完成。樣品的相對增重用振實密度相對于堆積密度的增重百分比表示。

1.2.6 小麥麩皮粉的水合特性測定

1.2.6.1 持水力的測定

準確稱取1.00 g樣品，與50 mL蒸餾水混合，磁力攪拌30 min后，4 500 r/min離心30 min后，去掉樣品表層水分，稱量樣品持水質量，樣品持水力（g/g）為每克樣品持有水分的質量（g）。

1.2.6.2 膨脹力的測定

準確稱取1.00 g樣品，放入帶刻度的玻璃試管中記錄干基體積V1，然后加入10 mL蒸餾水，充分振蕩后靜置12 h，記錄樣品濕基體積V2，樣品膨脹力（mL/g）為每克樣品膨脹體積（V2-V1）。

1.2.7 小麥麩皮粉的熱穩定性分析

稱量8 mg～9 mg樣品至鋁皿中，以空皿為參比，記錄從室溫25℃到200℃的升溫變化曲線，升溫速率為10℃/min，20 mL/min的氮氣為保護氣，通過設備自帶分析軟件進行熱穩定性分析。

1.2.8 小麥麩皮粉抗氧化性分析

DPPH自由基清除能力和羥基自由基清除能力的測試參考He等[17]的方法進行，樣品采用70%乙醇浸提。采用IC50值，即自由基清除率為50%時的樣品濃度，比較抗氧化性的大小。

1.3 數據處理

所有試驗至少重復3次，試驗數據采用平均值±標準差表示，采用EXCEL 2019進行方差分析，P＜0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化處理對小麥麩皮粉組成和顏色的影響

擠壓膨化小麥麩皮粉基本組分和顏色見表1。

表1 擠壓膨化小麥麩皮粉基本組分和顏色Table 1 The components and colors of extruded wheat bran flour

由表1可知，擠壓膨化處理對小麥麩皮粉中的蛋白質含量有降低作用，但在較高壓力處理時，蛋白質含量降低差異不顯著（P＞0.05）；不同壓力處理對總膳食纖維含量的影響不顯著，但隨著壓力提高，可溶性膳食纖維含量呈現顯著升高的變化趨勢（P＜0.05）；灰分含量隨著擠壓程度的提高呈先升高后下降的變化趨勢，且1.3、1.4 MPa處理后，與對照組相比含量顯著升高（P＜0.05），植酸含量隨著擠壓膨化壓力的提高呈下降趨勢。擠壓膨化過程是高溫、高壓協同作用的過程。擠壓機腔內適當的壓力作用及溫度有利于蛋白質的降解，蛋白氮轉變為非蛋白氮，但當壓力過高時，麩皮物料的流動性增強，在腔體內的滯留時間縮短，蛋白質降解程度降低，這與肖志剛等[18]的研究結果一致。在本試驗范圍內膳食纖維含量未發生明顯變化，主要源于纖維高聚物結構的穩定性，但可溶性膳食纖維含量顯著提高，主要是由于不溶性的果膠物質及不溶性的阿拉伯木聚糖類半纖維素可在高溫、高壓、高剪切力狀態發生熔融現象，或斷裂部分連接鍵，轉變成可溶性聚合物。在擠壓過程中，蛋白質與淀粉的降解均有可能導致灰分含量的升高，當壓力較大時，物料在機腔內的停留時間縮短，蛋白質的降解程度降低，灰分含量的提高也隨之呈現降低現象。在高溫、高壓、高剪切狀態下，植酸結構極易被破壞。因此，本文小麥麩皮內植酸經擠壓膨化處理后降解顯著，這與文獻[19]的研究結果一致。以上結果表明，小麥麩皮經擠壓膨化處理后，其營養組分的消化吸收性可能明顯提高。

由表1可知，經擠壓膨化處理后，小麥麩皮粉的亮度值（L*）呈現降低趨勢，在較低壓力處理時，亮度顯著降低（P＜0.05），這應該與停留機腔時間較長有關；a*和b*均呈現明顯提高的變化趨勢，說明小麥麩皮粉在較高的壓力和剪切力作用下的褐色反應明顯[20]。

2.2 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的微觀結構分析

擠壓膨化小麥麩皮粉的微觀結構見圖1。

圖1 擠壓膨化小麥麩皮粉的微觀結構Fig.1 Microstructure of extruded wheat bran flour

由小麥麩皮粉的微觀結構（圖1）可知，未經擠壓膨化處理的小麥麩皮粉顆粒表面平整，粒徑較大，隨著擠壓強度的增大，小麥麩皮粉顆粒粒徑明顯降低，呈現出在高擠壓狀態下的顆粒破損情況，尤其是在1.6 MPa時表面出現近似熔融現象，說明此時高溫、高壓及剪切聯合作用顯著[21]。小麥麩皮粉經擠壓膨化后，顆粒形貌發生明顯變化，表明其功能特性也會有所改變。

