西农黑大穗小麦挤压膨化加工研究

刘苗苗 张正茂， 卓武燕 孙 茹 邢沁浍 胡新娟

(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100)(西北农林科技大学农学院2，杨凌 712100)

西农黑大穗小麦挤压膨化加工研究

刘苗苗1张正茂1，2卓武燕2孙 茹1邢沁浍1胡新娟1

(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100)(西北农林科技大学农学院2，杨凌 712100)

以普冰9946小麦为对照，研究西农黑大穗挤压膨化过程中加工温度、物料含水量、喂料速度变化对挤压膨化的扭矩、4区压力、5区压力、单位机械能耗、产品比容、径向膨化率、脆度、硬度的影响。结果表明，在试验范围内，温度为T1时，西农黑大穗产品比容、径向膨化率高，单位机械能耗高；温度为T3时，产品脆度高、硬度低，膨化率低。含水量为20%时，产品物理特性相对较好；含水量为22.5%时，单位机械能耗较低。喂料速度为20 g/min时，产品物理特性较好，单位机械能耗较高。加工过程中，西农黑大穗的扭矩、压力均高于对照，单位机械能耗和产品物理特性与对照差异极显著(P<0.01)。

西农黑大穗 普冰9946 挤压膨化 加工参数 产品物理特性

挤压膨化是高温、高压、短时的加工过程[1]，物料经挤压膨化加工后，蛋白质、可溶性纤维等营养物质消化率得到提高，营养成分也最大限度的保留[2]。大量研究表明，加工环节的温度、物料含水量、喂料速度、螺杆转速等对挤压膨化的加工参数及产品品质会产生一定影响[3-6]。

国内外的谷物挤压膨化研究主要集中在玉米[5]、大米[6]、燕麦[3]、豆类等谷物种类，产品有速食食品、婴儿食品、早餐食品、点心、宠物饲料等[7]。黑小麦是普通小麦中的一类特殊品种，含有丰富的必需氨基酸、膳食纤维和微量元素，但主要集中在小麦皮层，传统的剥皮磨粉工艺使这些营养物质大量损失。若采用挤压膨化技术加工黑小麦全粉，改变其组织结构，既可保留更多的营养成分，又可解决全麦粉适口性差的问题。目前，对小麦挤压膨化的研究多集中在普通小麦粉及其混配物料的挤压膨化方面，如普通小麦粉[8]、小麦-大豆面粉[9]、小麦-鱼肉粉[10]等，对黑小麦挤压膨化研究鲜有报道。研究黑小麦挤压膨化，增加食品花色品种，对改善人体营养状况，促进黑小麦食品开发具有重要意义。

本试验以普通白皮小麦普冰9946为对照，研究西农黑大穗小麦挤压膨化过程中加工温度、物料含水量、喂料速度对挤压膨化扭矩、4区压力、5区压力和单位机械能耗等加工参数以及产品比容、膨化率、脆度和硬度等产品物理特性的影响，为黑小麦挤压膨化加工提供技术参数和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

西农黑大穗小麦：黑粒小麦，由西北农林科技大学食品科学与工程学院张正茂研究员选育的黑小麦新品种。

普冰9946小麦：白粒小麦，由西北农林科技大学食品科学与工程学院与中国农科院作物科学研究所合作选育的旱地小麦新品种。

小麦收获脱粒，经过晾晒、除杂、清洗、低温(55℃)烘干，采用高速万能粉碎机粉碎，过60目面粉专用筛制成全麦粉，装入PE自封袋静置熟化20 d备用。

1.2 仪器与设备

德国DSE-25型双螺杆挤压膨化实验室工作站：德国布拉本德公司；FOSS全自动凯氏定氮仪 Kjeltec 8400：FOSS公司； TA-XA PLUS物性测试仪：英国Stable Micro Systems公司。

1.3 试验设计

试验水平设计参考文献[8-11]及预试验结果。采用德国DSE-25型双螺杆挤压膨化实验室工作站，设定螺杆转速200 r/min恒定，模口直径6 mm。加工温度水平为T1、T2、T3，各水平见表1。物料含水量为20%、22.5%、25%，喂料速度为20、30、40 g/min。

表1 加工温度水平表

研究单一因素变化对挤压膨化加工参数和产品物理特性的影响。控制物料含水量20%、喂料速度40 g/min不变，改变加工温度。控制加工温度T3，喂料速度40 g/min不变，改变物料含水量。控制加工温度T3，物料含水量20%不变，改变喂料速度。每试验组合重复3次。

