燕麥超微粉加工工藝優(yōu)化及其特性分析

趙冬，羅寶劍，李璐，陳秋桂，田靜，何志貴*

1.桂林旅游學(xué)院休閑與健康學(xué)院（桂林 541006）；2.桂林西麥?zhǔn)称饭煞萦邢薰荆ü鹆?541004）

燕麥（Avena sativa L.）是有利于人體健康的重要全谷物之一[1-2]。燕麥含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、維生素E、燕麥生物堿、γ-氨基丁酸、阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖等[3-5]。研究認(rèn)為，燕麥生物堿、β-葡聚糖等功能成分具有降低血膽固醇、抗炎、抗腫瘤及預(yù)防心血管疾病的作用[6-9]。隨著燕麥營養(yǎng)功效的深入研究，燕麥已成為國內(nèi)外消費(fèi)者最青睞的健康食品之一。

國內(nèi)燕麥?zhǔn)称分饕獮閭鹘y(tǒng)方法加工的燕麥片和燕麥粉，但因沖泡時間長、口感較為粗糙，限制了燕麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展，消費(fèi)主要集中在老年人、減肥等人群；燕麥粉可添加于饅頭、包子、面條、固體飲料等食品[10]，但因顆粒粗糙、沖調(diào)性差而添加量相對較少，難以發(fā)揮燕麥營養(yǎng)價值。超微粉碎技術(shù)是現(xiàn)代食品加工高新技術(shù)，能有效減少物料粒徑，增加溶解性、分散性，以改善食品的加工適應(yīng)性、提高產(chǎn)品口感細(xì)膩，并使食品的營養(yǎng)成分更易被人體吸收[11]。超微粉碎技術(shù)在提高食品加工性能和營養(yǎng)價值方面具有重要作用，已在谷物[12-14]、茶葉[15]、肉制品[16]、果蔬纖維[17]中得到較好應(yīng)用。試驗(yàn)采用響應(yīng)面分析法，以燕麥超微粉平均粒徑D50為指標(biāo)，確定燕麥超微粉碎的最優(yōu)工藝條件，為增加燕麥全谷物食品形態(tài)、開發(fā)燕麥含量高的食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥粒（來自澳大利亞進(jìn)口的皮燕麥，取生產(chǎn)線脫殼、烘麥塔蒸煮滅酶及干燥后的燕麥粒，由桂林西麥?zhǔn)称饭煞萦邢薰咎峁?/p>

β-葡聚糖測定試劑盒（愛爾蘭Megazyme公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

氣流粉碎機(jī)（CSM-280VD，山東埃爾派粉體科技股份有限公司）；激光粒度分析儀（LS-POP（6）型，歐美克儀器有限公司）；高速萬能粉碎機(jī)（SF-320型，江蘇泰興蘇中制藥機(jī)械有限公司）；圓形振動篩（ZS-800型，常州市達(dá)諾機(jī)械設(shè)備有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9075A型，上海精密儀器儀表有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 燕麥超微粉碎工藝流程及操作要點(diǎn)

燕麥粒→粗粉碎→篩分→干燥→超微粉碎→燕麥超微粉

操作要點(diǎn)：（1）粗粉碎。將生產(chǎn)線上蒸煮滅酶處理后的燕麥粒用萬能粉碎機(jī)粉碎，利用圓形振動篩進(jìn)行篩分，分別得到20，40和60目燕麥粗粉，備用。（2）干燥。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，由于生產(chǎn)線上的燕麥粒水分在9%～10%，為適應(yīng)超微粉碎工藝需進(jìn)一步干燥，使燕麥粉水分降低至5%。（3）超微粉碎。取干燥后的不同顆粒大小的燕麥粗粉，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件進(jìn)行超微粉碎，通過旋風(fēng)收集器得到燕麥超微粉。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取干燥至水分5%的燕麥粗粉，控制進(jìn)料速度500 g/min、粉碎頻率40 Hz，研究對照組（燕麥整粒）、20，40，60和80目等不同顆粒大小對燕麥超微粉碎效果的影響；取干燥至水分5%的40目燕麥粗粉，設(shè)定粉碎頻率40 Hz，研究3.6，4.8，6.0，7.2和8.4 kg/h的進(jìn)料速度對燕麥超微粉碎效果的影響；取干燥至水分5%的40目燕麥粗粉，控制進(jìn)料速度500 g/min，研究粉碎頻率20，30，40，50和60 Hz對超微粉碎效果的影響。

