擠壓膨化技術在雜糧加工業的應用研究

　　摘要：擠壓膨化技術具有改變物料性質、生產耗時短、連續性高等優點，在食品研發、加工過程中具有很高的應用價值。尤其是在雜糧加工領域，該技術不僅可以較好地保留雜糧中的營養物質，還可以提高產品風味、口感等感官體驗，具有廣闊的前景。該文系統地介紹了雜糧擠壓處理后營養物質的變化以及擠壓膨化技術在雜糧加工中的應用研究，分析擠壓膨化技術在雜糧加工中的應用前景，旨在豐富雜糧食品研發的品種，并為其理論基礎研究提供參考。

　　關鍵詞：雜糧;擠壓膨化;加工;營養物質;應用

　　日趨理性的消費行為和現代健康膳食理念的普及，使得新型雜糧營養食品越來越受到消費者的喜愛。雜糧通常是指除水稻、小麥、玉米、大豆和薯類五大作物外的其它糧豆作物。同細糧相比，雜糧的某些微量元素含量更加豐富，如鐵、鎂、硒等，一些生物活性物質如酚類、黃酮類物質的含量也更為豐富[1]。現代營養學研究結果表明，常吃雜糧可以防治包括高血壓、高血脂、高血糖、心腦血管疾病在內的一些慢性病[2]。

　　食品加工論文范例：探究酶學技術在食品加工與食品質量檢測中的應用

　　雜糧營養豐富且具有一些保健功效，但存在不易烹飪、口感不佳等問題，而且現代消費者注重更多的是食物的色、香、味、形，為了能在日常飲食中推廣雜糧，研究人員及食品企業還需對雜糧的加工方式等進行深入研究。在目前已有的雜糧加工工藝中，無論是生產便利性、產品豐富性或者產品營養保持率，擠壓膨化工藝均能達到較高水平。擠壓膨化工藝在食品加工應用中的開發可以追溯到20世紀30年代——第一臺用于食品加工的單螺桿擠壓機問世[3]。隨著應用領域的拓展開發，單螺桿擠壓機的物料局限性促進了雙螺桿擠壓機的開發，且雙螺桿擠壓機在食品工業中的應用越來越多，目前在食品工業中最常用的擠壓機是雙螺桿、同向、完全齒合的梯形螺紋雙螺桿擠壓機[4]。

　　因其在食品開發、生產中具有很高的價值，至20世紀70年代，歐美市場中方便食品已有30%采用擠壓膨化技術[3]，同期我國開始引入并研究擠壓膨化工藝，該項技術在國內也得到了迅速的發展與推廣。目前在食品工業的應用領域中除了方便食品、休閑零食、食品添加劑等，該項技術在雜糧加工領域的應用開發也得到了越來越多的關注。本文綜述了雜糧在擠壓前后營養物質的變化情況，以及擠壓膨化技術在雜糧加工中的應用，以期為未來食品工業發展過程中擠壓工藝的應用與發展提供參考。

　　1擠壓膨化工藝原理及特征

　　擠壓膨化將攪拌、混勻、加熱、擠壓、殺菌、膨化結合起來對物料進行處理，實現系列單元連續操作[5]。原料由喂料裝置進入擠壓機喂料口，同時向喂料口送入一定量的水，經調質裝置進入擠壓機機筒內，由螺桿裹挾著向出料口輸送。在機筒內運輸期間，物料與物料、螺桿和機筒內壁產生巨大的摩擦力，螺桿同時對物料進行剪切，機筒內的物料處于高溫、高壓、高剪切力環境中，其理化性質、營養物質等均發生了一系列不同程度的物理和化學變化。隨著物料被擠出擠壓機模具口(即出口)，溫度、壓力、水分含量均發生驟降，產品由此定型。螺桿擠壓機可得到膨化和非膨化食品，二者的差異主要在擠壓機機筒溫度的設定方面。

