脫脂核桃粕擠壓膨化制備膳食營養粉加工工藝的研究

閆圣坤, 楊嘉鵬, 萬文瑜

(新疆農業科學院農業機械化研究所1,烏魯木齊 830091)

(新疆工程學院2,烏魯木齊 830023)

在核桃仁中,除主要由核桃油和核桃蛋白組成外,還有一些酚類物質、維生素和礦物質成分,因而核桃仁具有豐富的營養價值,深受廣大消費者喜愛。而對于核桃仁的加工主要以核桃油和核桃蛋白為主。核桃油的營養價值較高,其中含有豐富的亞油酸、亞麻酸和花生烯酸等不飽和脂肪酸,可以有效改善記憶,同時還因其較好的油酸比也更適合于人體的吸收。核桃蛋白質中含有18種氨基酸,其中包括的人體所必需氨基酸就有8種。因此核桃具有較高的開發利用價值。

關于核桃加工的產品主要有核桃蛋白粉、核桃油、核桃乳飲料等。長期以來,人們一直將核桃油作為核桃生產的主要產品,其營養價值高,是一種高級的食用油,而核桃在脫脂過程中所產生的核桃粕,僅少量被用于核桃蛋白粉的加工,更多則用于牲畜飼料和農作物肥料,甚至有些加工工廠直接丟掉,使得資源過度浪費,同時還會造成環境的污染。相關研究發現,核桃粕中含有豐富的營養物質,如蛋白質、各種礦物質、維生素以及膳食纖維等,其蛋白質質量分數更是高達53.89%,可以作為優良的食品原料應用于食品當中。但到目前為止,國內外學者對于核桃粕的應用研究較少,對核桃粕沒有做到足夠的重視。

膳食營養粉是通過將不同原料在一起經過粉碎并加工后,經過相關比例混合制成的一種食品沖劑,其營養價值高,低熱量、低飽和脂肪酸、纖維豐富。通過焙烤、擠壓膨化等加工方法,使得營養粉與傳統烘焙相比,蓬松多孔,更有利于人體吸收[1-5]。本研究將基于核桃脫脂粕為原料,采用單因素實驗和響應面優化分析,通過考察脫脂核桃粕粉質量分數、物料水分質量分數、Ⅲ區擠壓膨化溫度和螺桿轉速這4因素對產品膨脹度、WSI、糊化度的影響,對核桃營養膳食粉制備工藝進行優化,并對產品微觀結構和營養成分進行分析,以期開發一款營養價值高、口感與沖調性較好,滿足消費者的日常營養需求,豐富核桃系列產品種類的核桃營養膳食粉。同時為核桃營養膳食產品的開發提供參考[6-9]。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃脫脂粕,玉米粉,蔬菜粉、大米粉,均購于當地農貿市場后實驗室粉碎。

1.2 儀器設備

BF-4拌粉機,TSE65雙螺桿擠壓膨化機,XQ-1旋切機,KX-3-5干燥機,HR-120電子分析天平,F-80多功能高速粉碎機。

1.3 實驗方法

1.3.1 核桃膳食營養粉制作流程及方法

制作流程見圖1。將脫脂核桃粕粉碎并過80目篩,與玉米粉均勻混合得到核桃混合粉,在混合粉中加入一定量的純凈水并利用拌粉機攪拌至混合粉均勻,待擠壓膨化機預熱后按照一定的速度并保持穩定一致將混合粉投至擠壓膨化機內,并調整機筒溫度分別在Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區溫度,調整螺桿轉速,待混合粉膨化完成后,通過微波干燥,再粉碎后過80目篩并冷卻,得到擠壓膨化核桃混合粉。之后將制備好的核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉及小料按照一定比例調配混合,得到核桃膳食營養粉。

圖1 核桃膳食營養粉制作流程

1.3.2 擠壓膨化核桃營養粉單因素實驗

擠壓膨化中脫脂核桃粕粉的膨脹度、WSI及糊化度決定了其脫脂核桃粕粉的沖調性。確定喂料速度 1 kg/min;核桃混合粉(脫脂核桃粕+玉米粉碎后制得)、蔬菜粉、大米粉、小料質量分數分別為(59.0%+8.0)%、27.5%、4.0%、1.5%。通過對脫脂核桃粕粉質量分數、物料水分質量分數、Ⅲ區擠壓膨化溫度和螺桿轉速這4因素研究對擠壓膨化核桃營養粉的影響,擠壓膨化核桃營養粉制備的不同因素條件見表1。

