挤压膨化对紫糯全麦粉理化性质及抗氧化活性的影响

吴广淼，张宪省，董海洲，侯汉学，张锦丽，*

（1．山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271017；2．山东农业大学生命科学院，作物生物学国家重点实验室，山东泰安271017）

挤压膨化对紫糯全麦粉理化性质及抗氧化活性的影响

吴广淼1，张宪省2，董海洲1，侯汉学1，张锦丽1，*

（1．山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271017；2．山东农业大学生命科学院，作物生物学国家重点实验室，山东泰安271017）

通过改变挤压膨化的工艺条件，分析了不同膨化条件下紫糯全麦粉的主要理化指标变化情况。结果表明：随着膨化温度、螺杆转速的升高，紫糯全麦粉的膨化度、水溶性指数、总膳食纤维、可溶性膳食纤维以及总酚含量均有所升高，而吸水性指数则有所下降。挤压膨化可使紫糯全麦粉的可溶性膳食纤维含量增加约6%～26%，总酚含量在膨化温度160℃、物料含水量13%时，达到最高1.03mg/g。膨化紫麦粉的WSI和WAI分别比原料提高70%和37%；物料含水量的增加则使水溶性指数和总酚含量下降，吸水性指数及其他指标均有所升高；膨化产品的总抗氧化能力随着膨化温度、物料含水量以及螺杆转速的增加均有所降低。

紫糯全麦粉，挤压膨化，理化性质，抗氧化活性

由于全谷食品能够改善人体健康，降低多种慢性病的发病率，因而成为世界各国膳食指南中重点推荐的食物之一[1]。全谷食品能够降低肥胖症、冠心病、高血压和直肠癌的发病率[2-3]。全谷食品含有丰富的膳食纤维、维生素、矿质元素以及多种抗氧化活性物质是其具有以上功能的主要原因[4]。因而，全谷食品已成为世界各国健康食品研究与开发的热点领域之一。

近年来，我国全麦食品的生产和消费量呈逐年上升趋势[5]。但全麦食品的口感粗糙、品种相对单一仍然是影响全麦食品发展的主要因素。紫粒糯性小麦是紫粒小麦与普通糯麦杂交而成的小麦新品种，不仅含有丰富的赖氨酸、维生素和矿质元素，还含有大量的花色苷、类黄酮、酚酸、甾醇等功能性成分[6]。但目前市场上对紫麦的开发仍局限在全麦面包、面条等产品上，随着人们生活节奏的加快，方便、快捷、营养、安全的食品越来越受到广大消费者的青睐。因此通过挤压膨化对紫糯小麦粉进行前处理，能为紫糯小麦粉的开发利用提供更广阔的理论依据。

食品挤压膨化加工技术正广泛地应用于食品与饲料工业。通过挤压加工后，物料特性发生了显著变化[7]，大分子物质如淀粉、蛋白质、膳食纤维等在高温、高压、强剪切力的作用下被切断成小分子物质，提高可溶性膳食纤维的含量，改善口感，同时通过美拉德反应、焦糖化反应，形成诱人的麦香味。

本文以紫粒糯性小麦为原料，研究挤压膨化条件对紫糯全麦粉理化性质、总酚含量及抗氧化活性的影响，以期为紫糯小麦粉的开发利用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

紫糯全麦粉山东紫诺生物产业有限公司，根据AACC（2000）方法测得紫糯小麦粉粉的理化指标为：水分11.40%，蛋白质15.80%，灰分1.95%，脂类2.18%，淀粉65.24%；支链淀粉占总淀粉的98.40%；其他试剂均为分析纯。

DS56-X型双螺杆膨化挤出机济南高新开发区赛信机械有限公司；302型电热鼓风干燥箱山东龙口市先科仪器公司；电磁搅拌器上海安亭电子仪器厂；AY220型仁电子分析天平日本岛津公司；ZSH-200A型智能水分测定仪湖南湘仪天平仪器设备有限公司；KDN-04A型凯氏定氮仪上海新嘉电子有限公司；电子数显千分尺桂林广陆数字测控股份有限公司；LXJ-IIB型低速大容量多管离心机上海安亭科学仪器厂；99-IA型数显恒温磁力搅拌器江苏金坛币荣华仪器制造有限公司。

1.2实验方法

1.2.1膨化紫糯小麦粉粉的制备

1.2.1.1不同膨化温度的挤压膨化实验在一定喂料速度下，挤压机机头模孔直径5mm，螺杆转速300r/min，物料含水量为19%的工艺条件下，调节挤压膨化三区温度分别为140、150、160、170、180℃进行挤压膨化，测定制品的各项理化指标。

