雙螺旋擠壓膨化技術(shù)(翻譯)

操作工藝條件對(duì)擠壓膨化燕麥玉米粉的影響Y.Liu1,F.HsiehH*2,Heymnn2,ANDH.E.Huff2Sunpower營(yíng)養(yǎng)食品有限責(zé)任公司，加利福尼亞州，美國(guó)密蘇里哥倫比亞大學(xué)食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，MO65211，密蘇里州，美國(guó)摘要：本實(shí)驗(yàn)研究了膨化工藝參數(shù)的變化對(duì)擠壓膨化產(chǎn)物物理性質(zhì)（包括膨脹度，體積密度，結(jié)構(gòu)剖面），以及感官品質(zhì)的影響。工藝參數(shù)主要包括：螺桿轉(zhuǎn)速（200，300和400rpm），水分含量（18%，19.5%和21%），以及四種燕麥粉含量（55，70，85和100%）。隨著燕麥粉含量的增高，膨化產(chǎn)物的規(guī)定長(zhǎng)度降低，體積密度增加，亮度降低，紅度增加，黃度降低，硬度增加，彈性、粘性和咀嚼性降低。除了100%的燕麥膨化粉，提高水分含量可以降低膨化度。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)體積密度、規(guī)定長(zhǎng)度和膨脹比沒(méi)有顯著影響。主成分分析顯示，降低水分含量，提高螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)引起產(chǎn)品溫度的升高，繼而使得產(chǎn)品的亮度、酥脆性、反光度升高，產(chǎn)品的胞狀結(jié)構(gòu)更為開(kāi)放。隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，產(chǎn)品溫度的提高，玉米中的風(fēng)味物質(zhì)變得更易揮發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，膨化產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官性狀之間有著很高的關(guān)聯(lián)性。關(guān)鍵詞：燕麥；玉米；膨化擠壓；感官品質(zhì)引言雖然燕麥作為世界第六大禾谷類種植作物排在小麥、玉米、水稻、大麥、高粱之后（Matz1991），對(duì)于牲畜和家禽飼料來(lái)說(shuō)是一種極其重要的谷物，但只有7%的燕麥被人類所消費(fèi)（Oomah1983）。但因?yàn)樽罱l(fā)表的一系列關(guān)于燕麥可以促進(jìn)健康的報(bào)道（VanHornandothers1991;Welch1994）這種現(xiàn)狀馬上就會(huì)發(fā)生改變。此外，美國(guó)食品藥品監(jiān)督局已經(jīng)發(fā)表聲明，稱燕麥中的可溶性纖維（β-葡聚糖）可以降低血液中膽固醇的含量，防止冠心病的發(fā)生（Anonymous1999）。擠壓膨化機(jī)械具有很多設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，可以在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)約時(shí)間、能量消耗以及費(fèi)用。在生產(chǎn)零食和即食性淀粉谷物早餐等方面，高溫短時(shí)擠壓膨化技術(shù)日益發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。直接由擠壓膨化生產(chǎn)出的產(chǎn)品零食叫做第二代零食。(HuberandRokey1990)這些零食的體積密度很低，且具有高纖維、低卡路里、高蛋白質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)豐富的特點(diǎn)。產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官性狀通常受到擠壓膨化過(guò)程中各個(gè)操作流程和原料的配比參數(shù)的影響。為了優(yōu)化膨化工藝流程，提升產(chǎn)品特性，針對(duì)改變工藝參數(shù)的研究正在緊鑼密鼓的進(jìn)行。