擠壓膨化處理對芡實速溶粉理化特性的影響

陳坤林,黃明珠,李祥,劉佳妮,蔡志鵬,王靜,朱麗琴,沈勇根*

1(江西農業大學 食品科學與工程學院,江西 南昌,330045)2(上饒市萬年縣農業農村局,江西 上饒,334000)

芡實為睡蓮科水生草本植物芡(EuryaleferoxSalisb)的成熟干燥果仁,主要分布于亞熱帶和溫帶地區,是藥食同源植物,又名雞頭米、雞頭子等[1]。淀粉是芡實中的主要碳水化合物,其理化特性對芡實產品的加工和品質有影響[2],芡實通過不同處理后,主要為了最大程度保留芡實的營養成分以及感官品質,保證在長時間貯存中芡實食品的品質。芡實淀粉含量比例較高,溶解在水中的性能不佳,因此導致在速溶性食品研究領域上應用較少[3]。

擠壓膨化技術具有占地少、效率高、連續性強、能夠促進食物的改良變性等優點,且膨化工藝日益成熟,膨化工藝作為現代化日趨完善的工藝加工方式,在我國得到迅速的發展與推廣并廣泛運用于雜糧加工行業[4]。通過擠壓膨化處理,物料經過高溫以及高剪切速率后,物質結構發生改變,物料形成疏松多孔易與水結合的擠出物。在研究速溶性的食品開發方面,擠壓膨化加工方式是一種不錯的選擇[5],例如擠壓處理后的葛根粉的淀粉結晶區被破壞,復水的團聚性能降低,有效地提高了葛根粉的速溶性與流動性[6]。目前,國內芡實的加工以初加工的干制品居多,精深加工產品較少, 產品附加值不高,關于芡實粉速溶性和理化性質處理報道較少。對于芡實擠壓膨化的加工工藝與結構表征方面鮮有報道。本文以優質芡實粉為原料,通過檢測擠壓膨化前后芡實粉理化特性變化,進而通過這些變化與水溶性能進行關聯性分析,旨在展示擠壓膨化工藝對芡實粉速溶性以及理化特性的影響,進一步為推動芡實擠壓膨化加工工藝對芡實粉速溶性產品的推廣應用鋪平道路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芡實,江西余干芡實產業園。

高速粉碎機,永康市鉑歐五金制品有限公司;電子天平,上海浦春計量儀器有限公司;電熱鼓風干燥機,上海一恒科學儀器有限公司;Nicolet IS50傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer,FT-IR),美國Thermo Fisher科技有限公司;DSE30實驗型雙螺桿擠壓膨化機,山東力久特種電機股份有限公司;Mili-Q超純水機,美國默克公司;DHR-2Discovery流變儀,美國TA公司;BIO-600系列連續變倍體視光學顯微鏡,重慶澳浦光電技術有限公司;掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM),德國/卡爾蔡司公司;ColorQuest XE型全自動測色色差計,上海新聯創作電子有限公司;差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC),德國耐馳公司;

1.2 實驗方法

1.2.1 非擠壓芡實粉(non-extrudedEuryaleferoxflour,N-EFF)

非擠壓芡實粉工藝流程如下:

芡實→精選→清洗→干燥→粉碎→過篩(60目)→N-EFF

1.2.2 擠壓芡實粉(extrudedEuryaleferoxflour,E-EFF)

擠壓芡實粉工藝流程如下:

N-EFF→雙螺桿擠壓膨化[含水量14%(質量分數),膨化Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區溫度分別為70、140、150 ℃,喂料速度10 Hz,膜孔直徑2.7 mm]→磨粉→過篩(60目)→E-EFF

1.2.3 表觀結構

1.2.3.1 色度的測定

利用臺式全自動色差儀對芡實全粉進行測定,取芡實粉于石英比色皿中,選用反射模測定顯色指數L*、a*、b*值,其中L*值代表色彩的亮度值,L*值越大,顏色越白,反之越暗;a*值表示色彩的紅綠方向,a*值越大,顏色越紅,反之越綠;b*值代表色彩的黃藍方向,b*值越大,顏色越黃,反之越藍。色差計用標準白板校準,L0*=95.05,a0*=-0.72,b0*=-0.11?？偵瞀計算如公式(1)所示[7]。

(1)

