擠壓米品質影響因素研究進展

茍學磊，羅曉莉，吳素蕊，曹晶晶，張微思

1.云南省食用菌產業(yè)發(fā)展研究院（昆明 650221）；2.中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所（昆明 650221）

稻米作為主要的食物來源，提供了世界膳食能量供應的20%，但其也存在淀粉含量高、必需營養(yǎng)元素含量低等缺點。稻谷在碾制過程中產生的碎米利用率較低，因之導致的糧食資源利用不充分也是目前關注的問題之一。因此，以大米為原料，添加適量的營養(yǎng)元素生產營養(yǎng)強化大米或擠壓重組米的擠壓技術逐漸成為解決上述問題的重要技術手段。

擠壓技術是通過壓力使物料流經模頭，并伴以擠壓、糊化或其他攪拌程序，使淀粉糊化、蛋白質變性，不同營養(yǎng)成分間發(fā)生化學反應形成復合體，使最終的產品微觀結構、理化特性和性狀發(fā)生改變，并最終形成新產品的綜合性技術[1-3]。目前，食品擠壓加工技術已被廣泛應用于組織化蛋白生產及休閑食品等新型或傳統(tǒng)食品的持續(xù)性生產過程[4-5]。雙螺桿擠壓機在加工含水量很小的物料及時間、溫度、轉速等參數(shù)控制方面具有很大的優(yōu)勢[6-7]，其在擠壓加工過程中的應用更為廣泛。

文章主要從雙螺桿熱擠壓工藝出發(fā)，從擠壓過程中物料組成、擠壓工藝參數(shù)及儲存方式等因素對擠壓產品的質量影響進行了綜合性的概述與討論，以期為擠壓米的高效開發(fā)和利用提供參考。

1 物料組成對擠壓米品質影響

在擠壓米制作過程中添加谷物、豆類、果蔬、凝膠劑乳化劑等原料，不僅可以滿足消費者對于飲食營養(yǎng)健康的需求，也有利于提高產品的品質，改善產品的感官屬性。

在擠壓米中添加谷物或豆類，不僅可引入相應原料的顏色，強化擠壓產品營養(yǎng)及風味，也有助于改善產品延展性、水溶性、吸水性、持水性等特性[8-9]。其主要原因在于谷物、豆類中的蛋白質及淀粉在擠壓過程中會產生交聯(lián)作用，影響重組米斷面凹坑和氣泡數(shù)，從而影響產品結構[10]。果蔬類成分主要影響擠壓米的營養(yǎng)成分含量及可消化性等功能特性，對于產品質構的影響程度則較小[4]。

瓜爾膠、豆膠及葫蘆巴膠等膠劑有助于改善產品硬度、酥脆性，單硬脂酸甘油酯等乳化劑則主要用于改善產品蒸煮特性、降低產品黏性并防止產品凝膠化[11]。

從總體上來看，物料組成中淀粉組成及含量是影響擠壓米質構、蒸煮特性及感官評價的主要因素[12-13]，因為不同來源的淀粉種類、鏈長度、分布及聚合度間存在較大差異。例如，直鏈淀粉與支鏈淀粉會顯著影響擠壓米硬度與咀嚼性等感官品質[14]，抗性淀粉會影響擠壓米的蒸煮品質和質構特征[15]，高直鏈玉米淀粉易降低大米淀粉的水解速率和GI值，并促進重組米淀粉老化[16]。另外，添加α-淀粉酶改變淀粉結構既可有效改善擠壓重組米體外消化特征并延緩血糖吸收[17]，也能顯著改善產品膨化度、產品密度、吸水性、水溶性指數(shù)及黏性等理化指標，并通過控制總酚含量保持擠壓重組米的抗氧化活性[18]。

2 工藝參數(shù)控制對擠壓米品質影響

擠壓過程中工藝參數(shù)控制主要是為了彌補組分變化和調節(jié)最終產品屬性，其直接影響產品質構特性及營養(yǎng)組分。機筒溫度、螺桿轉速、喂料速度及物料含水量等操作參數(shù)決定質量溫度、模頭壓力及單位機械能等系統(tǒng)參數(shù)，這些系統(tǒng)參數(shù)則直接影響擠壓米的理化性質、質構、風味及接受度，因此，正確的工藝參數(shù)控制有利于獲得預期的擠壓產品。

2.1 溫度對擠壓米品質影響

質量溫度，主要由機筒溫度和模頭溫度決定。由于物料通過螺桿過程中機筒表面與物料顆粒產生摩擦生熱，因此產品溫度通常高于機筒溫度[19]。此外，較高的喂料速度會增加機筒及模頭中物料致密性，從而促進剪應力和溫度升高，進一步導致產品溫度升高。擠壓過程中的剪切力會使淀粉糊化溫度會升高7~9℃，物料水分較低時，糊化溫度則會提高18~20 ℃，耐熱α-淀粉酶有利于降低產品溫度并最終影響淀粉變性和糊化過程[18]。模頭溫度對擠壓米復水率及綜合質構也有較大的影響，模頭溫度較低時物料熟化程度不夠，模頭溫度過高則會使物料膨化，使擠出物中含有較多空氣，從而影響擠出物蒸煮特性[20]。

