擠壓膨化技術(shù)在雜糧加工業(yè)的應(yīng)用研究

　　摘要：擠壓膨化技術(shù)具有改變物料性質(zhì)、生產(chǎn)耗時(shí)短、連續(xù)性高等優(yōu)點(diǎn)，在食品研發(fā)、加工過程中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。尤其是在雜糧加工領(lǐng)域，該技術(shù)不僅可以較好地保留雜糧中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還可以提高產(chǎn)品風(fēng)味、口感等感官體驗(yàn)，具有廣闊的前景。該文系統(tǒng)地介紹了雜糧擠壓處理后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化以及擠壓膨化技術(shù)在雜糧加工中的應(yīng)用研究，分析擠壓膨化技術(shù)在雜糧加工中的應(yīng)用前景，旨在豐富雜糧食品研發(fā)的品種，并為其理論基礎(chǔ)研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞：雜糧;擠壓膨化;加工;營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);應(yīng)用

　　日趨理性的消費(fèi)行為和現(xiàn)代健康膳食理念的普及，使得新型雜糧營(yíng)養(yǎng)食品越來越受到消費(fèi)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(xì)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]。現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究結(jié)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]。

　　食品加工論文范例：探究酶學(xué)技術(shù)在食品加工與食品質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

　　雜糧營(yíng)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(fèi)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(duì)雜糧的加工方式等進(jìn)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(yíng)養(yǎng)保持率，擠壓膨化工藝均能達(dá)到較高水平。擠壓膨化工藝在食品加工應(yīng)用中的開發(fā)可以追溯到20世紀(jì)30年代——第一臺(tái)用于食品加工的單螺桿擠壓機(jī)問世[3]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展開發(fā)，單螺桿擠壓機(jī)的物料局限性促進(jìn)了雙螺桿擠壓機(jī)的開發(fā)，且雙螺桿擠壓機(jī)在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，目前在食品工業(yè)中最常用的擠壓機(jī)是雙螺桿、同向、完全齒合的梯形螺紋雙螺桿擠壓機(jī)[4]。

　　因其在食品開發(fā)、生產(chǎn)中具有很高的價(jià)值，至20世紀(jì)70年代，歐美市場(chǎng)中方便食品已有30%采用擠壓膨化技術(shù)[3]，同期我國(guó)開始引入并研究擠壓膨化工藝，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)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(yīng)用領(lǐng)域中除了方便食品、休閑零食、食品添加劑等，該項(xiàng)技術(shù)在雜糧加工領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)也得到了越來越多的關(guān)注。本文綜述了雜糧在擠壓前后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化情況，以及擠壓膨化技術(shù)在雜糧加工中的應(yīng)用，以期為未來食品工業(yè)發(fā)展過程中擠壓工藝的應(yīng)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(jié)合起來對(duì)物料進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)系列單元連續(xù)操作[5]。原料由喂料裝置進(jìn)入擠壓機(jī)喂料口，同時(shí)向喂料口送入一定量的水，經(jīng)調(diào)質(zhì)裝置進(jìn)入擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)，由螺桿裹挾著向出料口輸送。在機(jī)筒內(nèi)運(yùn)輸期間，物料與物料、螺桿和機(jī)筒內(nèi)壁產(chǎn)生巨大的摩擦力，螺桿同時(shí)對(duì)物料進(jìn)行剪切，機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等均發(fā)生了一系列不同程度的物理和化學(xué)變化。隨著物料被擠出擠壓機(jī)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(jī)可得到膨化和非膨化食品，二者的差異主要在擠壓機(jī)機(jī)筒溫度的設(shè)定方面。

　　單純對(duì)物料進(jìn)行擠壓則設(shè)定機(jī)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(shè)置機(jī)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(jié)構(gòu)。無論是否膨化，經(jīng)擠壓處理后物料的形狀、微觀結(jié)構(gòu)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(gòu)調(diào)整技術(shù)[7]，食品原料經(jīng)擠壓膨化處理后，其內(nèi)含的大分子營(yíng)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(shí)擠壓膨化食品理化性質(zhì)的改變也對(duì)食品品質(zhì)的提高、貨架期的延長(zhǎng)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(shè)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(jì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化