(Chenandothers1991;Hsiehandothers1989,1990;Jinandothers1994;Berglundandothers1994)。應(yīng)用膨化技術(shù)生產(chǎn)全谷物的、基于燕麥的、即食性的方便早餐是很困難的，這可能因?yàn)檠帑溨泻羞^(guò)多的脂肪和可溶性的膠(ChangandSosulki1985)。但將玉米面粉與燕麥粉相混合，通過(guò)擠壓膨化技術(shù)，就可以生產(chǎn)出理化性質(zhì)與感官性狀俱佳的零食或早餐粉。這將使得燕麥在人類飲食中所占的比重大大上升。本研究的目的是研究膨化過(guò)程中的三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)于膨化玉米-燕麥粉物理性質(zhì)和感官性狀的影響，并綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最佳工藝參數(shù)。2.材料與方法2.1生原料：從ConAgra(Omaha,Neb.,U.S.A.)購(gòu)買的燕麥粉，以及從LauhoffGrainCo.(Danville,Ill.,U.S.A.)購(gòu)買的黃色玉米粉，這些原料使用霍巴特混合儀(ModelA200F,HobartCorp.,Troy,Ohio,U.S.A.)以期望比率混合10分鐘，以保證膨化前物料的均一性。玉米粉和燕麥粉中的近似營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表一。表1玉米粉和燕麥粉中的相似營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)量表2.2擠壓膨化機(jī)械本實(shí)驗(yàn)使用的擠壓機(jī)室共軸相連APVBaker(APVBaker,GrandRapids,Mich.,U.S.A.)，MPF50/25,28.0-kW雙螺旋可交換螺桿擠壓機(jī)，機(jī)器內(nèi)外徑比為15:1,?？傠妱?dòng)機(jī)為29.8kW的直流電動(dòng)機(jī)。通過(guò)在室溫（23℃）條件下使用泵將水注入擠壓機(jī)內(nèi)可以控制物料中的水分含量。鋼模對(duì)面帶有以330rpm的速度轉(zhuǎn)動(dòng)的若至少五分鐘內(nèi)在產(chǎn)品溫度和扭矩百分比中沒(méi)有出現(xiàn)可見(jiàn)的錯(cuò)誤，則可認(rèn)為膨化機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。收集樣品然后通過(guò)65℃流化床干燥至水分含量為6%~7%。2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：本實(shí)驗(yàn)為4×3×3因素一重復(fù)設(shè)計(jì)。本研究選取了螺桿轉(zhuǎn)速（200,300和400rpm）、水分含量（18%，19.5%和21%）、四種燕麥粉含量（55,70,85和100%）四個(gè)因素粉的膨化產(chǎn)物相比，控制配方（燕麥粉含量為100%）下膨化產(chǎn)物的體積密度很高（LSD=0.039,P=0.05），規(guī)定長(zhǎng)度很?。↙SD=2.66,P=0.05）。符合預(yù)期的是，膨化產(chǎn)物的膨脹比隨著玉米粉添加量的增加而升高。當(dāng)玉米粉添加量為15%時(shí)，可以顯著提升膨化產(chǎn)物的膨脹比，而當(dāng)燕麥粉添加量為70%和85%時(shí)，均對(duì)膨脹比沒(méi)有影響。高燕麥添加量的谷類產(chǎn)品通常很難制得，這是由于燕麥種含有過(guò)多脂肪和纖維。(Gordonandothers1986.Kumagai等人在1987年發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)處理的米粉（含有0.765%脂肪）相比，脫脂干燥的米粉經(jīng)膨化后體積會(huì)增大50%。Colonna和Mercier在1983年木薯淀粉膨化實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了脂肪在膨化過(guò)程中的潤(rùn)滑作用。