全麦粉处理：将全麦粉分成500 g的等份，按试验设计的物料含水量加入蒸馏水，装入PE自封袋中备用。原料加水量计算公式参考魏益民等[12]计算方法。

喂料转速测定：挤压膨化前，使用双螺旋体积计量喂料器进行喂料螺杆转速测定，将喂料速度(g/min)转换成双螺旋转速(r/min)，准确地控制进料量。

1.4 测定方法

1.4.1 含水量：GB 50093—2010。蛋白质含量：全自动凯氏定氮仪测定。灰分含量：GB 50094—2010。微量元素(Fe、Zn、Cu、Mn)含量：GB/T 14609—2008。

1.4.2 取样测定：当双螺杆挤压膨化实验室工作站进入稳定状态时取样。取1 min膨化样品称重，重复2次，室温下放置冷却，装入PE自封袋中备用。扭矩和压力动态参数由计算机记录，每10 s记录1次。

1.4.3 单位机械能耗由扭矩、螺杆转速和产量估算，单位为kJ/kg，计算公式为：

单位机械能耗=(2πnT)/Q

式中：n为螺杆转速，r/min；T为扭矩，N·m；Q为挤压机稳定时的产量，g/min。

1.4.4 比容：截取约5.0 cm 长的样品，每次取5根，称重。运用排小米法测得样品体积，由体积和重量的比值计算其比容。每个样品测试5次，去掉最大值和最小值后取平均值。

1.4.5 径向膨化率：用游标卡尺测定产品直径，每个样品测试10 次，去掉最大值和最小值后，取剩余数值的平均值表示产品直径。径向膨化率=产品直径/模口孔径。

1.4.6 脆度和硬度：采用TA-XA PLUS物性测试仪的HDP/3PB探头测试。截取样品长度10 cm，将样品固定在间距为3 cm的两水平支持臂间，通过刀刃型探头下压直至试样断裂成两半为止。探头移动速度：测试前1 mm/s，测试中1 mm/s，测试后10 mm/s。触发力5 g，测试通过距离5 mm。测试模式为压缩。所测力值越大，硬度越大，断裂的接触距离的绝对值越小，脆度越大。每个样品测试10次，去掉最大值和最小值后取平均值。

2 结果与分析

2.1 小麦全麦粉主要营养成分分析

由表2看出，西农黑大穗全麦粉蛋白质质量分数极显著(P<0.01)高于对照普冰9946，高于优质-强筋小麦国家标准中一等小麦蛋白质质量分数(≥15.0%)。普冰9946全麦粉蛋白质含量高于该标准中二等小麦蛋白质质量分数(≥14.0%)。西农黑大穗全麦粉灰分含量高于对照，这与西农黑大穗中含有较多的微量元素有关，Zn、Mn含量均极显著(P<0.01)高于对照，Fe含量极显著(P<0.01)低于对照。西农黑大穗主要组分含量与燕雯等[13]研究结果有差异，这可能与原料生产年份的气候条件、种植地点、肥水管理等因素有关。

表2 小麦全麦粉主要营养成分

注：同行之间小写字母表示差异显著(P<0.05)，大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

2.2 加工温度对挤压膨化加工参数和产品物理特性的影响

加工温度变化对扭矩、4区压力、5区压力和单位机械能耗产生影响。由图1看出，随着加工温度升高，西农黑大穗和普冰9946挤压膨化的扭矩、4区压力、5区压力、单位机械能耗均呈降低趋势，部分差异极显著(P<0.01)。温度升高，小麦中淀粉、膳食纤维等物质降解后黏度降低[14-15]，使扭矩和单位机械能耗降低[16]。相同温度下，西农黑大穗挤压膨化的扭矩分别高出对照6.4%、12.7%、18.6%；4区压力分别高出10.7%、11.1%、40.5%；5区压力分别高出18.6%、21.3%、71.9%，部分差异达极显著(P<0.01)。可以看出，加工温度越高，西农黑大穗相比对照的扭矩、压力就越大，二者加工参数差异越大。这与小麦主要成分含量有关，Abdellah等[17]发现玉米和小麦成分差异对膨化机理有显著影响。当温度为T1时,西农黑大穗的单位机械能耗低于对照，温度为T2、T3时，单位机械能耗高于对照。杜双奎等[18]认为玉米粗蛋白含量与单位机械能耗呈显著负相关，从本研究可以看出，单位机械能耗不仅与蛋白含量有关，还与加工条件有关。