2.3 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的流動性分析

小麥麩皮粉的堆積密度和振實密度見圖2。

圖2 小麥麩皮粉的堆積密度和振實密度Fig.2 Bulk density and tap density of wheat bran flour

由圖2可知，相較對照組的未處理小麥麩皮粉，隨著擠壓膨化壓力的提高，堆積密度呈先上升后下降的變化趨勢，振實密度為升高的變化趨勢，但是變化差異不明顯。堆積密度取決于粉末顆粒的空間排布，振實密度反映粉末顆粒的間隙大小。結合電鏡結果可知，隨著擠壓膨化壓力的增加，小麥麩皮粉顆粒粒徑降低，顆粒比表面積增大，顆粒之間的吸附性增強，因此，表現出較對照組高的堆積密度。同時，由于顆粒的不規則性破損，表面粗糙，導致顆粒之間的空隙增大，所以處理組樣品的堆積密度呈現下降趨勢，振實密度呈現上升的變化趨勢。計算樣品的相對增重情況，由圖2可知，擠壓膨化處理組樣品振實密度相對于堆積密度的增重百分比呈上升趨勢，這說明細小顆粒對顆粒間隙進行了有效填充，進一步表明小麥麩皮粉顆粒在高溫、高壓和高剪切狀態下的細化情況，同時表明擠壓膨化小麥麩皮粉可能會具有較好的流動性。

2.4 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的水合特性分析

小麥麩皮粉的水合特性見圖3。

圖3 小麥麩皮粉的水合特性Fig.3 Hydration characteristics of wheat bran flour

水合特性是小麥麩皮粉在食品加工中應用的重要特性之一。由圖3可知，擠壓膨化處理有利于小麥麩皮粉持水力和膨脹力的提高，且隨著處理壓力的提高，小麥麩皮粉持水力和膨脹力呈上升趨勢，這與可溶性膳食纖維含量的變化趨勢基本一致。小麥麩皮富含膳食纖維，通過擠壓膨化處理，膳食纖維的網狀結構得以改變，可溶性膳食纖維含量增多，具有更強的持水力和膨脹力，這有利于高膳食纖維類食品的加工[22]。

2.5 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的熱穩定性分析

擠壓膨化小麥麩皮粉的熱力學特征參數見表2。

表2 擠壓膨化小麥麩皮粉的熱力學特征參數Table 2 Thermodynamic parameters of extruded wheat bran flour

由表2可知，隨著擠壓膨化處理程度的提高，小麥麩皮粉的熱力學參數值呈現升高的變化趨勢，表明小麥麩皮粉的熱穩定性提高，這與超微粉碎小麥麩皮粉的研究結果基本一致[17]。鑒于纖維素和半纖維的降解溫度多在200℃以上，小麥麩皮粉熱穩定變化可能與其水合特性改變有一定的相關性。在對澳大利亞樹皮超微粉的研究中，隨著麩皮粒徑的降低，水合特性的提高，越來越多的水分子可以進入顆粒內部，導致需要更多的水分蒸發，因此，熱穩定性顯著提高[23]。

2.6 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的抗氧化性分析

天然抗氧化劑不僅來源安全，而且具有較高的營養價值，并且可以在體內外阻止或降低自由基氧化反應，因此，天然抗氧化劑的挖掘一直是功能性食品行業的研究熱點。小麥麩皮粉的抗氧化性結果見圖4。

圖4 小麥麩皮粉的抗氧化性Fig.4 Antioxidant properties of wheat bran flour

由圖4可知，隨著擠壓膨化處理程度的提高，DPPH自由基清除能力的IC50值呈現降低趨勢，表明抗氧化能力逐漸增強。Arnab等[24]的研究表明，總酚含量與DPPH自由基清除能力具有較好的正相關性。在擠壓膨化處理過程中可能釋放了束縛的酚酸物質，提高了麩皮醇提物的抗氧化性，但是當壓力較大時，這一變化差異可能不顯著，這與Jin等[25]的研究結果一致。由圖4可知，經擠壓膨化處理后，小麥麩皮粉的羥基自由基清除能力均較對照組顯著增強（P＜0.05），表明此時小麥麩皮粉醇提物中含有較多的供氫體，可使強氧化性的羥基自由基還原，從而終止自由基的氧化連鎖反應[26]。前期研究表明，麩皮中富含多酚類、黃酮類及皂苷類物質，這均對清除羥基自由基有積極作用[27]。

3 結論

取擠壓膨化模頭壓力分別為1.3、1.4、1.5、1.6 MPa時的小麥麩皮粉物料進行研究，發現高溫、高壓、高剪切狀態利于可溶性膳食纖維含量的提高和植酸含量的降低，顆粒褐色反應明顯，擠壓膨化會導致小麥麩皮粉顆粒的破損，粒徑降低，顆粒表面粗糙，進一步提高了擠壓膨化小麥麩皮粉的堆積密度、振實密度和相對增重，使其具有更強的持水力和膨脹力，并且熱穩定性和抗氧化性顯著增強（P＜0.05）。以上研究表明，不同模頭壓力對擠壓膨化麩皮粉品質有一定的差異性影響，可作為擠壓膨化處理小麥麩皮粉的控制參數，經處理后的小麥麩皮粉可作為食品配料用于營養健康食品的開發。