脂肪在膨化過(guò)程中的作用可能是：（1）降低了生面團(tuán)與螺桿間的摩擦；（2）通過(guò)降低剪切力防止淀粉降解。(Linandothers1997)。纖維顆粒之所以可以降低膨化程度，是由于纖維可以在氣泡膨脹至最大之前破碎細(xì)胞壁。(Jinandothers1994)。綜上所述，高纖維含量的膨化產(chǎn)品通常結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)硬、不脆，以及含有其他一些不良的質(zhì)構(gòu)特性。在所有的配方處理結(jié)果中，當(dāng)物料含水量處于中等水平時(shí)（19.5%），膨化產(chǎn)物的體積密度處于最低水平。（LSD=0.039，P=0.05）。當(dāng)燕麥粉含量為70%，水分含量為19.5%時(shí)，體積密度處于最低水平。（圖1-a）。提高水分含量會(huì)引起膨化產(chǎn)物規(guī)定長(zhǎng)度的下降。水分含量對(duì)膨化比的影響在不同的配方中呈現(xiàn)出不同的結(jié)果。在控制配方（0%玉米粉）中提高水分含量，膨脹比會(huì)升高。但在高玉米粉含量的配方中提高水分含量會(huì)降低膨脹比。（圖1-c）在中等玉米粉含量的配方中，水分含量對(duì)膨脹比的影響不明顯。（LSD=0.138，P=0.05，圖1-c）。一些研究者發(fā)現(xiàn)，在不同產(chǎn)品的膨化過(guò)程中，提高水分含量會(huì)導(dǎo)致淀粉凝膠化程度的降低，(Kokiniandothers1992)，當(dāng)水分含量升高時(shí)，膨化程度會(huì)迅速降低。原始含水量的升高會(huì)降低生面團(tuán)的溫度，這是因?yàn)樗纸档土松鎴F(tuán)與旋轉(zhuǎn)螺桿之間的摩擦，抑制淀粉的凝膠化作用，降低產(chǎn)品的膨化程度。在控制配方（100%燕麥粉）下，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)體積密度、規(guī)定長(zhǎng)度、膨脹比沒(méi)有明顯的影響，這也許是因?yàn)檠帑湻壑械闹居袧?rùn)滑作用。Colonna等人在1989年的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有脂肪存在時(shí)，淀粉分子間粘連性降低。在含有玉米粉的配方中提高旋轉(zhuǎn)速度，體積密度降低，規(guī)定長(zhǎng)度和膨脹比有所增加。在膨化過(guò)程中，產(chǎn)品顏色的改變可以用于測(cè)量熱處理程度的大小。(Chenandothers1991)。顏色也是膨化產(chǎn)品的一項(xiàng)特殊屬性。方差分析表明，與旋轉(zhuǎn)速度相比，水分含量對(duì)膨化產(chǎn)品的顏色影響更為明顯。水分和燕麥粉含量的增加會(huì)導(dǎo)致膨化產(chǎn)物亮度的降低，（圖2a）這是因?yàn)榕蚧潭扔兴档?。在控制配方中，?dāng)水分含量較高時(shí)，膨化產(chǎn)物的亮度劇烈降低。在控制配方中，當(dāng)水分含量處于中等水平時(shí)（19.5%）,膨化產(chǎn)物的“L”值很高。但在含有15%玉米粉的配方中，“L”值并未隨水分含量而變化。隨著燕麥粉含量的增加，膨化產(chǎn)品的紅度值增加。這是由于燕麥粉比玉米粉的紅度值高。在燕麥粉含量為55%和70%的配方中，紅度值隨水分含量的增加而降低（原因是褐變水平的降低）。在燕麥粉含量為100%的配方中，隨著水分含量的增加，膨化產(chǎn)品的紅度值微微上升（原因是膨化程度的降低）（圖2b）。當(dāng)燕麥粉含量為85%時(shí)，水分含量對(duì)膨化產(chǎn)品的紅度值沒(méi)有明顯影響。（LSD=0.2，P=0.05）。隨著玉米粉含量的增加，膨化產(chǎn)品的黃度值（b值）增加（圖2c）。這是因?yàn)辄S玉米粉中含有類胡蘿卜素。但是，玉米粉中色素的分解和膨化過(guò)程中的膨脹作用也對(duì)產(chǎn)物的顏色有很大影響。(Berset1989)。在高玉米粉添加的配方（45%玉米粉）中，水分含量上升會(huì)輕微使得產(chǎn)品的黃度值上升，這是因?yàn)楹肿兎磻?yīng)程度降低。