擠壓膨化技術在雜糧加工業(yè)的應用研究

孟如君，劉靜，沈汪洋，2，李芳，2*

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430023；2.大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430023）

日趨理性的消費行為和現(xiàn)代健康膳食理念的普及，使得新型雜糧營養(yǎng)食品越來越受到消費者的喜愛。雜糧通常是指除水稻、小麥、玉米、大豆和薯類五大作物外的其它糧豆作物。同細糧相比，雜糧的某些微量元素含量更加豐富，如鐵、鎂、硒等，一些生物活性物質(zhì)如酚類、黃酮類物質(zhì)的含量也更為豐富[1]?，F(xiàn)代營養(yǎng)學研究結果表明，常吃雜糧可以防治包括高血壓、高血脂、高血糖、心腦血管疾病在內(nèi)的一些慢性病[2]。雜糧營養(yǎng)豐富且具有一些保健功效，但存在不易烹飪、口感不佳等問題，而且現(xiàn)代消費者注重更多的是食物的色、香、味、形，為了能在日常飲食中推廣雜糧，研究人員及食品企業(yè)還需對雜糧的加工方式等進行深入研究。

在目前已有的雜糧加工工藝中，無論是生產(chǎn)便利性、產(chǎn)品豐富性或者產(chǎn)品營養(yǎng)保持率，擠壓膨化工藝均能達到較高水平。擠壓膨化工藝在食品加工應用中的開發(fā)可以追溯到20 世紀30 年代——第一臺用于食品加工的單螺桿擠壓機問世[3]。隨著應用領域的拓展開發(fā)，單螺桿擠壓機的物料局限性促進了雙螺桿擠壓機的開發(fā)，且雙螺桿擠壓機在食品工業(yè)中的應用越來越多，目前在食品工業(yè)中最常用的擠壓機是雙螺桿、同向、完全齒合的梯形螺紋雙螺桿擠壓機[4]。因其在食品開發(fā)、生產(chǎn)中具有很高的價值，至20 世紀70 年代，歐美市場中方便食品已有30%采用擠壓膨化技術[3]，同期我國開始引入并研究擠壓膨化工藝，該項技術在國內(nèi)也得到了迅速的發(fā)展與推廣。目前在食品工業(yè)的應用領域中除了方便食品、休閑零食、食品添加劑等，該項技術在雜糧加工領域的應用開發(fā)也得到了越來越多的關注。

本文綜述了雜糧在擠壓前后營養(yǎng)物質(zhì)的變化情況，以及擠壓膨化技術在雜糧加工中的應用，以期為未來食品工業(yè)發(fā)展過程中擠壓工藝的應用與發(fā)展提供參考。

1 擠壓膨化工藝原理及特征

擠壓膨化將攪拌、混勻、加熱、擠壓、殺菌、膨化結合起來對物料進行處理，實現(xiàn)系列單元連續(xù)操作[5]。原料由喂料裝置進入擠壓機喂料口，同時向喂料口送入一定量的水，經(jīng)調(diào)質(zhì)裝置進入擠壓機機筒內(nèi)，由螺桿裹挾著向出料口輸送。在機筒內(nèi)運輸期間，物料與物料、螺桿和機筒內(nèi)壁產(chǎn)生巨大的摩擦力，螺桿同時對物料進行剪切，機筒內(nèi)的物料處于高溫、高壓、高剪切力環(huán)境中，其理化性質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)等均發(fā)生了一系列不同程度的物理和化學變化。隨著物料被擠出擠壓機模具口（即出口），溫度、壓力、水分含量均發(fā)生驟降，產(chǎn)品由此定型。

螺桿擠壓機可得到膨化和非膨化食品，二者的差異主要在擠壓機機筒溫度的設定方面。單純對物料進行擠壓則設定機筒溫度變化區(qū)間為先增后降，即兩端溫度低，中間溫度高；膨化則是設置機筒溫度逐步升高，使物料在出料口因壓力驟減、溫度驟降與水分汽化而膨脹，形成多孔結構。無論是否膨化，經(jīng)擠壓處理后物料的形狀、微觀結構及理化性質(zhì)均發(fā)生了改變[6]。擠壓膨化屬于食品質(zhì)構調(diào)整技術[7]，食品原料經(jīng)擠壓膨化處理后，其內(nèi)含的大分子營養(yǎng)物質(zhì)在一定程度上被降解為更小的分子，故更易消化吸收，同時擠壓膨化食品理化性質(zhì)的改變也對食品品質(zhì)的提高、貨架期的延長等具有一定的積極作用[8-9]。