1.2.3.2 光學顯微鏡

運用連續變倍體視光學顯微鏡分別以物鏡倍數4×/0.13與目鏡倍數10×/18、物鏡倍數10×/0.30與目鏡倍數10×/18,2種倍數狀態觀察擠壓前后芡實粉體顆粒。

1.2.3.3 掃描電鏡

運用加速電位為20 kV的SEM觀察擠壓前后樣品顆粒的結構變化,倍數設置為1 000×、4 000×、6 000×。

1.2.4 速溶特性的測定

溶解度和糊化度參照GB 5413.29—2010《食品安全國家標準 嬰幼兒食品和乳品中溶解性的測定》與梁寶丹等[8]的方法。吸水性指數(water absorption index,WAI) 和水溶性指數(water solubility index,WSI) 的測定參考裴斐等[9]的方法。結塊率測定參考曾德玉等[10]的方法。

1.2.5 粉體特征的測定

滑角和休止角參照ZHAO等[11]的方法;堆積密度與振實密度的測定參考WANG等[6]和MUTTAKIN等[12]的方法。

1.2.6 結晶特性

傅里葉變換紅外光譜:參考范秀寬等[13]的方法,干燥芡實全粉(95 ℃,6 h)和KBr(105 ℃,24 h)置于紅外燈下的瑪瑙研缽中,研磨10～15 min,壓片,取出,檢測。背景:KBr,分辨率:4.0 m-1,波數區域:4 500～500 cm-1,信號掃描:32次。用OMNIC和Origin軟件處理。

1.2.7 流變特性

參照董越等[14]的方法。應用流變儀進行動態黏彈性測定:測定樣品的糊狀物的儲能模量G′與損耗模量G″和損耗角正切δ隨角頻率變化趨勢;通過流變儀進行剪切黏度測定:測定樣品的黏度隨剪切速率變化情況。

1.2.7.1 動態黏彈性測定

采用40 mm平板為測試夾具,測試間距1 000 μm,測試溫度25 ℃,掃描范圍0.001 s-1～100 s-1。測定在線性黏彈區域內(0.1%～6%)進行,應變力為0.45%。測定時樣品表面需要環涂一層硅油,防止水分散失。采用冪律模型對小振幅頻率掃描曲線進行擬合,表觀黏度計算如公式(2)所示。

τ=K·εn

(2)

式中:K,黏度指數;n,流動指數;τ,表觀黏度,Pa·s;ε,剪切速率,s-1。

1.2.7.2 剪切黏度測定

采用40 mm平板為測試夾具,測試間距1 000 μm,測試溫度25 ℃,掃描范圍為0.001 s-1～100 s-1。剪切速率1～100 s-1。

1.2.8 主要組分測定

淀粉含量的測定參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》中蒽酮比色法;粗纖維含量的測定參照GB 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》的方法;芡實全粉還原糖含量測定參照GB 5009.7—2016《食品安全國家標準 食品中還原糖的測定》中蒽酮比色法;直鏈淀粉含量參考陳奕等[15]的方法。

1.2.9 熱力學性質測定

稱量4 mg樣品與6 μL蒸餾水,裝入差示掃描量熱儀坩堝中,溫度范圍15～100 ℃,升溫速率15 ℃/min,載氣為高純氮,流量40 mL/ min。通過以相同升溫速率測定樣品的糊化溫度和熱焓。

1.3 數據處理

試驗中使用的數據均是測定3次取得的平均值,通過 SPSS 20.0進行數據分析,Origin 2019.0進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化對結構表征的影響

2.1.1 色差分析

色澤可以體現擠壓膨化處理后芡實的營養成分與化學反應水平變化,也是直接關系到食品的可接受性[7]。N-EFF與E-EFF顏色指數L*、a*、b*和ΔE的影響如表1所示。膨化處理芡實的L*值顯著降低(P<0.05),而a*、b*值反而顯著提高了(P<0.05)。N-EFF與E-EFF的綜合色差△E具有顯著差異(P<0.05),表明芡實經過擠壓處理可以產生較好的產品色澤,膨化后芡實粉色澤呈現暗棕色。擠壓膨化的色澤亮度降低,這可能是由于游離氨基與還原糖發生美拉德反應產生的[16]。JEBALIA等[17]的試驗也有相似結果,淀粉蛋白共混物擠壓膨化后亮度值低于原樣品,這是由于淀粉與蛋白質在高溫作用下發生了美拉德反應。需進一步驗證,芡實經擠壓處理后淀粉含量減少,轉化為其他可溶性物質,結構組分變化增強粉體的水溶性能。

