擠壓膨化壓力對(duì)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(xué)院生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)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(guó)是小麥生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，產(chǎn)品以小麥制粉為主，主要加工副產(chǎn)物小麥麩皮的年產(chǎn)量已超過(guò)2 000萬(wàn)噸，目前多用于飼料加工、釀造和功能性物質(zhì)的提取[1-3]。隨著人口老齡化和消費(fèi)者對(duì)營(yíng)養(yǎng)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(fā)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(zhì)、碳水化合物、維生素和礦物質(zhì)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(huì)破壞食品的質(zhì)構(gòu)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(guó)內(nèi)外消費(fèi)者對(duì)全谷物加工食品的重視，擠壓膨化技術(shù)得到更加廣泛地應(yīng)用[12-13]。研究表明，不同物料經(jīng)擠壓膨化處理后，其微觀結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)都會(huì)發(fā)生明顯的改變，且產(chǎn)品成型度高，營(yíng)養(yǎng)成分損失少，易消化吸收，食用方便，生產(chǎn)成本較低[14]。在實(shí)際生產(chǎn)中，食品加工原輔料的組成、水分含量、螺桿構(gòu)成、轉(zhuǎn)速、溫度、進(jìn)料速度等都會(huì)影響擠壓膨化的生產(chǎn)效果。因此，為提高擠壓膨化技術(shù)的可控性，可將模頭壓力作為機(jī)器的主要控制參數(shù)，即通過(guò)對(duì)模頭壓力的設(shè)置，基于微電腦控制系統(tǒng)完成對(duì)主電機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料速度和進(jìn)水量的實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到膨化效果要求[15]。

在谷物食品膨化工藝研究中發(fā)現(xiàn)，壓力是擠壓膨化物料成型的關(guān)鍵，一般2 MPa～4 MPa時(shí)最佳[16]。然而，關(guān)于擠壓膨化模頭壓力對(duì)小麥麩皮加工特性影響的研究鮮有報(bào)道，這不利于企業(yè)擠壓膨化技術(shù)的自動(dòng)化革新。本試驗(yàn)采用四區(qū)加熱雙螺桿擠壓膨化機(jī)，在1.3 MPa～1.6 MPa模頭壓力下對(duì)小麥麩皮進(jìn)行膨化處理，研究其對(duì)膨化小麥麩皮粉理化特性、微觀結(jié)構(gòu)和抗氧化特性的影響，以期為小麥麩皮粉類食品的開(kāi)發(fā)及擠壓膨化自動(dòng)化控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)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(xué)純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(shí)驗(yàn)雙螺桿擠壓膨化機(jī)：濟(jì)南賽百諾科技開(kāi)發(fā)有限公司；FW100型高速粉碎機(jī)：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(huì)社；NR110型色差儀：深圳市三恩時(shí)科技有限公司；T-100粉體綜合特性測(cè)試儀：丹東百特儀器有限公司；Q100型差式掃描量熱儀：美國(guó)熱電儀器有限公司；UV-1800型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；TGL18M型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)：鹽城市凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的制備

設(shè)置擠壓膨化機(jī)梯度加熱溫度為50、90、110、135℃。將小麥麩皮干燥后粗粉碎，調(diào)節(jié)不同濕度喂料，取模頭壓力分別為1.3、1.4、1.5、1.6 MPa時(shí)的膨化物料進(jìn)行粉碎，過(guò)80目篩，測(cè)試待用。以未經(jīng)處理的小麥麩皮為對(duì)照組。

1.2.2 小麥麩皮粉成分測(cè)定

蛋白含量的測(cè)定采用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》中的凱氏定氮法；總膳食纖維和可溶性膳食纖維含量的測(cè)定采用GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》中的方法；灰分含量采用GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測(cè)定》中總灰分的測(cè)定方法；植酸含量參照GB 5009.153—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中植酸的測(cè)定》中的方法測(cè)定。

1.2.3 小麥麩皮粉的顏色分析

采用色差儀對(duì)小麥麩皮粉的顏色進(jìn)行測(cè)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(lán)度-黃度值。