　　雜糧具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(shí)間等也有所差異。據(jù)研究，擠壓膨化處理會(huì)使支鏈淀粉發(fā)生斷裂、降解，轉(zhuǎn)化成直鏈淀粉和糊精等小分子物質(zhì)，這是因?yàn)樵跀D壓機(jī)機(jī)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(jié)果表明經(jīng)擠壓后直鏈淀粉含量提高。同時(shí)，淀粉顆粒的大小、形態(tài)等也會(huì)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(duì)淀粉的消化特性、復(fù)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(gè)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(huì)使淀粉顆粒由固體狀迅速轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)，同時(shí)氫鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生糊化結(jié)果。淀粉的糊化程度，與機(jī)筒溫度設(shè)定、水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速均有關(guān)。馮玉紅[12]將帶胚玉米作為原料進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的糊化度與機(jī)筒出口部分溫度呈正相關(guān)，而與擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)�？芍�在溫度不變條件下，擠壓機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)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(shù)在膳食纖維改性方面具有良好的前景。根據(jù)相關(guān)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(xiàng)指標(biāo)均是評(píng)價(jià)膳食纖維生理活性和加工應(yīng)用特性的重要指標(biāo)[16-17]。可溶性膳食纖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(jìn)腸道蠕動(dòng)，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(huì)弱化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)間的結(jié)合力，破壞三、四級(jí)結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)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?jǐn)嗔�，�?dǎo)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(jī)的參數(shù)設(shè)定有密切關(guān)系：當(dāng)擠壓溫度低、水分高、螺桿轉(zhuǎn)速快時(shí)，蛋白質(zhì)的變性程度低，同時(shí)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(jié)構(gòu)，更易與酶結(jié)合，提高了蛋白質(zhì)的消化率。同時(shí)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(yīng)，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Met4種氨基酸是不穩(wěn)定的氨基酸，在處理過程中遵照一級(jí)反應(yīng)進(jìn)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(jìn)行的，為了保證擠出物中蛋白質(zhì)質(zhì)量，并設(shè)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(shí)，應(yīng)加強(qiáng)氨基酸強(qiáng)化技術(shù)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(jī)機(jī)筒內(nèi)進(jìn)行處理時(shí)，脂肪酶在環(huán)境升溫過程中會(huì)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(jié)果顯示，脂肪酶在70℃時(shí)就已經(jīng)被破壞，不具備生物活性，而擠壓機(jī)由喂料口至機(jī)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(duì)時(shí)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(dāng)溫度達(dá)到110℃時(shí)，脂肪便不再進(jìn)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(zhǎng)，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(fēng)味等脂肪氧化問題。

　　3擠壓膨化處理在雜糧加工中的應(yīng)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(yù)加工的重要方法，正因?yàn)榇朔N方法可簡(jiǎn)化淀粉預(yù)糊化及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)改性過程并使效率提高，越來越多的學(xué)者開始研究擠壓膨化技術(shù)在食品加工工業(yè)中的應(yīng)用。其應(yīng)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(dú)作為原料生產(chǎn)即食食品，也可以與其它谷物粉復(fù)配生產(chǎn)復(fù)配粉，或以復(fù)配粉為原料的其它食品，不僅可以滿足既定的營(yíng)養(yǎng)需求，也可以在風(fēng)味、口感上滿足消費(fèi)者的多樣化要求。韓玲玉等[1]對(duì)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(jì)血糖生成指數(shù)(expectedglycemicindex，eGI)進(jìn)行了研究，最終結(jié)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(qiáng)，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(jìn)行擠壓膨化等一系列處理最終得到成品，以感官評(píng)價(jià)、膨化度和吸水指數(shù)為參照指標(biāo)，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(zhuǎn)速170r/min。薛朕鈺等[27]將裸燕麥粉與玉米淀粉混合進(jìn)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(gòu)及感官評(píng)價(jià)5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終確定的試驗(yàn)參數(shù)為：物料加水量4%、IV區(qū)膨化溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速25Hz、喂料速度40g/min，此時(shí)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(fù)配后重新加工得到的“雜糧米”，也稱工程米、復(fù)合米。這種重組米以碎米、雜糧等為原料，將粉碎后的原料進(jìn)行調(diào)質(zhì)后送入擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓處理，通過調(diào)整擠壓機(jī)出口刀頭使擠出物呈米粒形狀，最后對(duì)其進(jìn)行干燥得到成品[28]。