表1 擠壓前后芡實粉色度變化Table 1 Changes of hue of E. ferox powder before and after extrusion

2.1.2 光學顯微鏡分析

由圖1的光學顯微鏡結果可得出芡實粉體大致形貌、尺寸以及顆粒透光性能。由圖1-a、圖1-b可得未擠壓的芡實粉體基本輪廓呈橢球形,也存在不規則形狀,尺寸較大,分布范圍廣且松散,顆粒整體內部完整,光線透過性不好,顆粒整體呈較暗趨勢。由圖1-c、圖1-d可知,經擠壓膨化處理芡實粉體基本輪廓呈長塊狀并存在不規則形狀,尺寸較小,分布范圍廣,光線能透過粉體,顆粒整體呈較亮趨勢,可能是由于芡實經擠壓膨化后,芡實晶型結構被破壞而產生疏松多孔結構,孔洞促使透光性良好,顆粒疏松多孔也有利于水分遷移進物質內部[17]。結果表明,采用擠壓膨化處理能有效改善芡實粉體結構,提升其水溶性能。通過初步利用光學顯微鏡對芡實粉體樣品觀察,對其形貌具有了一定的認識,但由于光學顯微鏡只能觀察平面物體,無法進一步探查出芡實粉體擠壓前后的表面形態,為進一步探查粉體的微觀特性還應借助像掃描電子顯微鏡這種高分辨率的檢測手段[18]。

a-N-EFF目鏡倍數10×/18、物鏡倍數4×/0.13;b-N-EFF目鏡倍數10×/18、物鏡倍數10×/0.30;c-E-EFF目鏡倍數10×/18、物鏡倍數4×/0.13;d-E-EFF目鏡倍數10×/18、物鏡倍數10×/0.30圖1 擠壓前后芡實粉不同倍數光學顯微鏡圖像Fig.1 Different magnification optical microscope images of E. ferox powder before and after extrusion

2.1.3 掃描電鏡分析

SEM作為分析工具是研究粉體顆粒粒徑及表觀結構系統的一種手段[12]。由圖2可知,N-EFF的顆粒結構完整呈圓球狀且間隙較大,整體分布較為松散,顆粒表面相對平滑;E-EFF的顆粒結構遭受破壞,形成疏松多孔的無規則塊狀結構,顆粒表面粗糙且分布良好。這可能是由于芡實經擠壓膨化后,芡實淀粉在高溫低水分含量情況下使其向熔融狀態轉變,淀粉晶型結構被破壞而糊化,顆粒表面積增加,導致粉體與水分接觸面積增大,且多孔洞結構也有利于水分遷移進粉體顆粒內部,整體流動性與水溶性能相對增強[6,13,16]。夏瀟瀟等[19]針對膨化稻殼的結構表征及固定化α-淀粉酶進行研究,結果表明,膨化處理導致稻殼內部結構破裂且松散,比表面積、孔容和平均孔徑相對增大有利于水分融入;通過表觀結構分析,擠壓膨化確實能夠通過改變芡實粉體結構,從而提升自身的溶解性能。

a-N-EFF 1 000×;b-N-EFF 4 000×;c-N-EFF 6 000×;d-E-EFF 1 000×;e-E-EFF 4 000×;f-E-EFF 6 000×圖2 擠壓前后芡實粉不同倍數掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of different multiples of Euryale ferox powder and E. ferox yam coix powder

2.2 擠壓膨化對速溶特性的影響

溶解度是指物料與水結合溶解能力,水溶性指數(water solubility index,WSI)和吸水性指數(water absorption index,WAI)分別指的是樣品溶解在水中的能力和樣品吸水能力[13]。由表2可知,芡實經過擠壓膨化后,溶解度、WSI、WAI顯著上升,分別從1.81%、0.47%、218.99%增長至53.05%、53.95%、224.16%。增幅各自達到51.24%、53.48%、5.17%。結果表明芡實經過擠壓膨化后,速溶性得到有效提高。擠壓膨化后,芡實粉結塊率由11.40%下降至6.61%,表明擠壓膨化后的芡實粉體融水時,由固態狀態轉化為漿體狀態,物質的聚合度決定了臨界相對濕度,粉體處于相對低聚合度其吸附水分能力減弱,結塊率就相應降低[6,17,20]。與N-EFF為33.87%糊化度相比較,E-EFF的91.30%糊化度顯著升高,表明芡實經過擠壓膨化后,糊化效果顯著。范寬秀等[13]針對擠壓處理對淮山全粉性質的分析中得出芡實全粉經過擠壓膨化后,糊化度從34.43%增加到96.83%,與本文結果存在相似性。進一步說明,擠壓膨化對芡實原粉糊化性能有良好的提升作用。