　　單純對物料進行擠壓則設定機筒溫度變化區間為先增后降，即兩端溫度低，中間溫度高;膨化則是設置機筒溫度逐步升高，使物料在出料口因壓力驟減、溫度驟降與水分汽化而膨脹，形成多孔結構。無論是否膨化，經擠壓處理后物料的形狀、微觀結構及理化性質均發生了改變[6]。擠壓膨化屬于食品質構調整技術[7]，食品原料經擠壓膨化處理后，其內含的大分子營養物質在一定程度上被降解為更小的分子，故更易消化吸收，同時擠壓膨化食品理化性質的改變也對食品品質的提高、貨架期的延長等具有一定的積極作用[8-9]。擠壓過程中的高溫高壓環境，可使產品的消化率、速食性、滅霉率等趨向最大。除此之外，擠壓膨化設備生產能力高，連續性好，占地面積小，最終產品種類多、質量好，在合理計算物料投入量及規范操作的前提下，生產過程中甚至無廢棄物排出。

　　2雜糧擠壓處理后主要營養物質的變化

　　雜糧具有很高的營養價值，所有種類的雜糧均含有碳水化合物、蛋白質和脂肪，不同雜糧中主要營養物質的差異是含量不同，因此經擠壓處理后，雜糧中主要營養物質的性質變化和原理大致相同。

　　2.1碳水化合物

　　2.1.1淀粉雜糧中的主要營養物質為淀粉，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，各種雜糧中兩種淀粉比例均不同，故口感、糊化特性、老化時間等也有所差異。據研究，擠壓膨化處理會使支鏈淀粉發生斷裂、降解，轉化成直鏈淀粉和糊精等小分子物質，這是因為在擠壓機機筒內的高溫高壓和高剪切力的作用下，α-1，6-糖苷鍵比α-1，4-糖苷鍵更易斷裂，故在擠壓過程中，支鏈淀粉的降解效果更明顯，徐曉茹等[10]的研究結果表明經擠壓后直鏈淀粉含量提高。同時，淀粉顆粒的大小、形態等也會發生變化，變化的共同特征為淀粉顆粒被不同程度破碎、分布更加緊密等，這都對淀粉的消化特性、復水性、口感等產生影響[11]。

　　在擠壓膨化過程中，淀粉的糊化是一個很重要的變化。由目前已知的研究表明，淀粉糊化是由分子間氫鍵的斷裂造成的，加工中伴隨的高溫高壓狀態會使淀粉顆粒由固體狀迅速轉化為熔融態，同時氫鍵發生斷裂，產生糊化結果。淀粉的糊化程度，與機筒溫度設定、水分含量和螺桿轉速均有關。馮玉紅[12]將帶胚玉米作為原料進行處理，發現產品的糊化度與機筒出口部分溫度呈正相關，而與擠壓機螺桿轉速呈負相關。可知在溫度不變條件下，擠壓機的螺桿轉速在允許范圍內越慢，淀粉的糊化度越高。楊銘鐸[13]的研究發現，相比慣常使用的烹煮處理，擠壓膨化處理得到的淀粉糊化度更高。

　　2.1.2膳食纖維擠壓膨化技術在膳食纖維改性方面具有良好的前景。根據相關研究[14-15]，小麥麩及燕麥麩經擠壓處理后，可溶性膳食纖維的含量均有所上升。經處理的膳食纖維持水力和膨脹力有所增加，這兩項指標均是評價膳食纖維生理活性和加工應用特性的重要指標[16-17]。可溶性膳食纖維可以被人體吸收幫助代謝脂類化合物，而不溶性膳食纖維雖不能被人體吸收，但能夠幫助維持腸道中的菌落平衡，并且促進腸道蠕動，有效防治便秘及一些胃腸疾病。

　　2.2蛋白質

　　擠壓膨化過程中的高溫、高壓、高剪切力的綜合作用會弱化蛋白質結構間的結合力，破壞三、四級結構。在蛋白質分子結構伸展、重組的過程中，表面電荷重新排布，氫鍵、二硫鍵發生部分斷裂，導致蛋白質變性[18]。有研究表明[19]，蛋白質變性程度與螺桿擠壓機的參數設定有密切關系：當擠壓溫度低、水分高、螺桿轉速快時，蛋白質的變性程度低，同時擠出產品的溶解性好;反之則蛋白質變性程度高，但組織化程度好。在壓力和蒸汽的作用下，變性的蛋白質保留多孔結構，更易與酶結合，提高了蛋白質的消化率。同時擠壓膨化過程中，蛋白質發生降解產生小分子肽和氨基酸。

