雙螺旋擠壓膨化技術(shù)(翻譯)

操作工藝條件對擠壓膨化燕麥玉米粉的影響Y.Liu1,F.HsiehH*2,Heymnn2,ANDH.E.Huff2Sunpower營養(yǎng)食品有限責(zé)任公司，加利福尼亞州，美國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，美國摘要：本實驗研究了膨化工藝參數(shù)的變化對擠壓膨化產(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)速對體積密度、規(guī)定長度和膨脹比沒有顯著影響。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），對于牲畜和家禽飼料來說是一種極其重要的谷物，但只有7%的燕麥被人類所消費（Oomah1983）。但因為最近發(fā)表的一系列關(guān)于燕麥可以促進健康的報道（VanHornandothers1991;Welch1994）這種現(xiàn)狀馬上就會發(fā)生改變。此外，美國食品藥品監(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）。擠壓膨化機械具有很多設(shè)計上的優(yōu)勢，可以在生產(chǎn)過程中節(jié)約時間、能量消耗以及費用。在生產(chǎn)零食和即食性淀粉谷物早餐等方面，高溫短時擠壓膨化技術(shù)日益發(fā)揮著越來越大的作用。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)、營養(yǎng)豐富的特點。產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官性狀通常受到擠壓膨化過程中各個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，針對改變工藝參數(shù)的研究正在緊鑼密鼓的進行。(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，這可能因為燕麥中含有過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程中的三個工藝參數(shù)對于膨化玉米-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.)購買的燕麥粉，以及從LauhoffGrainCo.(Danville,Ill.,U.S.A.)購買的黃色玉米粉，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養(yǎng)物質(zhì)測量結(jié)果見表一。表1玉米粉和燕麥粉中的相似營養(yǎng)元素測量表2.2擠壓膨化機械本實驗使用的擠壓機室共軸相連APVBaker(APVBaker,GrandRapids,Mich.,U.S.A.)，MPF50/25,28.0-kW雙螺旋可交換螺桿擠壓機，機器內(nèi)外徑比為15:1,?？傠妱訖C為29.8kW的直流電動機。通過在室溫（23℃）條件下使用泵將水注入擠壓機內(nèi)可以控制物料中的水分含量。鋼模對面帶有以330rpm的速度轉(zhuǎn)動的若至少五分鐘內(nèi)在產(chǎn)品溫度和扭矩百分比中沒有出現(xiàn)可見的錯誤，則可認為膨化機處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。收集樣品然后通過65℃流化床干燥至水分含量為6%~7%。2.3實驗設(shè)計：本實驗為4×3×3因素一重復(fù)設(shè)計。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。當玉米粉添加量為15%時，可以顯著提升膨化產(chǎn)物的膨脹比，而當燕麥粉添加量為70%和85%時，均對膨脹比沒有影響。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)膨化后體積會增大50%。Colonna和Mercier在1983年木薯淀粉膨化實驗中也證實了脂肪在膨化過程中的潤滑作用。脂肪在膨化過程中的作用可能是：（1）降低了生面團與螺桿間的摩擦；（2）通過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，當物料含水量處于中等水平時（19.5%），膨化產(chǎn)物的體積密度處于最低水平。（LSD=0.039，P=0.05）。當燕麥粉含量為70%，水分含量為19.5%時，體積密度處于最低水平。（圖1-a）。提高水分含量會引起膨化產(chǎn)物規(guī)定長度的下降。水分含量對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，膨脹比會升高。但在高玉米粉含量的配方中提高水分含量會降低膨脹比。（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)品的膨化過程中，提高水分含量會導(dǎo)致淀粉凝膠化程度的降低，(Kokiniandothers1992)，當水分含量升高時，膨化程度會迅速降低。原始含水量的升高會降低生面團的溫度，這是因為水分降低了生面團與旋轉(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)速度對體積密度、規(guī)定長度、膨脹比沒有明顯的影響，這也許是因為燕麥粉中的脂肪有潤滑作用。Colonna等人在1989年的研究中發(fā)現(xiàn)，當有脂肪存在時，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)定長度和膨脹比有所增加。在膨化過程中，產(chǎn)品顏色的改變可以用于測量熱處理程度的大小。(Chenandothers1991)。顏色也是膨化產(chǎn)品的一項特殊屬性。方差分析表明，與旋轉(zhuǎn)速度相比，水分含量對膨化產(chǎn)品的顏色影響更為明顯。