表2 擠壓前后芡實粉速溶特性的影響Table 2 Effects of extrusion on the instant properties of E. ferox powder

2.3 擠壓膨化對粉體特征的影響

通過測量堆密度和振實密度計算粉體的孔隙率,孔隙率越大,顆粒越均勻,溶解性越好;通過測量休止角和滑角反映了粉體的內摩擦特性和散落性能,休止角和滑角越小,溶解性越好[12]。由圖3可知,芡實全粉的休止角與滑角由41.6°和44°減小為35°和35.5°;堆積密度和振實密度由0.44和0.55 g/mL增加到0.51和0.65 g/mL。結果表明,膨化處理后,芡實粉體特征有所改變,芡實全粉休止角與滑角降低,粉體的流動性增強,堆積密度和振實密度均有顯著的提高[11]。盧成特[21]關于對速溶即食淮山粉的研制及其品質評價中,對于淮山速溶即食粉進行粉體特征分析,結果表明速溶即食粉的流動性能與休止角和堆積密度有關,休止角越小,堆積密度越大,粉體流動性越強,沖調性能就越好,自然而然地溶解性能也能有所提高。擠壓膨化對芡實粉的粉體性能有所提升,表明芡實粉水溶性能與流動性能與粉體結構特征密切相關。

a-休止角和滑角;b-堆積密度和振實密度圖3 擠壓前后芡實粉粉體特性的影響Fig.3 Effect of powder characteristics of E. ferox before and after extrusion

2.4 擠壓膨化對粉體結晶的影響

a-紅外圖譜;b-紅外吸收比圖4 擠壓前后芡實粉結晶特性的影響Fig.4 Effect of crystallization characteristics of E. ferox powder before and after extrusion

2.5 擠壓膨化對粉體流變學特性的影響

流動學特性是食品物性的重要特性之一,與實際加工的食品物質狀態穩定性能有關。流動學特性一般采用食品的黏性與彈性來進行表述[22]。圖5-a、圖5-b顯示N-EFF和E-EFF的糊狀物的儲能模量G′與損耗模量G″和損耗角正切δ。由圖5-b可知損耗角正切tanδ始終小于1,表明兩種物質彈性能力為主導地位,說明在小振幅頻率掃描芡實全粉表現為經典的類凝膠性。通過圖5-a對比可知,經過擠壓膨化后E-EF的儲能模量G′和損耗模量G″普遍比N-EF要大,損耗角正切tanδ比N-EF普遍要小。圖5-c可知,E-EF的剪切黏度要比N-EF的要大一些,芡實全粉懸浮液的黏度隨著剪切率增大而降低,出現了“剪切變稀”的現象,證明芡實全粉糊狀物為“非牛頓流體”或稱之為“假塑性流體”[14]。

a-小振幅頻率掃描曲線;b-損耗角正切曲線;c-流動掃描曲線圖5 擠壓前后芡實全粉流變學特性的影響Fig.5 Effect of rheological properties of E. ferox powder before and after extrusion

K值代表流體黏度指數,n值代表流體流動指數;K值數值越大,越黏稠,n值數值越大,流動性越好。用冪律公式得到N-EFF和E-EFF的芡實全粉糊狀物的流變曲線擬合方程參數中,以R2可知,2種樣品的相關系數都大于0.99,表明該模型適合描述芡實全粉糊狀物的流動特性,芡實經過擠壓膨化后,K值由2 597.74上升到3 760.88,n值則從0.124 91上升至0.126 24(表3)。擠壓膨化后的芡實糊狀物,黏性和流動性都得到了提升。PéREZ等[23]對玉米/大豆混合物擠壓蒸煮的因素對膨化產品特性和面粉分散黏度的影響分析中,擠壓膨化的大豆與玉米混合物,將導致模具區域中熔體黏彈性的彈性和黏性成分之間更好的平衡,這導致更高的徑向膨脹,使得物質流動性能更優。由此判斷擠壓膨化后芡實粉的黏性和彈性都有相應的增幅,也進一步證明擠壓膨化工藝改善了芡實粉的速溶性能。