擠壓過程中的高溫高壓環(huán)境，可使產(chǎn)品的消化率、速食性、滅霉率等趨向最大。除此之外，擠壓膨化設備生產(chǎn)能力高，連續(xù)性好，占地面積小，最終產(chǎn)品種類多、質(zhì)量好，在合理計算物料投入量及規(guī)范操作的前提下，生產(chǎn)過程中甚至無廢棄物排出。

2 雜糧擠壓處理后主要營養(yǎng)物質(zhì)的變化

雜糧具有很高的營養(yǎng)價值，所有種類的雜糧均含有碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪，不同雜糧中主要營養(yǎng)物質(zhì)的差異是含量不同，因此經(jīng)擠壓處理后，雜糧中主要營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)變化和原理大致相同。

2.1 碳水化合物

2.1.1 淀粉

雜糧中的主要營養(yǎng)物質(zhì)為淀粉，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，各種雜糧中兩種淀粉比例均不同，故口感、糊化特性、老化時間等也有所差異。據(jù)研究，擠壓膨化處理會使支鏈淀粉發(fā)生斷裂、降解，轉化成直鏈淀粉和糊精等小分子物質(zhì)，這是因為在擠壓機機筒內(nèi)的高溫高壓和高剪切力的作用下，α-1，6-糖苷鍵比α-1，4-糖苷鍵更易斷裂，故在擠壓過程中，支鏈淀粉的降解效果更明顯，徐曉茹等[10]的研究結果表明經(jīng)擠壓后直鏈淀粉含量提高。同時，淀粉顆粒的大小、形態(tài)等也會發(fā)生變化，變化的共同特征為淀粉顆粒被不同程度破碎、分布更加緊密等，這都對淀粉的消化特性、復水性、口感等產(chǎn)生影響[11]。

在擠壓膨化過程中，淀粉的糊化是一個很重要的變化。由目前已知的研究表明，淀粉糊化是由分子間氫鍵的斷裂造成的，加工中伴隨的高溫高壓狀態(tài)會使淀粉顆粒由固體狀迅速轉化為熔融態(tài)，同時氫鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生糊化結果。淀粉的糊化程度，與機筒溫度設定、水分含量和螺桿轉速均有關。馮玉紅[12]將帶胚玉米作為原料進行處理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的糊化度與機筒出口部分溫度呈正相關，而與擠壓機螺桿轉速呈負相關。可知在溫度不變條件下，擠壓機的螺桿轉速在允許范圍內(nèi)越慢，淀粉的糊化度越高。楊銘鐸[13]的研究發(fā)現(xiàn)，相比慣常使用的烹煮處理，擠壓膨化處理得到的淀粉糊化度更高。

2.1.2 膳食纖維

擠壓膨化技術在膳食纖維改性方面具有良好的前景。根據(jù)相關研究[14-15]，小麥麩及燕麥麩經(jīng)擠壓處理后，可溶性膳食纖維的含量均有所上升。經(jīng)處理的膳食纖維持水力和膨脹力有所增加，這兩項指標均是評價膳食纖維生理活性和加工應用特性的重要指標[16-17]?？扇苄陨攀忱w維可以被人體吸收幫助代謝脂類化合物，而不溶性膳食纖維雖不能被人體吸收，但能夠幫助維持腸道中的菌落平衡，并且促進腸道蠕動，有效防治便秘及一些胃腸疾病。

2.2 蛋白質(zhì)