　　降解過程中產生的氨基酸與物料中原本存在的氨基酸一同，與物料中原本存在的或淀粉降解后產生的還原糖和其它羰基化合物發生美拉德反應，造成氨基酸損失，產品中總的蛋白質(總氮)含量因此降低。ILO等[20]研究發現Lys、Arg、Cys和Met4種氨基酸是不穩定的氨基酸，在處理過程中遵照一級反應進行。由此可見，擠壓膨化過程中氨基酸的損失并不是所有種類等量進行的，為了保證擠出物中蛋白質質量，并設法減少Lys等不穩定氨基酸在處理過程中的損失率，在采用合適加工條件的同時，應加強氨基酸強化技術和方法的探究，從而獲得高質量的產品。

　　2.3脂肪

　　物料在擠壓機機筒內進行處理時，脂肪酶在環境升溫過程中會加速甘油三酯的水解，產生單甘油和游離脂肪酸。但是目前已知的研究結果顯示，脂肪酶在70℃時就已經被破壞，不具備生物活性，而擠壓機由喂料口至機筒加溫區間距短，且物料一直被螺桿向前輸送，故物料溫度低于70℃的相對時間短。在這一過程中脂肪被水解產生的游離脂肪酸是微量的。而且當溫度達到110℃時，脂肪便不再進行非酶氧化[21-22]。所以與其它處理方式相比，擠壓膨化處理得到的產品貨架期更長，脂肪氧化問題發生程度更低，因此可在一定程度上減少食品品質下降和產生不良風味等脂肪氧化問題。

　　3擠壓膨化處理在雜糧加工中的應用

　　考慮到雜糧的不易烹煮、口感較差與家庭加工食用方法的單一性，擠壓膨化處理是目前雜糧預加工的重要方法，正因為此種方法可簡化淀粉預糊化及營養物質改性過程并使效率提高，越來越多的學者開始研究擠壓膨化技術在食品加工工業中的應用。其應用方面主要有如下幾種。

　　3.1膨化雜糧粉

　　經擠壓膨化處理過的雜糧粉不僅可以單獨作為原料生產即食食品，也可以與其它谷物粉復配生產復配粉，或以復配粉為原料的其它食品，不僅可以滿足既定的營養需求，也可以在風味、口感上滿足消費者的多樣化要求。韓玲玉等[1]對青稞、藜麥、燕麥、薏苡、小米、綠豆、豌豆這7種雜糧的抗氧化活性及其擠壓粉的體外消化特性和估計血糖生成指數(expectedglycemicindex，eGI)進行了研究，最終結果表明7種雜糧的抗氧化活性存在顯著性差異，其中青稞清除DPPH·、ABTS+·能力和總抗氧化能力最強，eGI值最高為小米(82.49)，歸為高血糖生成指數食品，其余雜糧均為中血糖生成指數食品(61.96~73.24)。

　　公麗艷等[26]以薏米、小米、高粱、黑米、蕎麥為原料研制五谷雜糧養生糊，將粉碎過篩后的雜糧粉進行擠壓膨化等一系列處理最終得到成品，以感官評價、膨化度和吸水指數為參照指標，所得最佳的工藝參數為：物料粒徑80目、物料加水量20%、擠壓溫度130℃、螺桿轉速170r/min。薛朕鈺等[27]將裸燕麥粉與玉米淀粉混合進行擠壓膨化處理，以膨化率、吸水指數、水溶性指數、質構及感官評價5項指標進行綜合評價，最終確定的試驗參數為：物料加水量4%、IV區膨化溫度180℃、螺桿轉速25Hz、喂料速度40g/min，此時膨化率及物性效果較好。

　　3.2雜糧重組米

　　雜糧重組米，顧名思義是指通過雜糧復配后重新加工得到的“雜糧米”，也稱工程米、復合米。這種重組米以碎米、雜糧等為原料，將粉碎后的原料進行調質后送入擠壓機進行擠壓處理，通過調整擠壓機出口刀頭使擠出物呈米粒形狀，最后對其進行干燥得到成品[28]。