表3 擠壓前后芡實全粉流變曲線擬合方程(τ=K·εn)參數Table 3 Parameters of rheological curve fitting equation (τ=K·εn) of E. ferox powder before and after extrusion

2.6 擠壓膨化對主要組分的影響

由表4可知,芡實的淀粉含量經過擠壓處理后,由79.30%顯著降低至68.42%,支鏈淀粉含量由56.52%顯著下降至39.15%,還原糖含量由4.94%顯著增加6.11%,直鏈淀粉含量由22.79%增加至29.48%,進一步說明芡實中淀粉經擠壓膨化后,淀粉的結構遭到破壞,支鏈淀粉的有序晶體區域被破壞為無序非晶體區域;淀粉經過了糊化還原糖含量增加,更進一步說明芡實的溶解性能與支鏈淀粉的含量存在關聯性。LIU等[24]研究也發現,擠壓膨化和酶解脫支對高濃度的玉米和馬鈴薯淀粉結構進行改變,降低支鏈淀粉含量,提高直鏈淀粉比例含量,從而顯著降低玉米與馬鈴薯淀粉的消化率,溶解性能也相應提升?？偵攀忱w維含量變化不大,但可溶性膳食纖維含量增加,不可溶性膳食纖維含量減少,表明芡實粉經擠壓處理后,大分子物質發生降解,分子鏈被切斷,分子質量相對較低,使得聚合度下降,顆粒變小,從而增強溶解性能[25]。

表4 擠壓前后芡實全粉主要組分含量(干基) 單位:%Table 4 Content of main components of E. ferox powder before and after extrusion (dry basis)

2.7 擠壓膨化對熱力性質的影響

DSC輸出是熱流(mW)或單位時間能量(J/s)的函數。由圖6可發現,N-EFF有一個特征吸收峰,起始溫度為63.02 ℃,峰值溫度為66.15 ℃,終止溫度為71.56 ℃,焓值為11.62 J/g。糊化所需能量越多,焓變越大,糊化溫度越高,越難糊化。該峰可能為芡實淀粉中的氫鍵斷裂,部分結晶區遭到破壞需要吸收熱量,而產生的峰。而經過擠壓膨化后,芡實糊化完全,因此吸收特征峰消失[20]。張才科[26]對谷物早餐在熱牛奶中的保脆性進行研究,對于膨化谷物的熱力性質的分析也有相似的結論。結果表明,擠壓膨化后的芡實粉糊化相對完全,且吸水能力相應增強。熱力性質的結果可印證傅里葉紅外光譜的結論,說明擠壓膨化后支鏈淀粉組成結晶區遭受破壞,糊化能力增強。

圖6 擠壓前后芡實全粉熱力學特性的影響Fig.6 Effect of thermodynamic properties of E. ferox powder before and after extrusion

3 結論

本試驗通過對擠壓處理前后的芡實粉進行速溶性及理化特性的研究。研究表明,芡實粉經過擠壓膨化處理后,粉體顆粒疏松多孔、間隙變小、比表面積增大,有利于與水分結合,水溶性增強;芡實粉體亮度減弱,顏色呈現暗棕色,粉體表現為較好產品的色澤;通過對速溶性特性分析,溶解度、WSI、WAI、糊化度增長態勢明顯,而結塊率呈現下降趨勢;通過對晶體結構分析,解釋了芡實全粉經過擠壓膨化后,粉體的晶體結構遭到了破壞,形成了非晶體區域,結晶度降低,相對應的溶解性能提升;通過對芡實粉粉體結構的分析,滑角與休止角幅度下降,而堆積密度與振實密度上升,粉體結構沖調性能改善;進行流變性能分析,對粉體糊狀物的小振幅頻率掃描以及流動掃描,確定了擠壓膨化對芡實全粉黏彈性以及流動性能的提高改善;對芡實粉重要組分測定后發現,淀粉含量與支鏈淀粉含量顯著減少,還原糖與可溶性膳食纖維含量增加,表明擠壓膨化破壞淀粉分子,并提高了親水物質含量比例;進行熱力學分析,表明擠壓對芡實糊化度的影響,糊化性能完全。綜上,研究對擠壓后芡實各項性能的測定,說明擠壓膨化對芡實粉的速溶性能提高有所幫助。