擠壓膨化過程中的高溫、高壓、高剪切力的綜合作用會弱化蛋白質(zhì)結構間的結合力，破壞三、四級結構。在蛋白質(zhì)分子結構伸展、重組的過程中，表面電荷重新排布，氫鍵、二硫鍵發(fā)生部分斷裂，導致蛋白質(zhì)變性[18]。有研究表明[19]，蛋白質(zhì)變性程度與螺桿擠壓機的參數(shù)設定有密切關系：當擠壓溫度低、水分高、螺桿轉速快時，蛋白質(zhì)的變性程度低，同時擠出產(chǎn)品的溶解性好；反之則蛋白質(zhì)變性程度高，但組織化程度好。在壓力和蒸汽的作用下，變性的蛋白質(zhì)保留多孔結構，更易與酶結合，提高了蛋白質(zhì)的消化率。同時擠壓膨化過程中，蛋白質(zhì)發(fā)生降解產(chǎn)生小分子肽和氨基酸。降解過程中產(chǎn)生的氨基酸與物料中原本存在的氨基酸一同，與物料中原本存在的或淀粉降解后產(chǎn)生的還原糖和其它羰基化合物發(fā)生美拉德反應，造成氨基酸損失，產(chǎn)品中總的蛋白質(zhì)（總氮）含量因此降低。ILO 等[20]研究發(fā)現(xiàn)Lys、Arg、Cys 和Met 4 種氨基酸是不穩(wěn)定的氨基酸，在處理過程中遵照一級反應進行。由此可見，擠壓膨化過程中氨基酸的損失并不是所有種類等量進行的，為了保證擠出物中蛋白質(zhì)質(zhì)量，并設法減少Lys 等不穩(wěn)定氨基酸在處理過程中的損失率，在采用合適加工條件的同時，應加強氨基酸強化技術和方法的探究，從而獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2.3 脂肪

物料在擠壓機機筒內(nèi)進行處理時，脂肪酶在環(huán)境升溫過程中會加速甘油三酯的水解，產(chǎn)生單甘油和游離脂肪酸。但是目前已知的研究結果顯示，脂肪酶在70 ℃時就已經(jīng)被破壞，不具備生物活性，而擠壓機由喂料口至機筒加溫區(qū)間距短，且物料一直被螺桿向前輸送，故物料溫度低于70 ℃的相對時間短。在這一過程中脂肪被水解產(chǎn)生的游離脂肪酸是微量的。而且當溫度達到110 ℃時，脂肪便不再進行非酶氧化[21-22]。所以與其它處理方式相比，擠壓膨化處理得到的產(chǎn)品貨架期更長，脂肪氧化問題發(fā)生程度更低，因此可在一定程度上減少食品品質(zhì)下降和產(chǎn)生不良風味等脂肪氧化問題。

在擠壓膨化過程中，脂肪及其降解產(chǎn)物會與淀粉及蛋白質(zhì)形成絡合物，影響膨化效果。但這種絡合物組織細密、不易氧化水解，有利于保護脂肪免受氧氣等刺激氧化酸敗的不利因素影響，從而延長了產(chǎn)品的貨架期。劉通通等[23]對淀粉脂肪擠壓體系進行了研究，結果表明：擠壓處理所得產(chǎn)品中的淀粉脂肪復合物具有較高的熱穩(wěn)定性和酶解抗性，這些性質(zhì)使所得產(chǎn)品在食品加工和保藏過程中能較好地保持自身結構。

2.4 其它

多數(shù)維生素為熱敏性物質(zhì)，擠壓膨化工藝不可避免地對維生素的影響較大。但實際上，擠壓膨化處理過程是一種高溫短時過程，故相較于其它處理工藝，擠壓膨化的產(chǎn)品中維生素損失率更低，有研究表明處理時溫度、時間和維生素種類的差異，使得產(chǎn)品中維生素留存率可達70%～80%。在擠壓膨化過程中，熱敏性維生素VA、VB1、VC、VE和葉酸對處理敏感，而其它B族維生素和泛酸等在處理前后的含量變化不明顯[9]。

一些其它的熱敏性生物活性物質(zhì)，在擠壓膨化處理中都易被破壞。以酚類物質(zhì)為例，當加工溫度超過80 ℃時[22，24]，其自然結構便會遭到破壞，生物活性因此喪失。多酚為一類酚羥基結構的化合物，具有清除自由基、抗氧化、抗腫瘤、降血脂及調(diào)節(jié)人體免疫力等多種功能活性[25]。因此，加工過程中酚類物質(zhì)的損失也會使最終產(chǎn)品的抗氧化性降低，對營養(yǎng)造成了一些損失。