1.2.4 小麥麩皮粉的微觀結(jié)構(gòu)觀察

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

1.2.5 小麥麩皮粉的流動(dòng)性分析

粉體的堆積密度（g/mL）和振實(shí)密度（g/mL）采用粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)試完成。樣品的相對(duì)增重用振實(shí)密度相對(duì)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(cè)定

1.2.6.1 持水力的測(cè)定

準(zhǔn)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(zhì)量，樣品持水力（g/g）為每克樣品持有水分的質(zhì)量（g）。

1.2.6.2 膨脹力的測(cè)定

準(zhǔn)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(wěn)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?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，通過(guò)設(shè)備自帶分析軟件進(jìn)行熱穩(wěn)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(cè)試參考He等[17]的方法進(jìn)行，樣品采用70%乙醇浸提。采用IC50值，即自由基清除率為50%時(shí)的樣品濃度，比較抗氧化性的大小。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)至少重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用EXCEL 2019進(jìn)行方差分析，P＜0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化處理對(duì)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(jiàn)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(duì)小麥麩皮粉中的蛋白質(zhì)含量有降低作用，但在較高壓力處理時(shí)，蛋白質(zhì)含量降低差異不顯著（P＞0.05）；不同壓力處理對(duì)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(xiàn)顯著升高的變化趨勢(shì)（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(shì)，且1.3、1.4 MPa處理后，與對(duì)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(shì)。擠壓膨化過(guò)程是高溫、高壓協(xié)同作用的過(guò)程。擠壓機(jī)腔內(nèi)適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔眉皽囟扔欣诘鞍踪|(zhì)的降解，蛋白氮轉(zhuǎn)變?yōu)榉堑鞍椎?，但?dāng)壓力過(guò)高時(shí)，麩皮物料的流動(dòng)性增強(qiáng)，在腔體內(nèi)的滯留時(shí)間縮短，蛋白質(zhì)降解程度降低，這與肖志剛等[18]的研究結(jié)果一致。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)膳食纖維含量未發(fā)生明顯變化，主要源于纖維高聚物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(zhì)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(tài)發(fā)生熔融現(xiàn)象，或斷裂部分連接鍵，轉(zhuǎn)變成可溶性聚合物。在擠壓過(guò)程中，蛋白質(zhì)與淀粉的降解均有可能導(dǎo)致灰分含量的升高，當(dāng)壓力較大時(shí)，物料在機(jī)腔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，蛋白質(zhì)的降解程度降低，灰分含量的提高也隨之呈現(xiàn)降低現(xiàn)象。在高溫、高壓、高剪切狀態(tài)下，植酸結(jié)構(gòu)極易被破壞。因此，本文小麥麩皮內(nèi)植酸經(jīng)擠壓膨化處理后降解顯著，這與文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果一致。以上結(jié)果表明，小麥麩皮經(jīng)擠壓膨化處理后，其營(yíng)養(yǎng)組分的消化吸收性可能明顯提高。

由表1可知，經(jīng)擠壓膨化處理后，小麥麩皮粉的亮度值（L*）呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在較低壓力處理時(shí)，亮度顯著降低（P＜0.05），這應(yīng)該與停留機(jī)腔時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)；a*和b*均呈現(xiàn)明顯提高的變化趨勢(shì)，說(shuō)明小麥麩皮粉在較高的壓力和剪切力作用下的褐色反應(yīng)明顯[20]。

2.2 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的微觀結(jié)構(gòu)分析

擠壓膨化小麥麩皮粉的微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 擠壓膨化小麥麩皮粉的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of extruded wheat bran flour

由小麥麩皮粉的微觀結(jié)構(gòu)（圖1）可知，未經(jīng)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(qiáng)度的增大，小麥麩皮粉顆粒粒徑明顯降低，呈現(xiàn)出在高擠壓狀態(tài)下的顆粒破損情況，尤其是在1.6 MPa時(shí)表面出現(xiàn)近似熔融現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)高溫、高壓及剪切聯(lián)合作用顯著[21]。小麥麩皮粉經(jīng)擠壓膨化后，顆粒形貌發(fā)生明顯變化，表明其功能特性也會(huì)有所改變。