在其他配方（燕麥粉含量為100%,85%,70%）中,并未發(fā)現(xiàn)水分含量對(duì)黃度值有所影響。（LSD=0.064，P=0.05）。在高玉米粉含量的配方中，較高的水分含量會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品顏色較黃，膨化程度較低。旋轉(zhuǎn)速度對(duì)膨化產(chǎn)物亮度和黃度沒(méi)有明顯影響，卻能增加所有配方下膨化產(chǎn)物的紅度。增加旋轉(zhuǎn)速度可以增加剪切率，但會(huì)減少停留時(shí)間。剪切率增加，膨化產(chǎn)物的溫度隨之增加，從而促進(jìn)了褐變反應(yīng)。但停留時(shí)間減少會(huì)降低擠壓機(jī)內(nèi)生面團(tuán)的加熱時(shí)間，從而使產(chǎn)品顏色變亮。膨化產(chǎn)品最終的顏色是由這兩種反應(yīng)平衡所決定的。3.2質(zhì)地多面剖析法除控制配方以外，采用質(zhì)地多面剖析法分析各產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地。對(duì)于六種結(jié)構(gòu)參數(shù)的方差分析已在表3中顯示。六個(gè)質(zhì)構(gòu)參數(shù)中的五個(gè)（彈性，粘性，脆性，硬度和粘結(jié)力）都受到三個(gè)過(guò)程變量的影響，咀嚼性是不受旋轉(zhuǎn)速度影響的唯一特性。當(dāng)燕麥含量增加時(shí)，五個(gè)質(zhì)構(gòu)參數(shù)均降低；當(dāng)水分含量增加，五個(gè)質(zhì)構(gòu)參數(shù)均升高；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度加快時(shí)，彈性和咀嚼性隨之降低；粘性升高。圖3中數(shù)據(jù)顯示水分含量對(duì)不同燕麥粉含量的膨化產(chǎn)品的影響。當(dāng)水分含量升高時(shí)，脆性和硬度也隨之上升。高燕麥粉含量（70%，85%）的膨化產(chǎn)品的脆性和硬度比低燕麥粉含量（55%）的膨化產(chǎn)品高得多。當(dāng)水分含量為21%，燕麥粉含量為85%時(shí)，膨化產(chǎn)品的脆性和硬度均為最高。（圖3）旋轉(zhuǎn)速度對(duì)脆性和硬度的影響與水分恰恰相反，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，脆性和硬度均降低。Badrie和Mellowes在1991年的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著水分含量的上升，膨化木薯粉的硬度和脆性均升高，并在水份含量為15%達(dá)到最大值。這也許是因?yàn)樗趾吭黾咏档土伺蚧潭?。旋轉(zhuǎn)速度升高，使得膨化產(chǎn)品的溫度升高，從而導(dǎo)致硬度和脆性降低，膨脹比升高。圖1燕麥粉含量與水分含量影響圖2玉米粉含量與水分含量膨化產(chǎn)物體積密度、規(guī)定長(zhǎng)度、影響膨化產(chǎn)物亮度、紅度、膨脹比的曲面圖。黃度的曲面圖。表3質(zhì)地多面剖析法結(jié)構(gòu)參數(shù)的方差分析表圖3水分含量對(duì)不同燕麥粉含量的膨化產(chǎn)品的脆性、粘性和硬度的影響。與脆性和硬度不同，升高水分含量或降低旋轉(zhuǎn)速度會(huì)導(dǎo)致膨化產(chǎn)物粘性的降低。粘性的定義是膨脹比的第二個(gè)峰面積與第一個(gè)峰面積之比。對(duì)于膨化食品，例如膨化玉米粒，咬第二口時(shí)的時(shí)/力曲線比咬第一口時(shí)小得多，這是因?yàn)橐У谝豢跁r(shí)就已經(jīng)破壞了食物的大部分結(jié)構(gòu)。(Bourne1975)。3.3膨化對(duì)感官鑒評(píng)的影響描述性的感官鑒評(píng)數(shù)據(jù)通常有一點(diǎn)點(diǎn)的偏差。主成分分析可以有效去除不合理的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理在同一張表中，便于理解和展示。(PiggottandSharman1986)。