水分和燕麥粉含量的增加會導(dǎo)致膨化產(chǎn)物亮度的降低，（圖2a）這是因為膨化程度有所降低。在控制配方中，當水分含量較高時，膨化產(chǎn)物的亮度劇烈降低。在控制配方中，當水分含量處于中等水平時（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）。當燕麥粉含量為85%時，水分含量對膨化產(chǎn)品的紅度值沒有明顯影響。（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）。這是因為黃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程中的膨脹作用也對產(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，水分含量上升會輕微使得產(chǎn)品的黃度值上升，這是因為褐變反應(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，較高的水分含量會導(dǎo)致產(chǎn)品顏色較黃，膨化程度較低。旋轉(zhuǎn)速度對膨化產(chǎn)物亮度和黃度沒有明顯影響，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，但會減少停留時間。剪切率增加，膨化產(chǎn)物的溫度隨之增加，從而促進了褐變反應(yīng)。但停留時間減少會降低擠壓機內(nèi)生面團的加熱時間，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。對于六種結(jié)構(gòu)參數(shù)的方差分析已在表3中顯示。六個質(zhì)構(gòu)參數(shù)中的五個（彈性，粘性，脆性，硬度和粘結(jié)力）都受到三個過程變量的影響，咀嚼性是不受旋轉(zhuǎn)速度影響的唯一特性。當燕麥含量增加時，五個質(zhì)構(gòu)參數(shù)均降低；當水分含量增加，五個質(zhì)構(gòu)參數(shù)均升高；當旋轉(zhuǎn)速度加快時，彈性和咀嚼性隨之降低；粘性升高。圖3中數(shù)據(jù)顯示水分含量對不同燕麥粉含量的膨化產(chǎn)品的影響。當水分含量升高時，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。當水分含量為21%，燕麥粉含量為85%時，膨化產(chǎn)品的脆性和硬度均為最高。（圖3）旋轉(zhuǎn)速度對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%達到最大值。這也許是因為水分含量增加降低了膨化程度。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峰面積與第一個峰面積之比。對于膨化食品，例如膨化玉米粒，咬第二口時的時/力曲線比咬第一口時小得多，這是因為咬第一口時就已經(jīng)破壞了食物的大部分結(jié)構(gòu)。(Bourne1975)。3.3膨化對感官鑒評的影響描述性的感官鑒評數(shù)據(jù)通常有一點點的偏差。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數(shù)據(jù)和PROCFACTOR無循環(huán)設(shè)計參數(shù)來進行的。圖5顯示了主成分1和主成分2的雙標圖，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并未對實驗結(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)實驗設(shè)計，燕麥粉加上玉米粉的含量通常要達到100%。所以在這一實驗環(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)品的視覺評分就越低。這也許是因為燕麥粉中脂肪和纖維的含量過高。當膨化的淀粉類食品中含有脂肪時，可溶性的直鏈淀粉與脂肪聯(lián)接，形成“對抗淀粉”，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)的形成不僅會影響膨化產(chǎn)物的物理特性，還會降低產(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“鯊魚皮”狀。這些外觀特點使得膨化產(chǎn)品難以吸引消費者的眼光。本實驗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。實驗結(jié)果顯示，降低水分含量或提高旋轉(zhuǎn)速度都會引起產(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，膨化過程中的溫度就越低，膨化程度也越小。產(chǎn)品的亮度、細胞結(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，說明了本實驗中粘性和凝聚性的變化規(guī)律沒有得到很好的解釋。3.4物理性質(zhì)與感官性狀之間的聯(lián)系通過儀器測定的產(chǎn)品的物理特性和顏色數(shù)值的均值，以及感官評定結(jié)果已經(jīng)整合在一起并已進行過主成分分析。分析顯示，前兩個成分共引起了73.4%的變異，第一個成分引起了53.3%變異。兩個數(shù)據(jù)集之間的分析見圖6。描述膨化產(chǎn)物顏色（蒼白或黃色）的參數(shù)稱為色調(diào)。使用色度記測量黃度，就可得知色調(diào)值。采用目測法測量得到的結(jié)果與色度記所測結(jié)果相似。實驗結(jié)果表明，當膨化產(chǎn)物的規(guī)定長度值增高時，其亮度升高，表面孔隙數(shù)增多，紅度升高。從TA.XTA質(zhì)構(gòu)分析儀測得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)硬度和脆性之間有很強的關(guān)聯(lián)性。硬度測量值與感官鑒評結(jié)果中的硬度評定結(jié)果相符。