2.3 擠壓膨化處理小麥麩皮粉的流動(dòng)性分析

小麥麩皮粉的堆積密度和振實(shí)密度見(jiàn)圖2。

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

由圖2可知，相較對(duì)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(shì)，振實(shí)密度為升高的變化趨勢(shì)，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(shí)密度反映粉末顆粒的間隙大小。結(jié)合電鏡結(jié)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(qiáng)，因此，表現(xiàn)出較對(duì)照組高的堆積密度。同時(shí)，由于顆粒的不規(guī)則性破損，表面粗糙，導(dǎo)致顆粒之間的空隙增大，所以處理組樣品的堆積密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，振實(shí)密度呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)。計(jì)算樣品的相對(duì)增重情況，由圖2可知，擠壓膨化處理組樣品振實(shí)密度相對(duì)于堆積密度的增重百分比呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明細(xì)小顆粒對(duì)顆粒間隙進(jìn)行了有效填充，進(jìn)一步表明小麥麩皮粉顆粒在高溫、高壓和高剪切狀態(tài)下的細(xì)化情況，同時(shí)表明擠壓膨化小麥麩皮粉可能會(huì)具有較好的流動(dòng)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(jiàn)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(yīng)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(shì)，這與可溶性膳食纖維含量的變化趨勢(shì)基本一致。小麥麩皮富含膳食纖維，通過(guò)擠壓膨化處理，膳食纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以改變，可溶性膳食纖維含量增多，具有更強(qiáng)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(wěn)定性分析

擠壓膨化小麥麩皮粉的熱力學(xué)特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 擠壓膨化小麥麩皮粉的熱力學(xué)特征參數(shù)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(xué)參數(shù)值呈現(xiàn)升高的變化趨勢(shì)，表明小麥麩皮粉的熱穩(wěn)定性提高，這與超微粉碎小麥麩皮粉的研究結(jié)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(wěn)定變化可能與其水合特性改變有一定的相關(guān)性。在對(duì)澳大利亞樹(shù)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(lái)越多的水分子可以進(jìn)入顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致需要更多的水分蒸發(fā)，因此，熱穩(wěn)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(lái)源安全，而且具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并且可以在體內(nèi)外阻止或降低自由基氧化反應(yīng)，因此，天然抗氧化劑的挖掘一直是功能性食品行業(yè)的研究熱點(diǎn)。小麥麩皮粉的抗氧化性結(jié)果見(jiàn)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(xiàn)降低趨勢(shì)，表明抗氧化能力逐漸增強(qiáng)。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(guān)性。在擠壓膨化處理過(guò)程中可能釋放了束縛的酚酸物質(zhì)，提高了麩皮醇提物的抗氧化性，但是當(dāng)壓力較大時(shí)，這一變化差異可能不顯著，這與Jin等[25]的研究結(jié)果一致。由圖4可知，經(jīng)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(duì)照組顯著增強(qiáng)（P＜0.05），表明此時(shí)小麥麩皮粉醇提物中含有較多的供氫體，可使強(qiáng)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(yīng)[26]。前期研究表明，麩皮中富含多酚類、黃酮類及皂苷類物質(zhì)，這均對(duì)清除羥基自由基有積極作用[27]。

3 結(jié)論

取擠壓膨化模頭壓力分別為1.3、1.4、1.5、1.6 MPa時(shí)的小麥麩皮粉物料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高溫、高壓、高剪切狀態(tài)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(yīng)明顯，擠壓膨化會(huì)導(dǎo)致小麥麩皮粉顆粒的破損，粒徑降低，顆粒表面粗糙，進(jìn)一步提高了擠壓膨化小麥麩皮粉的堆積密度、振實(shí)密度和相對(duì)增重，使其具有更強(qiáng)的持水力和膨脹力，并且熱穩(wěn)定性和抗氧化性顯著增強(qiáng)（P＜0.05）。以上研究表明，不同模頭壓力對(duì)擠壓膨化麩皮粉品質(zhì)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(shù)，經(jīng)處理后的小麥麩皮粉可作為食品配料用于營(yíng)養(yǎng)健康食品的開(kāi)發(fā)。