主成分分析是用感官鑒評(píng)數(shù)據(jù)和PROCFACTOR無(wú)循環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行的。圖5顯示了主成分1和主成分2的雙標(biāo)圖，他們占到了總方差的66%，主成分1占到了45%。主成分3和主成分4并未對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成顯著性影響。燕麥、烤燕麥粉和麥片的香味屬性加載在主成分1的右面，這些風(fēng)味值隨著生物料中燕麥粉的添加量而升高（圖5）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，燕麥粉加上玉米粉的含量通常要達(dá)到100%。所以在這一實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，玉米粉含量等于樣品總質(zhì)量減去燕麥粉含量。隨著玉米粉含量的升高，玉米和烤玉米香味變得愈來(lái)愈濃郁。Chen等人在1991年的研究中發(fā)現(xiàn)，在玉米膨化產(chǎn)品中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度越快，水分含量越低，煮玉米的香味就越濃。水分含量越高，產(chǎn)品溫度越低，生面團(tuán)風(fēng)味就越濃。烤玉米香味與壓輥溫度呈正相關(guān)。主成分分析顯示，燕麥相關(guān)風(fēng)味與膨化產(chǎn)品配方中燕麥的含量有很大關(guān)系，而玉米相關(guān)風(fēng)味則取決于生產(chǎn)過(guò)程中的各工藝參數(shù)。旋轉(zhuǎn)速度越快，產(chǎn)品溫度越高，玉米風(fēng)味就越突出。燕麥粉含量還與產(chǎn)品的視覺(jué)關(guān)系密切，例如產(chǎn)品的粗糙度，緊密性，表面干燥性，曲度和不規(guī)則性。燕麥粉含量越高，以上特性的參數(shù)就越高，產(chǎn)品的視覺(jué)評(píng)分就越低。這也許是因?yàn)檠帑湻壑兄竞屠w維的含量過(guò)高。當(dāng)膨化的淀粉類食品中含有脂肪時(shí)，可溶性的直鏈淀粉與脂肪聯(lián)接，形成“對(duì)抗淀粉”，從而使得膨化產(chǎn)物中出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)。（Colonna等人，1989）。晶體結(jié)構(gòu)的形成不僅會(huì)影響膨化產(chǎn)物的物理特性，還會(huì)降低產(chǎn)品在生物體內(nèi)的消化率。(AspandBjorck1989)。Lue等人在1991年的研究中稱，高纖維含量的膨化產(chǎn)品質(zhì)地較硬，膨化程度較低，不均勻且呈“鯊魚(yú)皮”狀。這些外觀特點(diǎn)使得膨化產(chǎn)品難以吸引消費(fèi)者的眼光。本實(shí)驗(yàn)中的含燕麥粉膨化產(chǎn)品表現(xiàn)出與以上描述相同的外觀特性。產(chǎn)品溫度對(duì)膨化產(chǎn)物的影響與旋轉(zhuǎn)速度一致，而與水分含量相反。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，降低水分含量或提高旋轉(zhuǎn)速度都會(huì)引起產(chǎn)品溫度的升高。水分含量與產(chǎn)品脆性、粗糙性、咀嚼性密切相關(guān)。產(chǎn)品原始含水量越高，膨化過(guò)程中的溫度就越低，膨化程度也越小。產(chǎn)品的亮度、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、脆性一般與產(chǎn)品溫度和旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。這些特性一般用來(lái)描述膨化程度較大的產(chǎn)品。本節(jié)主要討論產(chǎn)品溫度和旋轉(zhuǎn)速度，以及產(chǎn)品溫度和以上特性之間的關(guān)系。圖4旋轉(zhuǎn)速度對(duì)不同燕麥粉含量的產(chǎn)品脆性、粘性和硬度的影響玉米制成的膨化食品總是很粘牙，這樣就造成了該產(chǎn)品的消費(fèi)局限性。（Booth1990）。