挤压膨化及添加魔芋粉对燕麦-玉米混粉糊化特性及体外消化率的影响

霍 瑞， 张美莉， 郭新月

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

挤压膨化技术具有机械剪切、高温高压、膨化成型的特点，已广泛应用于谷物等食品加工中[1]，随着挤压膨化生产设备在食品上的大量应用，多谷物膨化粉的研制和应用引起了食品领域科技工作者的广泛关注。经挤压膨化处理得到的谷物棒、代餐粉等因便于生产、营养损失较少及促进部分营养成分溶出等综合作用而广受人们的喜爱[2]。有研究发现淀粉类谷物在挤压膨化过程中受到高温、高压、高剪切力的作用，部分支链淀粉降解为直链淀粉，因此总直链淀粉含量上升，支链淀粉含量下降；短的直链淀粉重新排列，可明显提高慢消化淀粉含量[3,4]，这类淀粉被人体缓慢吸收，可以维持餐后血糖稳定，并且提供长时间的饱腹感，具有重要的生理功能[5]。此外，挤压中添加功能性物质也可能降低消化率，Wang等[6]研究挤压膨化大米结合添加紫薯粉对体外消化率的影响，结果显示该膨化粉呈现出较低的eGI值，结构特性也得到了改善。韩玲玉[7]研究多谷物共挤压对其消化特性的影响，发现含脂肪较多的谷物有助于形成淀粉脂肪络合物，含膳食纤维较多的谷物可以增加消化体系黏度，两者均可降低淀粉体外消化率。冯进等[8]以蚕豆粉、荞麦粉和魔芋精粉为原料制备杂粮膨化粉，其体外消化结果表明消化液黏度增加，消化酶和产物扩散速率变慢，消化速率降低。

目前关于混合谷物与高膳食纤维原料共挤压的研究鲜有报道，本研究选用燕麦粉、玉米粉和魔芋粉作为原料，通过挤压膨化处理制备消化率较低的膨化粉。挤压膨化后的燕麦粉难以成形，色泽及味道较差，本实验进一步比较和分析不同魔芋粉添加量下燕麦玉米膨化粉的营养成分、溶解特性和流动性，并通过胃肠模型研究产品的淀粉体外消化状况，以期为拓展消费市场提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦粉、马齿型玉米、J08魔芋粉、α-淀粉酶(4 000 U/g)、胃蛋白酶(400 U/mg)、醋酸钠、3，5-二硝基水杨酸、盐酸、氯化钾等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DS32实验型双螺杆挤出机，FDV-E淀粉黏度计，UV2300Ⅱ双光束紫外可见分光光度计，XL-20B1000克密封型摇晃式微粉碎机，PB-10赛多利斯pH计。

1.3 方法

1.3.1 挤压膨化粉的制备

将燕麦粉和玉米粉分别过60目筛，以6∶4的比例混合均匀，加水至物料含水量25%并充分混匀，放入双螺杆挤压膨化机进料口，条件设置为：挤出温度180 ℃，进料速度15Hz，螺杆转速16Hz。魔芋膨化粉制备条件为在燕麦粉和玉米粉以6∶4比例混合后分别添加1%、5%、10%、15%魔芋粉后混匀，加水量及其他条件同上。

1.3.2 基础营养成分测定

挤压膨化粉水分测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法；粗脂肪含量的测定参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法；粗蛋白含量的测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法；淀粉含量的测定参考 GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中的酶水解法。每个样品测定3次，取平均值。

1.3.3 粉体溶解性测定

粉体溶解性参照Benhur等[9]的方法来测定膨化粉的吸水性指数(WAI)和水溶性指数(WSI)。取1 g样品(干基)放入已称重的带盖离心管中，加水30 mL后摇匀使样品均匀分散于水中。在 30 ℃水浴下放置30 min，每5 min振荡1次，使样品粉末尽量维持悬浮状态。之后取出以4 000 r/min 离心30 min，以上清液测定其 WSI，以沉淀物测定其 WAI，分别按公式计算。

(1)

(2)

式中：m1为离心后沉淀的质量/g；m2为上清液中的干物质质量/g；m为样品的质量/g。

1.3.4 粉体流动性测定

1.3.4.1 容积密度的测定

准确称取20 g样品置于100 mL量筒中，在桌面上轻轻敲击10次，记录敲击后的刻度值。重复测定3次。容积密度按式(3)计算。

(3)

