薯類原料膨化特性及其膨化粉品質(zhì)特性

白 潔，彭義交，劉麗莎，李玉美，張小飛，金 楊，張 清，田 旭，郭 宏*

（北京食品科學(xué)研究院，北京 100162）

薯類作物營(yíng)養(yǎng)豐富，不僅富含淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素及礦物元素等成分，還含有黏液蛋白等多種生物活性成分，在抗氧化、防衰老、降血脂、降血糖等方面具有輔助作用，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高[1-2]。我國(guó)是薯類生產(chǎn)大國(guó)，馬鈴薯和甘薯類作物的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，但其加工比例相對(duì)較低，多被用于加工成全粉、淀粉、薯?xiàng)l、薯片等產(chǎn)品，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距。

擠壓膨化技術(shù)是將預(yù)處理后的物料，經(jīng)過機(jī)械作用迫使其在高溫高壓下通過模頭上的?？?，以形成一定形態(tài)與組織狀態(tài)的產(chǎn)品。擠壓膨化技術(shù)加工的食品具有加工工藝多變、產(chǎn)量高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及原料適用性廣等突出的優(yōu)點(diǎn)[3-5]，是目前公認(rèn)的較理想的食品生產(chǎn)技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于擠壓膨化薯類產(chǎn)品的研究主要集中在工藝優(yōu)化、產(chǎn)品應(yīng)用以及生物活性成分變化等方面。李春紅等[6]研究了甘薯擠壓膨化的工藝，并認(rèn)為甘薯品種和膨化溫度對(duì)于甘薯擠壓膨化特性和膨化參數(shù)有顯著影響。章麗琳等[7]研究了擠壓膨化參數(shù)對(duì)馬鈴薯全粉理化性質(zhì)的影響，從而得出最優(yōu)工藝條件。Shih等[8]研究了2 種不同顏色甘薯擠壓制品抗氧化性和生理特性的變化，發(fā)現(xiàn)擠壓工藝可以顯著增加酚類化合物含量，提高清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的能力。Nikmaram等[9]指出擠壓技術(shù)可以降低谷薯類產(chǎn)品抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量。Iwe等[10]研究了擠壓膨化對(duì)甘薯粉和脫脂豆粉中有效賴氨酸和褐變指數(shù)的影響。關(guān)于擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化特性及其品質(zhì)特性的研究較少，因此，本實(shí)驗(yàn)通過研究4 種不同薯類原料膨化特性、質(zhì)構(gòu)特性、糊化特性及其分散穩(wěn)定性的變化，明確不同薯類原料膨化特性、品質(zhì)特性之間的差異，為不同薯類膨化產(chǎn)品原料的篩選與加工適宜性的研究提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯全粉（品種大西洋） 內(nèi)蒙古凌志馬鈴薯科技股份有限公司；紫馬鈴薯全粉（品種黑金剛） 甘肅廣生源商貿(mào)有限公司；甘薯全粉（品種江西白）、紫甘薯全粉（品種濟(jì)黑一號(hào)） 秦皇島紫龍生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓膨化設(shè)備 山東德固機(jī)械設(shè)備有限公司；Exponent Lite Express質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；UV3300紫外-可見分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司；RVA-4500快速黏度分析儀（rapid viscosity analyzer，RVA） 瑞典波通儀器公司；Turbiscan AGS穩(wěn)定性分析儀 法國(guó)Formulaction公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

薯類原料調(diào)節(jié)水分體積分?jǐn)?shù)至15%，螺桿電機(jī)頻率30 Hz，喂料電機(jī)頻率15 Hz，套筒溫度II～VII段分別為80、90、100、120、130、140 ℃，該條件下對(duì)4 種不同薯類原料進(jìn)行擠壓膨化，樣品于干燥箱中貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 基本組分含量的測(cè)定

淀粉含量的測(cè)定參照GB 5009.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測(cè)定》；蛋白質(zhì)含量的測(cè)定參照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》；粗脂肪含量的測(cè)定參照GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》；粗纖維含量的測(cè)定參照GB 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》。

1.3.3 膨化度的測(cè)定

膨化度用徑向膨化率表示。用數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺測(cè)定樣品直徑，每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)定10 次，求其平均值作為產(chǎn)品的平均直徑d/mm，d除以?？谥睆剑?.2 mm），其商為徑向膨化率。

1.3.4 容積密度的測(cè)定

按照海沙置換法測(cè)定[11]：取250 mL量杯一個(gè)，量取一定體積V1的海沙，將樣品與海沙同時(shí)緩慢倒入量杯，測(cè)得體積V2，樣品體積V＝V2-V1，多次測(cè)量取平均值。在測(cè)量樣品體積前，先用電子天平稱其質(zhì)量m。容積密度ρ的計(jì)算見公式（1）。