擠壓膨化處理過程中也伴隨著美拉德反應的發(fā)生，這不僅使產(chǎn)品產(chǎn)生獨特的香氣，對色澤、抗氧化性也有積極影響。

3 擠壓膨化處理在雜糧加工中的應用

考慮到雜糧的不易烹煮、口感較差與家庭加工食用方法的單一性，擠壓膨化處理是目前雜糧預加工的重要方法，正因為此種方法可簡化淀粉預糊化及營養(yǎng)物質(zhì)改性過程并使效率提高，越來越多的學者開始研究擠壓膨化技術在食品加工工業(yè)中的應用。其應用方面主要有如下幾種。

3.1 膨化雜糧粉

經(jīng)擠壓膨化處理過的雜糧粉不僅可以單獨作為原料生產(chǎn)即食食品，也可以與其它谷物粉復配生產(chǎn)復配粉，或以復配粉為原料的其它食品，不僅可以滿足既定的營養(yǎng)需求，也可以在風味、口感上滿足消費者的多樣化要求。韓玲玉等[1]對青稞、藜麥、燕麥、薏苡、小米、綠豆、豌豆這7 種雜糧的抗氧化活性及其擠壓粉的體外消化特性和估計血糖生成指數(shù)（expected glycemic index，eGI）進行了研究，最終結果表明7 種雜糧的抗氧化活性存在顯著性差異，其中青稞清除DPPH·、ABTS+·能力和總抗氧化能力最強，eGI 值最高為小米（82.49），歸為高血糖生成指數(shù)食品，其余雜糧均為中血糖生成指數(shù)食品（61.96～73.24）。公麗艷等[26]以薏米、小米、高粱、黑米、蕎麥為原料研制五谷雜糧養(yǎng)生糊，將粉碎過篩后的雜糧粉進行擠壓膨化等一系列處理最終得到成品，以感官評價、膨化度和吸水指數(shù)為參照指標，所得最佳的工藝參數(shù)為：物料粒徑80 目、物料加水量20%、擠壓溫度130 ℃、螺桿轉速170 r/min。薛朕鈺等[27]將裸燕麥粉與玉米淀粉混合進行擠壓膨化處理，以膨化率、吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)、質(zhì)構及感官評價5項指標進行綜合評價，最終確定的試驗參數(shù)為：物料加水量4%、IV 區(qū)膨化溫度180 ℃、螺桿轉速25 Hz、喂料速度40 g/min，此時膨化率及物性效果較好。

3.2 雜糧重組米

雜糧重組米，顧名思義是指通過雜糧復配后重新加工得到的“雜糧米”，也稱工程米、復合米。這種重組米以碎米、雜糧等為原料，將粉碎后的原料進行調(diào)質(zhì)后送入擠壓機進行擠壓處理，通過調(diào)整擠壓機出口刀頭使擠出物呈米粒形狀，最后對其進行干燥得到成品[28]。通過對各種雜糧進行復配，其所含營養(yǎng)物質(zhì)的種類及量的優(yōu)劣勢可以相互發(fā)揮與補足，例如燕麥所含的β-葡聚糖量較高，且經(jīng)高溫處理其含量變化不顯著[29]；大部分谷物的限制性氨基酸為Lys，而雜豆類的Lys 含量是谷物的兩倍以上。對重組米而言，血糖生成指數(shù)、營養(yǎng)組成、吸水指數(shù)、穩(wěn)定性、口感等都是評判其質(zhì)量的重要標準。魏再鴻等[30]以谷物雜糧為原料探究擠壓參數(shù)對重組米吸水指數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)物料在高剪切力、高溫高壓及水分條件作用下產(chǎn)生了致密的微孔結構，使得重組米的吸水指數(shù)較大，同時所得成品的綜合食用品質(zhì)與市售的優(yōu)質(zhì)東北香大米十分接近。劉成梅等[31]對重組米的血糖生成指數(shù)進行了相關研究，通過向秈米中添加高直鏈玉米淀粉降低重組米的血糖生成指數(shù)，添加燕麥膳食纖維和大米蛋白降低成品蒸煮后的硬度，同時這3 種原料的添加不會改變成品米蒸煮后的黏度，最終制得的成品因其較低的血糖生成指數(shù)，既可作為高血糖人群的大米替代物，也可作為普通人日常食用的健康食品。相關研究[32]報道的一種營養(yǎng)均衡、穩(wěn)定的雜糧復合米，先將主要原料雜豆進行處理（包括粉碎、調(diào)制、擠壓膨化、細微化粉碎），將處理完成得到的雜豆粉與谷物粉混合進行二次膨化，與小麥胚芽粉復配后經(jīng)過一系列步驟最終得到成品，對雜豆粉先進行一次膨化的目的是預先混合各種豆粉并使豆類中不易消化的大分子降解，增加水溶性成分，使之易于消化。