1.2.1.2不同物料含水量的挤压膨化实验在一定喂料速度下，挤压机机头模孔直径5mm，螺杆转速300r/min，三区膨化温度为160℃的工艺条件下，配制含水量分别为13%、16%、19%、22%、25%的紫糯全麦粉，进行挤压膨化，测定制品的各项理化指标。

1.2.1.3不同螺杆转速的挤压膨化实验在一定喂料速度下，挤压机机头模孔直径5mm，三区膨化温度160℃的工艺条件下，采用物料含水量为19%的紫糯全麦粉分别在螺杆转速为100、200、300、400、500r/min时进行挤压膨化，测定制品的各项理化指标。

1.2.2成分测定总膳食纤维、可溶性膳食纤维含量的测定：酶重量法（AOAC991.43）。

1.2.3膨化度的测定[8]采用数显电子千分尺测定样品直径，每个样品随机测定10次，求其平均值作为样品的平均直径d（mm）。平均直径除以模孔直径（5mm），其商为径向膨化率。以径向膨化率表示膨化度。

1.2.4水溶性指数（WSI）与吸水性指数（WAI）的测定取过80目筛的筛下物0.20g（干基，W0），放入已知重量的离心管（W1，g）中，加入20mL蒸馏水，搅拌，直至膨化物完全分散形成悬浮液体系；3000r/min离心10min；分离上清液和沉淀物，并将上清液慢慢倒入已恒重过的铝盒（W2，g）中，烘干称重（W3，g）。同时，对离心管及沉淀的凝胶重量（W4，g）进行称量，计算公式为：

水溶性指数WSI（g/g，干基）=（W3-W2）/W0×100

吸水性指数WAI（g/g，干基）=（W4-W1）/W0×100

1.2.5总酚含量的测定采用Foiln-Ciocalteu法测定总酚含量。膨化后产品，磨粉过100目筛，于45℃烘箱中烘2～3h。用80%甲醇提取全麦粉，料液比1∶10，室温下超声波提取60min。4500r/min离心15min。取上清液得样品的80%甲醇提取液，然后定容至10mL。置冰箱中冷藏保存，待用。

精确量取没食子酸标准溶液（0.1mg/mL）0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mL于10mL容量瓶中，各加水6mL，摇匀，再加0.5mL FC试剂，充分摇匀，0.5～8min内加入饱和碳酸钠溶液1.5mL，混匀定容，于765nm下比色，测定吸光度，同时以空白试剂做参比，以吸光度为纵坐标，溶液浓度为横坐标，绘制标准曲线，求得回归方程。y=0.1349x+0.0087，R2=0.9978

取0.5mL制备的样品溶液，加入0.5mL FC试剂，混匀后再加入1.5mL碳酸钠溶液，定容至10mL，室温下暗处反应2h。在765nm处测定吸光值。根据回归方程算出测量液中总酚的浓度。

1.2.6总抗氧化能力的测定采用总抗氧化能力检测试剂盒（ABTS法）检测紫糯小麦粉的总抗氧化能力。在96孔板的每个检测孔中加入200μL ABTS工作液，空白对照孔中加入10μL 80%乙醇，标准曲线检测孔内加入10μL各种浓度的Trolox标准溶液，样品检测孔内加入10μL各种样品提取液，轻轻混匀。酶标仪检测波长为734nm，根据标准曲线计算出样品的总抗氧化能力。回归方程为：y=-0.4812x+0.6208 R2=0.969。以Trolox作为标准品进行总抗氧化能力检测，样品的抗氧化能力可以用Trolox Equivalent Antioxidant Capacity（TEAC）来表示。

1.2.7数据处理采用SPSS 18.0软件中的ANOVA模块的Duncan方法对数据进行差异显著性分析。

2　结果与分析

图1　膨化温度对紫糯小麦粉粉膨化度的影响Fig.1　Influence of temperature on the expansion ratio of purple waxy wheat flour

2.1挤压条件对紫糯小麦粉膨化度的影响

2.1.1膨化温度对紫糯小麦粉粉膨化度的影响从图1可以看出，随着膨化温度的升高，膨化度呈现先上升后下降的趋势。当膨化温度为160℃时，膨化度达到最大值（2.515）。这是由于膨化温度升高，物料内的水蒸气压力增大，造成在机头处瞬间挤出时内外压差增大，从而使物料的膨化度提高。当膨化温度超过160℃时，物料黏度下降，淀粉受到的剪切作用减弱，造成膨化度较低。Oke等研究发现在100～150℃范围内，温度变化对山药淀粉的膨化度具有显著影响[8]。而Rodríguez-Miranda等研究结果表明，在140～180℃范围内，挤出温度对山芋/玉米混合粉的膨胀率影响较小[9]。不同研究中，机筒温度对物料膨化度的影响不一致，可能与所使用原料性质、挤出机的结构不同有关。