加工温度升高，西农黑大穗和普冰9946产品比容、径向膨化率减小，部分差异达极显著水平(P<0.01)(见图2)。这说明温度升高，挤压膨化产品体积减小，密度增大。温度升高使物料黏度下降，在机器内压力下降，导致膨化率下降[19]。图2中产品脆度以产品断裂时接触距离的绝对值作图，绝对值越小，脆度越大(图4、图6均相同)。硬度、脆度随加工温度升高变化规律相反，硬度降低，脆度升高。说明温度升高，膨化产品物理特性升高。由图2看出，小麦品种不同，挤压膨化产品物理特性明显不同。温度为T1时，西农黑大穗产品比容高出对照27.1%。相同加工温度下，西农黑大穗产品径向膨化率均大于对照，且硬度较低，脆度较高，具有较好的物理特性，感官品质优于对照。陈锋亮等[12]发现小麦千粒重、籽粒硬度、蛋白质含量等对挤压膨化产品理化特性有显著影响。西农黑大穗与普冰9946主要营养成分含量差异显著，产品物理特性差异也显著。温度为T1时，西农黑大穗的产品比容及径向膨化率较高，温度为T3时，产品的脆度、硬度较理想。

图1 加工温度对加工参数的影响

图2 加工温度对产品物理特性的影响

2.3 物料含水量对挤压膨化加工参数和产品物理特性的影响

由图3看出，随着物料含水量升高，西农黑大穗与普冰9946挤压膨化扭矩、4区压力、5区压力、单位机械能耗呈下降趋势，部分差异极显著(P<0.01)，扭矩和单位机械能耗变化最为明显。含水量升高会减弱分子间相互作用力，降低体系黏度，使扭矩和单位机械能耗降低[20]。相同物料含水量，西农黑大穗的扭矩、4区压力、5区压力均高于对照，物料含水量为20%时，差异均达极显著(P<0.01)。物料含水量为22.5%时，西农黑大穗单位机械能耗低于对照，差异达极显著(P<0.01)。

图3 物料含水量对加工参数的影响

随着物料含水量升高，西农黑大穗与普冰9946产品比容、径向膨化率均呈下降趋势，部分差异达极显著(P<0.01)(见图4)。说明含水量升高，产品密度增加。Parsons等[21]也发现物料含水量升高，产品截面膨化率降低。产品脆度随含水量升高而降低，硬度随含水量升高而升高，说明高含水量使产品物理特性变差。Suksomboon等[22]有类似结论。相同物料含水量，西农黑大穗产品比容小于普冰9946，说明西农黑大穗产品密度较大。不同物料含水量，经挤压膨化后产品物理特性差异较大。含水量为20%和22.5%时，西农黑大穗的径向膨化率分别高出对照36.7%、9.1%。含水量为22.5%时，产品脆度高于对照，含水量为20%时，产品硬度低于对照。物料含水量为20%时，西农黑大穗产品物理特性相对较好，含水量为22.5%时，单位机械能耗较低。

图4 物料含水量对产品物理特性的影响

2.4 喂料速度对挤压膨化加工参数和产品物理特性的影响

由图5看出，喂料速度增加，西农黑大穗和普冰9946小麦挤压膨化扭矩增大，单位机械能耗降低，部分差异极显著(P<0.01)。相同喂料速度，西农黑大穗挤压膨化扭矩、4区压力、5区压力、单位机械能耗高于对照，部分差异极显著(P<0.01)。高喂料速度下螺杆得到更大程度的填充，扭矩变大。物料吸收更多能量，能量散失减少，单位机械能耗降低[23]。

图5 喂料速度对加工参数的影响

由图6看出，喂料速度增加，挤压膨化产品比容、径向膨化率呈先减小后增加的变化趋势，部分差异极显著(P<0.01)。挤压膨化产品脆度先降低后升高，硬度先升高后降低，说明膨化产品物理特性先降低后升高，随喂料速度不同而变。喂料速度改变，不同小麦品种挤压膨化产品物理特性有不同改变。喂料速度为20和30 g/min时，西农黑大穗产品比容均高于对照，40 g/min时产品比容低于对照。喂料速度为20和40 g/min时，西农黑大穗产品径向膨化率均高于对照，30 g/min时径向膨化率低于对照。在不同喂料速度下，产品脆度均低于对照，感官品质较差。喂料速度为20和40 g/min时，产品硬度低于对照。相比来说，喂料速度为20 g/min时，西农黑大穗产品物理特性较好，单位机械能耗较高。