1.3.5 糊化度的測(cè)定

將擠壓膨化后的薯類原料用粉碎機(jī)粉碎，過40 目篩網(wǎng)，參照熊易強(qiáng)[12]的方法進(jìn)行糊化度的測(cè)定。

1.3.6 WSI及WAI值的測(cè)定

將擠壓膨化前后的薯類原料過60 目篩網(wǎng)，取2 g左右的樣品，標(biāo)記為m0，放入已知質(zhì)量m1的離心管中，加入25 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min，直至樣品完全分散形成懸浮液體系。將懸浮液體系在30 ℃水浴中保溫30 min，每間隔10 min振蕩一次，水浴后4 000 r/min離心15 min。將上清液慢慢倒入已恒質(zhì)量m2的燒杯中，烘干稱質(zhì)量m3。同時(shí)，稱取離心管及沉淀的凝膠稱質(zhì)量m4，水溶性指數(shù)（water soluble index，WSI）和吸水性指數(shù)（water absorption index，WAI）的計(jì)算公式見式（2）、（3）[13]。

1.3.7 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

稱取不同薯類原料，按料液比1∶5（m/V）沖調(diào)，水溫80 ℃，攪拌均勻后，放置于室溫（25 ℃）。選用質(zhì)構(gòu)儀反式擠壓探頭A/BE 35測(cè)定不同薯類樣品的質(zhì)構(gòu)特性。參數(shù)設(shè)置為：測(cè)前速率2 mm/s，測(cè)量速率1 mm/s，測(cè)后速率2 mm/s，下壓距離10 mm，觸發(fā)力5 g[6]。

1.3.8 糊化特性測(cè)定

采用RVA根據(jù)AACC 76—21標(biāo)準(zhǔn)方法稍加改進(jìn)。隨機(jī)取樣7.0 g，添加1.0 g糖粉分散混合均勻，添加25 g冰水，攪拌均勻后直接用RVA標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行測(cè)定，溫度采用Std 1特定升溫程序。

1.3.9 分散穩(wěn)定性測(cè)定

稱取薯類原料2.0 g放入燒杯中，加入25 mL水（80 ℃），攪拌器300 r/min攪拌均勻，待樣品冷卻至30 ℃左右時(shí)，倒入20 mL的測(cè)量池內(nèi)備用，采用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀測(cè)定其分散穩(wěn)定性。參數(shù)設(shè)置為：測(cè)量探頭從樣品池底部到頂部每40 μm掃描一次，掃描時(shí)間30 min，掃描間隔6 min，掃描溫度30 ℃，選取背散射光對(duì)樣品進(jìn)行分析，并通過計(jì)算樣品中部（10～30 mm）的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)（turbiscan stability index，TSI）來(lái)表征樣品的分散穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel、PASW Statistics 18.0軟件進(jìn)行處理分析，采用ANOVA進(jìn)行差異顯著性分析，使用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)P＜0.05時(shí)表示差異或相關(guān)性顯著。Turbiscan穩(wěn)定性分析儀采集數(shù)據(jù)使用TurbiSoft 2.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料基本組分含量的影響

4 種薯類原料淀粉、蛋白質(zhì)含量顯著不同，其中馬鈴薯樣品淀粉含量最高，達(dá)83.11%，甘薯樣品淀粉含量最低，為60.38%。擠壓膨化后，4 種薯類原料基本組分含量均顯著降低（表1），這是由于在擠壓膨化過程中物料發(fā)生淀粉糊化降解、蛋白質(zhì)變性、脂肪破裂、纖維降解所致[7]。

表 1 不同薯類原料擠壓膨化前后基本組分含量的變化Table 1 Changes in major components of different potato materials during extrusion%

2.2 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化特性的影響

圖 1 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化度和容積密度的影響Fig. 1 Effect of extrusion on swelling degree and volume density of different potato materials

2.2.1 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化度和容積密度的影響如圖1所示，馬鈴薯類原料（包括馬鈴薯與紫馬鈴薯，下同）與甘薯類原料（包括甘薯與紫甘薯，下同）徑向膨化率和容積密度顯著不同，其中馬鈴薯類原料有較高的徑向膨化率及較低的容積密度，膨化效果顯著優(yōu)于甘薯類原料，這與雷鳴等[14]的研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為這是不同薯類原料淀粉含量差異所致。一般來(lái)說，淀粉含量高的原料擠壓膨化效果更好。但同一類別的原料間無(wú)顯著性差異，這可能與原料所含直鏈/支鏈淀粉、支鏈淀粉分子大小及其空間結(jié)構(gòu)等有關(guān)[15]。

2.2.2 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料糊化度的影響

圖 2 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料糊化度的影響Fig. 2 Effect of extrusion on gelatinization degree of different potato materials