式中：m为样品质量/g；V为样品体积/mL。

1.3.4.2 Carr指数和Hausner比值的测定

参考李赛等[10]的方法，准确称取10 g样品装入25 mL 量筒后读取初始体(V1/mL)，轻敲至粉体达最紧实状态，读取最终体积(V2/mL)。Carr指数和Hausner比值分别按公式计算。

(4)

(5)

1.3.5 粉体的糊化特性

通过快速黏度分析仪(RVA)测定糊化特性。参照Zhang等[11]方法，准确配置12%样品含量的水溶液(10%、15%魔芋粉添加量的样品液质量浓度为8%)，设置起始温度50 ℃保持3 min，然后以12 ℃/min的速度升温至95 ℃并保持5 min，再降温至50 ℃，转速为160 r/min。每个样品平行测定3次。

1.3.6 RDS、SDS和RS含量测定

参照Chen等[12]方法，称取(200±5) mg 样品置于离心管中，加入15 mL醋酸钠缓冲液(0.2mol/L，pH 5. 2) 和磁力搅拌子使其分散均匀，之后将混合液于95 ℃下糊化30 min，冷却至 37 ℃后加入 5 mL混酶溶液(猪胰 α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶 80 U/mL混合) ，将样品于 37 ℃，300 r/min 条件下水解。分别于20 min和120 min取出 100 μL水解液，加入4倍体积无水乙醇灭酶，随后，将水解液以 4 000 r/min 离心 5 min，使用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中的葡萄糖含量。淀粉的消化特性通过快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)来表征，分别按式(6)～式(8)计算。

(6)

(7)

(8)

式中：G20和G120分别为20 min和120 min内水解产生的还原糖含量/mg；FG为酶水解前样品中游离还原糖含量/mg；TS为总淀粉含量。

1.3.7 淀粉体外消化率的测定

参照Goni等[13]的方法，取50 mg样品粉末，加入10 mL HCl-KCl缓冲液(pH1.5)和0.2 mL胃蛋白酶(0.1 g/mL，HCl-KCl缓冲液)，放入磁力转子40 ℃水浴振荡1 h。用0.5 moL/L乙酸盐缓冲液(pH6.5)定容至25 mL，使胃蛋白酶失活。随后，加入5 mL α-淀粉酶，在37 ℃条件下水浴振荡(160 r/min)，在水解过程中，分别在0、20、30、60、90、120、150、180 min时取1 mL消化液，加入4倍无水乙醇灭酶。使用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法测定样品中总还原糖的含量并转化成葡萄糖的当量。以淀粉水解速率为纵坐标，时间为横坐标绘制水解曲线。计算各个样品在0～180 min期间淀粉水解曲线下的面积(AUC样品和AUC参考)，得出样品淀粉水解指数(hydrolysis index，HI)。样品的估计血糖生成指数(Estimate Glycemic Index，eGI)按照式(9)、式(10)计算。

(9)

eGI=8.1981+0.862×HI

(10)

1.3.8 数据统计与分析

所有实验重复3次，结果计算表示为平均值±标准差。采用SPSS25.0进行Duncan多重比较分析。采用Microsoft Excel 2019和Origin2018软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理对燕麦-玉米粉基本成分的影响

从表1中可以看出，与原料粉相比，挤压膨化处理显著降低了原料粉的脂肪含量(P<0.05)，而蛋白质、淀粉含量变化差异不显著(P>0.05)，原因可能是高温高压高水分条件下形成淀粉-脂质复合物，测定时难以提取脂质，索氏抽提法提取出的游离态脂肪含量减少，导致测定粗脂肪含量下降[14]，崔亚楠等[15]研究发现挤压膨化处理有利于杂粮中淀粉脂肪形成复合物，从而降低人体消化率，与本研究结果一致，而蛋白质和淀粉经过挤压处理后含量略有下降的原因可能在高温和强大的剪切力作用下使蛋白质分子结构延展重组，次级键部分断裂，以及淀粉颗粒由固体状变为熔融状态，两者含量伴随着蛋白质的变性和淀粉的糊化而降低。挤压膨化前后含水量变化显著，这是因为加热系统的三段式加热环使水分迅速升温，充分糊化的物料放热从高温高压变为常温常压状态，使物料中的水分瞬间汽化，水分减少，物料中的溶胶淀粉体积瞬间膨化，同时物料内部爆裂出许多微孔，致使组织结构纤维化。