1.3.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析和Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，選取顆粒大小、進(jìn)料速度、粉碎頻率為試驗(yàn)因素，以燕麥超微粉的平均粒徑（D50）為響應(yīng)值，以優(yōu)化燕麥超微粉碎最優(yōu)工藝條件。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

1.3.3 超微粉特性的分析方法

1) 燕麥超微粉粒徑的測定[18]

取約0.5 g燕麥超微粉，加入30 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢?、分散后得到懸浮液，緩慢加入比色皿中。設(shè)置折射率1.5，控制遮光比12%。

2) 沖調(diào)特性的測定

溶解性：參考劉磊等[19]方法，略有修改。準(zhǔn)確稱取5.0 g樣品，加100 mL 80 ℃的蒸餾水沖調(diào)，充分?jǐn)嚢? min，轉(zhuǎn)入離心機(jī)中，設(shè)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心20 min。將離心后得到的上層清液倒入稱量瓶中，于105 ℃下烘干，恒質(zhì)量后準(zhǔn)確稱取質(zhì)量。重復(fù)3次。計(jì)算其溶解度。

溶解度=[上清液烘干后稱量瓶恒質(zhì)量（g）-空稱量瓶恒質(zhì)量（g）]/樣品干質(zhì)量（g）×100% （1）

分散穩(wěn)定時間：參考張艷等[20]方法，略有改動。取樣品5.0 g，用50 mL去離子水中充分分散，轉(zhuǎn)移到10 mL量筒中，靜置。待溶液分層上清液體積為1 mL時所需時間，重復(fù)3次。

3) β-葡聚糖的測定

參照NY/T 2006—2011《谷物及其制品中β-葡聚糖含量的測定》，β-葡聚糖含量以干基計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒大小對燕麥超微粉碎的影響

由圖1可知，燕麥粉碎前的顆粒大小對超微粉碎效果影響較為明顯，一開始隨著顆粒變細(xì)，超微粉平均粒徑減少，但粉碎前粒徑達(dá)到40目之后，粉碎效果達(dá)到最佳。這是因?yàn)殡S著粉碎前物料顆粒變細(xì)，在粉碎時每個顆粒的表面能增加，反而增加了團(tuán)聚機(jī)會。而粉碎前的顆粒越小，生產(chǎn)成本越高。因此，選擇粉碎前的燕麥顆粒大小為20～60目。

圖1 不同顆粒大小對燕麥超微粉碎效果的影響

2.2 進(jìn)料速度對超微粉碎的影響

由圖2可知，進(jìn)料速度在低于4.8 kg/h情況下，隨著投料速度增加，而粉碎效果越好，說明投料量過少，燕麥在粉碎腔內(nèi)受到的沖擊、摩擦幾率越大，從而使粒徑降低，但進(jìn)料速度過低，過細(xì)的粉末可能發(fā)生了團(tuán)聚，從而導(dǎo)致粒徑增加。進(jìn)料速度高于4.8 kg/h時，燕麥超微粉碎效果隨著進(jìn)料速度增加而緩慢降低，粉碎腔中顆粒碰撞能量降低，導(dǎo)致粒徑增大[21]。因此，選擇進(jìn)料速度在4.8～7.2 kg/h較為合適。

2.3 粉碎頻率對超微粉碎效果的影響

圖3表示不同粉碎頻率對超微粉碎效果的影響。隨著粉碎頻率增加，粉體粒徑先減小而后逐漸增大，頻率30 Hz時，粉碎效果最好。這是因?yàn)轭l率越大，分級輪的轉(zhuǎn)速越大，物料在粉碎腔中粉碎次數(shù)增加，從而使物料粒徑變小，若粒徑繼續(xù)減小，粉體表面能增加，造成粉體重新團(tuán)聚[22]。因此，選擇粉碎頻率為30～50 Hz。