由圖2可見，擠壓膨化后不同薯類原料的糊化度顯著增加且差異顯著，其中馬鈴薯樣品糊化度最高，達(dá)94.30%，甘薯樣品糊化度最低，為86.98%。研究表明，在不同的加工工序中同一原料的糊化度是不同的，而擠壓膨化后的樣品糊化度應(yīng)在80%以上[11]，這符合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一般認(rèn)為在擠壓膨化過程中，物料借助螺桿的推動(dòng)向前擠壓，同時(shí)受到混合、攪拌、摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉發(fā)生糊化和降解[4,16]，從而使糊化度增加。

2.2.3 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料WSI和WAI值的影響

不同薯類原料膨化前后WSI和WAI值的變化見圖3、4。4 種薯類原料膨化后WSI值顯著增加，其中馬鈴薯樣品增加幅度最高，達(dá)138.97%；甘薯樣品增加幅度最低，僅為16.67%。WSI值的增加是因?yàn)槲锪显跀D壓過程中獲得的能量增多，從而使大分子變?yōu)樾》肿拥臄?shù)目增多，如淀粉分子部分支鏈被剪斷，分子間作用力被削弱，從而生成的可溶物數(shù)量增多，使WSI值增加[17-18]。膨化后，4 種薯類原料的WAI值顯著降低，其中馬鈴薯類原料變化較大，這與李鍇[19]研究的擠壓膨化對(duì)糙米的影響類似，他認(rèn)為這是部分淀粉在高溫高壓下發(fā)生降解生成糊精所致。肖蓮榮[20]的研究也表明，當(dāng)吸水指數(shù)低于7.0時(shí)馬鈴薯擠壓產(chǎn)品的WAI與WSI值變化趨勢(shì)相反，并認(rèn)為其與物料淀粉分子結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

圖 3 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化前后WSI值的影響Fig. 3 Effect of extrusion on WSI of different potato materials

圖 4 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料膨化前后WAI值的影響Fig. 4 Effect of extrusion on WAI of different potato materials

2.3 基本組分含量與薯類膨化特性相關(guān)性分析

表 2 基本組分含量與薯類膨化特性相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of chemical components and extrusion properties

對(duì)不同薯類原料膨化前后基本組分含量的變化率與糊化度、WSI及WAI值的變化率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。膨化前后薯類原料糊化度的變化率與淀粉含量的變化率呈極顯著正相關(guān)，與蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維含量的變化率無(wú)顯著相關(guān)性；WSI值的變化率與淀粉、蛋白質(zhì)含量的變化率呈極顯著正相關(guān)，與脂肪、粗纖維含量變化率呈顯著正相關(guān)；WAI值的變化與蛋白質(zhì)含量變化率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與淀粉、脂肪及粗纖維含量的變化率呈顯著負(fù)相關(guān)。說明不同薯類原料糊化度的變化率僅與淀粉含量變化率有關(guān)，而WSI、WAI值的變化率與4 個(gè)基本組分含量變化率均有關(guān)。此外，不同薯類原料膨化特性的差異與物料基本組分?jǐn)D壓膨化前后的變化有關(guān)，這是由不同物料所含基本組分的含量及類型決定的，這與Linko[21]、趙明杰[22]等的研究類似。

2.4 擠壓膨化對(duì)不同薯類原料品質(zhì)特性的影響

2.4.1 不同膨化薯粉的質(zhì)構(gòu)特性

表 3 不同膨化薯粉的質(zhì)構(gòu)特性Table 3 Textural characteristics of different extruded potato materials

由表3可知，不同膨化薯粉堅(jiān)實(shí)度、稠度、黏聚性及黏性指數(shù)差異顯著。一般來(lái)說，堅(jiān)實(shí)度和稠度越大，說明樣品越黏稠，內(nèi)聚力越大，當(dāng)探頭下壓時(shí)對(duì)其抵抗力越大，即說明樣品爽滑性、細(xì)膩性越差[23]。馬鈴薯類原料有著較低的堅(jiān)實(shí)度和稠度，說明馬鈴薯類原料經(jīng)擠壓膨化后樣品爽滑性、細(xì)膩性更好，但馬鈴薯與紫馬鈴薯樣品間差異不顯著。黏聚性及黏性指數(shù)主要反映樣品的黏度，黏聚性越大，說明樣品的品質(zhì)越好[24]，馬鈴薯類原料的黏性指標(biāo)均高于甘薯類原料，說明馬鈴薯類膨化粉的品質(zhì)更好。

2.4.2 不同膨化薯粉的糊化特性

一般來(lái)說，糊化特性曲線中低谷黏度反映了樣品在高溫下的耐剪切能力，同時(shí)反映熟化度的高低，低谷黏度越高，則熟化度越低；衰減值反映了淀粉的熱糊穩(wěn)定性，衰減值越小，則熱糊穩(wěn)定性越好；回生值反映了淀粉冷糊的穩(wěn)定性和老化趨勢(shì)，回生值越小，則冷糊穩(wěn)定性越好，淀粉越不易老化；回生值與峰值黏度的比值越小，口感越好[25-26]。