表1 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的基本营养成分/g/100 g

混粉中添加不同量的魔芋粉经挤压膨化处理后对样品基础营养素含量无明显影响，这可能是由于膨化后的混粉脂肪含量已经显著降低，魔芋粉的存在只能使膨化形成的复合物结构更加致密但对其含量影响不明显，在挤压膨化条件下，魔芋粉与淀粉-脂质-蛋白质形成复配体系，使得膨化颗粒较小，初始挤出颗粒松软易拉伸，是因为牢固的交联网络使得膨化颗粒拥有较强持水性。混粉的含水量随着不同量魔芋粉的添加先升高后降低，这是因为魔芋粉中含有大量魔芋葡甘露聚糖，属于水溶性膳食纤维，过量的魔芋粉竞争结合了本应与淀粉分子结合的水分子[16]，但是这种形式的凝胶相比于淀粉形成的凝胶稳定性较差，在挤压膨化的高温闪蒸效果下易失去水分。

2.2 不同处理对燕麦-玉米粉溶解特性、流动性的影响

WAI和WSI可以表示产品的溶胀性和分散性。WAI反映出谷物淀粉颗粒吸水形成凝胶的能力，WSI能间接表现出样品中可溶性营养素的含量[17]。由表2可知，与原料粉相比，挤压膨化及添加魔芋粉后都提高了样品的WSI和WAI，在挤压膨化过程中，淀粉糊化导致淀粉断裂，因此增加了膨化制品中的可溶性物质含量， WAI和WSI均得到提升[18]。而添加魔芋粉使混粉WSI降低的原因是物料交联结构增强，密度也随之增大，挤压机筒内压升高，结构更加致密，随着魔芋粉的逐渐加多，WAI和WSI也逐渐升高的原因是魔芋粉中含有大量水溶性多糖，可以吸水形成凝胶，因此WSI指数和WAI指数均增加。

Carr指数和Hausner比值可以说明粉体在受外力压缩时的流动特性[19]。由表2可知，挤压膨化处理及魔芋粉的加入均使原料的Carr指数和Hausner比值降低，说明两种方式均可以使原料流动性变好，这与邱婷婷等[20]发现挤压膨化后的黑麦流动性变好的研究结果一致。容积密度可以反映物料的填充性质，魔芋膨化粉容积密度均高于挤压膨化粉和原料且10%、15%的添加量与其他样品有显著性差异，原因可能是经过挤压膨化处理，魔芋粉与燕麦-玉米淀粉的复合凝胶体系会形成更加稳定的交联结构，物料颗粒变大，容积密度增大。

2.3 不同处理下混粉的糊化特性

峰值黏度是淀粉颗粒膨胀和破裂的平衡点，崩解值可以决定淀粉的热稳定性和抗剪切能力，回生值表示淀粉短时间内可以回生的趋势[21]。原料粉、挤压膨化粉和不同比例魔芋膨化粉的糊化特性如图1所示。原粉经过挤压膨化处理后样品峰值黏度上升但无显著差异，崩解值和回生值显著升高，这是由于物料受到高温挤压作用部分糊化致使黏度上升，章丽琳等[22]研究发现经过挤压膨化处理的马铃薯全粉与原粉相比峰值黏度、谷值黏度、最终黏度均增加，与本研究结果一致。

图1 原料、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的糊化特性曲线

10%、15%魔芋粉添加量的混粉质量分数为8%，其他质量分数为12%，是因为魔芋粉极易吸水形成魔芋胶，其所占比例越高初始黏度越大，当混粉水溶液质量分数为8%时，原料粉和1%魔芋膨化粉黏度无变化，均在最低黏度；质量分数为12%时，10%、15%魔芋膨化粉使物料初始黏度突破黏度仪上限而停止工作，降低二者水溶液质量浓度后发现峰值黏度和崩解值出现明显变化，甚至没有峰值黏度，这是因为淀粉颗粒对魔芋胶体分子的吸附增加了淀粉的空间阻隔性，提高了淀粉糊化的热稳定性，抑制了淀粉颗粒的断裂与膨胀，糊化程度较低，并且使复配体系的崩解值和回生值降低[23]。添加高质量浓度魔芋粉致使溶液黏度过大，糊化效果较差，即使作为产品原料使用仍会降低消费者喜爱度，因此以糊化特性为指标，以5%魔芋粉添加量为最适添加量。

由表3可以看出，5%魔芋粉添加量的挤压膨化粉峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解值和回生值均达到最大，原因可能是在加热糊化过程中，魔芋粉-淀粉复配凝胶体系引起黏度提高，使颗粒变形破损，崩解值增大，另外，胶体与直链淀粉之间以氢键相互靠近，在持续降温过程中，这种作用力也会使回生值增大，这一结果与刘敏等[24]研究魔芋胶与莲藕淀粉复配体系的结果类似。