在主成分1和主成分2的分析中，粘性和凝聚性都接近0值，說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)中粘性和凝聚性的變化規(guī)律沒(méi)有得到很好的解釋。3.4物理性質(zhì)與感官性狀之間的聯(lián)系通過(guò)儀器測(cè)定的產(chǎn)品的物理特性和顏色數(shù)值的均值，以及感官評(píng)定結(jié)果已經(jīng)整合在一起并已進(jìn)行過(guò)主成分分析。分析顯示，前兩個(gè)成分共引起了73.4%的變異，第一個(gè)成分引起了53.3%變異。兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的分析見(jiàn)圖6。描述膨化產(chǎn)物顏色（蒼白或黃色）的參數(shù)稱為色調(diào)。使用色度記測(cè)量黃度，就可得知色調(diào)值。采用目測(cè)法測(cè)量得到的結(jié)果與色度記所測(cè)結(jié)果相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膨化產(chǎn)物的規(guī)定長(zhǎng)度值增高時(shí)，其亮度升高，表面孔隙數(shù)增多，紅度升高。從TA.XTA質(zhì)構(gòu)分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)硬度和脆性之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。硬度測(cè)量值與感官鑒評(píng)結(jié)果中的硬度評(píng)定結(jié)果相符。粘性、膠著性測(cè)量值與臼齒咀嚼測(cè)得的結(jié)果一致。高體積密度的膨化產(chǎn)物通常伴隨著不良感官性狀。譬如產(chǎn)品表面粗糙，形狀不規(guī)則，表面太過(guò)干燥。從主成分分析的力/時(shí)曲線可以得出，膨化產(chǎn)物的膨脹比與其彈性、粘性密切、產(chǎn)品脆性和發(fā)光面等屬性密切相關(guān)。根據(jù)偏最小二乘法（PLS）的原始數(shù)據(jù)分析，扭矩和鋼模壓力不應(yīng)加入到偏最小二乘的模型中來(lái)。本實(shí)驗(yàn)在除去了以上自變量的條件下進(jìn)行重復(fù)，并得出有三個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。這三個(gè)因素引起了實(shí)驗(yàn)結(jié)果90.3%的變異。第一個(gè)因素引起47.8%的變異，第二個(gè)因素引起了19.1%的變異。與圖6顯示結(jié)果一致，最小二乘回歸得出物理性質(zhì)與感官性狀的變化趨勢(shì)是一致的。4.結(jié)論通過(guò)將燕麥粉與玉米粉結(jié)合，膨化后可以制得谷類食品或快餐小食品。燕麥粉含量和進(jìn)料水分都會(huì)顯著影響膨化產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官性狀。旋轉(zhuǎn)速度對(duì)膨化產(chǎn)品以上兩方面的影響并不明顯。通過(guò)主成分分析和偏最小二乘分析得知，膨化產(chǎn)品的物理性質(zhì)與感官性狀間存在高度關(guān)聯(lián)性。參考文獻(xiàn)Anonymous.1999.Healthclaims:Solublefiberfromcertainfoodsandriskofcoronaryheartdisease.CodeofFederalRegulations,Title21,Vol.2,Parts100to169,Sec.101.81,U.S.Govt.PrintingOffice,WashingtonAspN,BjorckJM,editors.St.Paul,BadrieN,MellowesBerglundPT,FastnaughtCE,HolmET.1994.Physicochemicalandsensoryevaluationofextrudedhigh-fiberbarleycereals.CerealChem.71:91-95.BersetC.1989.Color.In:Extr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