表 4 不同膨化薯粉的糊化參數(shù)Table 4 Pasting parameters of different extruded potato materials

由表4可知，馬鈴薯類原料的低谷黏度、回生值及回生值/峰值黏度均顯著低于甘薯類原料，說明馬鈴薯類膨化粉熟化度高、口感好，其中馬鈴薯樣品顯著優(yōu)于紫馬鈴薯。但馬鈴薯類原料的衰減值顯著高于甘薯類原料，說明馬鈴薯類膨化粉的熱糊穩(wěn)定性差，其中紫馬鈴薯顯著劣于馬鈴薯，紫甘薯顯著劣于甘薯。鑒于此，可以根據(jù)產(chǎn)品的不同加工需要選擇合適的薯類原料。

2.4.3 不同膨化薯粉的分散穩(wěn)定性

圖 5 樣品背散射光強(qiáng)度與樣品池高度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between back scattering light intensity and pool height

從圖5中可知，4 種不同膨化薯粉分散穩(wěn)定性差異顯著，4 個(gè)樣品底部均形成1 個(gè)向上的峰，說明底部均形成了沉淀層，其中峰越窄表明沉淀層厚度越小[27-28]，馬鈴薯樣品沉淀層厚度最小，甘薯樣品最大；樣品頂部雖會(huì)受凹液面影響，但總體來(lái)講4 個(gè)樣品頂部均呈現(xiàn)向下的趨勢(shì)，說明頂部體系濃度變小；4 個(gè)樣品中部背散射光強(qiáng)度變化差異顯著，其中馬鈴薯樣品的中部背散射光強(qiáng)度幾乎沒有變化，紫馬鈴薯樣品變化也較小，但甘薯與紫甘薯樣品變化較大。綜合圖譜分析可知，馬鈴薯膨化粉的分散穩(wěn)定性最佳，甘薯最差。

圖 6 不同膨化薯粉穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)Fig. 6 Stability kinetic indexes of different extruded potato materials

通過計(jì)算樣品的TSI值進(jìn)一步明確4 個(gè)樣品體系的穩(wěn)定程度，TSI值越小，體系越穩(wěn)定[29-30]。從圖6中可知，不同膨化薯粉的TSI值隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，同一時(shí)間段內(nèi)4 個(gè)樣品的TSI值顯著不同。30 min時(shí)，4 個(gè)樣品的TSI值從小到大依次為馬鈴薯、紫馬鈴薯、紫甘薯、甘薯，由此可知，4 種薯類膨化粉的分散穩(wěn)定性順序依次為馬鈴薯＞紫馬鈴薯＞紫甘薯＞甘薯。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了馬鈴薯、紫馬鈴薯、甘薯、紫甘薯4 種薯類原料的膨化特性及其膨化粉質(zhì)構(gòu)特性、糊化特性、分散穩(wěn)定性的差異。結(jié)果表明：4 種薯類原料中，馬鈴薯類原料膨化特性顯著優(yōu)于甘薯類原料，其中馬鈴薯徑向膨化率、糊化度以及WSI值較高，容積密度較低，膨化性能最好。相關(guān)性分析可知：膨化前后薯類原料糊化度的變化率與淀粉的變化率呈極顯著正相關(guān)，與蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維的變化率無(wú)顯著相關(guān)性；WSI值的變化率與淀粉、蛋白質(zhì)的變化率呈極顯著正相關(guān)，與脂肪、粗纖維的變化率呈顯著正相關(guān)；WAI值的變化率與蛋白質(zhì)的變化率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與淀粉、脂肪及粗纖維的變化率呈顯著負(fù)相關(guān)，說明不同薯類原料膨化特性的差異與物料基本組分的變化有關(guān)。馬鈴薯類原料堅(jiān)實(shí)度、稠度顯著低于甘薯類原料，黏性指標(biāo)則相反，但馬鈴薯與紫馬鈴薯之間差異不明顯。馬鈴薯類原料的低谷黏度、回生值及回生值/峰值黏度均顯著低于甘薯類原料，說明馬鈴薯類膨化粉熟化度高、口感好，其中馬鈴薯顯著優(yōu)于紫馬鈴薯。穩(wěn)定性分析儀圖譜及TSI值均表明馬鈴薯類原料的分散穩(wěn)定性顯著優(yōu)于甘薯類原料，其中馬鈴薯樣品顯著優(yōu)于紫馬鈴薯。綜合分析可知，4 種薯類原料中，馬鈴薯類原料膨化特性及品質(zhì)特性顯著優(yōu)于甘薯類原料，其中馬鈴薯樣品品質(zhì)最佳。