图6 喂料速度对产品物理特性的影响

3 结论

西农黑大穗和普冰9946小麦挤压膨化过程中加工参数和产品品质变化规律基本一致。加工温度升高，西农黑大穗和普冰9946挤压膨化扭矩、4区压力、5区压力和单位机械能耗均降低，产品比容、径向膨化率、硬度减小，脆度增加。西农黑大穗扭矩、压力高于对照，且温度越高，差异越大。温度为T1时，单位机械能耗低于对照，产品物理特性优于对照。

物料含水量增加，西农黑大穗和普冰9946挤压膨化扭矩、4区压力和单位机械能耗均降低，产品比容、径向膨化率、脆度减小，硬度增加。西农黑大穗扭矩、压力高于对照。物料含水量为20%时，产品物理特性相对较好，加工参数较高，能耗大。物料含水量为22.5%时，单位机械能耗低于对照。

喂料速度增加，西农黑大穗和普冰9946挤压膨化扭矩增大，单位机械能耗降低。相同喂料速度，西农黑大穗加工参数均高于对照。喂料速度为20 g/min时，产品物理特性较好，能耗较高。

采用挤压膨化方法加工小麦，加工参数、产品品质与小麦品种及营养成分有关，不同品种差异较大。今后还需对黑小麦挤压膨化进行深入研究，综合考虑机械损耗、能量消耗和产品品质等方面因素，从原料配比、设备改进等方面降低膨化过程中的机械磨损及能量消耗，对挤压膨化工艺进行优化，改善产品品质，为黑小麦深加工提供理论参考。

志谢：本研究在试验设计和实施过程中，得到中国农业科学院农产品加工研究所魏益民教授、张波副研究员的技术指导和支持，特此感谢！

[1]Castells M, Marin S, Sanchis V, et al. Fate of mycotoxins in cereals during extrusion cooking: a review[J]. Food Additives and Contaminants, 2005(22):150-157

[2]Mukhopadhyay N, Bandyopadhyay S. Extrusion cooking technology employed to reduce the anti-nutritional factor tannin in sesame (Sesamum indicum) meal [J].Journal of Food Engineering, 2003, 56(2):201-202

[3]Aylin A, Kathryn L M, Medeni M. Extrusion cooking of barley flour and process parameter optimization by using response surface methodology[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2008,88(9):1648-1659

[4]Kim J H, Tanhehco E J, Ng P K W. Effect of extrusion conditions on resistant starch formation from pastry wheat flour [J].Food Chemistry, 2006, 99(4):718-723

[5]Liang Y, Hosahalli S R, Joyce B. Twin-screw extrusion of corn flour and soy protein isolate (SPI) blends: a response surface analysis[J]. Food and Bioprocess Technology, 2012, 5(2):485-497

[6]Hagenimana A, Ding X L, Fang T. Evaluation of rice flour modified by extrusion cooking[J]. Journal of Cereal Science, 2006, 43(1): 38-46

[7]Singh J, Dartois A, Kaur L. Starch digestibility in food matrix: a review [J].Trends in Food Science and Technology, 2010, 21(4):168-180

[8]Qing-Bo D, Paul A, Andrew P, et al. The effect of extrusion conditions on the functional and physical properties of wheat-based expanded snacks [J]. Journal of Food Engineering, 2006, 73(2):142-148

[9]Balasubramanian S, Borah A, Singh K K, et al. Effect of selected dehulled legume incorporation on functional and nutritional properties of protein enriched sorghum and wheat extrudates[J].Journal of Food Science Technology,2012,49(5):572-579

[10]Ratankumar Singh R K, Majumdar R K, Venkateshwarlu G. Effect of process conditions on physico-chemical and sensory properties of fish-cereal-basedextruded snack-like products[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 2014, 38(1):68-82