表2 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的溶解性和流动性

表3 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的糊化特性曲线/mPa·s

2.4 不同处理下混粉的RDS、SDS和RS含量

淀粉是人体主要供能物质，依据淀粉在体内的消化特性分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)，和抗性淀粉(RS)，RSD在小肠被快速消化，诱导血糖水平快速升高，SDS在小肠消化速率变慢但被完全消化，会使血糖水平缓慢升高，这对预防心血管疾病和糖尿病等非常重要，RS在小肠不被消化，它是一种膳食纤维，可以降低血清中的胆固醇水平，抑制胆结石形成，维持肠道稳定[11]。挤压膨化处理结合添加魔芋粉对燕麦-玉米混粉中3种淀粉含量的影响如图2所示。

图2 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的不同类型淀粉组成

挤压膨化处理显著降低了原料粉中RDS含量，显著提高了SDS含量，但对RS含量无影响，这是因为高温高压环境下形成脂肪-蛋白质-淀粉复合物，这与李璐等[25]的研究结果一致。随着不同量魔芋粉的加入，RDS含量先降低后升高，SDS含量先升高后降低，RS含量持续升高，表明添加魔芋粉后经过挤压膨化处理能改变挤压膨化粉的结构，将RDS转变为SDS和RS，稳定的魔芋-淀粉凝胶网络和挤压复合物的形成使其缓慢消化能力进一步增强。10%和15%魔芋粉添加量使RS含量无显著增长，但会降低SDS含量且有显著性差异，说明加入过量的魔芋粉对RS的形成无显著影响且不利于SDS的形成。

2.5 不同处理下混粉的体外消化率

如图3所示，在体外模拟消化过程中，所有样品的淀粉水解速率在前20 min增长较快，在60 min后趋于稳定，符合人体消化特性。原料的淀粉水解速率和经过挤压膨化处理的淀粉水解速率无明显差异，添加任意比例魔芋粉的挤压膨化粉淀粉水解速率均小于原料粉和挤压膨化粉，且与挤压膨化粉有显著性差异，这是因为挤压前处理需要增加含水量，挤压时魔芋粉大量吸水形成凝胶并与纳米颗粒发生交联和填充作用[26]，而经过高压高温处理后，魔芋粉与燕麦-玉米的复合体系会形成更加稳定的交联结构。

图3 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的淀粉体外消化率

淀粉水解速率在添加5%比例魔芋粉后最慢，但与10%、15%魔芋粉添加量无显著性差异，3种添加量的RS含量接近，SDS和RDS的消化组分占比相似，所以消化率也接近。有研究表明，掺入β-葡聚糖等水溶性膳食纤维可以降低淀粉体系的消化率，主要原因是通过黏度效应影响淀粉消化[27]，本实验的魔芋粉中含有大量魔芋葡甘露聚糖，这也是一种水溶性膳食纤维，通过限制水溶性非淀粉多糖水合作用中的水分子来抑制淀粉的凝胶化，从而降低淀粉消化率。

由表4可以看出，原料粉与1%魔芋粉添加量的膨化粉GI值均处于55～75内，属于中GI食物。5%～15%魔芋粉添加量的膨化粉GI值小于55，为低GI食物。

表4 原料粉、挤压膨化粉和魔芋膨化粉的估计血糖生成指数

3 结论

挤压膨化对燕麦-玉米混粉的物理性质有较大影响。原料粉通过高温挤压和高剪切力作用形成脂肪-淀粉复合物，脂肪及快消化淀粉含量显著降低，但对抗性淀粉含量无影响，原料粉与挤压膨化粉均属于中GI食物，由于淀粉部分糊化，混粉的峰值黏度、崩解值和回生值均升高，溶解性和流动性也显著提升(P<0.05)。添加魔芋粉后共挤压对混粉的物理性质和体外消化率有较大影响。加工后形成了稳定的魔芋-淀粉凝胶网络和挤压复合物，WSI和流动性均下降。5%魔芋粉使混粉整体黏度上升但加入过量魔芋粉抑制了淀粉颗粒的断裂与膨胀，使糊化程度降低。5%、10%、15%魔芋粉添加量使缓慢消化能力进一步增强，且对应膨化产物均属于低GI物料。燕麦玉米混粉中添加魔芋粉后经过挤压膨化处理能改善混粉的部分理化性质和降低淀粉体外消化率，最适魔芋粉添加量为5%，该挤压膨化粉蛋白质损失较少，脂肪含量较低，消化速率缓慢。