2.1.2物料含水量对紫糯小麦粉粉膨化度的影响

水是谷物粉的主要软化剂，它可使物料在挤出过程中发生玻璃化转变，因而使物料易于变形和膨胀[8]。从图2可以看出，物料含水量对膨化度具有显著影响。当物料含水量在较低范围时，随着物料含水量的增加，膨化度略有提高。物料含水量为13%时，出现轻微的焦化和堵塞模孔现象。当物料含水量超过16%时，膨化度随含水量的增大呈线性降低。这是因为在物料含水量过高时表观粘度降低，甚至呈流体状态，其在挤出机机筒内所受剪切力、摩擦力减弱，在机头处的压力显著降低，导致膨化度较低[10]。

2.1.3转速对紫糯小麦粉粉膨化度的影响从图3可以看出，在转速100～400r/min范围，膨化度随转速的加快而增大，当转速为400r/min时，膨化度达到最大值（2.906）。当转速超过400r/min时，膨化度随着转速的加快呈轻微下降的趋势。这是由于转速直接影响挤压腔内剪切力和压力的缘故。当转速在100～400r/min范围，随着转速的增加，产生的剪切力增大，在机头处产生的压力增大，造成在机头处瞬间挤出时内外压差增大，从而使膨化度增加。同时螺杆的搅拌使水分在物料中分散均匀，挤出物的结构和气孔也较为均匀[9]。但挤出机转速过高（超过400r/min），物料在机腔内滞留时间缩短，粘度降低，大分子物质未完全断裂、降解就被挤压出来，导致膨化度下降。

图3　转速对紫糯小麦粉粉膨化度的影响Fig.3　Influence of screw speed on the expansion ratio of purple waxy wheat flour

2.2挤压条件对紫糯小麦粉粉WSI和WAI的影响

2.2.1膨化温度对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响由图4可以看出，在设定的温度范围内，随着挤压温度的升高，WSI逐渐升高，实验测得，未挤压原料的WSI为0.19，相对较低，但随着温度的升高，淀粉的降解增加，水溶性成分增多，最终使产品的WSI增大。Ding等[10]在挤压制备小麦粉膨化食品时得出类似的研究结果。WAI总体趋势是逐渐降低，但仍高于未挤压原料的WAI（2.73）。当温度达到180℃时，又有所升高。但Anderson[11]在挤压玉米粉过程中发现WAI随着挤压温度的升高逐渐升高。这可能是因为本研究使用的小麦粉蛋白质含量较高，在挤出过程中蛋白质吸收较多的水分，抑制了淀粉的糊化，同时温度升高促进了淀粉的熔融和糊精化，从而造成WAI的降低。

图4　膨化温度对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响Fig.4　Influence of temperature on the WSI and WAI of purple waxy wheat flour

图5　转速对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响Fig.5　Influence of screw speed on the WSI and WAI of purple waxy wheat flour

2.2.2转速对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响WAI是挤出物吸收水分的数量，常用来表示淀粉的糊化程度。WSI表示挤出物中大分子降解成可溶性分子的程度。图5为螺杆转速对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响。随着螺杆转速的增加，剪切作用增强，使纤维、淀粉等大分子降解程度增大，因而WSI变大[12]。当转速500r·min-1时，WSI可比原料提高约70%。在低螺杆转速的条件下，有较多的未被破坏的聚合体链和亲水性聚合物，这些聚合物能结合更多的水从而使WAI值更高；同时，低转速使物料在机腔内停留时间长，淀粉蒸煮程度高，产品的WAI就高。

2.2.3物料含水量对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响

由图6可知，随着水分含量的增加，产品的WAI值显著增大，WSI则逐渐降低。当物料含水量25%时，WAI最高可比原料提高37%。这可能是因为挤压过程中水分的增加使得物料的流动性增大，降低了剪切力，促进了淀粉糊化，从而使物料的吸水性变大，溶解性降低。

图6　物料含水量对紫糯小麦粉WSI和WAI的影响Fig.6　Influence of moisture content on the WSI and WAI of purple waxy wheat flour