表1 擠壓膨化核桃營養粉制備的不同因素條件

1.3.2.1 核桃混合粉中核桃粕粉質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ脫脂區 50 ℃、Ⅱ區150 ℃,Ⅲ區擠壓膨化溫度為 180 ℃,水分質量分數為20%,螺桿轉速1 100 r/min,核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數分別為6%、8%、10%、12%,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定物料喂料量。

1.3.2.2 物料水分質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ區50 ℃、Ⅱ區150 ℃,Ⅲ區擠壓膨化溫度為180 ℃、螺桿轉速1 100 r/min,核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數為10%,物料水分質量分數(以物料質量為標準進行水分添加)分別為16%、18%、20%、22%,通過物料膨脹度、WSI、糊化度來確定物料中水分的質量分數。

1.3.2.3 Ⅲ區擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

根據雙螺桿擠壓膨化機的特點,固定膨化溫度Ⅰ區50 ℃、Ⅱ區150 ℃,選擇Ⅲ區擠壓膨化溫度分別為160、170、180、190 ℃,核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數為10%,水分質量分數為20%、螺桿轉速為1 100 r/min,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定Ⅲ區擠壓膨化溫度。

1.3.2.4 螺桿轉速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

固定膨化溫度Ⅰ區 50 ℃、Ⅱ區 150 ℃,Ⅲ區擠壓膨化溫度為 180 ℃、水分質量分數為20%,核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數為10%時,螺桿轉速分別為800、1 000、1 200、1 400 r/min,通過檢驗膨脹度、WSI、糊化度確定螺桿轉速。

1.3.3 擠壓膨化核桃營養粉正交實驗

根據對脫脂核桃粕粉質量分數、物料水分質量分數、Ⅲ區擠壓膨化溫度和螺桿轉速這4因素研究對擠壓膨化核桃營養粉的影響的研究,進一步采用響應面分析法對擠壓膨化核桃營養粉制備工藝優化?；谥行慕M合實驗設計(CCD),選擇對膨脹度、WSI及糊化度有影響的4個主要因素:脫脂核桃粕質量分數 A、物料水分質量分數 B、Ⅲ區擠壓膨化溫度 C、螺桿轉速 D進行4因素3水平Box-Behnken響應面分析實驗[10],擠壓膨化核桃營養粉實驗因素與水平見表2。

表2 擠壓膨化核桃營養粉實驗因素與水平

1.3.4 膨脹度的測定

通常用徑向膨化率來表示膨脹度。對每組樣品(20個/組)使用千分尺對擠出物料的橫截面直徑進行測量并取平均值,徑向膨化率計算公式見式(1)。

(1)

1.3.5 水溶性指數(WSI)

稱取2 g樣品粉末(m0/g),放入離心管(m1/g)中,向離心管中加入20 mL蒸餾水,劇烈振蕩至樣品均勻分散。并將其置于30 ℃恒溫水浴保溫30 min,期間每隔10 min振蕩1次,之后將懸浮分散液在4 000 r/min的離心機中離心15 min。取上清液(m2/g),在105 ℃的烘干箱中烘干至恒重(m3/g)。WSI的計算公式見式(2)[11, 12]。

(2)

1.3.6 糊化度的測定

在m1、m2錐形瓶中分別稱取1 g樣品粉末,以m0/g錐形瓶做空白對照。分別向m1、m2和m0中加入50 mL蒸餾水并搖勻,將m1錐形瓶在電爐上加熱,為保持樣品糊化均勻且不燒干,需不斷搖晃錐形瓶,平衡保持微沸狀態20 min糊化后冷卻至室溫。分別向3個錐形瓶中加入稀釋的糖化酶5 mL,輕微振蕩至均勻混合,將其置于50 ℃恒溫水浴保溫1 h后取出,迅速向錐形瓶中加入1 mol/L的鹽酸2 mL,后定容至100 mL容量瓶后進行過濾以備后續使用。分別移取10 mL濾液放入3個標記碘量瓶中,加入0.05 mol/L的碘液10 mL及0.1 mol/L氫氧化鈉溶液18 mL,蓋好瓶塞后在避光處放置15 min,然后分別向碘量瓶中迅速加入體積分數為10%的硫酸2 mL進行反應,之后使用0.05 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定至無色,并記錄滴定所消耗的硫代硫酸鈉體積。糊化度[13]計算公式見式(3)。