粘性、膠著性測量值與臼齒咀嚼測得的結(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，表面太過干燥。從主成分分析的力/時曲線可以得出，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。本實驗在除去了以上自變量的條件下進行重復(fù)，并得出有三個因素對實驗結(jié)果有著重要影響。這三個因素引起了實驗結(jié)果90.3%的變異。第一個因素引起47.8%的變異，第二個因素引起了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是一致的。4.結(jié)論通過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。燕麥粉含量和進料水分都會顯著影響膨化產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官性狀。旋轉(zhuǎn)速度對膨化產(chǎn)品以上兩方面的影響并不明顯。通過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:Extrusioncooking.MercierC.,LinkoP.,andHarperJM,editors.St.Paul,Minn.:Am.Assn.BoothRG.1990.Ingredients:Theirattributesandfunctions.In:Snackfood.BoothR.G.,editor.NewYork:VanNostrandReinhold/AVI.P7-39.BourneMC.1975.Texturepropertiesandevaluationoffabricatedfoods.InFabricatedfoods.InglettG.E.,editor.NewYork:VanNostrandReinhold/AVI.P127-158.ChangPR,SosulkiFW.1985.Functionalpropertiesofdrymilledfractionsfromwildoats.J.FoodSci.50:1143-1147.ChenJ,SerafinFL,PandyaRN,DaunH.1991.Effectofextrusionconditionsonsensorypropertiesofcornmealextrudates.J.FoodSci.56:84-89.Colonna,P.,Mercier,C.1983.Macromolecularmodificationsofmaniocstarchcomponentsbyextrusioncookingwithandwithoutlipids.Carbohydr.Polym.3:87-108.ColonnaP,TayebJ.,MercierC.1989.Extrusioncookingofstarchandstarchyproducts.In:Extrusioncooking.MercierC.,LinkoP.,andHarperJM,editors.St.Paul,Minn.:Am.Assn.CerealChem.GordonWA,JamesR.1986.ProcessforpreparingahighlyHalekGW,PaikSW,ChangKLB.1989.Theeffectofmoisturecontentonmechanicalpropertiesandtextureprofileparametersofcornmealextrudate.J.TextureStud.20:43-55.HsiehF,MulvaneySJ,HuffHE,LueS,BrentJJr.1989.Effectsofdietaryfiberandscrewspeedonsomeextrusionprocessingandproductvariables.Lebensm.-Wiss.Technol.22:204-207.HsiehF,PengIC,HuffHE.1990.Effectsofsalt,sugarandscrewspeedonprocessingandproductvariablesofcornmealextrudedwithatwin-screwextruder.J.FoodSci.55:224-227.HuL,HsiehF,HuffHE.1993.Cornmealextrusionwithemulsifierandsoybeanfiber.Lebensm.-Wiss.Technol.26:544-551.HuberGR,RokeyGJ.1990.Extrudedsnack.In:Snackfood.BoothR.G.,editor.NewYork:VanNostrandReinhold/AVI.P107-138.JinZ,HsiehF,HuffHE.1994.Extrusionofcornmealwithsoyfiber,salt,andsugar.CerealChem.71:227-223.KokiniJL,ChangCN,LaiLS.1992.Theroleofrheologicalpropertiesonextrudateexpansion.In:Foodextrusionscienceandtechnology.KokiniJC,HoCT,KarweMV,editors.NewYorkKumagaiH,LeeBH,YanoT.1987.Flourtreatmenttoimprovethequalityofextrusion-cookedriceflourproducts.J.Agric.Biol.Chem.51:2067-2071.LinS,HsiehF,HuffHE.1997.Effectsoflipidsandprocessingconditionsondegreeofstarchgelatinizationofextrudeddrypetfood.Lebensm.-Wiss.Technol.30:754-761.LueS,HsiehF,HuffH.E.1991.Extrusi