2.3不同挤压条件对紫糯小麦粉膳食纤维含量的影响

2.3.1膨化温度对紫糯小麦粉总膳食纤维（TDF）和可溶性膳食纤维（SDF）含量的影响图7是膨化温度对紫糯小麦粉粉TDF和SDF含量的影响。未挤压原料总膳食纤维和可溶性膳食纤维含量分别是13.76%和2.05%。由于受到剪切力和高温作用，不溶性膳食纤维发生热力分解，导致化学键（糖苷键等）的断裂，实现不溶性膳食纤维（纤维素、半纤维素、木质素、不溶性果胶等）向可溶性膳食纤维的转变[13]。较高的挤压温度有利于这一转变的发生，但挤压温度过高会造成物料焦糊、色泽变化和营养损失。当温度为180℃时，可溶性膳食纤维含量可比原料提高26%。随着挤压温度的升高，总膳食纤维含量也略有升高。这可能是因为，随着温度的升高，挤压过程中发生了复杂的物理化学反应，比如美拉德反应和焦糖化反应等，导致总膳食纤维的增高[14]。Bjorck等[15]和Ostergard等[16]分别在挤压全小麦粉和全大麦粉时，也得出了相同的结论。

图7　膨化温度对紫糯小麦粉TDF和SDF含量的影响Fig.7　Influence of temperature on the TDF and SDF of purple waxy wheat flour

2.3.2物料含水量对紫糯小麦粉总膳食纤维（TDF）和可溶性膳食纤维（SDF）含量的影响从图8可以看出，TDF和SDF含量均随着含水量的增大先增大后降低。谷物粉在较高的水分含量下挤出时，会产生一种具有较高反应活性的糖苷类物质，这种物质与淀粉或水解的淀粉片段发生反应，形成具有分支结构的葡聚糖。这种葡聚糖具有抗酶解和抗消化的作用[17]。谷物粉在挤出过程中会生成RS3型抗性淀粉，且水分含量越高，其生成量越高[18]。本研究中，随着水分含量的增高，TDF和SDF含量升高可能是生成了较多的分支葡聚糖或抗性淀粉。当含水量过高时，则不利于这些物质的生成。

2.3.3转速对紫糯小麦粉总膳食纤维含量（TDF）和可溶性膳食纤维含量（SDF）的影响螺杆转速对紫糯小麦粉TDF和SDF含量的影响见图9。当其他条件不变时，螺杆转速越高，机筒内的压力越大，物料受到的摩擦力和剪切力越大，纤维物料分子裂解程度增大，因而SDF增大。螺杆转速增大，也有利于抗消化复合物的形成，因而TDF也增大。转速过高，物料在机筒内的停留时间过短，TDF和SDF含量的反而降低。

图9　转速对紫糯小麦粉TDF和SDF含量的影响Fig.9　Influence of screw speed on the TDF and SDF of purple waxy wheat flour

2.4挤压条件对紫糯小麦粉总酚含量的影响

2.4.1膨化温度对紫糯小麦粉总酚含量的影响由图10可以看出，随着膨化温度的增加，紫糯小麦粉总酚含量显著增加。这可能是由于有部分结合态的酚类物质被释放出来，使总酚含量有所升高[19]。当温度达到180℃时，总酚含量最高，但是仍低于紫糯小麦粉原料的总酚含量（0.64mg/g），可能是由于酚类化合物对热较敏感，高温导致酚类物质的降解；或者是酚类化合物的分子结构发生改变，导致总酚含量较低[20]。Zielinski等[21]研究也表明，高温挤压荞麦粉后，总酚含量显著低于未挤压样品，而且200℃挤出物的总酚含量高于120℃的总酚含量。

图10　膨化温度对紫糯小麦粉总酚含量的影响Fig.10　　Influence of temperature on the TPC ofpurple waxy wheat flour

2.4.2物料含水量对紫糯小麦粉总酚含量的影响

由图11可以看出，在物料含水量13%时，总酚含量达到最高1.03mg/g。随着物料含水量的增加，紫糯小麦粉总酚含量逐渐降低。Sharma等[20]和El-Hady等[22]也报道了类似的研究结果。增加物料含水量，可能主要增加了游离型酚酸的降解[23]。当物料含水量≥19%以后，总酚含量趋于稳定，这可能是由于对湿热敏感酚酸大部分已被破坏，剩余的主要是稳定性较高的结合型酚酸[20]。

2.4.3转速对紫糯小麦粉总酚含量的影响由图12可以看出，随着转速的增加，紫糯小麦粉总酚含量有所增加，当转速超过300r·min-1后总酚含量趋于稳定。可能是由于随着转速的增加，更好的破坏了细胞壁，加速多酚类物质的释放[20]，从而导致提取物中总酚含量的增加。同时，在膨化机内停留的时间较短，湿热环境对紫糯小麦粉的破坏时间就缩短，总酚含量逐渐升高。

