挤压膨化压力对小麦麸皮粉特性的影响

李菁，何述栋，菅慧芳，刘骞，李兴江，杨柳，缪新亚

（1.合肥学院生物与环境工程系，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009；3.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；4.安徽湘园食品科技有限公司，安徽 蚌埠 233400）

我国是小麦生产和消费第一大国，产品以小麦制粉为主，主要加工副产物小麦麸皮的年产量已超过2 000万吨，目前多用于饲料加工、酿造和功能性物质的提取[1-3]。随着人口老龄化和消费者对营养健康食品的需求增大，高膳食纤维类食品已成为目前食品研发的主流方向之一[4-5]。研究表明，小麦麸皮中含有较丰富的膳食纤维、多酚类化合物、淀粉酶系、蛋白质、碳水化合物、维生素和矿物质等，是一种非常有益的潜在食品原料[6-8]。但是小麦麸皮的加工处理难度较大，直接添加于食品中，会破坏食品的质构和口感。为提高小麦麸皮的食用性，前期多采用加酸、加糖、蒸煮、干燥或超微粉碎处理[9-11]。

随着国内外消费者对全谷物加工食品的重视，挤压膨化技术得到更加广泛地应用[12-13]。研究表明，不同物料经挤压膨化处理后，其微观结构、理化性质都会发生明显的改变，且产品成型度高，营养成分损失少，易消化吸收，食用方便，生产成本较低[14]。在实际生产中，食品加工原辅料的组成、水分含量、螺杆构成、转速、温度、进料速度等都会影响挤压膨化的生产效果。因此，为提高挤压膨化技术的可控性，可将模头压力作为机器的主要控制参数，即通过对模头压力的设置，基于微电脑控制系统完成对主电机转速、喂料速度和进水量的实时控制，以达到膨化效果要求[15]。

在谷物食品膨化工艺研究中发现，压力是挤压膨化物料成型的关键，一般2 MPa～4 MPa时最佳[16]。然而，关于挤压膨化模头压力对小麦麸皮加工特性影响的研究鲜有报道，这不利于企业挤压膨化技术的自动化革新。本试验采用四区加热双螺杆挤压膨化机，在1.3 MPa～1.6 MPa模头压力下对小麦麸皮进行膨化处理，研究其对膨化小麦麸皮粉理化特性、微观结构和抗氧化特性的影响，以期为小麦麸皮粉类食品的开发及挤压膨化自动化控制提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

冬小麦麸皮：安徽湘园食品科技有限公司；乙醇、氯化铁（均为化学纯）：国药集团化学试剂有限公司；二苯基苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picryhydrazyl，DPPH）（分析纯）：阿拉丁试剂有限公司。

SYSLG30-IV小型实验双螺杆挤压膨化机：济南赛百诺科技开发有限公司；FW100型高速粉碎机：上海楚定分析仪器有限公司；SU3800钨灯丝扫描电镜：日本日立株式会社；NR110型色差仪：深圳市三恩时科技有限公司；T-100粉体综合特性测试仪：丹东百特仪器有限公司；Q100型差式扫描量热仪：美国热电仪器有限公司；UV-1800型紫外-可见光分光光度计：上海元析仪器有限公司；TGL18M型台式高速冷冻离心机：盐城市凯特实验仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 挤压膨化处理小麦麸皮粉的制备

设置挤压膨化机梯度加热温度为50、90、110、135℃。将小麦麸皮干燥后粗粉碎，调节不同湿度喂料，取模头压力分别为1.3、1.4、1.5、1.6 MPa时的膨化物料进行粉碎，过80目筛，测试待用。以未经处理的小麦麸皮为对照组。

1.2.2 小麦麸皮粉成分测定

蛋白含量的测定采用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；总膳食纤维和可溶性膳食纤维含量的测定采用GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》中的方法；灰分含量采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》中总灰分的测定方法；植酸含量参照GB 5009.153—2016《食品安全国家标准食品中植酸的测定》中的方法测定。

1.2.3 小麦麸皮粉的颜色分析

采用色差仪对小麦麸皮粉的颜色进行测定，采用亨特（Hunter）色差公式表示，L*为亮度值，a*为绿度-红度值，b*为蓝度-黄度值。

1.2.4 小麦麸皮粉的微观结构观察

小麦麸皮粉过120目筛，粘于导电胶纸上，采用导电镀膜法镀膜后通过扫描电镜观察。

1.2.5 小麦麸皮粉的流动性分析

粉体的堆积密度（g/mL）和振实密度（g/mL）采用粉体综合特性测试仪测试完成。样品的相对增重用振实密度相对于堆积密度的增重百分比表示。

1.2.6 小麦麸皮粉的水合特性测定

1.2.6.1 持水力的测定

准确称取1.00 g样品，与50 mL蒸馏水混合，磁力搅拌30 min后，4 500 r/min离心30 min后，去掉样品表层水分，称量样品持水质量，样品持水力（g/g）为每克样品持有水分的质量（g）。