3.3 早餐谷物

魏學明等[9]研究了擠壓膨化技術對膨化谷物營養(yǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)高溫高壓過程破壞了一些谷物中的有害因子，使淀粉糊化、脂肪含量降低、蛋白質(zhì)降解，有效提高谷物的消化吸收率，但擠壓膨化也使谷物中的維生素產(chǎn)生大量損失。林雅麗等[33]通過向固定雜糧配比的原料中添加質(zhì)構改良劑探究其對谷物早餐脆性的影響，結果表明乳化劑對產(chǎn)品脆性影響不明顯，而添加的羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）在擠壓過程中形成了凝膠，保護部分淀粉晶型，同時凝膠與糊化淀粉緊密結合形成膜壁，阻礙水分滲透，從而提高產(chǎn)品保脆性。

3.4 特種食品

隨著生活水平的提升，更多的消費者開始注重“以食養(yǎng)生”，一些針對特殊人群如老年人、嬰幼兒、肥胖癥及糖尿病患者的特種食品也越來越多。雜糧中含有多種生物活性物質(zhì)，如黃酮、皂苷、植物甾醇等，均可對人體產(chǎn)生積極影響。薛朕鈺等[34]將苦蕎黃酮提取物添入裸燕麥粉與玉米淀粉的混合物中，通過擠壓膨化進行處理，所得產(chǎn)物的抗氧化能力和改善糖脂代謝紊亂能力都有較好地提高，對生產(chǎn)抗氧化食品及調(diào)節(jié)血脂食品均有積極意義。

4 結語

雜糧相較于精細糧來說，雖然在價格、烹飪難度、口感等方面均有差距，但隨著人們生活水平的提高和均衡營養(yǎng)意識的完善，雜糧在營養(yǎng)成分、生物活性物質(zhì)方面受到了越來越多的關注。而且任何年齡段消費者均適宜食用，在增強機體功能、修復體質(zhì)、調(diào)節(jié)免疫和內(nèi)分泌、提高機體應激能力、預防疾病、抗癌、減肥、輔助治療等方面也都有非常好的效果。擠壓膨化技術在我國仍處于起步階段，將雜糧與擠壓膨化技術結合起來，不僅能粗糧細做，更好利用低價粗原料，更先進的、生產(chǎn)能力大的擠壓膨化設備也會被同步研發(fā)。而且目前食品工業(yè)中雜糧食品的種類還比較少，這意味著未來無論雜糧食品或是擠壓膨化技術的開發(fā)前景均十分廣闊，這也需要國內(nèi)研究人員向產(chǎn)品開發(fā)領域投入更多精力。

從營養(yǎng)物質(zhì)方面看，一方面擠壓膨化處理可以使產(chǎn)品中的淀粉、蛋白質(zhì)初步水解，提高消化率，延長貨架期，保證食品品質(zhì)；另一方面，高溫高壓的環(huán)境雖然使一些熱敏性營養(yǎng)物質(zhì)喪失生物活性，如：維生素、多酚類物質(zhì)等，但考慮到通過控制擠壓膨化處理過程中的變量參數(shù)，或者開發(fā)與營養(yǎng)強化相關的加工工藝，目前這些面臨的問題都可以得到較好地解決。何況與其它處理工藝相比，擠壓膨化處理在物性改造與保藏性提升方面均有較大的優(yōu)勢。

相比較國外對食品擠壓膨化技術的研究、應用程度，國內(nèi)相應的研究和應用在未來還有很大的發(fā)展空間。此外，雜糧食品的品類在消費市場中仍相對單一，例如針對糖尿病患者的低血糖生成指數(shù)食品、針對麩質(zhì)過敏人群的“無麩質(zhì)”食品等特種食品仍處于研究階段，市場投放量少，大部分消費者未認識到該種食品的價值。相信隨著人們健康觀念的強化以及營養(yǎng)知識的普及，擠壓膨化雜糧食品會得到越來越多消費者的認可，針對其在食品工業(yè)中應用的研究也會越來越多并日趨完善。