图11　物料含水量对紫糯小麦粉总酚含量的影响Fig.11　Influence of moisture content on the TPC ofpurple waxy wheat flour

图12　转速对紫糯小麦粉总酚含量的影响Fig.12　Influence of screw speed on the TPC of purple waxy wheat flour

2.5挤压条件对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响

2.5.1膨化温度对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响由图13可以看出随着膨化温度的升高，产品的总抗氧化能力整体呈下降趋势，在180℃时有轻微升高。可能是由于游离型酚酸在高温下受到破坏，抗氧化能力显著降低而结合型酚酸抗氧化能力升高不明显，使产品的总抗氧化能力下降[24]。高温时抗氧化能力的增加可能是由于美拉德反应产生的色素所引起的[21]。

图13　膨化温度对紫糯小麦粉粉总抗氧化能力的影响Fig.13　Influence of temperature on the TEAC of purple waxy wheat flour

2.5.2物料含水量对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响由图14可以看出，随着物料含水量的增加，紫糯小麦粉的总抗氧化能力逐渐下降。这可能是由于随着含水量的增加，提取物中游离型酚酸含量显著降低，导致游离型酚酸的抗氧化能力也显著下降，最终导致提取物的总抗氧化能力显著下降。Sarawong等[23]在研究香蕉粉的挤压膨化时也得出了相同的结论。

2.5.3转速对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响由图15可以看出，随着转速的增加，紫糯小麦粉的总抗氧化能力呈先下降后升高的趋势。但挤压产品抗氧化能力最低数值仍高于未挤压原料的总抗氧化能力（5.57mmol/L Trolox/g）。虽然随着转速的升高，提取物中花青素等多酚类物质含量增加，但是其中主要起抗氧化作用的是游离型酚酸类物质[23]，所以随着转速的增加，总抗氧化能力并没有同时呈升高趋势。Sarawong等的研究发现随着转速的增加会导致抗氧化能力的增加。这可能是由于使用的原料不同，所表现出的抗氧化能力也不相同。

图14　物料含水量对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响Fig.14　Influence of moisture content on the TEAC of purple waxy wheat flour

图15　转速对紫糯小麦粉总抗氧化能力的影响Fig.15　Influence of screw speed on the TEAC of purple waxy wheat flour

3　结论

紫糯全麦粉经过挤压膨化后很多性质得到改善，而在不同的挤压工艺条件下，紫糯全麦粉不同的理化指标发生的变化不同。提高挤压膨化温度和螺杆转速，紫糯全麦粉的膨化度、水溶性指数、总膳食纤维、可溶性膳食纤维以及总酚的含量均有所升高；物料含水量升高可使水溶性指数和总酚含量外的其他理化指标均升高。膨化产品的总抗氧化能力随着膨化温度、物料含水量以及螺杆转速的增加均有所降低。挤压膨化紫糯全麦粉是制备即食冲调类食品的良好原料。

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Effects of extrusion on physiochemical properties and antioxidant activity of whole purple waxy wheat flour

WU Guang-miao1，ZHANG Xian-sheng2，DONG Hai-zhou1，HOU Han-xue1，ZHANG Jin-li1，*
（1.College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai’an 271017，China；2.College of Life Science，Shandong Agricultural University，State Key Laboratory of Crop Biology，Tai’an 271017，China）

The effects of the different extrusion conditions on the physiochemical properties of whole purple waxy wheat flour were investigated.The results showed that the expansion ratio，WSI，TDF，SDF，TPC increased and WAI decreased with the increase of barrel temperature and screw speed.SDF of the extrudate increased 6%～26%compared to raw purple waxy wheat flour.There was the highest TPC（1.03mg/g）at 160℃and 13%feed moisture.The WSI and WAI of puffing powder increased by 70%and 37%than the raw material.Increasing feed moisture content resulted in lower WSI and TPC，but higher WAI and some other properties.The total antioxidant activity significantly decreased with the increase of barrel temperature，screw speed and feed moisture content.

purple waxy wheat flour；extrusion；physiochemical property；antioxidant activity

TS210.4

A

1002-0306（2015）04-0120-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.017

2014－05－26

吴广淼（1989-），女，硕士研究生，研究方向：粮油食品加工。

张锦丽（1974-），女，博士，副教授，主要从事食品生物技术方面的研究。

山东省科技发展计划项目（2011GNC11311）。