1.2.6.2 膨胀力的测定

准确称取1.00 g样品，放入带刻度的玻璃试管中记录干基体积V1，然后加入10 mL蒸馏水，充分振荡后静置12 h，记录样品湿基体积V2，样品膨胀力（mL/g）为每克样品膨胀体积（V2-V1）。

1.2.7 小麦麸皮粉的热稳定性分析

称量8 mg～9 mg样品至铝皿中，以空皿为参比，记录从室温25℃到200℃的升温变化曲线，升温速率为10℃/min，20 mL/min的氮气为保护气，通过设备自带分析软件进行热稳定性分析。

1.2.8 小麦麸皮粉抗氧化性分析

DPPH自由基清除能力和羟基自由基清除能力的测试参考He等[17]的方法进行，样品采用70%乙醇浸提。采用IC50值，即自由基清除率为50%时的样品浓度，比较抗氧化性的大小。

1.3 数据处理

所有试验至少重复3次，试验数据采用平均值±标准差表示，采用EXCEL 2019进行方差分析，P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化处理对小麦麸皮粉组成和颜色的影响

挤压膨化小麦麸皮粉基本组分和颜色见表1。

表1 挤压膨化小麦麸皮粉基本组分和颜色Table 1 The components and colors of extruded wheat bran flour

由表1可知，挤压膨化处理对小麦麸皮粉中的蛋白质含量有降低作用，但在较高压力处理时，蛋白质含量降低差异不显著（P＞0.05）；不同压力处理对总膳食纤维含量的影响不显著，但随着压力提高，可溶性膳食纤维含量呈现显著升高的变化趋势（P＜0.05）；灰分含量随着挤压程度的提高呈先升高后下降的变化趋势，且1.3、1.4 MPa处理后，与对照组相比含量显著升高（P＜0.05），植酸含量随着挤压膨化压力的提高呈下降趋势。挤压膨化过程是高温、高压协同作用的过程。挤压机腔内适当的压力作用及温度有利于蛋白质的降解，蛋白氮转变为非蛋白氮，但当压力过高时，麸皮物料的流动性增强，在腔体内的滞留时间缩短，蛋白质降解程度降低，这与肖志刚等[18]的研究结果一致。在本试验范围内膳食纤维含量未发生明显变化，主要源于纤维高聚物结构的稳定性，但可溶性膳食纤维含量显著提高，主要是由于不溶性的果胶物质及不溶性的阿拉伯木聚糖类半纤维素可在高温、高压、高剪切力状态发生熔融现象，或断裂部分连接键，转变成可溶性聚合物。在挤压过程中，蛋白质与淀粉的降解均有可能导致灰分含量的升高，当压力较大时，物料在机腔内的停留时间缩短，蛋白质的降解程度降低，灰分含量的提高也随之呈现降低现象。在高温、高压、高剪切状态下，植酸结构极易被破坏。因此，本文小麦麸皮内植酸经挤压膨化处理后降解显著，这与文献[19]的研究结果一致。以上结果表明，小麦麸皮经挤压膨化处理后，其营养组分的消化吸收性可能明显提高。

由表1可知，经挤压膨化处理后，小麦麸皮粉的亮度值（L*）呈现降低趋势，在较低压力处理时，亮度显著降低（P＜0.05），这应该与停留机腔时间较长有关；a*和b*均呈现明显提高的变化趋势，说明小麦麸皮粉在较高的压力和剪切力作用下的褐色反应明显[20]。

2.2 挤压膨化处理小麦麸皮粉的微观结构分析

挤压膨化小麦麸皮粉的微观结构见图1。

图1 挤压膨化小麦麸皮粉的微观结构Fig.1 Microstructure of extruded wheat bran flour

由小麦麸皮粉的微观结构（图1）可知，未经挤压膨化处理的小麦麸皮粉颗粒表面平整，粒径较大，随着挤压强度的增大，小麦麸皮粉颗粒粒径明显降低，呈现出在高挤压状态下的颗粒破损情况，尤其是在1.6 MPa时表面出现近似熔融现象，说明此时高温、高压及剪切联合作用显著[21]。小麦麸皮粉经挤压膨化后，颗粒形貌发生明显变化，表明其功能特性也会有所改变。