[11]陈锋亮，陈相艳，王宪昌，等.小麦品种品质与挤压膨化产品理化特性的关系[J].中国农业科学，2013,46(20):4336-4343

[12]魏益民，张波，蒋长兴，等.玉米膨化食品加工参数研究[J].中国粮油学报，2005,20(1):30-32,40

[13]燕雯，张正茂，阿尔哈力合·叶热仙巴依.西农黑大穗黑小麦营养特性与蒸煮食品加工品质评价[J].食品科学，2012,33(19):146-150

[14]Chang Y K, Martinez-Bustos F, Park T S, et al. The influence of specific mechanical energy on cornmeal viscosity measured by an on-line systemduring twin-screw extrusion [J].Brazilian Journal of Chemical Engineering, 1999, 16(3):285-295

[15]Delgado-Nieblas C, Aguilar-Palazuelos E, Gallegos-Infante A, et al. Characterization and optimization of extrusion cooking for the manufacture of third-generation snacks with winter squash (Cucurbita moschataD.) flour [J].Cereal Chemistry, 2012, 89(1):65-72

[16]Hsieh F, Grenus K, Hu L, et al. Twin-screw extrusion of rice flour with salt and sugar[J]. Cereal Chemistry, 1993, 70(5):493-498

[17]Abdellah A, Jack L, Peggy V, et al. The Effect of Wheat and Maize Flours Properties on the Expansion Mechanism During Extrusion Cooking[J].Food and Bioprocess Technology,2009,2(2):186-193

[18]杜双奎，魏益民，张波，等.玉米籽粒品质性状与挤压膨化特性的关系[J].中国农业科学，2005,38(9):1876-1881

[19]Chinnaswamy R, Hanna M A. Optimum extrusion-cooking conditions for maximum expansion of corn starch [J].Journal of Food Science,1998, 53(3):834-836

[20]Chulaluck C, Plernchai T, Nipat L, et al. Effects of extrusion conditions on the physical and functional properties of instant cereal beverage powders admixed with mulberry (Morus albaL.) leaves[J]. Food Science Technology Research, 2008, 14(5):421-430

[21]Parsons M H, Heish F, Huff H E. Extrusion cooking of corn meal with sodium bicarbonate and sodium aluminum phosphate[J].Journal Food Processing Preservation,1996,20(3):221-234

[22]Suksomboon A, Limroongreungrat K, Sangnark A, et al. Effect of extrusion conditions on the physicochemical properties of a snack made from purple rice (Hom Nil) and soybean flour blend[J].International Journal of Food Science and Technology ,2011,46(1): 201-208

[23]Senol I, Paul A. Energy considerations on extrusion of tarhana, a wheat flour based product [J].Journal of Food Process Engineering, 2010, 33(3):448-465.

The Research on Processing Parameter and Product Properties of Xinong Heidasui Black Wheat During Extrusion Cooking

Liu Miaomiao1Zhang Zhengmao1,2Zhuo Wuyan2Sun Ru1Xing Qinhui1Hu Xinjuan1

(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University1, Yangling 712100) (College of Agronomy, Northwest A & F University2, Yangling 712100)

The effect of varies of processing temperature, moisture content, feed rate on the processing parameter and product physical properties during extrusion cooking of Xinong Heidasui black wheat was investigated by comparison with those of Pubing 9946 wheat. Processing parameter included torque, the 4thzone pressure, the 5thzone pressure and special mechanical energy1. Product physical properties included specific volume, radial expansion ratio, hardness and crispness. It was found that the specific volume and radial expansion ratio was high but the special mechanical energy was high as well at processing temperatureT1. Crispness was good and hardness was low at processing temperatureT3, but radial expansion ratio was low too. Product physical properties were relatively good when moisture content was 20%. Special mechanical energy was relatively low when moisture content was 22.5%. At 20 g/min feeding rate, product physical properties were relatively good and special mechanical energy was high. During the extrusion cooking, the torque, the 4thzone pressure and the 5thzone pressure of Xinong Heidasui black wheat were higher than Pubing 9946 wheat. Special mechanical energy and product physical properties of Xinong Heidasui were significantly different with Pubing 9946 at the 1% probability level.

Xinong Heidasui black wheat, Pubing 9946 wheat, extrusion cooking, processing parameter, product physical properties

TS210.1

A

1003-0174(2016)04-0010-06

陕西省科技统筹创新工程(2011KTZB02-01)

2014-08-26

刘苗苗，女，1991年出生，硕士，食品科学

张正茂，男，1961年出生，研究员，小麦品质育种与加工