2.2 模頭壓力及扭矩對擠壓米品質影響

模頭壓力是物料通過模頭流動阻力的指示器，擠壓機扭矩則是機器正常運轉的指標。模壓和扭矩隨物料含水量、溫度和螺桿轉速升高而降低，因為熱擠壓過程中較高的含水量會改變直鏈淀粉結構，增加物料的融化塑性，降低融化黏性及彈性，從而降低機筒、螺桿及物料間的摩擦力，進一步影響淀粉凝膠化及單位機械能，最終使產品的延展性降低[21]。當物料含水量較低時，較高的機筒溫度會形成蒸汽壓梯度，從而使機筒內壓力升高，進而影響產品密度及硬度[22]。

2.3 單位機械能對擠壓米品質影響

單位機械能是擠壓機傳輸物料消耗的總機械能與擠壓機中物料流速的比值，與物料糊化溫度直接相關[23]，其主要影響擠壓過程中淀粉轉化程度及產品的膠黏性，單位機械能越高，淀粉凝膠化程度及產品延展性越好[21,24]。在熱擠壓條件下，直鏈淀粉含量與單位機械能呈反比，因此，可通過調整物料組成改變擠壓過程中的單位機械能以改善產品質量。例如，向物料中添加綠豆和蘋果渣可提高單位機械能，添加豌豆粉及莧菜則能降低單位機械能[4]。加入耐熱α-淀粉酶時，由于淀粉發(fā)生酶解，單位機械能也會降低[18]。此外，單位機械能還與物料含水量及螺桿轉速相關，當螺桿轉速升高、物料含水量較低時，單位機械能增加，淀粉凝膠化及產品延展性升高[23,25-26]。

3 擠壓工藝參數(shù)對擠壓米營養(yǎng)成分影響

在擠壓米生產過程中，一、二級控制參數(shù)不僅影響產品質構，還會對擠壓米中碳水化合物、蛋白質、脂質及纖維素等營養(yǎng)成分造成顯著影響[27-28]。

3.1 擠壓工藝對擠壓米中淀粉影響

淀粉的晶體結構和分子結構通常會因擠壓過程中高溫、高壓及高剪切力影響發(fā)生凝膠化、糊化及解聚等反應而發(fā)生改變[29]。淀粉凝膠化及晶體結構破壞會增加擠壓米膨脹度及吸水能力，且內部更容易形成氣泡結構[30]。研究表明，在溫度、含水量及螺桿轉速的共同作用下，物料中碳水化合物含量可由初始的53%下降至1%~8%[31]。淀粉結構改變不僅影響擠壓米質構特性及蒸煮品質，也顯著影響淀粉消化特性。當物料含水量較低或機筒溫度較高時，淀粉的共價鍵被破壞且發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，其消化特性增加[32]。但在擠壓過程中其與脂質、蛋白質等形成復合物，從而形成耐性淀粉，則會使消化特性降低[33]。

3.2 擠壓工藝對擠壓米中蛋白質影響

作為熱不穩(wěn)定性成分，物料中的蛋白質也會受到擠壓過程的影響。擠壓會導致非共價分子間相互作用、共價交聯(lián)及蛋白質-脂質-淀粉相互作用等多種分子間相互反應[31]。物料含水量較低時，蛋白質含量直接影響擠壓米硬度、脆度及苦味度。物料含水量較高時，由于二硫鍵交聯(lián)作用，蛋白質發(fā)生聚集反應，將淀粉包裹從而形成蛋白質-淀粉復合體，從而形成耐性淀粉[32]。此外，擠壓過程中的高溫高壓會使蛋白質發(fā)生美拉德反應，從而使氨基酸含量顯著降低。提高物料含水量可有效降低剪切力及單位機械能，從而降低氨基酸流失[34]。

3.3 擠壓工藝對擠壓米中脂質影響

脂質在擠壓米生產過程中起塑化劑或乳化劑作用，可以賦予產品較好的質構特性。但當機筒溫度在100~200 ℃時，脂質與直鏈淀粉或蛋白質間發(fā)生相互作用形成復合體，使脂質含量下降，并改變擠壓米質構。擠壓過程中高溫使不飽和脂肪酸氧化形成過氧化氫脂質，從而使產品中脂質含量下降[35]。脂質-淀粉復合體的形成受擠壓過程參數(shù)及淀粉與脂質本身的特性綜合影響。當物料含水量較低、機筒溫度較高時，會促進該過程發(fā)生。物料含水量較高時，機筒內物料黏性及模壓降低，物料中脂質也會大量流失。此外，高溫及高螺桿轉速也會造成擠壓產品中脂質流失，從而影響產品的營養(yǎng)組成及硬度[26]。