(3)

1.3.7 掃描電鏡

將樣品放置于載物臺上,利用離子濺射儀噴金后,5.0 kV的加速電位拍攝圖像,觀察2 000～5 000倍數下的樣品顆粒形貌。

1.3.8 核桃膳食營養粉品質分析

依據擠壓膨化核桃混合粉最優工藝,按照1.3.1核桃膳食營養粉制作工藝,將擠壓膨化核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉、小料按照一定比例調配混合,各自占比依次為59.0%、8.0%、27.5%、4.0%、1.5%,得到核桃膳食營養粉[14]。對產品的營養成分進行分析,參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》對產品中脂肪進行檢測[15];參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》對產品中蛋白質進行檢測[16];參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》對產品中水分進行檢測[17];參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》對產品中膳食纖維進行檢測[18]。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

脫脂核桃粕質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖2所示,隨著核桃混合粉中脫脂核桃粕粉質量分數的增加,膨脹度、WSI、糊化度均先升高后降低,當核桃混合粉中脫脂核桃粕質量分數為10%時,膨脹度、WSI、糊化度達到最高,超過10%時,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度逐漸下降,這主要是因為脫脂核桃粕所占比例超過一定量時,高溫會導致膛體內物料焦糊,造成膛內擁堵,從而對核桃混合粉膨脹度、WSI、糊化度有一定影響[19, 20],因此選擇合適的核桃混合粉配比,可使產品的綜合品質得到進一步改善。

圖2 脫脂核桃粕質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.2 物料水分質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

物料水分質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖3所示,膨化度隨著物料水分質量分數的增加,呈先增加再降低的趨勢,在物料水分質量分數為20%時,其膨脹度、WSI、糊化度均達到最高。當擠壓膨化的溫度保持不變,物料水分質量分數過高的原因,導致物料膛體溫度下降,壓力降低,以至于對物料的剪切力不夠,糊化度不高,從而對核桃混合粉膨脹度、WSI造成影響。

圖3 物料水分質量分數對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.3 Ⅲ區擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

Ⅲ區擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖4所示,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度隨著Ⅲ區擠壓膨化溫度的上升,呈先上升再下降的趨勢。當Ⅲ區擠壓膨化溫度在180 ℃時,膨化度最高。而隨著Ⅲ區擠壓膨化溫度的繼續增高,膨化度降低,這是由于擠壓膨化膛體具有一定的傳導性,溫度、濕度和壓力等會對物料產生的剪切力有一定的影響,因此易產生糊化現象。在當Ⅲ區擠壓膨化溫度達到一定時,由于Ⅰ區、Ⅱ區已向Ⅲ區發生熱量傳導,Ⅲ區膛內壓力和溫度均過高,以導致物料未充分膨化,提前產生糊化的現象,從而對產品的膨脹度、WSI、糊化度造成一定影響。

圖4 Ⅲ區擠壓膨化溫度對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.1.4 螺桿轉速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

螺桿轉速對膨脹度、WSI、糊化度的影響如圖5所示,核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度隨著螺桿轉速的增大,呈先上升再下降的趨勢。當螺桿轉速在800～1 200 r/min時,核桃混合粉膨脹度、WSI、糊化度均隨著螺桿轉速的呈增加趨勢;當螺桿轉速大于1 200 r/min時,其膨脹度、WSI、糊化度轉而下降。由于螺桿轉速過快,導致膛內推動力和剪切力過大,從而縮短了溫度和壓力對物料的作用時間,在物料未發生糊化就被提前擠出,從而導致核桃混合粉的膨脹度、WSI、糊化度降低。

圖5 螺桿轉速對膨脹度、WSI、糊化度的影響

2.2 擠壓膨化核桃混合粉加工工藝響應面實驗結果與分析

實驗設計與結果見表3。

表3 實驗設計與結果

2.2.1 膨脹度模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實驗數據進行統計分析,得到二次多項式回歸方程:

膨脹度=4.688 76-0.005 376 69A-0.004 179 74B+0.068 745 6C-0.065 225 4D+0.094 783 5AB+0.027 895 5AC+0.004 475 9AD-0.041 846 5BC+0.045 901 4BD-0.060 020 2CD-0.135 204A2-0.150 398B2-0.129 896C2-0.100 639D2

表4 膨脹度擬合回歸方程的方差分析結果

2.2.2 WSI模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實驗數據進行統計分析,得到二次多項式回歸方程:

WSI=16.817 8-0.320 079A+0.035 302 8B+0.194 661C+0.439 364D-0.055 058 8AB-0.121 141AC+0.277 717AD-0.033 041 9BC-0.176 442BD-0.236 595CD-0.774 763A2-0.138 301B2-0.708 595C2-0.621 231D2

表5 WSI擬合回歸方程的方差分析結果

2.2.3 糊化度模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對實驗數據進行統計分析,得到二次多項式回歸方程:

糊化度=92.943 9+0.217 07A+0.654 247B-0.000 436 536C-0.236 662D-0.115 141AB+0.761 524AC+0.721 263AD+0.452 444BC-0.121 138BD+0.142 793CD-1.072 71A2-1.219 31B2-0.769 301C2-1.045 91D2

表6 糊化度擬合回歸方程的方差分析結果

2.2.4 最優工藝條件實驗驗證

在脫脂核桃粕質量分數、物料水分質量分數、Ⅲ區擠壓膨化溫度、螺桿轉速等因素共同影響下的最優處理工藝為:脫脂核桃粕質量分數為9.927%、物料質量分數為20.237%、Ⅲ區擠壓膨化溫度181.499 ℃、螺桿轉速1 194.457 r/min,在此條件下模型預測的膨脹度、WSI、糊化度分別為4.694%、16.833%、92.988%。

通過單因素和響應面分析,取脫脂核桃粕質量分數為10%、物料水分質量分數為20%、Ⅲ區擠壓膨化溫度182 ℃、螺桿轉速1 200 r/min為條件進行3次重復實驗,得平均膨脹度、WSI、糊化度分別為4.73%、16.85%、93.24%,與模型預測結果接近,驗證Box-Behnken響應面模型對擠壓膨化核桃營養粉最有工藝方法的有效可行。

2.2.5 掃描電鏡對比分析

脫脂核桃粕樣品掃描電鏡圖片如圖6所示,分析掃描電鏡圖可發現原物料顆粒呈現圓球形狀、表面光滑,但現經過膨化、混合等處理后,核桃粕膳食營養粉樣品掃描電鏡圖片如圖7所示,原物料圓球形狀顆粒消失,形成了粗糙不平的膨脹表面,表面粗糙度明顯高于脫脂核桃粕樣品,這種現象產生的主要原因就是通過擠壓膨化高溫、高壓、高剪切的作用下,物料受熱膨脹,然后顆粒破碎然后重組,造成表面粗糙度提高,用水沖調后口感也較為綿軟,更適合消化。

圖6 脫脂核桃粕樣品掃描電鏡圖片

圖7 核桃粕膳食營養粉樣品掃描電鏡圖片

2.2.6 核桃膳食營養粉品質分析

對核桃膳食營養粉成分品質進行分析,核桃膳食營養粉品質分析見表7。

表7 核桃膳食營養粉品質分析

3 結論

通過單因素和中心組合實驗設計(CCD)響應面分析,得到最優工藝條件為當脫脂核桃粕質量分數為10%、物料水分質量分數為20%、Ⅲ區擠壓膨化溫度182 ℃、螺桿轉速1 200 r/min時,擠壓膨化脫脂核桃粕膨脹度、WSI、糊化度分別為4.73、16.85、93.24,在此基礎上,確定了將擠壓膨化核桃混合粉與蔬菜粉、大米粉、小料按照一定比例調配混合,各自占比依次為59.0%、8.0%、27.5%、4.0%、1.5%,得到核桃膳食營養粉。本實驗制得的核桃膳食營養粉營養豐富、口感較好、蛋白質量分數高,通過工藝條件優化、營養價值提高以及提升產品沖調性等方面對核桃膳食營養粉品質進一步優化,從而滿足消費者需求,同時進一步促進核桃系列產品種類的豐富。