圖2 不同進(jìn)料速度對燕麥超微粉碎效果的影響

圖3 不同粉碎頻率對燕麥超微粉碎效果的影響

2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化超微粉碎工藝

燕麥超微粉碎工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

對試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到二次回歸擬合曲線方程為：Y=12.73-0.44A+1.89B+2.45C-0.28AB+2.46AC+1.54BC+1.54A2+0.36B2+2.69C2。

對該回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，方程模型的相關(guān)性極顯著（p＜0.001），失擬項(xiàng)不顯著（p=0.078 7＞0.05），可見該方程的擬合度和可信度較高，能夠較好地預(yù)測各條件下燕麥超微粉碎的效果。根據(jù)表3中p值可知，一次項(xiàng)B、C，二次項(xiàng)AC及二次項(xiàng)C2對超微粉碎效果影響極顯著（p＜0.01），交互項(xiàng)BC和二次項(xiàng)A2對超微粉碎效果影響顯著（p＜0.05）。根據(jù)表3中F值可知，影響超微粉碎效果各因素的順序?yàn)镃（粉碎頻率）＞B（進(jìn)料速度）＞C（顆粒大?。?/p>

表3 回歸方程方差分析表

圖4～圖6顯示各因素之間對超微粉碎效果影響的交互作用，響應(yīng)曲面圖越陡，交互作用越顯著，反之則交互作用越弱。由圖4可知，響應(yīng)曲面圖坡度相對平緩，顆粒大小與進(jìn)料速度交互作用不顯著，而由圖5可知，響應(yīng)曲面圖坡度最陡，顆粒大小與粉碎頻率的交互作用最顯著，這與表3中分析一致。

圖4 顆粒大小與進(jìn)料速度交互作用的響應(yīng)面

圖5 顆粒大小與粉碎頻率交互作用的響應(yīng)面

圖6 進(jìn)料速度與粉碎頻率交互作用的響應(yīng)面

2.5 驗(yàn)證結(jié)果

通過響應(yīng)面分析得到最佳粉碎工藝條件：粉碎前顆粒大小49.10目，進(jìn)料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36.08 Hz，得到的預(yù)測值為11.06 μm?？紤]到操作實(shí)際，調(diào)整最佳工藝條件為：顆粒大小50目、進(jìn)料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36 Hz。在此條件下，得到試驗(yàn)值為11.25 μm，與預(yù)測值相對誤差RSD為1.53%。

2.6 燕麥超微粉理化特性分析

表4表示燕麥超微粉碎前后的理化特性變化。經(jīng)最佳工藝超微粉碎之后，燕麥粉的平均粒徑達(dá)到11.25 μm大幅降低燕麥麩皮帶來的粗糙口感。從沖調(diào)性來看，經(jīng)超微粉碎之后，燕麥溶解度、分散穩(wěn)定時間均得到了顯著提高（p＜0.05），非常適合為開發(fā)具有代餐效果的固體飲料奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過超微粉碎，燕麥β-葡聚糖得到了顯著提高，達(dá)到2.85%，這可能因?yàn)槌⒎鬯槠茐难帑溑呷榧?xì)胞壁，更好地釋放燕麥β-葡聚糖，表明超微粉碎提高燕麥的營養(yǎng)價值。

表4 燕麥超微粉碎前后的理化特性變化

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超微粉碎工藝，結(jié)合生產(chǎn)操作實(shí)際，得到最佳工藝參數(shù)，即顆粒大小50目、進(jìn)料速度4.8 kg/h，粉碎頻率36 Hz，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可靠。在最佳超微粉碎工藝條件下，燕麥溶解度和分散穩(wěn)定時間得到顯著提高，沖調(diào)性得到有效改善。此外，超微粉碎增加燕麥功能性成分β-葡聚糖的溶出率，提高燕麥營養(yǎng)價值，為更大范圍應(yīng)用燕麥健康食品配料奠定基礎(chǔ)。