3.4 擠壓工藝對擠壓米中其他營養(yǎng)成分影響

擠壓米生產過程除對碳水化合物、蛋白質及脂質這三類主要營養(yǎng)成分造成損失外，對抗氧化成分、維生素、礦物質及纖維素等營養(yǎng)成分也會造成較大的影響。其中，總酚類抗氧化活性成分受擠壓溫度、物料含水量及螺桿轉速影響，但多個研究報道間存在較大的差異[22,36-37]。總體而言，擠壓過程中條件變化使結合酚類從物料的細胞基質中析出或使酚類化合物分子結構發(fā)生變化是造成總酚含量變化的主要原因[36]。物料含水量、螺桿轉速及溫度也會使物料中易提取酚類物質含量發(fā)生變化，并破壞細胞壁結構，造成多種生物活性成分失活[38]。一些不溶性纖維素受溫度、螺桿轉速及單位機械能影響可轉化為可溶性纖維素，但總纖維素含量降低[39]。另外，有研究報道稱在擠壓米生產過程中，鐵、鈣、磷及銅含量會有顯著升高[40]，這可能是由于擠壓過程中螺桿、模頭等零部件磨損等因素所致。在擠壓過程中，維生素穩(wěn)定性隨溫度、螺桿轉速、物料含水量、喂料速度及模頭直徑等因素升高而降低，脂溶性維生素更易受氧氣及高溫影響[41]。

4 其他影響擠壓米品質的因素研究

擠壓米產品質量除生產過程中各參數(shù)控制直接決定外，也受生產、干燥、包裝及貯藏方式等因素的影響。例如，不同生產技術（熱擠壓、冷擠壓和包膜）生產的擠壓營養(yǎng)強化米在不同儲藏條件下維生素A、鐵和鋅的儲藏穩(wěn)定性研究結果顯示擠壓工藝更有利于營養(yǎng)強化米中維生素A等營養(yǎng)成分的保存[42]。電熱干燥重組營養(yǎng)強化米致密性、質構特性、蒸煮品質、適口性、冷飯質地及感官評價較優(yōu)，而微波干燥米粒蒸煮后外觀結構更好，冷凍干燥重組營養(yǎng)強化米膠著性和咀嚼性最佳[43]。此外，包裝方式也會影響產品的最終品質。研究表明，擠壓營養(yǎng)強化米的最佳包裝方式為罐裝，最佳貯藏溫度為4 ℃。在此條件下貯藏6個月，擠壓營養(yǎng)強化米中VC和VD3的損失率在20%以下，VB的損失率在5%以下，酸價小于1.0 mg/g，水分低于8%[44]。

5 結語

食品擠壓技術在開發(fā)新型食品方面具有重要意義，雖然通過調整物料組成、控制擠壓機參數(shù)等方法能生產出與自然大米質構參數(shù)接近的高質量擠壓米，但不當?shù)牟僮鳁l件及物料配方可能造成產品品質降低及營養(yǎng)損失。擠壓機加工工藝參數(shù)和物料配方的最佳選擇和控制有助于開發(fā)具有更好感官屬性和接受度高的產品。一、二級參數(shù)、生產方式、包裝及儲藏方式等因素顯著影響擠壓米的理化、蒸煮、質地、糊化和營養(yǎng)性能，這些信息有利于大家了解并預測擠壓機在擠壓米生產過程中的相關作用，并通過這些信息進行更理性的產品設計。

目前，消費者對健康、營養(yǎng)產品的需求日益增長，擠壓米產品在解決天然大米營養(yǎng)成分不足及碎米等大米副產物利用率不高等方面具有廣闊的發(fā)展前景，雖然目前市場上存在多種擠壓米產品，但在擠壓米開發(fā)方面依然有許多問題需要進一步解決。因為盡管目前通過優(yōu)化物料組成及加工過程中一、二級參數(shù)，可以獲得具有很好質構參數(shù)的擠壓米產品，但擠壓工藝使物料中淀粉、蛋白質及脂質等成分結構及理化特性發(fā)生了顯著性變化，加之擠壓工藝中一、二級參數(shù)與產品參數(shù)間復雜的相互作用關系，導致擠壓米在質地和食味等方面依然與天然大米相去甚遠，使消費者對于擠壓米產品的接受度并不高。因此，除了對擠壓機加工條件和原料配方進行優(yōu)化選擇和控制外，我們也許還需要考慮開發(fā)除擠壓工藝之外的新的工藝進行相關產品生產，因為擠壓米工藝過程具有改變物料組成成分原有理化特性的先天不足之處，而這也是影響產品最終品質及消費者接受度的根本原因。此外，目前對于擠壓米品質評價主要集中于質構、蒸煮品質及口感評價這幾個方面。雖然很多文獻表明其生產產品的質構、蒸煮品質等參數(shù)與天然米接近，且口感評價綜合得分也較高，但消費者對形成的產品評價較低，這說明目前所使用的擠壓米評價體系與現(xiàn)實消費需求間相關性不高。因此，進行新工藝開發(fā)并建立準確的質量評價體系是之后進行擠壓米的研究的重點之一。最后，我們還需要注意的是產品開發(fā)是系統(tǒng)性的，除生產工藝外，擠壓米后續(xù)的干燥、包裝及貯藏方式等因素也會影響擠壓米質構及其營養(yǎng)成分的保存率，因此，我們也需要綜合性、系統(tǒng)性考察后續(xù)工藝對擠壓米產品質量的影響作用。