　　通過對各種雜糧進行復配，其所含營養物質的種類及量的優劣勢可以相互發揮與補足，例如燕麥所含的β葡聚糖量較高，且經高溫處理其含量變化不顯著[29];大部分谷物的限制性氨基酸為Lys，而雜豆類的Lys含量是谷物的兩倍以上。對重組米而言，血糖生成指數、營養組成、吸水指數、穩定性、口感等都是評判其質量的重要標準。魏再鴻等[30]以谷物雜糧為原料探究擠壓參數對重組米吸水指數的影響，發現物料在高剪切力、高溫高壓及水分條件作用下產生了致密的微孔結構，使得重組米的吸水指數較大，同時所得成品的綜合食用品質與市售的優質東北香大米十分接近。

　　劉成梅等[31]對重組米的血糖生成指數進行了相關研究，通過向秈米中添加高直鏈玉米淀粉降低重組米的血糖生成指數，添加燕麥膳食纖維和大米蛋白降低成品蒸煮后的硬度，同時這3種原料的添加不會改變成品米蒸煮后的黏度，最終制得的成品因其較低的血糖生成指數，既可作為高血糖人群的大米替代物，也可作為普通人日常食用的健康食品。相關研究[32]報道的一種營養均衡、穩定的雜糧復合米，先將主要原料雜豆進行處理(包括粉碎、調制、擠壓膨化、細微化粉碎)，將處理完成得到的雜豆粉與谷物粉混合進行二次膨化，與小麥胚芽粉復配后經過一系列步驟最終得到成品，對雜豆粉先進行一次膨化的目的是預先混合各種豆粉并使豆類中不易消化的大分子降解，增加水溶性成分，使之易于消化。

　　4結語

　　雜糧相較于精細糧來說，雖然在價格、烹飪難度、口感等方面均有差距，但隨著人們生活水平的提高和均衡營養意識的完善，雜糧在營養成分、生物活性物質方面受到了越來越多的關注。而且任何年齡段消費者均適宜食用，在增強機體功能、修復體質、調節免疫和內分泌、提高機體應激能力、預防疾病、抗癌、減肥、輔助治療等方面也都有非常好的效果。擠壓膨化技術在我國仍處于起步階段，將雜糧與擠壓膨化技術結合起來，不僅能粗糧細做，更好利用低價粗原料，更先進的、生產能力大的擠壓膨化設備也會被同步研發。

　　而且目前食品工業中雜糧食品的種類還比較少，這意味著未來無論雜糧食品或是擠壓膨化技術的開發前景均十分廣闊，這也需要國內研究人員向產品開發領域投入更多精力。從營養物質方面看，一方面擠壓膨化處理可以使產品中的淀粉、蛋白質初步水解，提高消化率，延長貨架期，保證食品品質;另一方面，高溫高壓的環境雖然使一些熱敏性營養物質喪失生物活性，如：維生素、多酚類物質等，但考慮到通過控制擠壓膨化處理過程中的變量參數，或者開發與營養強化相關的加工工藝，目前這些面臨的問題都可以得到較好地解決。

　　何況與其它處理工藝相比，擠壓膨化處理在物性改造與保藏性提升方面均有較大的優勢。相比較國外對食品擠壓膨化技術的研究、應用程度，國內相應的研究和應用在未來還有很大的發展空間。此外，雜糧食品的品類在消費市場中仍相對單一，例如針對糖尿病患者的低血糖生成指數食品、針對麩質過敏人群的“無麩質”食品等特種食品仍處于研究階段，市場投放量少，大部分消費者未認識到該種食品的價值。相信隨著人們健康觀念的強化以及營養知識的普及，擠壓膨化雜糧食品會得到越來越多消費者的認可，針對其在食品工業中應用的研究也會越來越多并日趨完善。

　　參考文獻：

　　[1]韓玲玉,汪麗萍,譚斌,等.7種雜糧抗氧化活性及其擠壓雜糧粉體外消化特性研究[J].中國糧油學報,2019,34(6):45-52.

　　[2]沙敏,武拉平.雜糧研究現狀與趨勢[J].農業展望,2015,11(2):53-56，60.

　　[3]朱國洪,彭超英,尹國.食品擠壓技術及最新研究進展[J].食品與發酵工業,2000,26(4):59-62.

　　[4]劉紅武.食品擠壓技術[J].食品科學,2000,21(12):184-187.

　　[5]葉瓊娟,楊公明,張全凱,等.擠壓膨化技術及其最新應用進展[J].食品安全質量檢測學報,2013,4(5):1329-1334.

　　作者：孟如君1，劉靜1，沈汪洋1，2，李芳1，2*

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