2.3 挤压膨化处理小麦麸皮粉的流动性分析

小麦麸皮粉的堆积密度和振实密度见图2。

图2 小麦麸皮粉的堆积密度和振实密度Fig.2 Bulk density and tap density of wheat bran flour

由图2可知，相较对照组的未处理小麦麸皮粉，随着挤压膨化压力的提高，堆积密度呈先上升后下降的变化趋势，振实密度为升高的变化趋势，但是变化差异不明显。堆积密度取决于粉末颗粒的空间排布，振实密度反映粉末颗粒的间隙大小。结合电镜结果可知，随着挤压膨化压力的增加，小麦麸皮粉颗粒粒径降低，颗粒比表面积增大，颗粒之间的吸附性增强，因此，表现出较对照组高的堆积密度。同时，由于颗粒的不规则性破损，表面粗糙，导致颗粒之间的空隙增大，所以处理组样品的堆积密度呈现下降趋势，振实密度呈现上升的变化趋势。计算样品的相对增重情况，由图2可知，挤压膨化处理组样品振实密度相对于堆积密度的增重百分比呈上升趋势，这说明细小颗粒对颗粒间隙进行了有效填充，进一步表明小麦麸皮粉颗粒在高温、高压和高剪切状态下的细化情况，同时表明挤压膨化小麦麸皮粉可能会具有较好的流动性。

2.4 挤压膨化处理小麦麸皮粉的水合特性分析

小麦麸皮粉的水合特性见图3。

图3 小麦麸皮粉的水合特性Fig.3 Hydration characteristics of wheat bran flour

水合特性是小麦麸皮粉在食品加工中应用的重要特性之一。由图3可知，挤压膨化处理有利于小麦麸皮粉持水力和膨胀力的提高，且随着处理压力的提高，小麦麸皮粉持水力和膨胀力呈上升趋势，这与可溶性膳食纤维含量的变化趋势基本一致。小麦麸皮富含膳食纤维，通过挤压膨化处理，膳食纤维的网状结构得以改变，可溶性膳食纤维含量增多，具有更强的持水力和膨胀力，这有利于高膳食纤维类食品的加工[22]。

2.5 挤压膨化处理小麦麸皮粉的热稳定性分析

挤压膨化小麦麸皮粉的热力学特征参数见表2。

表2 挤压膨化小麦麸皮粉的热力学特征参数Table 2 Thermodynamic parameters of extruded wheat bran flour

由表2可知，随着挤压膨化处理程度的提高，小麦麸皮粉的热力学参数值呈现升高的变化趋势，表明小麦麸皮粉的热稳定性提高，这与超微粉碎小麦麸皮粉的研究结果基本一致[17]。鉴于纤维素和半纤维的降解温度多在200℃以上，小麦麸皮粉热稳定变化可能与其水合特性改变有一定的相关性。在对澳大利亚树皮超微粉的研究中，随着麸皮粒径的降低，水合特性的提高，越来越多的水分子可以进入颗粒内部，导致需要更多的水分蒸发，因此，热稳定性显著提高[23]。

2.6 挤压膨化处理小麦麸皮粉的抗氧化性分析

天然抗氧化剂不仅来源安全，而且具有较高的营养价值，并且可以在体内外阻止或降低自由基氧化反应，因此，天然抗氧化剂的挖掘一直是功能性食品行业的研究热点。小麦麸皮粉的抗氧化性结果见图4。

图4 小麦麸皮粉的抗氧化性Fig.4 Antioxidant properties of wheat bran flour

由图4可知，随着挤压膨化处理程度的提高，DPPH自由基清除能力的IC50值呈现降低趋势，表明抗氧化能力逐渐增强。Arnab等[24]的研究表明，总酚含量与DPPH自由基清除能力具有较好的正相关性。在挤压膨化处理过程中可能释放了束缚的酚酸物质，提高了麸皮醇提物的抗氧化性，但是当压力较大时，这一变化差异可能不显著，这与Jin等[25]的研究结果一致。由图4可知，经挤压膨化处理后，小麦麸皮粉的羟基自由基清除能力均较对照组显著增强（P＜0.05），表明此时小麦麸皮粉醇提物中含有较多的供氢体，可使强氧化性的羟基自由基还原，从而终止自由基的氧化连锁反应[26]。前期研究表明，麸皮中富含多酚类、黄酮类及皂苷类物质，这均对清除羟基自由基有积极作用[27]。

3 结论

取挤压膨化模头压力分别为1.3、1.4、1.5、1.6 MPa时的小麦麸皮粉物料进行研究，发现高温、高压、高剪切状态利于可溶性膳食纤维含量的提高和植酸含量的降低，颗粒褐色反应明显，挤压膨化会导致小麦麸皮粉颗粒的破损，粒径降低，颗粒表面粗糙，进一步提高了挤压膨化小麦麸皮粉的堆积密度、振实密度和相对增重，使其具有更强的持水力和膨胀力，并且热稳定性和抗氧化性显著增强（P＜0.05）。以上研究表明，不同模头压力对挤压膨化麸皮粉品质有一定的差异性影响，可作为挤压膨化处理小麦麸皮粉的控制参数，经处理后的小麦麸皮粉可作为食品配料用于营养健康食品的开发。