　　通過對(duì)各種雜糧進(jìn)行復(fù)配，其所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類及量的優(yōu)劣勢(shì)可以相互發(fā)揮與補(bǔ)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L(zhǎng)ys，而雜豆類的Lys含量是谷物的兩倍以上。對(duì)重組米而言，血糖生成指數(shù)、營(yíng)養(yǎng)組成、吸水指數(shù)、穩(wěn)定性、口感等都是評(píng)判其質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。魏再鴻等[30]以谷物雜糧為原料探究擠壓參數(shù)對(duì)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(jié)構(gòu)，使得重組米的吸水指數(shù)較大，同時(shí)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(duì)重組米的血糖生成指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)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(shí)這3種原料的添加不會(huì)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(guān)研究[32]報(bào)道的一種營(yíng)養(yǎng)均衡、穩(wěn)定的雜糧復(fù)合米，先將主要原料雜豆進(jìn)行處理(包括粉碎、調(diào)制、擠壓膨化、細(xì)微化粉碎)，將處理完成得到的雜豆粉與谷物粉混合進(jìn)行二次膨化，與小麥胚芽粉復(fù)配后經(jīng)過一系列步驟最終得到成品，對(duì)雜豆粉先進(jìn)行一次膨化的目的是預(yù)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。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　雜糧相較于精細(xì)糧來說，雖然在價(jià)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(yíng)養(yǎng)意識(shí)的完善，雜糧在營(yíng)養(yǎng)成分、生物活性物質(zhì)方面受到了越來越多的關(guān)注。而且任何年齡段消費(fèi)者均適宜食用，在增強(qiáng)機(jī)體功能、修復(fù)體質(zhì)、調(diào)節(jié)免疫和內(nèi)分泌、提高機(jī)體應(yīng)激能力、預(yù)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(shù)在我國(guó)仍處于起步階段，將雜糧與擠壓膨化技術(shù)結(jié)合起來，不僅能粗糧細(xì)做，更好利用低價(jià)粗原料，更先進(jìn)的、生產(chǎn)能力大的擠壓膨化設(shè)備也會(huì)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(shù)的開發(fā)前景均十分廣闊，這也需要國(guó)內(nèi)研究人員向產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域投入更多精力。從營(yíng)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(zhǎng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化相關(guān)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(shì)。相比較國(guó)外對(duì)食品擠壓膨化技術(shù)的研究、應(yīng)用程度，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的研究和應(yīng)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(fèi)市場(chǎng)中仍相對(duì)單一，例如針對(duì)糖尿病患者的低血糖生成指數(shù)食品、針對(duì)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(chǎng)投放量少，大部分消費(fèi)者未認(rèn)識(shí)到該種食品的價(jià)值。相信隨著人們健康觀念的強(qiáng)化以及營(yíng)養(yǎng)知識(shí)的普及，擠壓膨化雜糧食品會(huì)得到越來越多消費(fèi)者的認(rèn)可，針對(duì)其在食品工業(yè)中應(yīng)用的研究也會(huì)越來越多并日趨完善。

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　　作者：孟如君1，劉靜1，沈汪洋1，2，李芳1，2*

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